一种连杆用非调质钢的连续冷却转变

纪仁峰，刘年富，钟芳华

(1.宝钢特钢有限公司,上海 200940； 2.宝钢特钢韶关有限公司, 广东 韶关 512123)

微合金非调质钢是伴随世界能源短缺而发展起来的一种高效节能钢，通过热锻或热轧后其力学性能便可达到传统的调质碳素钢或合金钢水平。大大减少了由于零件淬火变形和开裂带来的损失，具有节约能源、环保、降低制造成本等特点，因此，微合金非调质钢被广泛地应用于汽车工业、农业机械、建筑机械、石油等行业[1-3]。

过冷奥氏体连续冷却转变(CCT)曲线具有系统的反映出冷却速率对特定钢种相变开始温度、结束温度及组织与硬度关系的功能，是调整钢的化学成分、制订钢的轧制工艺和热处理工艺的重要参考依据[4-6]。本实验采用膨胀法、金相法与硬度法相结合的方式，利用热模拟机对新开发的用于汽车连杆用中碳非调质钢的连续冷却转变进行了实验研究，为实际生产工艺的制订和优化提供了一个有用的参考资料。

1 实验材料及方法

实验材料为宝钢特钢韶关有限公司开发的汽车连杆用非调质钢，其化学成分如表1所示。生产工艺如下：130 t转炉冶炼→LF炉精炼→RH炉精炼→连铸(缓冷)→铸坯检查→大棒轧制φ70 mm圆钢→空冷至室温。

表1 实验钢化学成分(质量分数，%)

首先在Gleeble-3800热模拟试验机上测定实验钢的临界相变温度，用φ6 mm×81 mm圆柱试样，先以10 ℃/s的速度升温到500 ℃，再以0.05 ℃/s加热到960 ℃，保温10 min；然后以0.05 ℃/s的速度冷却至400 ℃，最后以10 ℃/s降温到室温。加热时测得临界相变温度Ac1=749 ℃，Ac3=819 ℃；冷却时测得临界相变温度Ar1=619 ℃，Ar3=705 ℃。

连续冷却试验的试样以10 ℃/s的升温速度加热到960 ℃，保温10 min，然后分别以0.1、0.5、0.8、1、1.5、2、3、4、5、8、10 ℃/s的降温速度冷却至室温。冷却后试样经研磨抛光，用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，采用LEICA DMILM型光学显微镜观察显微组织，用Zwick ZHμ-A显微维氏硬度计测量不同冷却速度下试样的显微维氏硬度值。

2 实验结果与分析

2.1 过冷奥氏体连续冷却转变曲线

图1为根据不同冷却速度下测定的相变温度、相变开始和结束时间绘制的实验钢奥氏体连续冷却转变的CCT曲线。从图中可以看出，当冷却速度小于0.5 ℃/s时，主要发生铁素体和珠光体转变，且铁素体转变区域要大于珠光体转变区域；当冷却速度大于0.5 ℃/s时，开始出现贝氏体组织，随冷却速度增加，贝氏体逐渐增加，冷却速度在0.5～0.8 ℃/s时的室温组织为先共析铁素体、珠光体和贝氏体；当冷却速度大于1 ℃/s时，开始发生马氏体转变，随着冷却速度增加，铁素体、珠光体含量逐渐减少，贝氏体、马氏体量逐渐增多；当冷却速度大于8℃/s时，转变组织全部为马氏体。

图1 实验钢的CCT曲线Fig.1 CCT curves of experimental steel

2.2 不同冷却速度下的显微组织

图2所示为不同冷却速度下实验钢的显微组织，从图中可以看出，当冷却速度为0.1 ℃/s时，发生铁素体/珠光体转变，室温组织为铁素体+珠光体。先共析铁素体呈块状析出，说明先共析铁素体在较低的冷却速度下得到充分的长大，如图2(a)所示。当冷却速度增加至0.5 ℃/s时，开始出现少量的贝氏体，转变产物为铁素体+珠光体+少量贝氏体，随着冷却速度的提高，贝氏体的含量逐渐增多，珠光体含量也逐渐减少，组织主要为珠光体+铁素体+贝氏体，如图2(b)、2(c)所示。当冷却速度达到1 ℃/s时，开始出现少量的马氏体。随着冷却速度的增加，贝氏体、马氏体量逐渐增多，珠光体量逐渐减少，冷却速度为3 ℃/s时，组织中未出现珠光体、铁素体，转变产物为马氏体+少量贝氏体。当冷却速度达到8 ℃/s时，转变产物全部为马氏体，如图2(f)、2(g)。

(a)0.1 ℃/s;(b)0.5 ℃/s;(c)0.8 ℃/s;(d)1 ℃/s;(e)2 ℃/s;(f)5 ℃/s;(g)10℃/s图2 实验钢从960 ℃以不同冷却速度得到的显微组织Fig.2 Microstructure of the experimental steel cooled from 960 ℃ wiyh different cooling rates

2.3 不同冷却速度下的显微硬度

实验钢在不同冷却速度下的显微维氏硬度如图3所示。从图中可以看出，冷却速度对显微硬度有很大的影响，随着冷却速度的增加，显微硬度也随之增大。结合图2中的显微组织随冷却速度的变化情况，随着冷却速度的增加，铁素体和珠光体体积分数逐渐减少，而贝氏体和马氏体体积分数则逐渐增多。对于成分相同的钢来说，硬度变化规律是马氏体>贝氏体>珠光体>铁素体。因此，实验钢的显微硬度随着冷却速度的增加而增加。

图3 实验钢的维氏硬度随冷却速度的变化Fig.3 The change of Vickers-hardness of the experimental steel with cooling rate

3 讨论

实验用连杆非调质钢的特点是中碳高硅高锰，并添加了一定量的铬、钒、铌和钼。其中锰是增大奥氏体区的元素，其在晶界表面富集后对晶界产生钉扎作用，延长珠光体转变的孕育时间，从而减慢奥氏体向铁素体和珠光体转变。同时，锰元素可以大大地降低贝氏体转变驱动力，使贝氏体转变在较低的冷却速度下即可进行。硅元素能增加过冷奥氏体的稳定，可以延缓贝氏体转变，同时也可降低贝氏体转变温度，铬和钒的加入能够扩大贝氏体转变区域，增加钢的贝氏体淬透性。钢中加入微量的铌和钼，利用铌元素的晶界偏聚效应，对晶界移动产生较强的拖拽作用，延迟奥氏体向铁素体和珠光体转变；钼元素使CCT曲线右移，延长了铁素体和珠光体的孕育期，增加了过冷奥氏体的稳定性，同时，钼元素能够降低贝氏体开始转变温度，使奥氏体在较低的温度下即可发生贝氏体转变。由此可见，此中碳非调钢的锰、硅、铬、钒和微量的铌和钼等元素可增加钢的淬透性，促进贝氏体转变，在较宽的冷却速度范围内得到贝氏体组织。在冷却速度为0.5～5 ℃/s范围内，都有贝氏体组织存在，如图1和图2所示。

4 结论

1)连杆用中碳非调质钢在连续冷却转变过程中，先后发生了先共析铁素体和珠光体、贝氏体和马氏体转变，且转变开始温度随着冷却速度的提高而逐渐降低。

2)连杆用中碳非调质钢中合金元素锰、铬、钒及微量铌和钼的加入扩大了贝氏体转变区，在较大冷却速度范围内均能得到贝氏体组织。

3)过冷奥氏体经连续冷却转变后室温组织的显微硬度随着冷却速度的增加而增大。当冷却速度为0.5 ℃/s时，组织中开始出现贝氏体；当冷却速度为1 ℃/s时，组织中开始出现马氏体，与硬度变化曲线相一致。