72A帘线钢连续冷却转变规律的分析

范广彬,刘雅政,孟宪成

(北京科技大学材料科学与工程学院,北京,100083)

72A帘线钢线材在金属制品行业中主要用于高级别胎圈丝、高级别钢丝绳等产品[1]。单一均匀的索氏体组织具有良好的冷拔性能,先共析铁素体不利于冷拔,因此帘线钢应具有高索氏体化率,其组织性能要求根据不同品种来控制冷却工艺参数[2]。连续冷却转变(CCT)曲线能精确地反映不同冷却速度下钢材的转变温度、转变时间和转变量之间的关系,对72A帘线钢生产有着直接的实际指导意义[3]。为此,本文采用热膨胀法在Gleeble-1500热模拟实验机上测定72A帘线钢的CCT曲线,并分析了开始冷却温度为900℃时不同冷却速度下帘线钢的室温组织和连续冷却转变规律,以期为工业生产帘线钢提供依据。

1 试验与方法

1.1 试验材料

试验所用材料为某钢厂72A帘线钢线材进精轧前的坯料,盘条直径为10mm,并将其加工成台阶状(见图1)。72A帘线钢的主要化学成分分为:w(C)=0.73%,w(Si)=0.24%,w(M n)=0.50%,w(P)=0.011%,w(S)=0.01%。

图1 台阶状试样加工示意图Fig.1 Machin ing sketch chart of thermal simulated specimen

1.2 试验方法

在Gleeble-1500热模拟实验机上,先将72A帘线钢(氩气保护下)以10℃·s-1的速度由室温加热至1 050℃,保温5 m in后,再以10℃·s-1冷却速度冷却至1 000℃;然后将72A帘线钢进行2次变形,其变形量均为25%,应变速率均为20 s-1;最后将72A帘线钢以50℃·s-1的冷却速度快速冷却至900℃,按设定温度以1～50℃·s-1的冷却速度连续冷却至室温,同时采集其温度和膨胀量数据。

2 结果与分析

2.1 72A帘线钢的动态CCT曲线

根据实际温度的变化情况,采用切线法确定72A帘线钢的转变开始温度和转变时间以及转变终了温度和转变时间,观察72A帘线钢的室温组织和电镜组织,并测量其显微硬度。图2为72A帘线钢的动态CCT曲线。

图3为不同冷却速度下72A帘线钢的转变完成时间。在相同开始冷却温度(900℃)下,冷却速度越快,帘线钢转变完成的时间越短,其原因是,随着冷却速度的加快,过冷度增大,使钢中奥氏体向铁素体和珠光体转变的自由焓差值增大,晶界、位错等处的临界形核自由能与均匀形核时的临界形核自由能相比逐渐变小[4],所以在晶界上越易形核,相变越易进行,帘线钢转变完成的时间越短。

图2 72A帘线钢的动态CCT曲线Fig.2 Dynamic CCT curves of 72A cord steel

图3 不同冷却速度下72A帘线钢的转变完成时间Fig.3 Finishing transformation time of 72A cord steel at different cooling rates

2.2 72A帘线钢的组织分析

图4为不同连续冷却速度下72A帘线钢的显微组织。72A帘线钢在较低冷却速度(25℃·s-1以下)时仅发生过冷奥氏体向铁素体和珠光体的转变;较高冷却速度(35℃·s-1以上)时仅发生珠光体和马氏体转变,不发生铁素体转变。据Image tool软件测得,在1、5、20℃·s-1的冷却速度下,钢中铁素体所占体积分别为1.64%、1.28%、0.30%。当冷却速度为25℃·s-1时,钢中铁素体含量为0。由此可知,随着冷却速度加快,转变产生的铁素体越来越少。冷却速度为35～50℃·s-1时,钢中出现了马氏体,且马氏体含量随着冷却速度加快而增加。当冷却速度达到35℃·s-1时,由于冷却速度过快导致先共析铁素体晶胚达不到形成晶核的临界尺寸,因此来不及析出先共析铁素体,此时过冷奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体两相,即亚共析成分的过冷奥氏体不析出先共析相而直接分解为铁素体和渗碳体组成的珠光体。

图5为不同连续冷却速度下72A帘线钢的电镜组织。当冷却速度为1℃·s-1时,钢中珠光体片层间距为2～0.16μm,以细珠光体(索氏体)为主,存在少量的粗珠光体(珠光体),冷却速度继续加快,粗珠光体逐渐减少;当冷却速度达到7℃·s-1时,钢中珠光体片层间距为0.30～0.11 μm,全部为细珠光体(索氏体);冷却速度达到10℃·s-1以上时,钢中出现片层间距小于0.1μm的极细珠光体,即组织中出现了屈氏体(或托氏体)。由此可见,随着冷却速度加快,钢中珠光体片层间距越来越小。这是因为钢的转变温度越低,其碳原子扩散速度越小;钢的过冷度越大,其形核率越高[5]。各种冷却速度下钢中珠光体共同特征是其组织均匀性较差,渗碳体片薄且排列紊乱。

图5 不同冷却速度下72A帘线钢的电镜组织Fig.5 SEM micrographs of 72A cord steel at different cooling rates

图6为不同冷却速度下72A帘线钢中珠光体的显微硬度变化曲线。钢中珠光体的硬度(HV 200)随着冷却速度加快而增加。当冷却速度为1～10℃·s-1时,钢中珠光体组织的硬度值明显增加,而在20～50℃·s-1冷却速度下,钢中珠光组织硬度值变化不大,这是由于钢中的组织成分和珠光体片层间距发生了变化所致。随着冷却速度的加快,钢中的过冷度加大,其转变温度降低,珠光体片层间距减少,即铁素体和渗碳体变薄,相界面增多。在外力作用下,钢的抗范性变形能力增强,在宏观上就表现为其硬度增大。当冷却速度大于20℃·s-1时,钢中珠光体片层间距变化较小,即铁素体和渗碳体片层没有较大变化,故其硬度变化较小。

由此可见,要得到钢中均匀的索氏体组织,其冷却速率不能太快;为减少钢中铁素体含量,其冷却速度不能太慢。因此,在连续冷却转变条件下很难得到钢中均匀而有序的索氏体组织。

图6 不同冷却速度下72A帘线钢中珠光体的显微硬度Fig.6 Micro hardness of pearlite in 72A cord steel at different cooling rates

3 结论

(1)72A帘线钢动态连续冷却速度越快,其转变完成的时间越短,珠光体片层间距越小,珠光体显微硬度越大。在连续冷却时,钢中发生马氏体转变的临界冷却速度为25～35℃·s-1。

(2)当冷却速度大于1℃·s-1时,72A帘线钢室温组织主要为索氏体;大于10℃·s-1时,钢的珠光体中出现屈氏体。冷却速度越慢,钢中相变后的铁素体含量越多。要获得钢中高的索氏体化率,其冷却速度应控制在1～7℃·s-1,但钢中珠光体组织的均匀性较差。采用连续冷却转变方式难以获得单一均匀的索氏体组织。

[1] 蒋跃东,罗德信,赵隆崎.高碳钢SWRH72A线材轧制工艺的实验研究[J].武钢技术,2003,41(5):1-5.

[2] 王有铭,李曼云,韦光.钢材的控制轧制和控制冷却[M].北京:冶金工业出版社,1995:182.

[3] 宋维锡.金属学[M].北京:冶金工业出版社,2004:328.

[4] 张迎晖,康永林,于浩,等.TRIP钢变形奥氏体连续冷却过程的相变及组织研究[J].金属热处理,2005,30(12):79-81.

[5] 刘宗昌,任慧平.过冷奥氏体扩散型相变[M].北京:科学出版社,2007:54.