控軋控冷獲得低成本高性能鉚螺鋼的研究

劉明軍＊，李壯＊，權純逸，任沛霖

1.沈陽航空航天大學材料科學與工程學院 遼寧沈陽 110136

2.沈陽飛機工業（集團）有限公司 遼寧沈陽 110000

1 序言

鉚螺鋼產品在工業生產中一直被廣泛應用[1]。高等級的鉚螺鋼在制造各種所需零件時必須要采用不同的熱處理工藝[2]，而控制軋制實質就是一種形變熱處理，形變強化可以細化晶粒。采用控軋控冷可以改善鋼的組織[3]，減少甚至完全代替熱處理，獲得低成本、高性能的鉚螺鋼。筆者對鉚螺鋼進行了控軋后的控制冷卻研究，控軋控冷工藝如圖1所示，獲得了較為滿意的力學性能。

圖1 控軋控冷工藝示意

2 試驗材料與方法

試驗的鉚螺鋼化學成分為：wC=0.186%、wSi=0.171%、wMn=0.437%，以及微量的雜質元素。80mm×80mm×30mm的坯料在1150℃加熱1h后，使用φ450mm軋機軋制。經二道次軋制，850℃終軋后分別采用空冷或水冷至650℃、600℃、550℃后再空冷至室溫，獲得4mm×100mm×480mm的成品，分別制作1#、2#、3#、4#試樣。然后對其分別進行拉伸試驗、組織分析以及珠光體的體積分數和鐵素體晶粒尺寸的測定。

3 試驗結果與討論

3.1 顯微組織

控軋控冷后的金相組織如圖2所示。由圖2可看出，空冷后的組織為多邊形鐵素體和珠光體，其中鐵素體晶粒較為粗大（見圖2a），而水冷至650℃、600℃、550℃的組織，不僅鐵素體晶粒細化，而且珠光體增多，且隨冷卻溫度降低，珠光體層片間距減小。1#、2#、3#、4#試樣珠光體的體積分數分別為26%、41%、64%、65%，鐵素體晶粒尺寸分別為51nm、27nm、26nm、21nm （見圖2b～d）。

圖2 鉚螺鋼控軋控冷后的金相組織

3.2 力學性能

對于鉚螺鋼成品料，每塊取3個試樣進行拉伸試驗，用抗拉強度與伸長率的乘積（強塑積）表征其綜合性能。4種工藝下的平均力學性能結果見表1。空冷1#試樣的抗拉強度、屈服強度最低，抗拉強度僅為445MPa；隨水冷溫度降低，抗拉強度、屈服強度提高。水冷到550℃時，4#試樣的抗拉強度達530MPa，伸長率也逐漸提高，達28%。水冷導致抗拉強度提高了將近100MPa。

表1 鉚螺鋼控軋控冷后的力學性能

3.3 結果分析與討論

當試樣終軋后空冷時，冷卻過程中的奧氏體-鐵素體相變有充分的時間，鐵素體能夠形核和長大，因此1#試樣的鐵素體晶粒相對粗大（51nm）；水冷時，由于擴散相變時間減少，鐵素體的相變受到了抑制，水冷溫度越低，鐵素體的相變時間相對越短，因此，4#試樣的鐵素體晶粒相對細化（21nm）[4]。形變強化細化了晶粒。根據霍爾-佩奇關系式[5]，晶粒尺寸的減少一般導致極限抗拉強度和屈服強度的增加，晶粒越細，強度越高，即

式中σy——下屈服應力（MPa）；

K——材料常數；

Ky——強化系數；

d——鐵素體晶粒尺寸（nm）。

晶粒越細，單位體積內晶粒的數目越多，參與變形的晶粒數目越多，變形也越均勻，同時晶粒越細小，引起應力集中程度越低，引起裂紋形成傾向也越小，并可推遲裂紋的形成和擴展，且一旦形成裂紋，一般裂紋擴展在晶界要改變方向。晶粒細小不利于裂紋擴展，金屬能夠發生很大的塑性變形而不斷裂，因而使塑性、韌性提高。

軋制以后控冷造成了珠光體含量增多，出現了偽共析組織，如圖3所示。

圖3 偽共析組織出現示意

由圖3可看出，奧氏體快冷到影線區時，發生了珠光體轉變。轉變產物的珠光體是由非共析成分的奧氏體獲得的，雖然也由片狀鐵素體和滲碳體組成，但它們的相對含量、片層相對厚度不同于共析成分的珠光體，又稱為偽共析體[6]。水冷溫度越低，這種偏離共析成分的偽珠光體體積分數越多，4#試樣的偽珠光體體積分數最高（65%）。而水冷溫度越低，偽珠光體的層片間距越小，這都導致了鉚螺鋼的強度、伸長率增高，因此4#試樣的強塑積最高，達14840MPa%。控軋控冷能夠實現以低碳鋼代替中碳鋼，鉚螺鋼獲得了低成本和高性能。

4 結束語

1）鉚螺鋼采用控軋控冷，通過形變強化而細化了晶粒，獲得了低成本、高性能的產品。

2）水冷溫度越低，鐵素體晶粒越細，550℃水冷的鐵素體晶粒獲得了21nm的最低值。

3）控制冷卻形成偽共析組織，水冷溫度越低，偽珠光體含量越多，偽珠光體層片間距越小，550℃水冷達到了抗拉強度530MPa、伸長率28%，強塑積達14840MPa%的最高值。