微合金高碳硬線鋼組織控制與性能研究*

陳海燕

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司， 江蘇 無錫 214400)

引 言

高碳硬線鋼廣泛應用于輪胎、硬線彈簧、鋼絲繩、紡織針布行業，其產品性能特點表現為高強度、高韌性、高耐磨性和高疲勞壽命。近期和未來隨著中國經濟和基礎建設的快速發展以及對綠色制造的迫切需求，高碳硬線鋼必將往高強韌性方向發展。

本文通過研究Nb在高碳鋼中對組織轉變和拉伸性能的影響，明確了Nb在高碳硬線鋼中的積極作用：Nb為強碳化物形成元素，NbC在奧氏體晶界的析出和釘扎作用，有效抑制了奧氏體晶粒的長大，能顯著細化珠光體團和片層間距。但是NbC在晶界的析出，導致晶界局部貧碳和鐵素體的析出，對高碳鋼性能不利，實際生產通過Nb，V的綜合作用，能夠抑制晶界鐵素體和滲碳體的析出，實現鋼的高強韌性匹配。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為90碳Ф5.5 mm線材，1#和2#試驗鋼化學成分如表1所示。Ф5.5 mm線材生產工藝流程為：100 t轉爐→100 t LF爐精煉→大方坯連鑄→中間坯→高線廠加熱→軋制→斯太爾摩控冷→檢驗→包裝入庫。

表1 試驗鋼化學成分/%

1.2 試驗方法

在線測量1#，2#試驗鋼斯太爾摩風冷線連續冷卻過程，并記錄風冷線上不同時間點相變溫度，繪制成連續冷卻轉變曲線，研究1#，2#鋼相變時間和相變溫度差異。分別取1#，2#試驗鋼Ф5.5 mm盤條，加工成橫向試樣，經研磨、拋光后采用4%硝酸酒精溶液腐蝕，在金相顯微鏡和電鏡下觀察組織，對比索氏體組織差異性。分別取1#，2#試驗鋼Ф5.5 mm盤條進行拉伸數據對比，研究拉伸性能差異。

2 結果與討論

2.1 對索氏體相變的影響

1#，2#試驗鋼經過加熱、軋制，控制吐絲溫度為850-950 ℃，通過調整斯太爾摩冷卻線上的風機風量，達到索氏體相變溫度在550-700 ℃范圍的控制要求，記錄不同時間點相變溫度，繪制成連續冷卻轉變曲線并對比，如圖1所示；2#試驗鋼對比1#試驗鋼索氏體相變延后，相變溫度更低，相變時間延長，說明索氏體相變更充分。

這是由于Nb和V配合加入鋼中，能增加奧氏體穩定性，促使索氏體相變溫度降低同時相變時間延后；而NbC在奧氏體晶界的析出降低了C在奧氏體內的濃度，同時也降低了C在奧氏體內的擴散速率，因而推遲了珠光體的形核和長大，延長了整個相變過程，相變更充分。

圖1 試驗鋼連續冷卻轉變曲線對比

2.2 組織特征對比

將1#，2#試驗鋼在金相顯微鏡下對比實際晶粒度，添加了Nb，V的2#試驗鋼珠光體團尺寸8級，1#試驗鋼珠光體團尺寸6級。如圖2所示。

圖2 試驗鋼珠光體團級別對比

在電鏡下2000倍和10000倍下進一步對比試驗鋼珠光體團簇和珠光體片間距，如圖3，4所示。2#試驗鋼珠光體團更細小，珠光體片層間距更細。這是由于Nb，V的加入使鋼的CCT曲線往右下移動，促使索氏體相變延后同時相變溫度降低，索氏體片層更細[1]。

圖3 試驗鋼珠光體團簇對比

圖4 試驗鋼珠光體片間距對比

圖5 試驗鋼晶界鐵素體析出對比

通過試驗鋼組織對比同時還發現：高碳硬線鋼中Nb的添加，由于NbC的析出造成了局部貧碳區，導致晶界鐵素體的析出，如圖5所示，對高碳索氏體鋼性能控制不利[2]。

實際生產中，通過提高盤條在線冷卻速率，可以有效抑制鐵素體的析出。如圖6所示，加Nb試驗鋼提高冷卻速率，鐵素體比例明顯減少。

2.3 拉伸性能對比

將1#和2#試驗鋼 Ф5.5 mm盤條進行常溫拉伸數據對比，如圖7所示，添加了Nb，V的2#試驗鋼平均抗拉強度1300 MPa，斷面收縮率42%，而1#試驗鋼平均抗拉強度1230 MPa，斷面收縮率38%。2#試驗鋼比1#試驗鋼強度提高70 MPa，斷面收縮率提高4%。

圖7 試驗鋼抗拉強度、斷面收縮率對比

對高碳索氏體鋼的研究認為，珠光體片層粗細主要影響鋼的抗拉強度，而珠光體團的大小則影響鋼的斷面收縮率。試驗鋼由于珠光體團簇更小，珠光體片層間距更細，實現了強韌性的同時提升。

3 結束語

(1)高碳硬線鋼中添加Nb，V元素，促使索氏體相變延后，相變溫度降低，同時相變時間延長，相變更充分。

(2) Nb，V的綜合作用可以細化晶粒，促進珠光體團簇和片間距的細化，同時提高鋼的強韌性。

(3)當奧氏體晶界有NbC析出時，促進了晶界局部貧碳和鐵素體形核，同時增加了共析碳含量，容易導致晶界鐵素體形成，對高碳索氏體鋼性能不利，通過提高盤條在線冷卻速率可以有效抑制鐵素體析出。