劉力哲，余萬(wàn)華，劉新鵬，孫 理，聶子平，劉 澄

（1.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京，100083；2.青島鋼鐵公司第二線材廠，山東 青島，266043）

超高強(qiáng)度簾線鋼盤條軋制吐絲后控冷工藝對(duì)盤條組織性能有重要的影響［1］。范廣彬和王超等分別對(duì)普通簾線鋼72A連續(xù)冷卻特性及轉(zhuǎn)變規(guī)律進(jìn)行了研究［2－3］，王克杰等對(duì)高強(qiáng)度簾線鋼82B連續(xù)冷卻相變行為進(jìn)行了研究［4］，劉宏玉等研究了普通級(jí)別70級(jí)和高級(jí)別80級(jí)簾線鋼的連續(xù)冷卻特性以及控冷工藝［5］，但國(guó)內(nèi)對(duì)92級(jí)類超高級(jí)別簾線鋼的冷卻特性研究甚少。為此，本文對(duì)超高級(jí)別C92DA簾線鋼進(jìn)行連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變?cè)囼?yàn)，研究控冷工藝及奧氏體化溫度對(duì)其組織性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

選用國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的軋態(tài)盤條C92DA鋼，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 C92DA鋼化學(xué)成分（wB／%）Table1 Chemical compositions of C92DA steel

1.2 試驗(yàn)和檢測(cè)方法

將φ5.5mm C92DA簾線鋼熱軋盤條加工成φ4.0×10mm的試樣，其冷卻速率不低于10℃／s，并將部分試樣中心加工成φ2.0×10mm的通孔。利用DIL805A淬火熱膨脹儀（德國(guó)）進(jìn)行試驗(yàn)。兩種試樣均以10℃／s的加熱速率加熱至900℃（完全奧氏體化溫度），保溫5min。將實(shí)心試樣按0.05、1、3、5、7、9℃／s的冷卻速率冷卻至室溫，將空心試樣按10、11、13、15、20、30、40℃／s的冷卻速率冷卻至室溫。另外，將奧氏化溫度提高至1000、1100、1200℃，以10℃／s冷卻速率冷卻至室溫。分別記錄試樣冷卻過(guò)程中的膨脹量、溫度和時(shí)間，用切線法［6］測(cè)定臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)，采用熱膨脹法與金相硬度法相結(jié)合的方法，依照YB／T5128—93，利用Qrigin軟件繪制連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）曲線。對(duì)試驗(yàn)樣品研磨、拋光后用4%硝酸酒精溶液腐蝕，用4XC金相顯微鏡觀察試樣顯微組織；用LEICA VMHT 30M顯微硬度儀（加載0.98N，時(shí)長(zhǎng)10s）測(cè)量顯微硬度；用ZIESS LED－1450掃描電鏡（德國(guó)）對(duì)珠光體片層間距進(jìn)行觀測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 組織分析及CCT曲線

圖1 900℃奧氏體化溫度下所制試樣相組織Fig.1 Phase textures of C92DA steel at the austenitizing temperature of 900℃

900℃奧氏體化溫度下所制試樣相組織如圖1所示。從圖1中可看出：冷卻速率為0.05℃／s時(shí)，組織中可以明顯看到片層珠光體，在晶界處有白色網(wǎng)狀碳化物析出；1℃／s時(shí)，組織中主要為片層珠光體與部分索氏體，以及在晶界處析出的網(wǎng)狀碳化物；5℃／s時(shí)，組織中主要為珠光體和索氏體，部分晶界處有少量彌散的碳化物析出；10℃／s時(shí)，組織中以索氏體為主；15℃／s和20℃／s時(shí)，組織中可觀察到明顯的索氏體和亮白色的馬氏體，其中，20℃／s時(shí)馬氏體較多；30℃／s時(shí)，以白色針狀馬氏體為主，黑色部分為較細(xì)的片層絮狀屈氏體組織；40℃／s時(shí)，組織中僅有少量黑色團(tuán)絮狀屈氏體和大部分針狀馬氏體。

生產(chǎn)實(shí)際要求盡可能減少不利于材料強(qiáng)度的網(wǎng)狀碳化物和馬氏體等組織，獲得盡可能高的索氏體化率。因此，滿足生產(chǎn)實(shí)際要求的最佳C92DA鋼相變冷卻速率在10℃／s左右。

試樣CCT曲線如圖2所示。從圖2中可看出，相同奧氏體化溫度下，隨著冷卻速率的不斷增大，珠光體轉(zhuǎn)變溫度逐漸降低、轉(zhuǎn)變時(shí)間逐漸縮短，但冷卻速率增大到一定程度會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。

圖2 試樣CCT曲線Fig.2 CCT curves of C92DA steel

試樣顯微硬度曲線如圖3所示。從圖3中可看出，隨著冷卻速率的增大，試樣顯微硬度值呈上升趨勢(shì)。這是由于隨著冷卻速率的增大，過(guò)冷度增大，相轉(zhuǎn)變溫度降低，珠光體片層間距減小，即鐵素體和滲碳體組織變薄，相界面增多，因而在外力作用下，鋼的抗范性變形能力增強(qiáng)，宏觀上表現(xiàn)為硬度增大［2］。對(duì)白色和黑色部分的相組織進(jìn)行硬度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在1～20℃／s的冷卻速率區(qū)間，黑色和白色兩部分組織的硬度值大體相當(dāng)，故均認(rèn)定為珠光體（索氏體）組織；其中冷卻速率為15℃／s時(shí)，組織中少量亮白色部分的硬度值（HV）高達(dá)700以上，確認(rèn)為馬氏體組織；冷卻速率為30℃／s和40℃／s時(shí)，組織中主要為黑色團(tuán)絮狀的屈氏體和高硬度的馬氏體。

圖3 試樣顯微硬度曲線Fig.3 Microhardness curves of C92DA steel

2.2 珠光體片層間距與冷卻速率的關(guān)系

選取連續(xù)冷卻試驗(yàn)中不同冷卻速率下所制試樣在掃描電鏡下觀察珠光體形貌，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可看出，隨著冷卻速率的增大，珠光體片層間距不斷減小，片層排列方向趨于紊亂。

不同冷卻速率下的珠光體片層間距Sp及過(guò)冷度ΔT如表2所示。從表2中可看出，隨著相變區(qū)冷卻速率增大，珠光體片層間距迅速減小。當(dāng)相變區(qū)冷卻速率從1℃／s提高到10℃／s時(shí)，珠光體平均片層間距由0.145μm迅速減小至0.091μm，即冷卻速率每增加1℃／s，珠光體片層間距平均減小約0.0054μm。這主要是因?yàn)?，隨相變區(qū)冷卻速率增大，奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的相變點(diǎn)Ar1下降，從而使珠光體平均片層間距迅速減?。?］。

表2 不同冷卻速率下珠光體片層間距及過(guò)冷度Table2 Interllar spacing and undercooling of pearlite for C92DA steel under different cooling rates

2.3 珠光體相變溫度－冷卻速率模型

根據(jù)對(duì)應(yīng)冷卻速率的相變開(kāi)始（結(jié)束）溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，借鑒文獻(xiàn)［8～9］中相變開(kāi)始溫度的研究方法，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸，建立珠光體相變溫度－冷卻速率模型如下：

式中：Ti為珠光體相變開(kāi)始（結(jié)束）溫度；Tac3為平衡狀態(tài)下奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度；V為冷卻速率；A、B為回歸系數(shù)。

借鑒文獻(xiàn)［10～12］的方法，將試樣在0.05℃·s－1冷卻速率下的冷卻過(guò)程視為平衡轉(zhuǎn)變過(guò)程，由其熱膨脹數(shù)據(jù)測(cè)得C92DA鋼奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度Tae3＝703℃，利用圖2中冷卻速率及其對(duì)應(yīng)的相變溫度值，將式（1）珠光體相變溫度－冷卻速率模型簡(jiǎn)化為

式中：Ts為珠光體相變開(kāi)始溫度；Tf為珠光體相變結(jié)束溫度；V為冷卻速率。

由式（2）、式（3）可以看出，模型非線性擬合較好。

相變溫度－冷卻速率回歸擬合曲線如圖5所示。從圖5中可看出，在一定的冷卻速率范圍內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果與回歸曲線擬合較好。

2.4 奧氏體化溫度對(duì)C92DA鋼相組織的影響

圖5 相變溫度－冷卻速率回歸擬合曲線Fig.5 Regression fitting curves between phase transformation temperature and cooling rate of C92DA steel

10℃／s冷卻速率下所制C92DA鋼相組織如圖6所示。從圖6中可看出，在900℃和1000℃奧氏體化溫度下所制鋼樣相組織主要為索氏體；在1100℃和1200℃奧氏體化溫度下所制鋼樣相組織中，除索氏體外，還產(chǎn)生了亮白色的塊狀馬氏體，并且1200℃溫度下所制鋼樣馬氏體組織明顯多于1100℃溫度下所制鋼樣相應(yīng)組織。馬氏體的產(chǎn)生，增大了C92DA盤條鋼的脆性，不利于后續(xù)的拉拔。對(duì)于高碳鋼，奧氏體化溫度越低，晶粒越不容易長(zhǎng)大，奧氏體晶粒越細(xì)小，晶界面積越大，使珠光體形核位置增多［13］。因此滿足生產(chǎn)工藝要求的C92DA鋼最佳奧氏體化溫度應(yīng)為900℃。

圖6 10℃／s冷卻速率下所制C92DA鋼相組織Fig.6 Phase textures of C92DA steel at different austenitizing temperatures

3 結(jié)論

（1）使C92DA鋼獲得最佳組織性能的控冷速率為10℃／s，奧氏體化溫度為900℃。

（2）C92DA鋼珠光體轉(zhuǎn)變溫度隨冷卻速率增大而降低，其轉(zhuǎn)變時(shí)間隨冷卻速率增大而縮短。

（3）C92DA鋼珠光體片層間距隨冷卻速率增大而減小，片層排列方向趨于紊亂。

（4）C92DA鋼珠光體相變溫度－冷卻速率模型有較好的擬合性。

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