控軋控冷技術對42CrMoA鋼組織性能的影響

蒙 剛 張江濤

（湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411100）

0 前言

棒材是鋼鐵產品的重要組成，在制造和建筑方面被大規模的使用。其中42CrMoA 作為機械工程常用鋼種，具有很好的強韌性和淬透性，無明顯的回火脆性，42CrMoA 經過調質熱處理處理后具有較高的疲勞極限，低溫沖擊韌性良好且抗多次沖擊能力強，廣泛用于制造螺栓、齒輪、齒輪軸、軸、其他設備零件等[1-2]。在生產過程中由于軋制工藝控制偏差導致42CrMoA 鋼強度高，塑韌性降低，退火處理后方可正常使用，大大增加了成本，延緩了交貨期。

該文通過控制鐵素體轉變溫度，來阻止鐵素體長大，從而得到分布均勻且更細的珠光體晶粒[3]。研究了TMCP工藝對不同規格42CrMoA 棒材組織和性能的影響，通過改進，提高了該品種的物理力學性能和生產效率。

1 工藝流程及試驗方法

1.1 工藝流程

中小棒式連軋生產工藝流程為42CrMoA 連鑄胚-加熱-粗軋機組軋制-脫頭控溫臺架-中軋機組軋制-預精軋機組軋制-精軋機組軋制-穿水冷卻-KOCKS 減定徑機組軋制-穿水冷卻-冷床冷卻。

1.2 試驗方法

1.2.1 方坯加熱工藝

采用240m3的42CrMoA 方坯，采用四段式加熱，考慮加熱工藝對其組織性能的影響，制定了加熱工藝。加熱爐預熱段目標溫度650℃，加熱一段控制溫度（1050±30）℃，加熱二段控制溫度（1050±20）℃，均熱段控制溫度（1120±20）℃。總在爐時間控制在140min。保證鋼坯均勻受熱。

1.2.2 控軋控冷工藝參數

通過控制咬入KOCKS 的溫度和上冷床的溫度，達到控軋的目的。該次試驗進KOCKS 溫度控制目標為（820±10）℃，冷床入口溫度控制目標為（720±10）℃。對達到目標溫度的鋼取樣分析，檢測金相組織、熱軋硬度。其中樣品1 為不控軋控冷對比樣，樣品1-1 為只控溫不控軋的對比樣。樣品進KOCKS 溫度和冷床入口溫度參數具體如表1 所示。

表1 溫度參數要求

1.2.3 微觀組織表征

該試驗后試樣中部線切割取樣做金相組織，在接近表面取3 個平行試樣、R/2（R為半徑）位置處 處取3 個平行試樣，芯部位置取 1 個試樣。試樣拋光后，用酒精清洗，經過3%的硝酸酒精溶液腐蝕之后，觀察其金相組織。

1.2.4 晶粒度表征

對不同樣品表層與芯部樣品進行晶粒度表征。表層樣品運用水浴加熱的方法，水浴加熱時加入飽和苦味酸溶液以及緩蝕劑，緩蝕劑為洗潔精，實驗過程中不同位置水浴加熱的時間不同。直至其緩慢腐蝕出晶界，獲得其金相組織，通過計算，評定其晶粒度等級。

1.2.5 力學性能測試

硬度實驗的樣品與金相實驗樣品取樣位置相同。樣品中心區域打點，每塊樣品打 20 個點，每個點之間間隔適當距離，去掉硬度結果的最大值與最小值之后，取平均硬度值。在接近表面、R/2 處和芯部位置取沖擊試樣，進行沖擊韌性實驗，每個位置取3 個沖擊試樣，結果取平均值。

2 結果分析

2.1 金相組織分析

樣品在金相顯微鏡下觀察組織并圖像采集，500X 金相組織圖如圖1 所示。

圖1 42CrMoA 鋼金相組織

圖a、b、c：樣品1 為Φ 72 規格的組織形貌，從表面至心部均以貝氏體組織為主，含有少量鐵素體和珠光體團，芯部存在少量馬氏體組織。

圖d、e、f：樣品1-1 為Φ 72 規格的基體組織，以貝氏體為主，芯部產生少量馬氏體組織組織。

圖g、h、i：樣品1-2 為Φ 72 規格控溫控軋樣品，從圖中看出，表面組織以珠光體和鐵素體組織為主，R/2 處組織產生少量的貝氏體組織，芯部處組織貝氏體組織含量增加，同時存在少量的馬氏體組織。

圖j、k、l：樣品2 為Φ 71 規格控溫控軋樣品，從圖中看出，基體組織以珠光體和鐵素體為主和少量的貝氏體，芯部產生少量馬氏體組織。

圖m、n、o：樣品3 為Φ55 規格控溫控軋樣品，從圖中看出，表面組織以珠光體+鐵素體為主和少量的貝氏體組織，R/2 處組織以珠光體+鐵素體+貝氏體組織為主，貝氏體組織的含量高于表層組織，芯部組織為貝氏體組織加少量的馬氏體組織。組織形成主要原因為Φ55 規格由于實際保溫效果不及樣品1 和樣品2，采用砂輪鋸鋸切，軋制節奏慢，在冷床上停留時間較長，這是造成芯部組織為貝氏體組織加少量的馬氏體組織的主要原因。

圖p、q、r：樣品4 為Φ52 規格控溫控軋樣品，從圖中看出，組織情況和樣品3 相似，組織以珠光體+鐵素體為主，還有少量的貝氏體組織，芯部組織以貝氏體為主。

綜上所述，控軋控冷后的樣品（g～r）表面為珠光體、貝氏體和鐵素體，芯部為貝氏體加少量馬氏體。說明不同規格的42CrMoA 鋼經過控軋控冷后可以有效抑制貝氏體的產生。

結合圖2 所示的42CrMoA 鋼CCT 曲線和圖3 所示的樣品在保溫罩內的緩冷曲線，由圖2 可知42CrMoA 鋼奧氏體在不同速度的連續冷卻過程中，發生了鐵素體析出（A →F）、珠光體轉變（A →P）、貝氏體轉變（A →B）、馬氏體轉變（A →M）。

圖2 42CrMoA 鋼CCT 曲線

圖3 樣品在保溫罩內的緩冷曲線

隨著冷卻速度的增大，鐵素體的析出量、珠光體的轉變量和貝氏體的轉變量都迅速減少。而馬氏體的轉變量則越來越多，鋼的硬度也隨之越來越高。冷卻速度在0.5℃/s 以下時，相變產物為珠光體和鐵素體；冷卻速度在0.5℃/s～1.0℃/s 時，相變產物為珠光體、鐵素體和貝氏體；冷卻速度在1.0℃/s～10℃/s時，相變產物為珠光體、貝氏體和馬氏體；冷卻速度在10℃/s～50℃/s 時，相變產物為貝氏體和馬氏體；冷卻速度在50℃/s 以上時，相變產物為馬氏體。實驗通過控制鋼的排布方式，使各規格的冷卻速度均在0.5℃/s 左右，主要獲得以珠光體、鐵素體為主和少量的貝氏體組織。

2.2 晶粒度表征

不同規格的42CrMoA 鋼表層與芯部通過水浴加熱緩慢腐蝕出晶界。通過參考國標 GB/T6394-2002，確定各個位置晶粒度見表2[3]。

表2 樣品各個位置平均晶粒度

從表2 中可知，樣品表層晶粒度均大于芯部。主要原因為表層冷速較快，冷卻過程中奧氏體過冷度大，縮短了奧氏體晶粒形核長大的時間，使其晶粒細化，晶粒度較高。而芯部冷卻速度慢，晶粒有充分的時間形核長大，其晶粒與表層相比更粗大，晶粒度級別較低。

樣品1（不控軋控冷）其心部區域組織晶粒度大于R/2處，主要原因為樣品芯部存在少量馬氏體組織，使芯部硬度高于R/2 處。同時我們還可以發現，經過控軋控冷的樣品（樣品1-2、2、3、4），其平均晶粒度均高于樣品1（不控軋控冷）和樣品1-1（只控制上冷床溫度）。結合圖2 42CrMoA鋼CCT 曲線，樣品1 平均晶粒度小的原因為終軋溫度較高時，鋼發生再結晶及晶粒長大。而樣品1-1 終軋溫度低，晶粒尺寸相對較小。而經過控軋控冷的樣品，控制進KOCKS的溫度為（820±10）℃，使晶粒尺寸進一步減小。

2.3 力學性能

不同樣品不同位置力學性能如表3 所示，從數據可以看出，樣品1 和樣品1-1 近表面（294、289）HB、R/2 處（293、285）HB 和芯部硬度（288、283）HB 均高于其他樣品，結合金相分析和晶粒度分析表明：不控軋控冷樣（樣品1）和只控溫不控軋樣（樣品2）基體組織以貝氏體為主。晶粒組織粗大，明顯提高了其硬度，給后續加工帶來困難。從數據還可以看出，所有經過控軋控冷的樣品（樣品1-2、2、3、4）其硬度均遠小于樣品1 和樣品2。表明42CrMoA 鋼經過控軋控冷后能有效地降低其硬度，且控制進入KOCKS 溫度為（820±10）℃、上冷床溫度為（720±10）℃、冷床冷卻速度0.5℃/s 能有效降低硬度，且硬度均小于260HB，達到免退火要求。

表3 不同樣品不同位置力學性能

3 結論

經過TMCP 工藝后，樣品表面為珠光體、貝氏體和鐵素體，芯部為貝氏體加少量馬氏體。表面晶粒度均大于芯部晶粒度，不同規格的42CrMoA 鋼經過控軋控冷后可以有效抑制貝氏體的產生。

42CrMoA 鋼經過控制軋制工藝，控制進KOCKS 的溫度為（820±10）℃，其晶粒尺寸小于不控軋控冷和軋后控溫的樣品。

42CrMoA 鋼經過控制軋制控制冷卻工藝，控制進入KOCKS 溫度為（820±10）℃、上冷床溫度為（720±10）℃、冷床冷卻速度0.5℃/s 能有效降低硬度，且硬度均小于260HB，達到免退火要求。