气雾冷却布局对耐磨钢淬火过程和组织性能影响

温识博,吴建峰,朱健桦

(宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海 201999)

耐磨钢具有高的强度和硬度,同时具有一定的韧性和良好的焊接性能,主要应用在工程机械等领域[1],一般采用“淬火+低温回火”、轧后“直接淬火+低温回火”或“控轧控冷”等工艺进行生产,其显微组织以回火马氏体为主,有时引入少量贝氏体,提高其冲击韧性[2]。目前对耐磨钢的研究主要集中在合金成分[3-5]、热处理工艺[6-7]、热轧工艺[8]和附加性能[9-10]等方面,在冷却方式方面研究很少,局限于轧制后的层流冷却方面,包括密集冷却、稀疏冷却[11]和分段冷却[12]对组织性能影响等。近些年有少量关于气雾冷却在冷轧薄板应用[13-14],但在热轧耐磨钢方面没有涉及。

冷却方式根据冷却形成可分为射流冲击冷却、层流冷却、气雾冷却、水雾冷却和喷气冷却等[15],射流冲击冷却又包括缝隙喷射和压力喷射等。传统的热轧热处理线常用的冷却方式为缝隙喷射或压力喷射,这两种冷却方式虽然具有很高的极限冷却速度,但射流分布均匀性差,导致冷却不均匀,使得热处理后的钢板性能波动大。传统的冷轧连退线常用的冷却方式为喷气冷却和气雾冷却[16],这两种冷却方式具有冷却均匀的特点,冷轧薄带经喷气淬火或气雾淬火后具有较高的性能均匀性和良好的板形。为解决传统热轧热处理线存在性能波动难题,有必要研究气雾冷却方式在耐磨钢热处理的应用效果。

本文以耐磨钢为研究对象,收集了耐磨钢在不同气雾冷却布局条件下的温降曲线,统计了耐磨钢淬火过程的冷却速度,观察了各个试验参数下的显微组织,分析了气雾冷却布局对耐磨钢硬度及均匀性的影响,从冷却速度、显微组织、硬度及其均匀性等四个方面评价了气雾冷却方式在耐磨钢热处理中的应用效果。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料采用工业生产的耐磨钢,经连铸、加热、粗轧、精轧、层冷和卷取,加工成4 mm厚钢板,其中加热炉加热温度为1 230 ℃,精轧温度为900 ℃,卷取温度为600 ℃。耐磨钢的主要化学成分的质量分数见表1,将生产的耐磨钢加工成尺寸4 mm×200 mm×300 mm的试验样板进行气雾淬火。

表1 试验材料的主要化学成分Table 1 Chemical contents of the experimental steel %

1.2 冷却试验装置

冷却试验在气雾冷却装置下进行,气雾冷却装置的示意图如图1所示,包括加热系统、供水系统、供气系统、气雾冷却系统和传动系统等部分组成。气雾冷却系统的喷箱上有若干排喷嘴,每排喷嘴的间距可调,间距范围是50～400 mm,相邻两排喷嘴交错排布[14],每排喷嘴上安装多个气雾喷嘴,每排喷嘴排布的示意图如图2所示。以压缩空气和压力水为冷却介质,采用适当的气水压力比,实现雾化过程。

图1 气雾冷却装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the air-atomized water spray cooling device

图2 喷嘴布局示意图Fig.2 Schematic diagram of the nozzle arrangement

钢板加热炉加热后在气雾冷却装置下以气水压力比2∶1的冷却参数下进行气雾淬火,加热温度为925 ℃,保温时间为15 min。温度检测位置为钢板上表面的中心点,钢板运动速度为5 m/min。钢板上表面中心点焊接K型热电偶,用于采集温度数据。

1.3 冷却速度计算方法

本文中的耐磨钢铁素体相变开始点约为780 ℃,马氏体相变开始温度Ms为400 ℃左右,马氏体相变结束温度Mf为200 ℃左右,马氏体相变的临界冷却速度为60 K/s。马氏体相变开始后,对冷却速度要求降低,因此冷却速度计算是采取分段式计算,第一段温度区间为400～800 ℃,第二段温度区间为200～400 ℃。

1.4 显微组织

显微组织采用Leica光学显微镜和ZEISS(EVO MA25)扫描电镜进行观察,用4 %硝酸酒精的浸蚀液腐蚀后显示显微组织。

1.5 硬度试验

布氏硬度检测采用BRIN4000布氏硬度计,加载力为30 000 N,采用球形压头,压头直径为10 mm,保持时间为12 s,每个试样检测15个点,每个点位置如图3所示,去除一个最大值和一个最小值后取平均值为试样的最终硬度值。试样检测前,上下表面磨削0.5 mm,去除表面脱碳软化区。

图3 耐磨钢硬度检测点示意图Fig.3 Diagram of the hardness testing points for the wear-resistant steel

2 试验结果与分析

2.1 冷却布局对淬火过程的影响

热态钢板在不同气雾冷却布局条件下淬火的温度曲线如图4所示。加热炉门打开后,样品未出加热炉时,由于冷空气进入加热炉腔体,钢板出现小幅度的温度降低,降温速度约为2 K/s。样板由加热炉转移至气雾冷却装置时,6 mm钢板在空气中冷却速度为6 K/s,随后进入气雾冷却装置内,快速冷却至100 ℃以下。需要注意的是,在气雾冷却过程中,存在气雾冷却区和空冷区。

图4 不同气雾冷却布局的温度曲线Fig.4 Temperature curves under various types of device structures

当每排喷嘴间距50 mm时,钢板几乎完全处于气雾冷却区,即冷却过程中钢板一直处于气雾冷却区,几乎无空冷段,很快冷却至100 ℃以下。每排喷嘴间距在150 mm及以上时,钢板运动时会离开气雾冷却区而进入空冷区,钢板表面和心部存在温差且心部温度高于表面温度,导致钢板表面出现返温现象。因此,当钢板重复地经过气雾冷却区和空冷区时,表面温降曲线出现“温度震荡”现象。随着每排喷嘴间距增大,冷却过程中空冷区所占比例增加,气雾冷却区所占比例降低,钢板由925 ℃冷却至100 ℃以下所需时间逐渐延长。

由于温度检测点为钢板表面,耐磨钢的温降曲线出现返温现象,且存在多次的“温度震荡”。为准确计算400～800 ℃和200～400 ℃温度区间的冷却速度,需对不同条件下的温降曲线中的数据点进行平滑预处理,再计算不同温度区间的冷却速度,不同温度区间的冷却速度如图5所示。在不同冷却条件下,400～800 ℃的冷却速度均比200～400 ℃的冷却速度高,虽然高温区为膜沸腾区域,但热流密度小,换热系数小;中低温区为核沸腾和过渡沸腾区域,热流密度大,换热系数大[17],但是在200～400 ℃区间内耐磨钢淬火时出现马氏体相变,产生了大量的相变潜热[18],导致200～400 ℃的冷却速度比400～800 ℃的冷却速度慢。

图5 不同气雾冷却布局的在不同温度段的冷却速度Fig.5 Cooling rate of the wear-resistant steel under various device structures

随着每排喷嘴间距由50 mm增大至400 mm,两个温度区间的冷却速度均逐渐变小且两个温度区间冷却速度差值变小,400～800 ℃温度区间的冷却速度由329 K/s降低至47 K/s,200～400℃温度区间的冷却速度由67 K/s降低至14 K/s。这是因为随着每排喷嘴间距增大,钢板由热态冷却至室温时空冷部分的占比增大,气雾冷却部分的占比减小,且气雾冷却的冷却能力远大于空冷的冷却能力,从而导致整体冷却速度变慢。

2.2 冷却布局对显微组织的影响

耐磨钢在不同冷却条件下淬火后的显微组织如图6所示。当每排喷嘴间距为50 mm时,耐磨钢经过冷却系统,热态钢板几乎一直处于气雾冷却区,试样表面无明显反温现象,淬火过程中的实际冷却速度大于60 K/s,淬火后的组织为淬火马氏体,几乎无碳化物析出。

图6 耐磨钢在不同冷却条件下的显微组织Fig.6 OM and SEM microstructures of the wear-resistant steel under various cooling device structures

当每排喷嘴间距增大至150 mm时,每排喷嘴间存在较小区域的空冷区,使得冷却速度降低,但400～800 ℃温度区间的冷却速度为125 K/s,远大于临界冷却速度,只存在马氏体组织。但试样经过空冷区时,心部温度高于表面温度,导致表面出现反温现象,使得淬火马氏体内部的碳化物析出,出现自回火现象。

当每排喷嘴间距进一步增大至400 mm时,空冷区在整个冷却过程的比例变大,冷却速度降低,400～800 ℃温度区间的冷却速度低于60 K/s,使得淬火后的组织为贝氏体和自回火马氏体的混合组织。

通过以上显微组织分析可知,利用气雾冷却方式对耐磨钢进行淬火时,通过缩短每排气雾喷嘴间距,可获得淬火马氏体组织,这表明耐磨钢可采用气雾冷却方式进行淬火。

2.3 冷却布局对硬度的影响

耐磨钢在不同气雾冷却布局条件下淬火后的硬度如图7所示,表2为相应的硬度统计表。图7中,耐磨钢经气雾淬火后上表面的硬度比下表面的硬度(HB)高5～10,这是因为气雾淬火过程中,气雾与试样接触时先汽化为蒸汽,而后在钢表面聚集形成少量残余水,上表面的残余水不容易排掉,而下表面的水受重力影响掉落,残余水比空气的传热系数更大、导热更快,这使得试样上表面冷却速度比下表面大,奥氏体转变为马氏体时,碳化物析出越少,固溶的碳含量越多,强度和硬度越高。

图7 耐磨钢在不同气雾冷却布局条件下淬火后的硬度Fig.7 Hardness of the wear-resistant steel under various cooling device structures

表2 耐磨钢在不同气雾冷却布局条件下淬火后的硬度统计表Table 2 Hardness (HB) statistics of the wear-resistant steel under various cooling conditions

当每排喷嘴间距由50 mm增大至400 mm时,上下表面平均硬度均逐渐降低,上表面的平均硬度(HB)由462 降低至405,下表面的平均硬度由457降低至398。这是因为随着每排喷嘴间距增大,试样的冷却速度逐渐变小,淬火组织由淬火马氏体逐渐变为自回火马氏体,最后形成了自回火马氏体和贝氏体的混合组织。

随着每排喷嘴间距增大,硬度均匀性的变化规律与平均硬度变化规律相反,即布氏硬度均匀性变差,上表面硬度的标准差由2.4增大至15.1,下表面硬度的标准差由1.4增大至13.7。这是因为喷嘴间距越大,经过气雾冷却区和空冷区的次数越多,出现冷却不均匀性的概率越大,导致硬度均匀性变差。

综上所述,采用气雾冷却方式进行淬火时,选择合理的气雾冷却布局,可使得耐磨钢淬火冷却速度大于60 K/s,最终获得淬火马氏体组织和一定硬度级别且性能均匀的耐磨钢。

3 结论

(1) 耐磨钢可采用气雾冷却方式进行淬火,选择合理的气雾冷却布局,获得淬火马氏体,达到一定硬度级别且性能均匀。

(2) 采用气雾冷却进行淬火时,耐磨钢在不同温度区间的冷却速度存在差异,400～800 ℃区间的冷却速度大于200～400 ℃ 区间的冷却速度。

(3) 气雾冷却布局影响耐磨钢的冷却速度,随着每排喷嘴间距增大,冷却速度变慢,淬火马氏体中碳化物析出增多,自回火现象加重,自回火马氏体+贝氏体的混合组织增多,硬度降低且性能均匀性变差。