供稿|馬廷威，王玉紅，徐勇，武瑞珊，張瑞峰

內(nèi)容導讀

內(nèi)容導讀：通過Gleeble-2000 熱模擬實驗機測定了Q245 耐酸鋼在不同冷卻速度下的過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，采用JMatPro 軟件模擬了連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，研究了冷卻速度與組織和硬度之間的關系。結(jié)果表明：Q245 耐酸鋼加熱時珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度Ac1為728.5 °C，珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度Ac3為892.5 °C，轉(zhuǎn)變的組織主要有鐵素體和貝氏體。當冷卻速度小于10 °C/s時冷卻的組織以鐵素體為主，而冷卻速度大于10 °C/s 時冷卻的組織以貝氏體為主；且隨著冷卻速度的升高，Q245 耐酸鋼硬度隨之增加。

木材中含有大量的水分，在制造家具前必須經(jīng)過干燥，干燥窯是用來對木材進行干燥加工處理的主要裝備。木材在干燥過程中，受熱會排出大量的水分，甲酸、乙酸等低級脂肪酸10 多種弱酸，工作溫度高溫、高濕。目前干燥窯的窯體主要使用鋁材（部分用不銹鋼）但成本較高，市場上的耐酸鋼[1?5]等產(chǎn)品無法適用。Q245 耐酸鋼的研究擬代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁合金和不銹鋼，以降低干燥窯生產(chǎn)成本。

鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線能夠反映材料的組織轉(zhuǎn)變過程、組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)物以及相關轉(zhuǎn)變規(guī)律，是制定軋制工藝和研究熱處理工藝的重要參考資料。本文采用Gleeble 熱模擬實驗機測定Q245 耐酸鋼在不同冷速條件下的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，研究連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中的組織轉(zhuǎn)變和規(guī)律，為Q245 耐酸鋼的軋制工藝制定提供參考。

試樣制備與實驗方法

針對Q245 耐酸鋼使用環(huán)境并參考相關耐酸鋼資料[6?9]，設定其成分為低碳并適當添加銅和鉻等元素以提高材料的抗腐蝕性能和力學性能。冶煉采用真空爐（VIM），鑄錠后，送鍛造廠進行鍛造，鍛造后的材料機械加工成熱模擬試樣，以備熱模擬實驗。實驗用鋼的成分如表1 所示。

表1 實驗用鋼成分（質(zhì)量分數(shù)） %

為從理論上確定奧氏體化溫度，采用JMatPro軟件模擬實驗鋼凝固過程，得到合金的平衡相圖，如圖1 所示。通過圖1 可知合金奧氏體化開始溫度為708.3 °C，奧氏體化結(jié)束溫度為884.4 °C。設定后續(xù)奧氏體化溫度為960 °C，保溫5 min。

圖1 合金的平衡相圖

在實驗材料上截取?3 mm×80 mm 的試樣，放入Gleeble 2000 熱模擬實驗機，加熱溫度為960 °C，保溫5 min。實驗材料完全奧氏體化后采用不同的冷卻速度冷卻到室溫，冷卻速度分別為35，30，25，20，15，10，5，2 和1 °C/s，冷卻后的試樣經(jīng)過取樣、磨制和拋光后，采用質(zhì)量分數(shù)4%的硝酸酒精腐蝕劑進行腐蝕，腐蝕后的試樣采用ZEISSAxioPlan2顯微鏡觀察金相。

實驗結(jié)果與討論

顯微組織

圖2為不同冷卻速度的金相組織，組織為白色鐵素體和黑色貝氏體，不同冷卻速度的組織大小差異明顯，隨著冷卻速度的增大，晶粒尺寸變小，尤其是冷卻速度大于25 °C/s 尤為明顯，貝氏體區(qū)域更加分散、細小。當冷卻速度較小時（≤10 °C/s），顯微組織以粗大的等軸鐵素體為主和少量貝氏體，這是因為冷卻速度慢，原子的擴散速度較慢，相對高溫停留時間較長，導致高溫析出的鐵素體較多，且有充足時間長大[10]；當冷卻速度較大時（≥25 °C/s），顯微組織以貝氏體為主和少量的鐵素體，這是由于冷卻速度的加快，相對高溫停留時間較短，導致高溫析出的鐵素體變少，且有晶粒尺寸較小[11]。當冷卻速度在15 °C/s 時，微觀組織為貝氏體、鐵素體。隨著冷卻速度的增大，鐵素體占比逐漸變小，而貝氏體占比增大，且貝氏體尺寸更加細化。這是由于溫度的降低，原子的熱運動性能降低，導致先共析鐵素體長大困難，降低了其尺寸和占比。

圖2 不同冷卻速度下試樣金相組織：（a）1 °C/s；（b）2 °C/s；（c）5 °C/s；（d）10 °C/s；（e）15 °C/s；（f）20 °C/s；（g）25 °C/s；（h）30 °C/s；（j）35 °C/s

實驗鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

結(jié)合微觀組織和熱模擬實驗數(shù)據(jù)，繪制如圖3 的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。從圖3 中可以看出，Q245 耐酸鋼的轉(zhuǎn)變區(qū)分為2 部分：高溫轉(zhuǎn)變區(qū)和中溫轉(zhuǎn)變區(qū)，奧氏體（A）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物分別是鐵素體（F）和貝氏體（B）。在較低冷卻速度下，即冷卻速度控制在10 °C/s 以下時，Q245 耐酸鋼獲得的顯微組織為鐵素體組織為主，此階段相變溫度較高；當冷卻速度大于10 °C/s，Q245 耐酸鋼顯微組織轉(zhuǎn)變?yōu)闉樨愂象w組織為主，此階段相變溫度較低?？紤]Q245 耐酸鋼應用在耐酸環(huán)境中，其冷卻速度應大于10 °C/s，此時獲得貝氏體，冷卻速度越快，貝氏體占比越大，但當冷卻速度大于等于25 °C/s 后，微觀組織變化較小。

圖3 實驗鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

圖4為JMatPro 模擬鋼樣的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，可以看出，合金的相變區(qū)分為鐵素體區(qū)、珠光體區(qū)、貝氏體區(qū)3 個區(qū)域。當冷卻速度控制在1 °C/s 以下時，合金會先析出鐵素體、珠光體和貝氏體，當冷卻速度控制在1 和10 °C/s 時，隨著冷卻速度的增加，組織從先共析鐵素體+珠光體+貝氏體演變?yōu)閺南裙参鲨F素體+貝氏體。繼續(xù)增加冷卻速度至100 °C/s 時，組織為先共析鐵素體+貝氏體。相變區(qū)域沒有馬氏體的出現(xiàn)，這與實驗獲得的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線結(jié)果基本一致。

圖4 JMatPro 模擬的合金連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

顯微硬度

圖5為Q245 耐酸鋼的顯微硬度，隨著冷卻速度的增大，顯微硬度升高。而冷卻速度大于10 °C/s時，硬度上升幅度較??；當冷卻速度達到20 °C/s后，硬度隨冷卻速度增加的趨于穩(wěn)定。這是因為在該范圍內(nèi)，組織均為貝氏體+少量鐵素體，且尺寸相當。而冷卻速度小于10 °C/s 時，硬度較低，但上升明顯。這是由于在該冷卻速度范圍內(nèi)，得到的微觀組織是鐵素體為主，硬度較低，隨著冷卻速度的增加，組織中貝氏體數(shù)量也開始增加，晶粒尺寸減小，促使微觀硬度增加。

圖5 實驗鋼顯微硬度

結(jié)論

（1）Q245 耐酸鋼在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中存在高溫和中溫2 個轉(zhuǎn)變區(qū)，高溫區(qū)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物主要是鐵素體兼有少量貝氏體，而中溫區(qū)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物主要是貝氏體兼有少量鐵素體。

（2） 冷卻速度控制在10 °C/s 以下時，室溫組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是鐵素體+貝氏體，晶粒尺寸較大；冷卻速度大于10 °C/s 時，室溫組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是貝氏體+鐵素體，晶粒尺寸較細小。

（3） 隨著冷卻速度的增加，Q245 耐酸鋼硬度升高，當冷卻速度達到10 °C/s 時，硬度增加幅度變小，尤其是大于20 °C/s 時，硬度趨于穩(wěn)定。