蒙 剛 張江濤

（湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411100）

0 前言

棒材是鋼鐵產(chǎn)品的重要組成，在制造和建筑方面被大規(guī)模的使用。其中42CrMoA 作為機(jī)械工程常用鋼種，具有很好的強(qiáng)韌性和淬透性，無明顯的回火脆性，42CrMoA 經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理處理后具有較高的疲勞極限，低溫沖擊韌性良好且抗多次沖擊能力強(qiáng)，廣泛用于制造螺栓、齒輪、齒輪軸、軸、其他設(shè)備零件等[1-2]。在生產(chǎn)過程中由于軋制工藝控制偏差導(dǎo)致42CrMoA 鋼強(qiáng)度高，塑韌性降低，退火處理后方可正常使用，大大增加了成本，延緩了交貨期。

該文通過控制鐵素體轉(zhuǎn)變溫度，來阻止鐵素體長(zhǎng)大，從而得到分布均勻且更細(xì)的珠光體晶粒[3]。研究了TMCP工藝對(duì)不同規(guī)格42CrMoA 棒材組織和性能的影響，通過改進(jìn)，提高了該品種的物理力學(xué)性能和生產(chǎn)效率。

1 工藝流程及試驗(yàn)方法

1.1 工藝流程

中小棒式連軋生產(chǎn)工藝流程為42CrMoA 連鑄胚-加熱-粗軋機(jī)組軋制-脫頭控溫臺(tái)架-中軋機(jī)組軋制-預(yù)精軋機(jī)組軋制-精軋機(jī)組軋制-穿水冷卻-KOCKS 減定徑機(jī)組軋制-穿水冷卻-冷床冷卻。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 方坯加熱工藝

采用240m3的42CrMoA 方坯，采用四段式加熱，考慮加熱工藝對(duì)其組織性能的影響，制定了加熱工藝。加熱爐預(yù)熱段目標(biāo)溫度650℃，加熱一段控制溫度（1050±30）℃，加熱二段控制溫度（1050±20）℃，均熱段控制溫度（1120±20）℃?？傇跔t時(shí)間控制在140min。保證鋼坯均勻受熱。

1.2.2 控軋控冷工藝參數(shù)

通過控制咬入KOCKS 的溫度和上冷床的溫度，達(dá)到控軋的目的。該次試驗(yàn)進(jìn)KOCKS 溫度控制目標(biāo)為（820±10）℃，冷床入口溫度控制目標(biāo)為（720±10）℃。對(duì)達(dá)到目標(biāo)溫度的鋼取樣分析，檢測(cè)金相組織、熱軋硬度。其中樣品1 為不控軋控冷對(duì)比樣，樣品1-1 為只控溫不控軋的對(duì)比樣。樣品進(jìn)KOCKS 溫度和冷床入口溫度參數(shù)具體如表1 所示。

表1 溫度參數(shù)要求

1.2.3 微觀組織表征

該試驗(yàn)后試樣中部線切割取樣做金相組織，在接近表面取3 個(gè)平行試樣、R/2（R為半徑）位置處 處取3 個(gè)平行試樣，芯部位置取 1 個(gè)試樣。試樣拋光后，用酒精清洗，經(jīng)過3%的硝酸酒精溶液腐蝕之后，觀察其金相組織。

1.2.4 晶粒度表征

對(duì)不同樣品表層與芯部樣品進(jìn)行晶粒度表征。表層樣品運(yùn)用水浴加熱的方法，水浴加熱時(shí)加入飽和苦味酸溶液以及緩蝕劑，緩蝕劑為洗潔精，實(shí)驗(yàn)過程中不同位置水浴加熱的時(shí)間不同。直至其緩慢腐蝕出晶界，獲得其金相組織，通過計(jì)算，評(píng)定其晶粒度等級(jí)。

1.2.5 力學(xué)性能測(cè)試

硬度實(shí)驗(yàn)的樣品與金相實(shí)驗(yàn)樣品取樣位置相同。樣品中心區(qū)域打點(diǎn)，每塊樣品打 20 個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)之間間隔適當(dāng)距離，去掉硬度結(jié)果的最大值與最小值之后，取平均硬度值。在接近表面、R/2 處和芯部位置取沖擊試樣，進(jìn)行沖擊韌性實(shí)驗(yàn)，每個(gè)位置取3 個(gè)沖擊試樣，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果分析

2.1 金相組織分析

樣品在金相顯微鏡下觀察組織并圖像采集，500X 金相組織圖如圖1 所示。

圖1 42CrMoA 鋼金相組織

圖a、b、c：樣品1 為Φ 72 規(guī)格的組織形貌，從表面至心部均以貝氏體組織為主，含有少量鐵素體和珠光體團(tuán)，芯部存在少量馬氏體組織。

圖d、e、f：樣品1-1 為Φ 72 規(guī)格的基體組織，以貝氏體為主，芯部產(chǎn)生少量馬氏體組織組織。

圖g、h、i：樣品1-2 為Φ 72 規(guī)格控溫控軋樣品，從圖中看出，表面組織以珠光體和鐵素體組織為主，R/2 處組織產(chǎn)生少量的貝氏體組織，芯部處組織貝氏體組織含量增加，同時(shí)存在少量的馬氏體組織。

圖j、k、l：樣品2 為Φ 71 規(guī)格控溫控軋樣品，從圖中看出，基體組織以珠光體和鐵素體為主和少量的貝氏體，芯部產(chǎn)生少量馬氏體組織。

圖m、n、o：樣品3 為Φ55 規(guī)格控溫控軋樣品，從圖中看出，表面組織以珠光體+鐵素體為主和少量的貝氏體組織，R/2 處組織以珠光體+鐵素體+貝氏體組織為主，貝氏體組織的含量高于表層組織，芯部組織為貝氏體組織加少量的馬氏體組織。組織形成主要原因?yàn)棣?5 規(guī)格由于實(shí)際保溫效果不及樣品1 和樣品2，采用砂輪鋸鋸切，軋制節(jié)奏慢，在冷床上停留時(shí)間較長(zhǎng)，這是造成芯部組織為貝氏體組織加少量的馬氏體組織的主要原因。

圖p、q、r：樣品4 為Φ52 規(guī)格控溫控軋樣品，從圖中看出，組織情況和樣品3 相似，組織以珠光體+鐵素體為主，還有少量的貝氏體組織，芯部組織以貝氏體為主。

綜上所述，控軋控冷后的樣品（g～r）表面為珠光體、貝氏體和鐵素體，芯部為貝氏體加少量馬氏體。說明不同規(guī)格的42CrMoA 鋼經(jīng)過控軋控冷后可以有效抑制貝氏體的產(chǎn)生。

結(jié)合圖2 所示的42CrMoA 鋼CCT 曲線和圖3 所示的樣品在保溫罩內(nèi)的緩冷曲線，由圖2 可知42CrMoA 鋼奧氏體在不同速度的連續(xù)冷卻過程中，發(fā)生了鐵素體析出（A →F）、珠光體轉(zhuǎn)變（A →P）、貝氏體轉(zhuǎn)變（A →B）、馬氏體轉(zhuǎn)變（A →M）。

圖2 42CrMoA 鋼CCT 曲線

圖3 樣品在保溫罩內(nèi)的緩冷曲線

隨著冷卻速度的增大，鐵素體的析出量、珠光體的轉(zhuǎn)變量和貝氏體的轉(zhuǎn)變量都迅速減少。而馬氏體的轉(zhuǎn)變量則越來越多，鋼的硬度也隨之越來越高。冷卻速度在0.5℃/s 以下時(shí)，相變產(chǎn)物為珠光體和鐵素體；冷卻速度在0.5℃/s～1.0℃/s 時(shí)，相變產(chǎn)物為珠光體、鐵素體和貝氏體；冷卻速度在1.0℃/s～10℃/s時(shí)，相變產(chǎn)物為珠光體、貝氏體和馬氏體；冷卻速度在10℃/s～50℃/s 時(shí)，相變產(chǎn)物為貝氏體和馬氏體；冷卻速度在50℃/s 以上時(shí)，相變產(chǎn)物為馬氏體。實(shí)驗(yàn)通過控制鋼的排布方式，使各規(guī)格的冷卻速度均在0.5℃/s 左右，主要獲得以珠光體、鐵素體為主和少量的貝氏體組織。

2.2 晶粒度表征

不同規(guī)格的42CrMoA 鋼表層與芯部通過水浴加熱緩慢腐蝕出晶界。通過參考國(guó)標(biāo) GB/T6394-2002，確定各個(gè)位置晶粒度見表2[3]。

表2 樣品各個(gè)位置平均晶粒度

從表2 中可知，樣品表層晶粒度均大于芯部。主要原因?yàn)楸韺永渌佥^快，冷卻過程中奧氏體過冷度大，縮短了奧氏體晶粒形核長(zhǎng)大的時(shí)間，使其晶粒細(xì)化，晶粒度較高。而芯部冷卻速度慢，晶粒有充分的時(shí)間形核長(zhǎng)大，其晶粒與表層相比更粗大，晶粒度級(jí)別較低。

樣品1（不控軋控冷）其心部區(qū)域組織晶粒度大于R/2處，主要原因?yàn)闃悠沸静看嬖谏倭狂R氏體組織，使芯部硬度高于R/2 處。同時(shí)我們還可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過控軋控冷的樣品（樣品1-2、2、3、4），其平均晶粒度均高于樣品1（不控軋控冷）和樣品1-1（只控制上冷床溫度）。結(jié)合圖2 42CrMoA鋼CCT 曲線，樣品1 平均晶粒度小的原因?yàn)榻K軋溫度較高時(shí)，鋼發(fā)生再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大。而樣品1-1 終軋溫度低，晶粒尺寸相對(duì)較小。而經(jīng)過控軋控冷的樣品，控制進(jìn)KOCKS的溫度為（820±10）℃，使晶粒尺寸進(jìn)一步減小。

2.3 力學(xué)性能

不同樣品不同位置力學(xué)性能如表3 所示，從數(shù)據(jù)可以看出，樣品1 和樣品1-1 近表面（294、289）HB、R/2 處（293、285）HB 和芯部硬度（288、283）HB 均高于其他樣品，結(jié)合金相分析和晶粒度分析表明：不控軋控冷樣（樣品1）和只控溫不控軋樣（樣品2）基體組織以貝氏體為主。晶粒組織粗大，明顯提高了其硬度，給后續(xù)加工帶來困難。從數(shù)據(jù)還可以看出，所有經(jīng)過控軋控冷的樣品（樣品1-2、2、3、4）其硬度均遠(yuǎn)小于樣品1 和樣品2。表明42CrMoA 鋼經(jīng)過控軋控冷后能有效地降低其硬度，且控制進(jìn)入KOCKS 溫度為（820±10）℃、上冷床溫度為（720±10）℃、冷床冷卻速度0.5℃/s 能有效降低硬度，且硬度均小于260HB，達(dá)到免退火要求。

表3 不同樣品不同位置力學(xué)性能

3 結(jié)論

經(jīng)過TMCP 工藝后，樣品表面為珠光體、貝氏體和鐵素體，芯部為貝氏體加少量馬氏體。表面晶粒度均大于芯部晶粒度，不同規(guī)格的42CrMoA 鋼經(jīng)過控軋控冷后可以有效抑制貝氏體的產(chǎn)生。

42CrMoA 鋼經(jīng)過控制軋制工藝，控制進(jìn)KOCKS 的溫度為（820±10）℃，其晶粒尺寸小于不控軋控冷和軋后控溫的樣品。

42CrMoA 鋼經(jīng)過控制軋制控制冷卻工藝，控制進(jìn)入KOCKS 溫度為（820±10）℃、上冷床溫度為（720±10）℃、冷床冷卻速度0.5℃/s 能有效降低硬度，且硬度均小于260HB，達(dá)到免退火要求。