駱春民, 劉 瑩, 花艷俠, 田志鵬

(天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心, 天津 300301)

低碳鋼盤條在生產(chǎn)過程中的軋后溫度和冷卻速率決定了盤條的內(nèi)在組織和力學(xué)性能,同時(shí)盤條表面生成的氧化鐵皮結(jié)構(gòu)及厚度對(duì)后續(xù)的拉拔加工工藝有著極其重要的影響,因此控制盤條軋后冷卻是整個(gè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵。筆者采用熱模擬試驗(yàn)?zāi)M研究不同控冷工藝條件下,低碳鋼盤條顯微組織的轉(zhuǎn)變和氧化鐵皮的生成規(guī)律,從而優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù),提高盤條的力學(xué)性能、塑性指標(biāo)和表面質(zhì)量等綜合技術(shù)性能和應(yīng)用性能,實(shí)現(xiàn)新控冷工藝在低碳鋼盤條生產(chǎn)中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料

熱模擬試驗(yàn)材料為某公司生產(chǎn)的SAE1018型φ6.5 mm碳素鋼拉絲用盤條,在同一盤卷上截取30根試樣,尺寸為6.5 mm×80 mm(外徑×長(zhǎng)度)。用細(xì)砂紙打磨去除試樣表面的氧化鐵皮。用直讀光譜儀分析試樣的化學(xué)成分,結(jié)果如表1所示。由表1可知:其化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)SEA J403—2001 《碳鋼化學(xué)成分》的要求。

表1 盤條試樣的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2 試驗(yàn)方案和結(jié)果

2.1 試驗(yàn)方案

利用熱模擬機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),將試樣在0.5 s內(nèi)加熱到設(shè)定溫度,然后控冷。加熱溫度設(shè)定為950 ℃和930 ℃,模擬加熱溫度T1到開冷溫度T2時(shí)間內(nèi)盤條終軋到吐絲前高溫區(qū)的氧化;吐絲后分兩個(gè)階段進(jìn)行冷卻,第1階段開冷溫度T2設(shè)定為900 ℃和930 ℃,冷卻速率v1分別設(shè)定為1.5,1,0.5 ℃/s,第2階段開冷溫度T3分別設(shè)定為600,750,830 ℃,冷卻速率v2分別設(shè)定為3,1,6,8 ℃/s。 試驗(yàn)后各試樣經(jīng)激光顯微鏡和掃描電鏡能譜分析,以研究各工藝條件下試樣的顯微組織結(jié)構(gòu)及表面氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)和厚度變化規(guī)律,尋找最佳控冷工藝。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 控冷過程奧氏體組織轉(zhuǎn)變

低碳鋼盤條屬于亞共析鋼,終軋后將奧氏體冷卻到低于Ar3(冷卻時(shí)奧氏體開始析出鐵素體的溫度)溫度時(shí),先在晶界上析出鐵素體,為先共析鐵素體F,先共析鐵素體含量隨著冷卻速率的增大而減少。隨著溫度的繼續(xù)降低,奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變;當(dāng)溫度降至低于共析線Ar1(冷卻時(shí)奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變開始溫度)溫度時(shí),奧氏體將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變,形成珠光體。根據(jù)冷卻速率及冷卻溫度的不同,鐵素體的形態(tài)有等軸形鐵素體、多邊形鐵素體、針狀鐵素體[1]等,同時(shí)共析轉(zhuǎn)變形成的珠光體會(huì)隨冷卻速率的增大及轉(zhuǎn)變溫度的降低而變得細(xì)化,從而盤條的力學(xué)性能提高。大量的研究表明[2-3],在奧氏體晶粒度一定的前提下,組織中形成分布均勻的針狀鐵素體,以保持強(qiáng)度相對(duì)不變,而韌性得到有效改善。針狀鐵素體是在冷卻過程中,溫度稍高于上貝氏體溫度時(shí),通過切變相變形成的具有高密度位錯(cuò)的非等軸貝氏體鐵素體。微觀來看,針狀鐵素體的尺寸、位錯(cuò)密度及其結(jié)構(gòu)形式是決定韌性的重要因素,所以細(xì)小針狀鐵素體的高密度位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)及其良好的位錯(cuò)組態(tài)是針狀鐵素體鋼比多邊形鐵素體鋼有更高韌性的內(nèi)在原因。為了提高低碳鋼盤條的使用性能或再加工過程的力學(xué)性能和拉拔性能,通過軋后控制冷卻能得到分布均勻的針狀鐵素體組織。

不同工藝控冷模擬試驗(yàn)后試樣的顯微組織如表2所示(表中F為馬氏體,P為珠光體,A為奧氏體,AF為針狀鐵素體)。

表2 不同工藝控冷模擬試驗(yàn)后試樣的顯微組織

由表2可知,1～7號(hào)試樣組織均為等軸及多邊形鐵素體加珠光體,而8～11號(hào)試樣顯微組織中除了等軸及多邊形鐵素體加珠光體外,還有針狀鐵素體(見圖1)。結(jié)合各冷卻工藝的開冷溫度及冷卻速率可知:低碳鋼盤條奧氏體冷卻到共析轉(zhuǎn)變區(qū)600 ℃以后,以1 ℃/s或3 ℃/s的冷卻速率得不到針狀鐵素體組織,如1～7號(hào)試樣;而在奧氏體進(jìn)入先共析鐵

圖1 試樣心部顯微組織形貌

素體相區(qū)后冷卻速率增大,可以得到針狀鐵素體組織,如8～11號(hào)試樣,特別是11號(hào)試樣,由開冷溫度930 ℃緩冷到830 ℃,奧氏體進(jìn)入先共析鐵素體相區(qū)后,v2達(dá)到8 ℃/s時(shí),冷卻組織中出現(xiàn)了大量的針狀鐵素體,且針狀鐵素體在試樣的中心及邊部分布較均勻。從10號(hào)與11號(hào)試樣的顯微組織看出,隨著v2的增大,針狀鐵素體含量也增多,可見針狀鐵素體的生成與冷卻速率是密切相關(guān)的。針狀鐵素體組織不但可以分割原奧氏體晶粒、細(xì)化組織,同時(shí)還能提高盤條的塑性變形能力,對(duì)盤條的后續(xù)加工是有益的。

2.2.2 控冷過程氧化鐵皮的生成

低碳鋼盤條冷卻過程生成的氧化鐵皮稱為三次氧化鐵皮。一次氧化鐵皮是在加熱爐中生成的,并由初軋前的高壓水除鱗機(jī)將其去除。粗軋過程中和粗軋后生成的為二次氧化鐵皮,其可經(jīng)粗軋剝離或由二次除鱗機(jī)去除。精軋過程中和精軋后生成的氧化鐵皮即為三次氧化鐵皮,其在隨后盤卷和冷卻過程中,進(jìn)一步生長(zhǎng)并發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。因此,三次氧化鐵皮影響盤條表面最終的氧化鐵皮厚度。

在低碳鋼盤條終軋后的冷卻過程中,由于表層與氧氣接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成的氧化物吸附在盤條表面,成為三次氧化鐵皮。

研究表明[4-5],鄰鐵層是比較疏松且厚度較大的FeO,依次向外是比較致密的Fe3O4和非常薄的表面層Fe2O3。盤條控冷后表面氧化鐵皮的能譜線分析結(jié)果如圖2所示。由圖2可知:最里層為鐵基體,往外層氧元素含量增加,鐵元素含量降低,而后鐵、氧元素出現(xiàn)平緩期,最外層氧元素含量再次增加,鐵元素含量降低。氧化鐵皮主要由FeO、 Fe3O4和Fe2O3三種相組成,靠近基體為FeO相,Fe3O4相分布在FeO層外,最外層為Fe2O3相,但其含量極少,而FeO對(duì)于Fe3O4有較高的比例。

圖2 盤條控冷后表面氧化鐵皮的能譜線分析結(jié)果

隨著工藝參數(shù)的不同,氧化鐵皮各層厚度及總厚度出現(xiàn)差異,不同工藝對(duì)應(yīng)的氧化鐵皮厚度如表3所示。

表3 不同工藝對(duì)應(yīng)的氧化鐵皮厚度

各參數(shù)對(duì)氧化鐵皮厚度的影響分析如下所述。

(1) 加熱溫度和開冷溫度的影響。在各段冷卻速率相同的條件下,加熱溫度和開冷溫度升高時(shí),生成氧化鐵皮的厚度增加。這是因?yàn)闇囟仍礁?能量越大,氧化鐵皮更易于擴(kuò)散發(fā)生氧化反應(yīng)。1號(hào)試樣與2號(hào)試樣相比,2號(hào)試樣的氧化鐵皮更厚;3 號(hào)試樣與5號(hào)試樣相比,5號(hào)試樣的氧化鐵皮更厚。

(2) 冷卻時(shí)間的影響。在其他參數(shù)相同的條件下,隨加熱時(shí)間的延長(zhǎng),氧化鐵皮厚度增大。3號(hào)試樣與4號(hào)試樣相比,4號(hào)試樣的氧化鐵皮厚;5號(hào)試樣與6號(hào)試樣相比,6號(hào)試樣的氧化鐵皮厚。

(3) 冷卻速率v1的影響。冷卻速率v1對(duì)各層氧化鐵皮厚度及總厚度影響較大,冷卻速率越慢,生成的氧化鐵皮越厚。冷卻速率為0.5 ℃/s時(shí),7～11號(hào)試樣的氧化鐵皮總厚度達(dá)到了44 μm以上,且FeO與Fe3O4厚度比增大;而冷卻速率為1.5 ℃/s時(shí),1,2號(hào)試樣的氧化鐵皮總厚度較薄,FeO與Fe3O4厚度比減小。

(4) 冷卻速率v2的影響。冷卻速率v2影響FeO向Fe3O4的轉(zhuǎn)化,隨著v2的增大,FeO向Fe3O4轉(zhuǎn)化反應(yīng)的時(shí)間縮短,生成的Fe3O4含量減少,FeO與Fe3O4厚度比增大。如:v2為3 ℃/s時(shí),1～6號(hào)試樣的FeO與Fe3O4厚度比為1.21～2.91,而v2為6 ℃/s時(shí),8,9,10號(hào)試樣的FeO與Fe3O4厚度比為4.81～6.15,比值明顯增大。

(5) 開冷溫度的影響。鐵氧相圖中氧化鐵皮在溫度小于570 ℃才發(fā)生FeO向Fe3O4的轉(zhuǎn)變,因此開冷溫度在600 ℃以上,溫度的變化對(duì)氧化鐵皮的相組成及各層厚度影響不大。如9號(hào)試樣與10號(hào)試樣相比,氧化鐵皮各層厚度及總厚度差別很小。

氧化鐵皮顯微組織形貌如圖3所示。

圖3 氧化鐵皮顯微組織形貌

3 結(jié)論

(1) 低碳鋼盤條奧氏體緩冷到共析轉(zhuǎn)變區(qū)600 ℃以后,冷卻速率為1 ℃/s或3 ℃/s時(shí),冷卻組織為等軸及多邊形鐵素體加珠光體,得不到針狀鐵素體組織。

(2) 低碳鋼盤條奧氏體冷卻時(shí),在進(jìn)入先共析鐵素體相區(qū)后增大冷卻速率,冷卻速率達(dá)到6 ℃/s和8 ℃/s時(shí)均有針狀鐵素體生成,且隨冷卻速率增大,針狀鐵素體含量也增多。

(3) 低碳鋼盤條在高溫區(qū)停留的溫度和時(shí)間是氧化鐵皮生成厚度的關(guān)鍵影響因素。若想得到適宜厚度的氧化鐵皮及合適的各層厚度,可適當(dāng)升高加熱溫度及開冷溫度,并以較慢的冷卻速率進(jìn)入兩相區(qū)。

(4) 為了得到良好除磷效果的盤條表面,同時(shí)盤條還具有良好的強(qiáng)度和塑性,可對(duì)低碳鋼盤條進(jìn)行軋后控制冷卻。