釩含量對不同冷速冷卻后高碳珠光體鋼顯微組織的影響

梁 宇，石芷伊，梁益龍

（1.貴州大學材料與冶金學院，貴陽550025；2.貴州省材料結構與強度重點實驗室，貴陽550025）

0 引 言

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

1 試樣制備與試驗方法

試驗選用市售國產φ16mm SWRS82B鋼盤條為原材料，在10kg真空中頻感應爐中熔煉，根據真空熔煉爐原料中各元素含量燒損變化趨勢，每一爐次通過添加一定量T10鋼來調整碳元素含量。根據試驗材料釩元素質量分數要求，在加料斗中放入所需質量釩鐵，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。試驗鋼最終化學成分見表1所示，編號按實際爐次給出。

從試驗材料切取尺寸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頻風機上進行風冷，冷卻速率分別為16℃·s－1和10℃·s－1，另對4－2試樣加熱后進行冷速較快的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數3%的硝酸酒精進行腐蝕，在PMG－3型光學顯微鏡下觀察顯微組織；采用過飽和苦味酸溶液進行晶粒形貌腐蝕，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）上進行組織觀察。

采用Pandata熱力學計算軟件及PanFe數據庫對不同釩含量碳鋼進行熱力學計算，除釩外其余成分按三爐次平均值給出。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可見，SWRS82B盤條鋼的組織相對較均勻，為常見的索氏體；對于碳元素含量偏低、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下風冷時，晶界上局部可見先共析鐵素體，當提高冷卻速率到16℃·s－1后，先共析鐵素體基本未出現；但對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冷后組織均為均勻的索氏體，未見先共析鐵素體出現；而釩元素含量明顯提高的試樣4－2，其索氏體組織明顯細化［5］，但是在兩種冷速下風冷后，在晶界上均出現了明顯的先共析鐵素體塊；試樣4－2經奧氏體化及500℃鹽浴處理后，沒有明顯的先共析鐵素體出現。

選取了試樣1－1及試樣4－2進行原始奧氏體晶粒尺寸統計，如圖2所示。統計結果顯示試樣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的晶粒尺寸明顯細小。

對高碳珠光體鋼冷卻過程中出現先共析鐵素體這一現象，在文獻［6］中也提到過，且指出其數量隨釩含量、冷速、轉變溫度的不同而變化。同時有研究指出這一現象在碳質量分數為0.85%、釩質量分數大于0.1%的鋼中也會出現，其認為釩可促進珠光體鋼先共析鐵素體的轉變［7］。還有研究［8］指出，釩的碳化物優先在晶界形核，使晶界區產生碳的貧化，從而促進了鐵素體的形成。

釩元素的加入，會增大碳化物形核的驅動力，提高晶界上碳化物形核數率，碳化物在晶界形核長大是各自獨立且同時發生的，隨著碳化物的形核長大，在晶界碳化物周圍形成貧碳區，促使鐵素體在晶界碳化物析出的附近區域形核［9］。晶界上碳化物的密度高，加之形成鐵素體的驅動力有限，這樣就構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［10］對SWRH77B鋼的研究中也指出，高碳鋼中加入的釩元素達到一定量后會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使周圍區域貧碳導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碳化物富集，碳化物富集的晶界一側為先共析鐵素體，另一側為珠光體；珠光體以晶界形成的碳化物為核心，向晶粒內生長，且在晶界形核的珠光體由于取向原因只向其中一個晶粒內長大，而不能同時向兩個晶粒內生長，這與文獻［11］報道的珠光體在晶界形核長大的形貌一致。文獻［12］也報道了珠光體相變時取向關系，指出由于珠光體內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系的晶粒內生長。

因此在冷卻時奧氏體轉變初期釩元素促進晶界上析出碳化物后，在取向合適的晶粒內，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，雖然釩元素的加入促進了晶界碳化物析出，但由于取向的因素［12］，滲碳體與鐵素體較難向這個晶粒內部生長，而附近區域形成的貧碳區正好促進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，晶界附近的一個晶粒內，貧碳區形成的先析出鐵素體是獨立長大，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 相圖計算

從圖4可見，釩質量分數為0.16%時計算相圖中的共析點相對釩質量分數為0.06%時的明顯向右移動，使得鋼中先共析鐵素體區域擴大，在冷卻過程中需要以更快的冷卻速率通過這一區域才能避免先共析鐵素體的析出。同時通過計算得出在相變溫度為500℃時，釩質量分數為0.06%的試樣，析出碳化物MC的質量分數為0.07%；而相同溫度下，釩質量分數為0.16%的試樣析出碳化物的質量分數為0.2%，這與前述釩元素促進碳化物相析出的結論一致。

試驗鋼碳質量分數在0.78%～0.8%時，計算所得共析點的碳質量分數低于傳統意義上共析點0.77%的碳質量分數，文獻［10］對碳質量分數為0.77%～0.78%的SWRH77B碳鋼共析點的計算結果為0.72%～0.69%，其認為由于硅、錳均是降低共析點碳含量的元素，作者根據熱力學定義該鋼依然屬于共析鋼。得到的相圖計算只對釩元素含量對相區影響的趨勢進行了驗證，并考慮冷卻過程中釩元素及其碳化物在局部區域元素富集的情況，因為局部區域釩元素富集可能會導致共析點進一步偏移，所以釩元素的加入在一定程度上也能促進先共析鐵素體的形成［7］。

珠光體鋼構件在服役或冷變形加工受力過程中，當珠光體鋼中珠光體組織內的鐵素體片間距較小時，位錯塞積數量較少，而且位錯的應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，因此細珠光體組織的鋼具有較好的強塑性配合。而當先共析鐵素體沿晶界析出后，位錯將在沿晶界的鐵素體內開始增殖滑移，當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較大，開動的位錯數量多，晶界處位錯塞積較多，應力集中程度大，難以降低，因而造成晶界裂紋的快速擴展導致脆性斷裂。這將對盤條性能產生明顯的影響，很多工程應用中都有因組織中鐵素體而導致盤條［14－16］甚至成品鋼絲［17］性能惡化的情況。

3 結 論

（1）礬元素的加入能細化SWRS82B盤條鋼奧氏體晶粒；當釩質量分數大于0.16%時，在16℃·s－1風冷冷速下，將沿晶界出現鐵素體，當提高冷速如500℃鹽浴時，才能避免鐵素體形成；釩含量控制在小于0.08%，風冷速率在10～18℃·s－1范圍內均能抑制鐵素體析出。

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

（3）通過熱力學軟件計算表明，釩元素加入促進相變過程碳化物的析出，同時會使高碳鋼共析點右移，擴大先共析鐵素體相區。

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