釩含量對(duì)不同冷速冷卻后高碳珠光體鋼顯微組織的影響

梁 宇，石芷伊，梁益龍

（1.貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院，貴陽(yáng)550025；2.貴州省材料結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng)550025）

0 引 言

SWRS82B盤(pán)條是用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼絲鋼絞線的重要原材料，其組織和性能對(duì)后期深加工產(chǎn)品的相關(guān)性能具有較大的影響，因此對(duì)盤(pán)條組織和性能的研究將有助于后期冷變形加工產(chǎn)品性能的提高。關(guān)于中高碳鋼中采用釩元素進(jìn)行微合金化以細(xì)化奧氏體晶粒及珠光體組織的研究均有過(guò)相關(guān)報(bào)道［1－4］。這些研究對(duì)釩元素細(xì)化奧氏體晶粒、珠光體團(tuán)尺寸及片層間距的有益作用進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，但是關(guān)于工業(yè)化生產(chǎn)中風(fēng)冷即連續(xù)冷卻條件下，不同含量釩微合金化對(duì)其組織影響的研究并不多見(jiàn)。鑒于此，作者采用SWRS82B盤(pán)條鋼為原料進(jìn)行釩微合金化，制備了不同釩含量的試樣，然后模擬工業(yè)生產(chǎn)風(fēng)冷（斯太爾摩風(fēng)冷線）在不同冷速下對(duì)試樣進(jìn)行冷卻，并觀察其顯微組織變化，探索了釩元素及冷卻條件對(duì)高碳鋼盤(pán)條顯微組織的影響，為工業(yè)化生產(chǎn)高碳鋼盤(pán)條微合金化方案提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用市售國(guó)產(chǎn)φ16mm SWRS82B鋼盤(pán)條為原材料，在10kg真空中頻感應(yīng)爐中熔煉，根據(jù)真空熔煉爐原料中各元素含量燒損變化趨勢(shì)，每一爐次通過(guò)添加一定量T10鋼來(lái)調(diào)整碳元素含量。根據(jù)試驗(yàn)材料釩元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求，在加料斗中放入所需質(zhì)量釩鐵，待觀察到鋼液熔化翻滾后（約1 550℃）倒入釩鐵，保持10～20s時(shí)間均勻化后，將鋼液倒入鋼模澆鑄成φ95mm鑄錠，再將鑄錠鍛造為φ17mm的圓棒。試驗(yàn)鋼最終化學(xué)成分見(jiàn)表1所示，編號(hào)按實(shí)際爐次給出。

從試驗(yàn)材料切取尺寸φ17mm×20mm試樣若干，在SX2－10－12A型箱式電阻爐中加熱到860℃保溫20min。出爐后試樣分別在可調(diào)頻風(fēng)機(jī)上進(jìn)行風(fēng)冷，冷卻速率分別為16℃·s－1和10℃·s－1，另對(duì)4－2試樣加熱后進(jìn)行冷速較快的500℃鹽浴處理。

將熱處理后的試樣表面打磨和拋光后用體積分?jǐn)?shù)3%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，在PMG－3型光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織；采用過(guò)飽和苦味酸溶液進(jìn)行晶粒形貌腐蝕，用截線法測(cè)量平均晶粒尺寸；通過(guò)線切割切取1mm厚度試樣，用金相砂紙反復(fù)拋磨后通過(guò)電解雙噴減薄制樣，在JEM－2000FXII型透射電子顯微鏡（TEM）上進(jìn)行組織觀察。

采用Pandata熱力學(xué)計(jì)算軟件及PanFe數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)不同釩含量碳鋼進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，除釩外其余成分按三爐次平均值給出。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可見(jiàn)，SWRS82B盤(pán)條鋼的組織相對(duì)較均勻，為常見(jiàn)的索氏體；對(duì)于碳元素含量偏低、釩元素含量偏高的試樣1－1，奧氏體化后在較慢的冷速10℃·s－1下風(fēng)冷時(shí)，晶界上局部可見(jiàn)先共析鐵素體，當(dāng)提高冷卻速率到16℃·s－1后，先共析鐵素體基本未出現(xiàn)；但對(duì)于碳元素含量比較高，釩元素含量偏低的試樣3－2，奧氏體化后在兩種冷速下風(fēng)冷后組織均為均勻的索氏體，未見(jiàn)先共析鐵素體出現(xiàn)；而釩元素含量明顯提高的試樣4－2，其索氏體組織明顯細(xì)化［5］，但是在兩種冷速下風(fēng)冷后，在晶界上均出現(xiàn)了明顯的先共析鐵素體塊；試樣4－2經(jīng)奧氏體化及500℃鹽浴處理后，沒(méi)有明顯的先共析鐵素體出現(xiàn)。

選取了試樣1－1及試樣4－2進(jìn)行原始奧氏體晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)，如圖2所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示試樣1－1的平均晶粒尺寸為55.73μm，試樣4－2的平均晶粒尺寸為44.21μm，可見(jiàn)釩元素含量較高的的試樣4－2的晶粒尺寸明顯細(xì)小。

對(duì)高碳珠光體鋼冷卻過(guò)程中出現(xiàn)先共析鐵素體這一現(xiàn)象，在文獻(xiàn)［6］中也提到過(guò)，且指出其數(shù)量隨釩含量、冷速、轉(zhuǎn)變溫度的不同而變化。同時(shí)有研究指出這一現(xiàn)象在碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.85%、釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.1%的鋼中也會(huì)出現(xiàn)，其認(rèn)為釩可促進(jìn)珠光體鋼先共析鐵素體的轉(zhuǎn)變［7］。還有研究［8］指出，釩的碳化物優(yōu)先在晶界形核，使晶界區(qū)產(chǎn)生碳的貧化，從而促進(jìn)了鐵素體的形成。

釩元素的加入，會(huì)增大碳化物形核的驅(qū)動(dòng)力，提高晶界上碳化物形核數(shù)率，碳化物在晶界形核長(zhǎng)大是各自獨(dú)立且同時(shí)發(fā)生的，隨著碳化物的形核長(zhǎng)大，在晶界碳化物周?chē)纬韶毺紖^(qū)，促使鐵素體在晶界碳化物析出的附近區(qū)域形核［9］。晶界上碳化物的密度高，加之形成鐵素體的驅(qū)動(dòng)力有限，這樣就構(gòu)成了不利于配合長(zhǎng)大的初始條件，鐵素體包圍了晶界上的碳化物。在文獻(xiàn)［10］對(duì)SWRH77B鋼的研究中也指出，高碳鋼中加入的釩元素達(dá)到一定量后會(huì)使晶界碳偏析程度加大，碳化物在晶界析出傾向增加，而碳化物的析出又會(huì)使周?chē)鷧^(qū)域貧碳導(dǎo)致鐵素體析出傾向增大。

由圖3可見(jiàn)，以16℃·s－1冷卻的試樣4－2晶界上有明顯非連續(xù)碳化物富集，碳化物富集的晶界一側(cè)為先共析鐵素體，另一側(cè)為珠光體；珠光體以晶界形成的碳化物為核心，向晶粒內(nèi)生長(zhǎng)，且在晶界形核的珠光體由于取向原因只向其中一個(gè)晶粒內(nèi)長(zhǎng)大，而不能同時(shí)向兩個(gè)晶粒內(nèi)生長(zhǎng)，這與文獻(xiàn)［11］報(bào)道的珠光體在晶界形核長(zhǎng)大的形貌一致。文獻(xiàn)［12］也報(bào)道了珠光體相變時(shí)取向關(guān)系，指出由于珠光體內(nèi)的鐵素體和滲碳體兩相在生長(zhǎng)過(guò)程中需保持良好配合，晶界上形成的珠光體更易向與其無(wú)特定取向關(guān)系的晶粒內(nèi)生長(zhǎng)。

因此在冷卻時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變初期釩元素促進(jìn)晶界上析出碳化物后，在取向合適的晶粒內(nèi)，晶界碳化物可作為先析出相使珠光體在此形核、長(zhǎng)大［13］。在取向不合適的晶粒內(nèi)，雖然釩元素的加入促進(jìn)了晶界碳化物析出，但由于取向的因素［12］，滲碳體與鐵素體較難向這個(gè)晶粒內(nèi)部生長(zhǎng)，而附近區(qū)域形成的貧碳區(qū)正好促進(jìn)了先共析鐵素體的形成。由于這類(lèi)鐵素體是在晶界附近形成，因此在低分辨率光學(xué)顯微組織下猶如鐵素體沿晶界析出。從圖3中也可見(jiàn)，晶界附近的一個(gè)晶粒內(nèi)，貧碳區(qū)形成的先析出鐵素體是獨(dú)立長(zhǎng)大，而不是與滲碳體配合通過(guò)交替形核長(zhǎng)大形成片狀組織，因此失去了共析組織的層狀組織特征，具有離異共析形貌。

2.2 相圖計(jì)算

從圖4可見(jiàn)，釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%時(shí)計(jì)算相圖中的共析點(diǎn)相對(duì)釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%時(shí)的明顯向右移動(dòng)，使得鋼中先共析鐵素體區(qū)域擴(kuò)大，在冷卻過(guò)程中需要以更快的冷卻速率通過(guò)這一區(qū)域才能避免先共析鐵素體的析出。同時(shí)通過(guò)計(jì)算得出在相變溫度為500℃時(shí)，釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%的試樣，析出碳化物MC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.07%；而相同溫度下，釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%的試樣析出碳化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，這與前述釩元素促進(jìn)碳化物相析出的結(jié)論一致。

試驗(yàn)鋼碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.78%～0.8%時(shí)，計(jì)算所得共析點(diǎn)的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于傳統(tǒng)意義上共析點(diǎn)0.77%的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文獻(xiàn)［10］對(duì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%～0.78%的SWRH77B碳鋼共析點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果為0.72%～0.69%，其認(rèn)為由于硅、錳均是降低共析點(diǎn)碳含量的元素，作者根據(jù)熱力學(xué)定義該鋼依然屬于共析鋼。得到的相圖計(jì)算只對(duì)釩元素含量對(duì)相區(qū)影響的趨勢(shì)進(jìn)行了驗(yàn)證，并考慮冷卻過(guò)程中釩元素及其碳化物在局部區(qū)域元素富集的情況，因?yàn)榫植繀^(qū)域釩元素富集可能會(huì)導(dǎo)致共析點(diǎn)進(jìn)一步偏移，所以釩元素的加入在一定程度上也能促進(jìn)先共析鐵素體的形成［7］。

珠光體鋼構(gòu)件在服役或冷變形加工受力過(guò)程中，當(dāng)珠光體鋼中珠光體組織內(nèi)的鐵素體片間距較小時(shí)，位錯(cuò)塞積數(shù)量較少，而且位錯(cuò)的應(yīng)力集中可以通過(guò)珠光體組織中薄的滲碳體片的變形來(lái)緩解，因此細(xì)珠光體組織的鋼具有較好的強(qiáng)塑性配合。而當(dāng)先共析鐵素體沿晶界析出后，位錯(cuò)將在沿晶界的鐵素體內(nèi)開(kāi)始增殖滑移，當(dāng)遇到晶界阻礙后很快在晶界處塞積，由于晶界鐵素體尺寸相對(duì)較大，開(kāi)動(dòng)的位錯(cuò)數(shù)量多，晶界處位錯(cuò)塞積較多，應(yīng)力集中程度大，難以降低，因而造成晶界裂紋的快速擴(kuò)展導(dǎo)致脆性斷裂。這將對(duì)盤(pán)條性能產(chǎn)生明顯的影響，很多工程應(yīng)用中都有因組織中鐵素體而導(dǎo)致盤(pán)條［14－16］甚至成品鋼絲［17］性能惡化的情況。

3 結(jié) 論

（1）礬元素的加入能細(xì)化SWRS82B盤(pán)條鋼奧氏體晶粒；當(dāng)釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.16%時(shí)，在16℃·s－1風(fēng)冷冷速下，將沿晶界出現(xiàn)鐵素體，當(dāng)提高冷速如500℃鹽浴時(shí)，才能避免鐵素體形成；釩含量控制在小于0.08%，風(fēng)冷速率在10～18℃·s－1范圍內(nèi)均能抑制鐵素體析出。

（2）釩元素的加入會(huì)促進(jìn)試驗(yàn)鋼在晶界處碳化物的富集，珠光體可在取向有利的晶粒內(nèi)以晶界碳化物為先析出相形核長(zhǎng)大，但在另一個(gè)珠光體生長(zhǎng)取向不利的晶粒內(nèi)形成貧碳區(qū)，鐵素體在晶界附近貧碳區(qū)形成，鐵素體與滲碳體不再交替配合生長(zhǎng)，失去共析組織形貌，呈現(xiàn)出先共析鐵素體沿晶界分布的形貌。

（3）通過(guò)熱力學(xué)軟件計(jì)算表明，釩元素加入促進(jìn)相變過(guò)程碳化物的析出，同時(shí)會(huì)使高碳鋼共析點(diǎn)右移，擴(kuò)大先共析鐵素體相區(qū)。

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