控軋控冷工藝參數對冶金鋸片用65Mn熱軋帶鋼組織與力學性能的影響

宋進英，張宏軍，魏英立，田亞強，陳連生

（華北理工大學，河北省現代冶金技術重點實驗室，唐山063009）

0 引 言

冶金鋸片（包括金屬熱切圓鋸片和金屬冷切圓鋸片［1］）用鋼的主要性能要求是較好的強韌性、焊接性以及熱處理性能［2］。65Mn鋼具有淬透性好、脫碳傾向小、切削性良好等優點，是目前制造冶金鋸片的主要材料［3］。冶金鋸片用65Mn帶鋼的軋制難度大，易因生產不穩定而造成力學性能波動范圍較大［4-5］，熱軋后65Mn鋼的抗拉強度極易超過900MPa，為后續熱處理帶來不便，從而降低冶金鋸片的成材率。化學成分優化設計是改善產品最終性能的方法之一，但65Mn鋼各主要化學成分設計范圍相對較窄，對熱軋產品質量影響較小。控軋控冷工藝可以有效改善產品的最終組織和性能［6-7］，而目前對于提高冶金鋸片用65Mn熱軋鋼組織和性能的研究，主要集中在連續冷卻轉變特性［8-9］以及軋后淬火、回火工藝參數對鋸片組織、性能的影響等方面［10-11］。另外，由65Mn鋼的CCT曲線可知，以珠光體為主，配合一定量半網狀或塊狀先共析鐵素體的混合型組織具有最佳的力學性能［12-13］。

為改善冶金鋸片用65Mn熱軋帶鋼的質量，并制定出適合工業生產的控軋控冷窄范圍工藝參數，作者通過實驗室熱軋試驗與現場工業生產驗證相結合，研究了開軋溫度、終軋溫度、卷取溫度以及卷取后冷卻速率等工藝參數對65Mn熱軋帶鋼顯微組織和力學性能的影響規律。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗用65Mn鋼采用實驗室真空熔煉爐冶煉的50kg小方坯，其化學成分（質量分數／%）為0.63C，0.25Si，1.12Mn，0.011P，0.004S，0.006Al（酸溶），余Fe。首先將試驗鋼坯加熱鍛造至中間坯，然后切取6個25mm×40mm×70mm的試樣，并置于SX2-10-13型箱式電阻爐中加熱至1 200℃，保溫15min；然后采用250mm熱軋試驗機，將25mm厚的試樣依次軋至14，8，5，3.5mm。在軋制過程中，嚴格控制開軋溫度、終軋溫度和卷取溫度（開始緩冷溫度），6種工藝參數如表1所示。終軋到卷取溫度區間的平均冷速為5℃·s-1，卷取后空冷的平均冷速為2.5℃·s-1，卷取后爐冷的平均冷速為0.3℃·s-1。

表1 控制軋制和控制冷卻工藝參數Tab.1 Controlled rolling and controlled cooling technological parameters

1.2 試驗方法

采用S-4800型冷場發射掃描電鏡（SEM）和NeophotⅢ型光學顯微鏡（OM）觀察65Mn熱軋帶鋼的組織，腐蝕劑為4%（體積分數）硝酸酒精溶液；采用HRSS-150型洛氏硬度計測65Mn熱軋帶鋼的硬度；按照 GB／T 228-2002加工拉伸試樣，并在WEW-600B型液壓萬能試驗機上進行拉伸試驗，應變速率為10-3s-1。

2 試驗結果與討論

2.1 對顯微組織的影響

由圖1和圖2可知，在不同的工藝下，65Mn熱軋帶鋼的組織均為網狀或半網狀鐵素體和珠光體組織，晶粒度為6.5～7級，符合現場生產對晶粒度的要求，但珠光體的尺寸和彌散程度不同。

在卷取溫度和卷取后冷卻速率相同的工藝條件下，1 200℃高溫開軋和910℃高溫終軋（工藝1～3）得到的晶粒明顯比1 100℃低溫開軋和850℃低溫終軋（工藝4～6）后得到的粗大。原因在于，開軋溫度和終軋溫度均較高時，65Mn鋼原始奧氏體晶粒尺寸較大，變形后的奧氏體晶粒尺寸也較大，經同樣的控冷工藝冷卻至室溫后，粗大的晶粒得以保留。此外，1 200℃開軋的珠光體片層間距為500nm，較1 100℃開軋的（386nm）明顯增大。可見，提高變形溫度，有利于得到粗大的原始奧氏體晶粒和較大的珠光體片層間距。

在開軋溫度、終軋溫度和卷取后冷卻速率相同的條件下，730℃高溫卷取（工藝1和工藝4）得到的晶粒明顯比630℃低溫卷取（工藝3和工藝6）得到的更粗大，珠光體片層間距更大（730℃高溫卷取的為500nm，630℃低溫卷取的（412nm）。這是因為，高溫卷取時延長了相轉變的時間，有利于晶粒在卷取后的緩冷過程中長大，從而使得珠光體片層間距增大。可見，提高終軋后的卷取溫度，可使65Mn熱軋帶鋼得到粗大的原始奧氏體晶粒以及較大的珠光體片層間距。

在開軋溫度、終軋溫度和卷取溫度相同的工藝條件下，卷取后以0.3℃·s-1的冷速爐冷（工藝1和工藝4）后得到的晶粒明顯比以2.5℃·s-1冷速空冷（工藝2和工藝5）后得到的大，同時珠光體片層間距也明顯增大（0.3℃·s-1冷速下的為500nm，2.5℃·s-1冷速下的為350nm）。原因在于，卷取后的緩冷延長了相轉變時間，有利于晶粒在緩冷過程中長大，同時珠光體片層間距增大。可見，通過降低卷取后的冷卻速率，有利于得到粗大的原始奧氏體晶粒以及較大的珠光體片層間距。綜上所述，在其它控軋控冷工藝參數相同的條件下，較高的開軋溫度和終軋溫度、較高的卷取溫度和較低的卷取后冷卻速率均有利于得到粗大的原始奧氏體晶粒和較大的珠光體片層間距。其中，卷取后冷卻速率的影響最為明顯。

圖1 不同軋制工藝下65Mn熱軋帶鋼的OM形貌Fig.1 OM morphology of 65Mn hot rolled strip at different rolling processes：（a）process 1；（b）process 2；（c）process 3；（d）process 4；（e）process 5and（f）process 6

圖2 不同軋制工藝下65Mn熱軋帶鋼的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of 65Mn hot rolled strip at different rolling processes：（a）process 1；（b）process 2；（c）process 3and（d）process 4

2.2 對力學性能的影響

由表2可知，在卷取溫度和卷取后冷卻速率相同的工藝條件下，1 200℃高溫開軋和910℃高溫終軋（工藝1～3）得到的抗拉強度和硬度，明顯低于1 100℃低溫開軋和850℃低溫終軋（工藝4～6）的。可見，較高的軋制溫度有利于改善65Mn熱軋帶鋼的力學性能。這是因為，高溫變形時，開軋溫度和終軋溫度都較高，65Mn鋼的原始奧氏體晶粒尺寸較大，變形后奧氏體晶粒尺寸也較大，經同樣的控冷工藝冷卻至室溫后，粗大的晶粒尺寸得以保留，從而使得力學性能改善。

表2 不同軋制工藝下65Mn熱軋帶鋼的抗拉強度和硬度Tab.2 Tensile strength and hardness of 65Mn hot rolled strip at different rolling processes

在開軋溫度、終軋溫度和卷取后冷卻速率相同的工藝條件下，730℃高溫卷取（工藝1和工藝4）得到65Mn鋼的抗拉強度和硬度，明顯低于630℃低溫卷取（工藝3和工藝6）得到的。可見，較高的卷取溫度降改善65Mn鋼的抗拉強度和硬度。這是因為，高溫卷取延長了珠光體相轉變時間，使晶粒在卷取后的緩冷過程中長大和增大珠光體片層間距。

在開軋溫度、終軋溫度和卷取溫度相同的工藝條件下，卷取后以0.3℃·s-1冷速爐冷（工藝1和工藝4）得到65Mn鋼的抗拉強度和硬度，明顯低于以2.5℃·s-1冷速空冷（工藝2和工藝5）得到的。可見，卷取后較低的冷卻速率會降低65Mn鋼的抗拉強度和硬度。這是因為，卷取后較低的冷卻速率可以延長珠光體相轉變時間，有利于晶粒長大和增大珠光體片層間距。

綜上所述，在其它控軋控冷工藝參數相同的條件下，較高的開軋溫度和終軋溫度、較高的卷取溫度和較低的卷取后冷卻速率均有利于降低65Mn鋼的抗拉強度和硬度。其中，卷取后冷卻速率的影響最為明顯。

3 工業生產驗證

采用開軋溫度為（1 180±10）℃、終軋溫度為（910±10）℃、卷取溫度為（710±10）℃、卷取后平均冷速小于0.05℃·s-1的工藝進行工業生產驗證試驗。為全面了解產品的性能指標，除在生產現場取樣外，還分別在7638鋼卷尾部開卷5m和10m處取樣，在7641鋼卷尾部開卷5，10，15，20m處取樣。取樣的鋼卷號、厚度及力學性能結果如表3所示。由表可知，在生產工藝基本相同的情況下，隨著成品厚度增大，65Mn熱軋帶鋼的硬度和抗拉強度均降低，抗拉強度為850～900MPa，這主要與帶鋼在終軋后至卷取階段的冷卻速率有關。經現場實測，隨著產品厚度增加，終軋后的冷速逐漸越小，這有利于相變前奧氏體晶粒長大和相變后珠光體片層間距增大，故抗拉強度和硬度均會降低，這與上述熱軋試驗的力學性能結果相吻合。對于同一卷帶鋼而言，鋼卷尾部試樣的硬度和強度都較高，這主要是因為在現場取樣時，65Mn帶鋼完成卷取后立即進行吊裝取樣，剪切后試樣成為獨立的一塊鋼板，其在空氣中的冷速很大；另外取樣時試樣尾部也會接觸到溫度很低的取樣設備，這進一步增大了冷速。而此時所取試樣的溫度相對較高，在空冷過程中處于發生鐵素體和珠光體相變的溫度區間，若以較大的冷速急冷至室溫，會使先共析鐵素體顯著減少，珠光體晶粒細化，同時珠光體片層間距也會變小。因此，生產現場取樣時，試樣溫度高、冷速過大，這會導致其硬度和抗拉強度明顯偏高；而當65Mn熱軋鋼卷入庫緩冷至室溫時，隨著開卷長度增加，試樣的硬度和抗拉強度均呈逐漸下降的趨勢，此時，65Mn帶鋼的外層冷速大，內部冷速較低直到趨于穩定冷速。因此，當帶鋼開卷達到一定長度后，其力學性能將趨于一穩定值。

表3 工業生產65Mn熱軋帶鋼的力學性能Tab.3 Mechanical properties of industry production 65Mn hot rolled strip

4 結 論

（1）在其它控軋控冷工藝參數相同的條件下，較高的開軋溫度和終軋溫度、較高的卷取溫度和較低的卷取后冷卻速率，有利于65Mn熱軋帶鋼得到原始奧氏體晶粒尺寸和珠光體片層間距均較大的室溫組織以及較低的抗拉強度和硬度；其中，卷取后冷卻速率對原始奧氏體晶粒尺寸、珠光體片層間距以及抗拉強度和硬度的影響最為明顯。

（2）65Mn熱軋帶鋼最佳的控軋控冷工藝為開軋溫度（1 180±10）℃、終軋溫度（910±10）℃、卷取溫度（710±10）℃、卷取后平均冷速小于0.05℃·s-1，此時抗拉強度可控制在850～900MPa。

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