控軋控冷工藝參數(shù)對(duì)冶金鋸片用65Mn熱軋帶鋼組織與力學(xué)性能的影響

宋進(jìn)英，張宏軍，魏英立，田亞強(qiáng)，陳連生

（華北理工大學(xué)，河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，唐山063009）

0 引 言

冶金鋸片（包括金屬熱切圓鋸片和金屬冷切圓鋸片［1］）用鋼的主要性能要求是較好的強(qiáng)韌性、焊接性以及熱處理性能［2］。65Mn鋼具有淬透性好、脫碳傾向小、切削性良好等優(yōu)點(diǎn)，是目前制造冶金鋸片的主要材料［3］。冶金鋸片用65Mn帶鋼的軋制難度大，易因生產(chǎn)不穩(wěn)定而造成力學(xué)性能波動(dòng)范圍較大［4-5］，熱軋后65Mn鋼的抗拉強(qiáng)度極易超過900MPa，為后續(xù)熱處理帶來(lái)不便，從而降低冶金鋸片的成材率。化學(xué)成分優(yōu)化設(shè)計(jì)是改善產(chǎn)品最終性能的方法之一，但65Mn鋼各主要化學(xué)成分設(shè)計(jì)范圍相對(duì)較窄，對(duì)熱軋產(chǎn)品質(zhì)量影響較小。控軋控冷工藝可以有效改善產(chǎn)品的最終組織和性能［6-7］，而目前對(duì)于提高冶金鋸片用65Mn熱軋鋼組織和性能的研究，主要集中在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變特性［8-9］以及軋后淬火、回火工藝參數(shù)對(duì)鋸片組織、性能的影響等方面［10-11］。另外，由65Mn鋼的CCT曲線可知，以珠光體為主，配合一定量半網(wǎng)狀或塊狀先共析鐵素體的混合型組織具有最佳的力學(xué)性能［12-13］。

為改善冶金鋸片用65Mn熱軋帶鋼的質(zhì)量，并制定出適合工業(yè)生產(chǎn)的控軋控冷窄范圍工藝參數(shù)，作者通過實(shí)驗(yàn)室熱軋?jiān)囼?yàn)與現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)生產(chǎn)驗(yàn)證相結(jié)合，研究了開軋溫度、終軋溫度、卷取溫度以及卷取后冷卻速率等工藝參數(shù)對(duì)65Mn熱軋帶鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)用65Mn鋼采用實(shí)驗(yàn)室真空熔煉爐冶煉的50kg小方坯，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）為0.63C，0.25Si，1.12Mn，0.011P，0.004S，0.006Al（酸溶），余Fe。首先將試驗(yàn)鋼坯加熱鍛造至中間坯，然后切取6個(gè)25mm×40mm×70mm的試樣，并置于SX2-10-13型箱式電阻爐中加熱至1 200℃，保溫15min；然后采用250mm熱軋?jiān)囼?yàn)機(jī)，將25mm厚的試樣依次軋至14，8，5，3.5mm。在軋制過程中，嚴(yán)格控制開軋溫度、終軋溫度和卷取溫度（開始緩冷溫度），6種工藝參數(shù)如表1所示。終軋到卷取溫度區(qū)間的平均冷速為5℃·s-1，卷取后空冷的平均冷速為2.5℃·s-1，卷取后爐冷的平均冷速為0.3℃·s-1。

表1 控制軋制和控制冷卻工藝參數(shù)Tab.1 Controlled rolling and controlled cooling technological parameters

1.2 試驗(yàn)方法

采用S-4800型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM）和NeophotⅢ型光學(xué)顯微鏡（OM）觀察65Mn熱軋帶鋼的組織，腐蝕劑為4%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精溶液；采用HRSS-150型洛氏硬度計(jì)測(cè)65Mn熱軋帶鋼的硬度；按照 GB／T 228-2002加工拉伸試樣，并在WEW-600B型液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變速率為10-3s-1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 對(duì)顯微組織的影響

由圖1和圖2可知，在不同的工藝下，65Mn熱軋帶鋼的組織均為網(wǎng)狀或半網(wǎng)狀鐵素體和珠光體組織，晶粒度為6.5～7級(jí)，符合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)對(duì)晶粒度的要求，但珠光體的尺寸和彌散程度不同。

在卷取溫度和卷取后冷卻速率相同的工藝條件下，1 200℃高溫開軋和910℃高溫終軋（工藝1～3）得到的晶粒明顯比1 100℃低溫開軋和850℃低溫終軋（工藝4～6）后得到的粗大。原因在于，開軋溫度和終軋溫度均較高時(shí)，65Mn鋼原始奧氏體晶粒尺寸較大，變形后的奧氏體晶粒尺寸也較大，經(jīng)同樣的控冷工藝?yán)鋮s至室溫后，粗大的晶粒得以保留。此外，1 200℃開軋的珠光體片層間距為500nm，較1 100℃開軋的（386nm）明顯增大。可見，提高變形溫度，有利于得到粗大的原始奧氏體晶粒和較大的珠光體片層間距。

在開軋溫度、終軋溫度和卷取后冷卻速率相同的條件下，730℃高溫卷取（工藝1和工藝4）得到的晶粒明顯比630℃低溫卷取（工藝3和工藝6）得到的更粗大，珠光體片層間距更大（730℃高溫卷取的為500nm，630℃低溫卷取的（412nm）。這是因?yàn)椋邷鼐砣r(shí)延長(zhǎng)了相轉(zhuǎn)變的時(shí)間，有利于晶粒在卷取后的緩冷過程中長(zhǎng)大，從而使得珠光體片層間距增大。可見，提高終軋后的卷取溫度，可使65Mn熱軋帶鋼得到粗大的原始奧氏體晶粒以及較大的珠光體片層間距。

在開軋溫度、終軋溫度和卷取溫度相同的工藝條件下，卷取后以0.3℃·s-1的冷速爐冷（工藝1和工藝4）后得到的晶粒明顯比以2.5℃·s-1冷速空冷（工藝2和工藝5）后得到的大，同時(shí)珠光體片層間距也明顯增大（0.3℃·s-1冷速下的為500nm，2.5℃·s-1冷速下的為350nm）。原因在于，卷取后的緩冷延長(zhǎng)了相轉(zhuǎn)變時(shí)間，有利于晶粒在緩冷過程中長(zhǎng)大，同時(shí)珠光體片層間距增大。可見，通過降低卷取后的冷卻速率，有利于得到粗大的原始奧氏體晶粒以及較大的珠光體片層間距。綜上所述，在其它控軋控冷工藝參數(shù)相同的條件下，較高的開軋溫度和終軋溫度、較高的卷取溫度和較低的卷取后冷卻速率均有利于得到粗大的原始奧氏體晶粒和較大的珠光體片層間距。其中，卷取后冷卻速率的影響最為明顯。

圖1 不同軋制工藝下65Mn熱軋帶鋼的OM形貌Fig.1 OM morphology of 65Mn hot rolled strip at different rolling processes：（a）process 1；（b）process 2；（c）process 3；（d）process 4；（e）process 5and（f）process 6

圖2 不同軋制工藝下65Mn熱軋帶鋼的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of 65Mn hot rolled strip at different rolling processes：（a）process 1；（b）process 2；（c）process 3and（d）process 4

2.2 對(duì)力學(xué)性能的影響

由表2可知，在卷取溫度和卷取后冷卻速率相同的工藝條件下，1 200℃高溫開軋和910℃高溫終軋（工藝1～3）得到的抗拉強(qiáng)度和硬度，明顯低于1 100℃低溫開軋和850℃低溫終軋（工藝4～6）的。可見，較高的軋制溫度有利于改善65Mn熱軋帶鋼的力學(xué)性能。這是因?yàn)椋邷刈冃螘r(shí)，開軋溫度和終軋溫度都較高，65Mn鋼的原始奧氏體晶粒尺寸較大，變形后奧氏體晶粒尺寸也較大，經(jīng)同樣的控冷工藝?yán)鋮s至室溫后，粗大的晶粒尺寸得以保留，從而使得力學(xué)性能改善。

表2 不同軋制工藝下65Mn熱軋帶鋼的抗拉強(qiáng)度和硬度Tab.2 Tensile strength and hardness of 65Mn hot rolled strip at different rolling processes

在開軋溫度、終軋溫度和卷取后冷卻速率相同的工藝條件下，730℃高溫卷取（工藝1和工藝4）得到65Mn鋼的抗拉強(qiáng)度和硬度，明顯低于630℃低溫卷取（工藝3和工藝6）得到的。可見，較高的卷取溫度降改善65Mn鋼的抗拉強(qiáng)度和硬度。這是因?yàn)椋邷鼐砣⊙娱L(zhǎng)了珠光體相轉(zhuǎn)變時(shí)間，使晶粒在卷取后的緩冷過程中長(zhǎng)大和增大珠光體片層間距。

在開軋溫度、終軋溫度和卷取溫度相同的工藝條件下，卷取后以0.3℃·s-1冷速爐冷（工藝1和工藝4）得到65Mn鋼的抗拉強(qiáng)度和硬度，明顯低于以2.5℃·s-1冷速空冷（工藝2和工藝5）得到的。可見，卷取后較低的冷卻速率會(huì)降低65Mn鋼的抗拉強(qiáng)度和硬度。這是因?yàn)椋砣『筝^低的冷卻速率可以延長(zhǎng)珠光體相轉(zhuǎn)變時(shí)間，有利于晶粒長(zhǎng)大和增大珠光體片層間距。

綜上所述，在其它控軋控冷工藝參數(shù)相同的條件下，較高的開軋溫度和終軋溫度、較高的卷取溫度和較低的卷取后冷卻速率均有利于降低65Mn鋼的抗拉強(qiáng)度和硬度。其中，卷取后冷卻速率的影響最為明顯。

3 工業(yè)生產(chǎn)驗(yàn)證

采用開軋溫度為（1 180±10）℃、終軋溫度為（910±10）℃、卷取溫度為（710±10）℃、卷取后平均冷速小于0.05℃·s-1的工藝進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)驗(yàn)證試驗(yàn)。為全面了解產(chǎn)品的性能指標(biāo)，除在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)取樣外，還分別在7638鋼卷尾部開卷5m和10m處取樣，在7641鋼卷尾部開卷5，10，15，20m處取樣。取樣的鋼卷號(hào)、厚度及力學(xué)性能結(jié)果如表3所示。由表可知，在生產(chǎn)工藝基本相同的情況下，隨著成品厚度增大，65Mn熱軋帶鋼的硬度和抗拉強(qiáng)度均降低，抗拉強(qiáng)度為850～900MPa，這主要與帶鋼在終軋后至卷取階段的冷卻速率有關(guān)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，隨著產(chǎn)品厚度增加，終軋后的冷速逐漸越小，這有利于相變前奧氏體晶粒長(zhǎng)大和相變后珠光體片層間距增大，故抗拉強(qiáng)度和硬度均會(huì)降低，這與上述熱軋?jiān)囼?yàn)的力學(xué)性能結(jié)果相吻合。對(duì)于同一卷帶鋼而言，鋼卷尾部試樣的硬度和強(qiáng)度都較高，這主要是因?yàn)樵诂F(xiàn)場(chǎng)取樣時(shí)，65Mn帶鋼完成卷取后立即進(jìn)行吊裝取樣，剪切后試樣成為獨(dú)立的一塊鋼板，其在空氣中的冷速很大；另外取樣時(shí)試樣尾部也會(huì)接觸到溫度很低的取樣設(shè)備，這進(jìn)一步增大了冷速。而此時(shí)所取試樣的溫度相對(duì)較高，在空冷過程中處于發(fā)生鐵素體和珠光體相變的溫度區(qū)間，若以較大的冷速急冷至室溫，會(huì)使先共析鐵素體顯著減少，珠光體晶粒細(xì)化，同時(shí)珠光體片層間距也會(huì)變小。因此，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)取樣時(shí)，試樣溫度高、冷速過大，這會(huì)導(dǎo)致其硬度和抗拉強(qiáng)度明顯偏高；而當(dāng)65Mn熱軋鋼卷入庫(kù)緩冷至室溫時(shí)，隨著開卷長(zhǎng)度增加，試樣的硬度和抗拉強(qiáng)度均呈逐漸下降的趨勢(shì)，此時(shí)，65Mn帶鋼的外層冷速大，內(nèi)部冷速較低直到趨于穩(wěn)定冷速。因此，當(dāng)帶鋼開卷達(dá)到一定長(zhǎng)度后，其力學(xué)性能將趨于一穩(wěn)定值。

表3 工業(yè)生產(chǎn)65Mn熱軋帶鋼的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of industry production 65Mn hot rolled strip

4 結(jié) 論

（1）在其它控軋控冷工藝參數(shù)相同的條件下，較高的開軋溫度和終軋溫度、較高的卷取溫度和較低的卷取后冷卻速率，有利于65Mn熱軋帶鋼得到原始奧氏體晶粒尺寸和珠光體片層間距均較大的室溫組織以及較低的抗拉強(qiáng)度和硬度；其中，卷取后冷卻速率對(duì)原始奧氏體晶粒尺寸、珠光體片層間距以及抗拉強(qiáng)度和硬度的影響最為明顯。

（2）65Mn熱軋帶鋼最佳的控軋控冷工藝為開軋溫度（1 180±10）℃、終軋溫度（910±10）℃、卷取溫度（710±10）℃、卷取后平均冷速小于0.05℃·s-1，此時(shí)抗拉強(qiáng)度可控制在850～900MPa。

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