75鋼熱軋盤條的熱模擬試驗分析

黃小山，閆 博，李聲延，張春斌，邱 冬

（新余鋼鐵股份有限公司，江西新余 338001）

1 前 言

75鋼熱軋盤條供用戶制作彈簧，盤條經多道次冷拔后，制作成成品鋼絲，然后繞簧。用戶要求盤條抗拉強度大于1 030 MPa，在拉拔過程中不發生斷線，在繞簧過程中不發生斷裂。生產75 鋼熱軋盤條的軋機終軋速度大于100 m/s，盤重2.5 t左右。金相組織粗大、晶粒度不均勻、力學性能波動大等是軋制生產控制的難點。采用控制軋制細化奧氏體晶粒，通過調節盤條吐絲后在斯太爾摩風冷線上的輥道速度、風機風量和保溫罩開啟等，使盤條達到適當的冷卻速率，能獲得滿足用戶要求的產品。對盤條控軋控冷工藝的要求是：熱軋盤條獲得盡量接近鉛浴淬火的組織，高強度和高韌性索氏體含量大于80%，珠光體片層間距細小，盤條芯部沒有或只有較低級別的晶界鐵素體或網狀滲碳體或馬氏體組織，抗拉強度和斷面收縮率波動小，盤條通條性好。

過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線（CCT 曲線）是用來表示在連續冷卻過程中過冷奧氏體在不同冷卻速率下發生相變的起止時間和溫度關系的一種圖形，有助于預測產品的組織和性能，從而對組織與性能進行控制。本研究利用Gleeble 3800 對75鋼進行熱模擬試驗，繪制出動態CCT 曲線，通過對圖中冷卻速率對鋼的相變點、顯微組織和硬度的影響情況進行分析，找到適合75 鋼熱軋盤條的軋后冷卻工藝，研制出滿足用戶要求的產品。

2 試驗方案

綜合考慮75鋼熱軋盤條的力學性能、顯微組織要求，化學成分設計思路：（1）C會擴大奧氏體相區，是奧氏體形成元素，使A1和A3溫度下降。GB/T 699中75 鋼C 含量范圍為0.72%～0.80%，C 含量太高，熱軋盤條組織控制難度增加，容易生成網狀滲碳體；C含量范圍對熱軋盤條抗拉強度的波動影響很大，為了保證盤條性能的通條性，C的波動范圍要盡量小。（2）Si會縮小奧氏體相區，是鐵素體形成元素，使A1和A3溫度下降。Si 能顯著提高盤條的抗拉強度，但Si元素含量較高時，盤條的延伸性能會變差，影響盤條的塑性，因此，按照標準范圍下限進行控制。（3）Mn是奧氏體形成元素，使A1和A3溫度下降，能在減小珠光體片層間距的同時，細化鐵素體晶粒。對提高盤條的強度和韌性都有益，但Mn 含量太高在凝固過程中偏析會加重，控制在標準范圍的中限［1-2］。（4）對75鋼熱軋盤條來說，P、S及殘余元素Cr、Ni、Cu等都是有害元素，要嚴格控制含量。（5）N是擴大奧氏體相區的奧氏體形成元素，N與Fe形成間隙固溶體，在固溶狀態下，在拉絲過程中會引起脆化，使得拉絲性能劣化，而且N 含量高盤條時效時間會增加，所以N元素含量控制在0.005%以下。

試驗生產熱軋盤條的工藝流程為：鐵水→轉爐冶煉→鋼包吹氬→LF爐精煉→6機6流方坯連鑄機連鑄→冷送或熱送→高線加熱爐加熱→高壓水除鱗→粗軋→中軋→預精軋→精軋機組精軋→吐絲機吐絲→斯太爾摩風冷線散冷輥道冷卻→P/F線收集→盤條打包→檢驗→出廠。

2.1 試驗鋼成分

根據設計思路，試驗鋼化學成分如表1所示。

表1 75鋼熱軋盤條化學成分 %

2.2 試驗方法

（1）利用Gleeble 3800 熱模擬機對試驗鋼進行連續冷卻轉變試驗。以10 ℃/s速率加熱至1 200 ℃，保溫2 min后，以10 ℃/s速率冷卻至1 000 ℃，以3 s-1速率進行變形，變形量60%，后以10 ℃/s的速率冷卻至860 ℃，再分別以0.1、0.5、1、3、5、8、10、15、20、30 ℃/s冷卻至室溫。

（2）熱膨脹試驗完成后，觀察每個試樣的顯微組織，測量每個試樣的硬度值。使用線切割機將試驗樣焊接點處切分開，觀察試驗樣斷面芯部的組織，測量硬度。利用維氏硬度計對每個試驗樣芯部的硬度進行測量，使用5 kg載荷且保證載荷工作時間為10 s，各試驗樣分別測量若干個點，取其平均值；顯微組織試驗樣經鑲嵌、研磨、拋光之后，用4%的硝酸酒精溶液進行侵蝕，用Image-Alma 光學顯微鏡觀察每個試樣的顯微組織［3］。

（3）根據繪制出的75 鋼過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線（CCT 曲線），制定斯太爾摩風冷線冷卻工藝，分析冷卻工藝對盤條力學性能和顯微組織的影響。

3 試驗結果與分析

3.1 冷卻速率對75鋼相變點的影響

相變區冷卻速率決定著奧氏體的分解轉變溫度和時間，也決定著線材的最終組織形態，所以整個控冷工藝的核心問題就是如何控制相變區冷卻速率［4-5］。根據熱模擬試驗鋼冷卻過程中的膨脹曲線，結合試驗樣在不同冷卻速率下的顯微組織以及不同相的體積膨脹量，分析不同冷卻速率下試驗鋼的相轉變溫度。試驗鋼測得的相變點溫度Ac1為731 ℃，Ac3為786 ℃，Ms為238 ℃。圖1 為變形量60%時75 鋼的動態CCT 曲線，從圖1 中可以看出，隨著冷卻速率從0.1 ℃/s 增加至30 ℃/s，奧氏體開始轉變為鐵素體和珠光體的溫度不斷降低。冷卻速率為0.1 ℃/s 時，奧氏體轉變為鐵素體的開始溫度和終了溫度分別為695 ℃和657 ℃；珠光體轉變的開始溫度和終了溫度分別為657 ℃和638 ℃。冷卻速率為15 ℃/s 時，奧氏體全部轉變為珠光體；奧氏體全部轉變為珠光體的冷卻速率范圍為15～20 ℃/s。冷卻速率超過20 ℃/s時，低溫馬氏體轉變在238 ℃左右開始發生。由于冷卻速率增加，過冷度增加，相變前后的自由能差縮小，臨界形核自由能降低，形核變得更容易，相變點溫度降低［6］。

圖1 75鋼的CCT曲線

3.2 冷卻速率對75鋼顯微組織的影響

模擬不同冷卻速率冷卻后，試驗鋼得到了如圖2 所示的室溫顯微組織。從圖2 可知，冷卻速率為0.1 ℃/s 時，顯微組織為珠光體和少量鐵素體。此時在晶界析出的鐵素體較多，有的呈片狀。隨著冷卻速率的增加，沿晶界析出的鐵素體越來越少，鐵素體越來越細，有的呈網狀，珠光體含量逐漸增多，晶粒越來越細小，片層間距也越來越小。當冷卻速率＞15 ℃/s 時，沒有鐵素體生成，奧氏體全部轉變為珠光體。當冷卻速率＞20 ℃/s時，會生成少量馬氏體。隨著冷卻速率繼續增加，馬氏體含量越來越多。綜合分析圖1、圖2可知，奧氏體完全轉變為珠光體的冷卻速率范圍較窄。有研究表明，熱變形會改變奧氏體晶粒的狀態，而使鋼的動態CCT曲線向左上方移動的同時有擴大奧氏體向鐵素體、珠光體相變區域的現象［7］。該75 鋼的C 含量為0.74%～0.76%，現實生產過程中，鑄坯芯部存在C、Mn、Si等元素的偏析，增加了過冷奧氏體的穩定性，珠光體轉變時，孕育期增長，使C 曲線向右移動。若C 含量＞0.77%，盤條芯部有網狀滲碳體析出。75 鋼熱軋盤條芯部組織與基體組織存在差異，芯部可能有先共析晶界鐵素體、網狀滲碳體或馬氏體。因此盤條在斯太爾摩風冷線上冷卻時，在珠光體轉變溫度區域要快速冷卻，獲得強度和塑性都高的索氏體組織，控制晶界鐵素體或網狀滲碳體的級別；在馬氏體轉變溫度區域要模擬等溫轉變，要降低冷卻速率，防止盤條芯部產生馬氏體組織。采用先快冷后慢冷的分段式冷卻模式，獲得理想的力學性能和顯微組織，保證盤條在后續拉拔過程中不斷線。

圖2 75鋼不同冷速下的顯微組織

3.3 冷卻速率對75鋼硬度的影響

測得試驗鋼的顯微硬度如圖3所示。從圖3可以看出，隨著冷卻速率的增加，硬度也增加。冷卻速率為0.1～15 ℃/s 時，硬度均值由260 HV 上升到385 HV。因為當顯微組織為細片狀珠光體時，隨著冷速的增大，珠光體條片變細，晶界面積增多，位錯密度增加，形變阻力增大［8］。冷卻速率為20～30 ℃/s時，硬度均值由417 HV升到657 HV，硬度大幅上升。因為有馬氏體生成，且隨著冷卻速率的增加，馬氏體含量增多，由于馬氏體的強化作用，盤條的抗拉強度大幅提升，但同時盤條的塑性急劇下降，從而使盤條的拉拔性能惡化。

圖3 75鋼不同冷速下的硬度

3.4 75鋼熱軋盤條的試制

對75鋼CCT曲線的研究發現，當冷卻速率較慢時，顯微組織中晶界鐵素體較多、珠光體片層較粗。晶界鐵素體相對其他相較軟，起著分割晶粒和削弱晶粒之間結合力的作用［9］。盤條在拉拔過程中，在晶界鐵素體處容易形成裂紋并擴展，首先沿晶界斷裂，使得盤條塑性下降，造成拉拔斷裂。由于鐵素體和珠光體的延伸能力不同，在減面率較大的拉拔過程中會導致兩相間出現裂紋，所以希望得到盡量薄的片層組織，其容易根據拉拔的方向重新取向，可防止斷裂，對拉拔性能非常有利。結合實際生產情況，75鋼熱軋盤條的冷卻速率設定為：吐絲后先以10～12 ℃/s的冷卻速率冷卻至560～585 ℃，然后關閉風機進行緩慢冷卻，可以獲得較高含量的索氏體，且生成的鐵素體含量少，沒有生成馬氏體。

試制75 鋼熱軋盤條的力學性能，抗拉強度1 035～1 085 MPa，平均值1 058 MPa，抗拉強度波動范圍為50 MPa，通條性較好；斷面收縮率41%～49%，平均值44%，塑性較好。

試制75鋼熱軋盤條的顯微組織為索氏體+珠光體+極少量鐵素體。企業內部根據網狀滲碳體評級辦法制定了晶界鐵素體級別評價辦法，判定晶界鐵素體級別為0.5～1.0級，芯部沒有檢測到網狀滲碳體或馬氏體，奧氏體晶粒度為7.5級，索氏體為1～1.5級，中心偏析為1級，顯微組織符合用戶要求。因為索氏體組織有著良好的塑性和較高的強度，具有優良的拉拔性能，故索氏體化率越高，拉拔效果越好［10］。

3.5 批量生產結果

根據試生產工藝對75鋼熱軋盤條進行批量生產，批量生產的產品性能如表2 所示。從表2 中可以看出，按照本工藝生產的產品索氏體含量高，晶界鐵素體、網狀滲碳體和中心馬氏體級別較低，抗拉強度和斷面收縮率波動范圍小，盤條通條性較好，能滿足用戶需求。

表2 75鋼熱軋盤條批量生產結果

4 結 論

通過對75鋼在不同冷卻速率條件下的動態相變規律研究，制定出75鋼熱軋盤條的冷卻工藝，研制的盤條取得了預期效果。

4.1相變點溫度Ac1為731 ℃，Ac3為786 ℃，Ms為238 ℃。隨著冷卻速率的增加，從奧氏體轉變為鐵素體和珠光體的開始相變溫度和終了相變溫度都逐漸降低。當冷卻速率＞15 ℃/s時，鐵素體轉變停止，奧氏體全部轉變為珠光體；奧氏體全部轉變為珠光體的冷卻速率范圍為15～20 ℃/s；當冷卻速率＞20 ℃/s時，在238 ℃開始發生低溫馬氏體轉變。

4.2冷卻速率＜10 ℃/s時，顯微組織為珠光體及少量鐵素體。當冷卻速率＞15 ℃/s時，奧氏體全部轉變為珠光體。當冷卻速率＞20 ℃/s時，隨著冷卻速率的增加，馬氏體含量越來越多，硬度也不斷增加。

4.375 鋼熱軋盤條的冷卻速率設定為：吐絲后先以10～12 ℃/s 的冷卻速率冷卻至560～585 ℃，然后進行緩慢冷卻，得到較高含量的索氏體，研制出的盤條力學性能和顯微組織滿足用戶要求。