梁 宇，石芷伊，梁益龍

（1.貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院，貴陽550025；2.貴州省材料結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽550025）

0 引 言

SWRS82B盤條是用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼絲鋼絞線的重要原材料，其組織和性能對(duì)后期深加工產(chǎn)品的相關(guān)性能具有較大的影響，因此對(duì)盤條組織和性能的研究將有助于后期冷變形加工產(chǎn)品性能的提高。關(guān)于中高碳鋼中采用釩元素進(jìn)行微合金化以細(xì)化奧氏體晶粒及珠光體組織的研究均有過相關(guān)報(bào)道［1－4］。這些研究對(duì)釩元素細(xì)化奧氏體晶粒、珠光體團(tuán)尺寸及片層間距的有益作用進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，但是關(guān)于工業(yè)化生產(chǎn)中風(fēng)冷即連續(xù)冷卻條件下，不同含量釩微合金化對(duì)其組織影響的研究并不多見。鑒于此，作者采用SWRS82B盤條鋼為原料進(jìn)行釩微合金化，制備了不同釩含量的試樣，然后模擬工業(yè)生產(chǎn)風(fēng)冷（斯太爾摩風(fēng)冷線）在不同冷速下對(duì)試樣進(jìn)行冷卻，并觀察其顯微組織變化，探索了釩元素及冷卻條件對(duì)高碳鋼盤條顯微組織的影響，為工業(yè)化生產(chǎn)高碳鋼盤條微合金化方案提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用市售國產(chǎn)φ16mm SWRS82B鋼盤條為原材料，在10kg真空中頻感應(yīng)爐中熔煉，根據(jù)真空熔煉爐原料中各元素含量燒損變化趨勢(shì)，每一爐次通過添加一定量T10鋼來調(diào)整碳元素含量。根據(jù)試驗(yàn)材料釩元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求，在加料斗中放入所需質(zhì)量釩鐵，待觀察到鋼液熔化翻滾后（約1 550℃）倒入釩鐵，保持10～20s時(shí)間均勻化后，將鋼液倒入鋼模澆鑄成φ95mm鑄錠，再將鑄錠鍛造為φ17mm的圓棒。試驗(yàn)鋼最終化學(xué)成分見表1所示，編號(hào)按實(shí)際爐次給出。

從試驗(yàn)材料切取尺寸φ17mm×20mm試樣若干，在SX2－10－12A型箱式電阻爐中加熱到860℃保溫20min。出爐后試樣分別在可調(diào)頻風(fēng)機(jī)上進(jìn)行風(fēng)冷，冷卻速率分別為16℃·s－1和10℃·s－1，另對(duì)4－2試樣加熱后進(jìn)行冷速較快的500℃鹽浴處理。

將熱處理后的試樣表面打磨和拋光后用體積分?jǐn)?shù)3%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，在PMG－3型光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織；采用過飽和苦味酸溶液進(jìn)行晶粒形貌腐蝕，用截線法測量平均晶粒尺寸；通過線切割切取1mm厚度試樣，用金相砂紙反復(fù)拋磨后通過電解雙噴減薄制樣，在JEM－2000FXII型透射電子顯微鏡（TEM）上進(jìn)行組織觀察。

采用Pandata熱力學(xué)計(jì)算軟件及PanFe數(shù)據(jù)庫對(duì)不同釩含量碳鋼進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，除釩外其余成分按三爐次平均值給出。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可見，SWRS82B盤條鋼的組織相對(duì)較均勻，為常見的索氏體；對(duì)于碳元素含量偏低、釩元素含量偏高的試樣1－1，奧氏體化后在較慢的冷速10℃·s－1下風(fēng)冷時(shí)，晶界上局部可見先共析鐵素體，當(dāng)提高冷卻速率到16℃·s－1后，先共析鐵素體基本未出現(xiàn)；但對(duì)于碳元素含量比較高，釩元素含量偏低的試樣3－2，奧氏體化后在兩種冷速下風(fēng)冷后組織均為均勻的索氏體，未見先共析鐵素體出現(xiàn)；而釩元素含量明顯提高的試樣4－2，其索氏體組織明顯細(xì)化［5］，但是在兩種冷速下風(fēng)冷后，在晶界上均出現(xiàn)了明顯的先共析鐵素體塊；試樣4－2經(jīng)奧氏體化及500℃鹽浴處理后，沒有明顯的先共析鐵素體出現(xiàn)。

選取了試樣1－1及試樣4－2進(jìn)行原始奧氏體晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)，如圖2所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示試樣1－1的平均晶粒尺寸為55.73μm，試樣4－2的平均晶粒尺寸為44.21μm，可見釩元素含量較高的的試樣4－2的晶粒尺寸明顯細(xì)小。

對(duì)高碳珠光體鋼冷卻過程中出現(xiàn)先共析鐵素體這一現(xiàn)象，在文獻(xiàn)［6］中也提到過，且指出其數(shù)量隨釩含量、冷速、轉(zhuǎn)變溫度的不同而變化。同時(shí)有研究指出這一現(xiàn)象在碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.85%、釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.1%的鋼中也會(huì)出現(xiàn)，其認(rèn)為釩可促進(jìn)珠光體鋼先共析鐵素體的轉(zhuǎn)變［7］。還有研究［8］指出，釩的碳化物優(yōu)先在晶界形核，使晶界區(qū)產(chǎn)生碳的貧化，從而促進(jìn)了鐵素體的形成。

釩元素的加入，會(huì)增大碳化物形核的驅(qū)動(dòng)力，提高晶界上碳化物形核數(shù)率，碳化物在晶界形核長大是各自獨(dú)立且同時(shí)發(fā)生的，隨著碳化物的形核長大，在晶界碳化物周圍形成貧碳區(qū)，促使鐵素體在晶界碳化物析出的附近區(qū)域形核［9］。晶界上碳化物的密度高，加之形成鐵素體的驅(qū)動(dòng)力有限，這樣就構(gòu)成了不利于配合長大的初始條件，鐵素體包圍了晶界上的碳化物。在文獻(xiàn)［10］對(duì)SWRH77B鋼的研究中也指出，高碳鋼中加入的釩元素達(dá)到一定量后會(huì)使晶界碳偏析程度加大，碳化物在晶界析出傾向增加，而碳化物的析出又會(huì)使周圍區(qū)域貧碳導(dǎo)致鐵素體析出傾向增大。

由圖3可見，以16℃·s－1冷卻的試樣4－2晶界上有明顯非連續(xù)碳化物富集，碳化物富集的晶界一側(cè)為先共析鐵素體，另一側(cè)為珠光體；珠光體以晶界形成的碳化物為核心，向晶粒內(nèi)生長，且在晶界形核的珠光體由于取向原因只向其中一個(gè)晶粒內(nèi)長大，而不能同時(shí)向兩個(gè)晶粒內(nèi)生長，這與文獻(xiàn)［11］報(bào)道的珠光體在晶界形核長大的形貌一致。文獻(xiàn)［12］也報(bào)道了珠光體相變時(shí)取向關(guān)系，指出由于珠光體內(nèi)的鐵素體和滲碳體兩相在生長過程中需保持良好配合，晶界上形成的珠光體更易向與其無特定取向關(guān)系的晶粒內(nèi)生長。

因此在冷卻時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變初期釩元素促進(jìn)晶界上析出碳化物后，在取向合適的晶粒內(nèi)，晶界碳化物可作為先析出相使珠光體在此形核、長大［13］。在取向不合適的晶粒內(nèi)，雖然釩元素的加入促進(jìn)了晶界碳化物析出，但由于取向的因素［12］，滲碳體與鐵素體較難向這個(gè)晶粒內(nèi)部生長，而附近區(qū)域形成的貧碳區(qū)正好促進(jìn)了先共析鐵素體的形成。由于這類鐵素體是在晶界附近形成，因此在低分辨率光學(xué)顯微組織下猶如鐵素體沿晶界析出。從圖3中也可見，晶界附近的一個(gè)晶粒內(nèi)，貧碳區(qū)形成的先析出鐵素體是獨(dú)立長大，而不是與滲碳體配合通過交替形核長大形成片狀組織，因此失去了共析組織的層狀組織特征，具有離異共析形貌。

2.2 相圖計(jì)算

從圖4可見，釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%時(shí)計(jì)算相圖中的共析點(diǎn)相對(duì)釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%時(shí)的明顯向右移動(dòng)，使得鋼中先共析鐵素體區(qū)域擴(kuò)大，在冷卻過程中需要以更快的冷卻速率通過這一區(qū)域才能避免先共析鐵素體的析出。同時(shí)通過計(jì)算得出在相變溫度為500℃時(shí)，釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%的試樣，析出碳化物MC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.07%；而相同溫度下，釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%的試樣析出碳化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，這與前述釩元素促進(jìn)碳化物相析出的結(jié)論一致。

試驗(yàn)鋼碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.78%～0.8%時(shí)，計(jì)算所得共析點(diǎn)的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于傳統(tǒng)意義上共析點(diǎn)0.77%的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文獻(xiàn)［10］對(duì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%～0.78%的SWRH77B碳鋼共析點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果為0.72%～0.69%，其認(rèn)為由于硅、錳均是降低共析點(diǎn)碳含量的元素，作者根據(jù)熱力學(xué)定義該鋼依然屬于共析鋼。得到的相圖計(jì)算只對(duì)釩元素含量對(duì)相區(qū)影響的趨勢(shì)進(jìn)行了驗(yàn)證，并考慮冷卻過程中釩元素及其碳化物在局部區(qū)域元素富集的情況，因?yàn)榫植繀^(qū)域釩元素富集可能會(huì)導(dǎo)致共析點(diǎn)進(jìn)一步偏移，所以釩元素的加入在一定程度上也能促進(jìn)先共析鐵素體的形成［7］。

珠光體鋼構(gòu)件在服役或冷變形加工受力過程中，當(dāng)珠光體鋼中珠光體組織內(nèi)的鐵素體片間距較小時(shí)，位錯(cuò)塞積數(shù)量較少，而且位錯(cuò)的應(yīng)力集中可以通過珠光體組織中薄的滲碳體片的變形來緩解，因此細(xì)珠光體組織的鋼具有較好的強(qiáng)塑性配合。而當(dāng)先共析鐵素體沿晶界析出后，位錯(cuò)將在沿晶界的鐵素體內(nèi)開始增殖滑移，當(dāng)遇到晶界阻礙后很快在晶界處塞積，由于晶界鐵素體尺寸相對(duì)較大，開動(dòng)的位錯(cuò)數(shù)量多，晶界處位錯(cuò)塞積較多，應(yīng)力集中程度大，難以降低，因而造成晶界裂紋的快速擴(kuò)展導(dǎo)致脆性斷裂。這將對(duì)盤條性能產(chǎn)生明顯的影響，很多工程應(yīng)用中都有因組織中鐵素體而導(dǎo)致盤條［14－16］甚至成品鋼絲［17］性能惡化的情況。

3 結(jié) 論

（1）礬元素的加入能細(xì)化SWRS82B盤條鋼奧氏體晶粒；當(dāng)釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.16%時(shí)，在16℃·s－1風(fēng)冷冷速下，將沿晶界出現(xiàn)鐵素體，當(dāng)提高冷速如500℃鹽浴時(shí)，才能避免鐵素體形成；釩含量控制在小于0.08%，風(fēng)冷速率在10～18℃·s－1范圍內(nèi)均能抑制鐵素體析出。

（2）釩元素的加入會(huì)促進(jìn)試驗(yàn)鋼在晶界處碳化物的富集，珠光體可在取向有利的晶粒內(nèi)以晶界碳化物為先析出相形核長大，但在另一個(gè)珠光體生長取向不利的晶粒內(nèi)形成貧碳區(qū)，鐵素體在晶界附近貧碳區(qū)形成，鐵素體與滲碳體不再交替配合生長，失去共析組織形貌，呈現(xiàn)出先共析鐵素體沿晶界分布的形貌。

（3）通過熱力學(xué)軟件計(jì)算表明，釩元素加入促進(jìn)相變過程碳化物的析出，同時(shí)會(huì)使高碳鋼共析點(diǎn)右移，擴(kuò)大先共析鐵素體相區(qū)。

［1］沈金龍，覃之光，夏艷花，等.釩氮合金在高碳鋼 WSWRH82B中的應(yīng)用［J］.鋼鐵釩鈦，2009，30（4）：21－26.

［2］盧向陽，劉明，賈斌，等.V、N合金在非調(diào)質(zhì)鋼中的應(yīng)用［J］.鋼鐵釩鈦，2000，21（3）：119－123.

［3］蘇義祥，門志慧.釩對(duì)碳鋼組織及耐磨性能的影響［J］.機(jī)械工程材料，2005，29（2）：42－44

［4］王勇圍，桂美文，周勇，等.V、N微合金化對(duì)高碳鋼82B性能的影響［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2011，32（1）：82－86.

［5］李誠誠，喬桂英，曹雅彬，等.釩對(duì)X80管線鋼熱變形后連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為的影響［J］.機(jī)械工程材料，2011，35（6）：35－37

［6］PICKERING F B，GARBARZ B.Strengthening in pearlite formed from thermo－mechanically processed austenite in vanadium steels and implications for toughness［J］.Materials Sci－ence and Technology，1989，5（3）：227－237.

［7］HAN K，Effect of silicon and vanadium additions on structure and properties of pearlitic steels［D］.Oxford：Oxford University，1992.

［8］MOTTISHAW T D，Effects of alloy additions on properties of pearlitic steels［D］.Oxford：Oxford University，1984.

［9］HAN K，MOTTISHAW T D，SMITH G D W，et al.Effects of vanadium addition on nucleation and growth of pearlite in high carbon steel［J］.Materials Science and Technology，1994，10：955－963.

［10］李翼，楊忠民.V對(duì)高碳鋼連續(xù)冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變的影響［J］.金屬學(xué)報(bào)，2010，46（12）：1501－1510.

［11］GUO Z，KIMURA N，TAGASHIRA S，et al.Kinetics and crystallography of intragranular pearlite transformation nucleated at（MnS＋VC）complex precipitates in hypereutectoid Fe－Mn－C alloys［J］.ISIJ Int，2002，42：1033－1041.

［12］郭正洪.鋼中珠光體相變機(jī)制的研究進(jìn)展［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2003，23（3）：1－7.

［13］KHALID F A，EDMONDS D V.Effect of vanadium on the grain boundary carbide nucleation of pearlite in high－carbon steels［J］.Scripta Metallurgica et Materialia，1994，30（10）：1251－1255.

［14］牛亞然，陳光，趙金偉，等.72A硬線鋼絲拉拔裂紋的形成與擴(kuò)展機(jī)制［J］.機(jī)械工程材料，2004，28（8）：49－51.

［15］商振宇，鄭建柱.高碳硬線盤條拉拔斷絲分析［J］.金屬世界，2009（4）：50－51.

［16］張春燕，陳興偉，張祥艷，等.65鋼絲拉拔斷裂分析與盤條生產(chǎn)工藝改進(jìn)［J］.金屬制品，2009，35（4）：44－51.

［17］巴發(fā)海，李玲，陸洲.港口橋吊用鋼絲繩斷絲原因分析［J］.機(jī)械工程材料，2009，33（12）：90－93.