硼對65鋼連續冷卻轉變行為的影響

劉輝杰 萬 勇 馮小明 李 杰 溫永紅 張 磊

(1.新余鋼鐵集團有限公司技術中心，江西新余 338001；2.安徽工業大學冶金工程學院，安徽馬鞍山 243032；3.新余鋼鐵集團有限公司第一煉鋼廠，江西新余 338001)

硼對65鋼連續冷卻轉變行為的影響

劉輝杰1萬 勇2馮小明1李 杰2溫永紅2張 磊2

(1.新余鋼鐵集團有限公司技術中心，江西新余 338001；2.安徽工業大學冶金工程學院，安徽馬鞍山 243032；3.新余鋼鐵集團有限公司第一煉鋼廠，江西新余 338001)

利用熱膨脹法和金相- 硬度法，研究了冷卻速率(0.1～35 ℃/s) 對不含硼和含0.001 5%硼(質量分數，下同)的65鋼過冷奧氏體連續冷卻轉變的影響。結果表明，65鋼在連續冷卻過程中，當冷速為0.1～5 ℃/s 時，組織為鐵素體加珠光體；冷速為5～15 ℃/s時，主要是珠光體；冷速為15～35 ℃/s時，主要是板條馬氏體加少量珠光體。隨著冷卻速度的增加，不含硼和含0.001 5%硼的65鋼硬度值均逐漸增大。在相同冷速下，相比不含硼的65鋼，含0.001 5%硼的65鋼鐵素體晶粒和珠光體片層間距更小、總體硬度更高。為獲得具有優異拉拔性能的索氏體，對于不含硼65鋼，其冷速應控制在5～10 ℃/s，對于含0.001 5%硼65鋼，其冷速應控制在10～15 ℃/s。

硼 65鋼 冷卻速率 CCT曲線 顯微組織

65鋼熱軋盤條作為制造鋼絲繩的重要材料，目前已廣泛應用于加工低松弛預應力鋼絲、鋼絲繩、彈簧等金屬制品，其市場前景非常廣闊。新余鋼鐵集團有限公司(簡稱“新鋼”)生產的65盤條(φ5.5、φ6 mm)主要供給客戶以生產高強度細鋼絲繩。經客戶反映，新鋼生產的65盤條在拉拔過程斷絲現象較為嚴重。據文獻報道，鑄坯內部缺陷、鋼中脆性夾雜物和盤條組織異常是造成這一問題的重要原因，主要表現為中心碳偏析、B和C類夾雜物超標、馬氏體和網狀滲碳體[1- 3]。崔懷周等指出，在高碳鋼中加入少量硼可顯著提高C類硅酸鹽夾雜的變形能力，進而提高熱軋狀態下鋼的塑性[4- 6]。然而，硼在鋼中的另一顯著作用是提高鋼的淬透性[7]，可能會影響軋制和控冷過程的組織轉變，進而影響產品性能，但目前關于含硼高碳鋼連續冷卻轉變過程的組織轉變行為的研究尚未見報道。因此，本文主要對不含硼和含硼65鋼過冷奧氏體連續冷卻轉變行為進行研究，旨在為含硼高碳鋼的熱軋控冷和熱處理工藝制訂提供依據，以改善其組織和性能。

1 試驗材料與方法

通過工業試驗冶煉兩爐試驗鋼，一爐為普通65鋼，另一種為加硼65鋼，兩爐鋼的化學成分如表1所示。兩爐鋼經鑄坯取樣后分別加工成若干個φ6 mm×10 mm的試樣，然后進行靜態CCT測定，試驗在Gleeble- 3500熱模擬試驗機上進行。熱模擬試驗過程參數如下：在真空條件下，將試樣以10 ℃/s的速率從室溫加熱到920 ℃并保溫5 min，然后分別以0.1、0.5、1、5、10、15、20、30、35 ℃/s的速度冷卻到室溫。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical compositions of the tested steels (mass fraction) %

試驗結束后，試樣經熱鑲、研磨和拋光，然后用2%硝酸酒精溶液浸蝕，再用Olympus BX51M光學金相顯微鏡和JSM- 6510LV掃描電子顯微進行微觀組織的觀察和分析。根據各試樣不同冷速下膨脹曲線的拐點(切點或極值點)和顯微組織等參數確定不同冷速時的相變溫度，繪制試驗鋼的靜態CCT曲線。利用HVT- 1000A型硬度計測定試樣不同冷速下的硬度值，試驗力為1 kg，每個試樣測3點，取平均值作為其硬度值，用HV1表示。

2 試驗結果

2.1 冷卻速度對不含硼和含硼65鋼微觀組織的影響

圖1、 圖2分別為不同冷速下不含硼和含0.001 5%硼的65鋼顯微組織。由圖1可知， 隨著冷卻速度的增加， 不含硼65鋼的顯微組織從以多邊形鐵素體、珠光體為主逐漸過渡到以珠光體和馬氏體為主。當冷卻速度為0.1 ℃/s時，不含硼65鋼的顯微組織主要由先共析鐵素體和珠光體組成；當冷速增加到0.5 ℃/s時，鐵素體、珠光體組織細化，珠光體片層間距減小；當冷速增加到1 ℃/s時，組織中珠光體轉變量增加，鐵素體量逐漸減少且體積減小；當冷速增加到5 ℃/s時，組織主要為沿原奧氏體晶界析出的極少量多邊形先共析鐵素體和珠光體；當冷卻速度為10 ℃/s時，先共析鐵素體消失，出現了馬氏體；隨著冷速的繼續增加，主要為珠光體和馬氏體混合組織，且馬氏體體積分數不斷增多。

當冷卻速度為0.1 ℃/s時，含0.001 5%硼65鋼的顯微組織主要為先共析鐵素體加珠光體。隨著冷卻速度的增加，鐵素體、珠光體細化，珠光體片層間距減小；當冷速增加到10 ℃/s時，組織以珠光體為主，出現了極少量的鐵素體；當冷速增加到15 ℃/s時，先共析鐵素體消失，整體上都是珠光體組織；當冷速達到20 ℃/s時，出現了馬氏體；隨著冷速的繼續增加，組織中珠光體含量減少，馬氏體轉變量增多。

2.2 冷卻速度對不含硼和含硼65鋼硬度的影響

不同冷速下，不含硼和含0.001 5%硼65鋼的硬度如表2所示。從表2中可以看出，隨著冷卻速率的增加，兩種鋼的顯微硬度逐漸增大。這主要是由于隨著冷速的提高，組織中相的構成發生變化，逐漸由低硬度的鐵素體、珠光體組織向高硬度的馬氏體轉變。在相同冷速下，相比不含硼65鋼，含0.001 5%硼65鋼的總體硬度更高。

2.3 不含硼和含硼65鋼CCT曲線的測定

根據不同冷卻速度膨脹曲線上的拐點(切點或極值點)，結合金相顯微鏡、掃描電鏡和硬度結果確定實際相變溫度，繪制不含硼和含0.001 5%硼65鋼的靜態CCT曲線，如圖3所示。由圖3可以看出， 兩種試驗鋼的奧氏體在不同冷速下的連續冷卻過程中， 分別發生了鐵素體轉變、 珠光體轉變和馬氏體轉變，從高溫到低溫的相變產物主要包括先共析鐵素體、珠光體和馬氏體。隨著冷卻速度的增大，鐵素體和珠光體區域逐漸變窄，珠光體轉變區變寬，相變區逐漸從鐵素體和珠光體過渡到以珠光體和馬氏體為主。在相同冷速下，相比不含硼65鋼，含0.001 5%硼65鋼由奧氏體轉變為珠光體加鐵素體的溫度更低。結合表2還可看出，當冷卻速度達到20 ℃/s時，含0.001 5%硼65鋼才出現馬氏體組織，由此可見，硼元素不僅延緩了65鋼的γ→α轉變，還推遲了其馬氏體轉變。此外，在430 ℃以上，冷卻速度小于35 ℃/s時，65鋼過冷奧氏體在不同冷速下均發生了γ→P的轉變，得到不同形態的珠光體組織，包括片狀珠光體、層狀索氏體和珠光體- 索氏體過渡組織。當冷至Ms點以下時，其過冷奧氏體轉變為馬氏體。

圖1 不同冷速下不含硼65鋼的顯微組織Fig.1 Microstructures of 65 steel without boron under different cooling rates

圖2 不同冷速下含0.001 5%硼65鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of 65 steel with 0.001 5% boron under different cooling rates

表2 不含硼和含0.001 5%硼65鋼的顯微硬度與冷速及組織的關系Table 2 Relationship among microhardness, cooling rate and microstructure for 65 steel without boron and with 0.001 5% boron

圖3 不含硼(a)和含0.001 5%硼(b)65鋼的CCT曲線Fig.3 CCT curves of 65 steel without boron and with 0.001 5% boron

3 分析和討論

綜合以上分析可知，冷卻速度和硼元素對65鋼連續冷卻轉變行為影響較大。隨著冷速的增加，65鋼鐵素體開始轉變溫度降低，鐵素體晶粒細化,珠光體片層間距不斷減小(圖1、2中(a)～(d))。其主要原因是隨著冷速的增加，晶界、位錯等處的臨界形核自由能與均勻變形時的臨界形核自由能逐漸減小，導致γ→α、γ→P轉變的溫度更低(即過冷度增大)，而高過冷度更有利于相變過程的鐵素體、珠光體形核，促使其細化[8]。此外，相變溫度越低，碳原子擴散速度和擴散距離越小，相界遷移率和晶粒長大速率也越小，導致在相同的形核速率下得到的鐵素體晶粒尺寸和珠光體片層間距更細小[8]。在相同冷速下，相比不含硼的65鋼，含0.001 5%硼的65鋼由奧氏體轉變為珠光體加鐵素體的溫度更低且總體硬度更高。其主要原因是硼在奧氏體晶界偏聚，進一步延緩了γ→α和γ→P轉變，推遲了先共析鐵素體和珠光體形成，導致珠光體片層間距更小[9- 12]，如圖4所示。圖4中不加硼的65鋼珠光體片層間距平均值為511.1 nm，含0.001 5%硼的65鋼珠光體片層間距平均值為446 nm。據文獻報道，減小珠光體片層間距并促使其均勻化可有效提高鋼的強度和塑性變形能力[13]。因此，在相同冷速下，相比不含硼65鋼，含0.001 5%硼65鋼的總體硬度更高。由此還可推斷，65鋼中添加0.001 5%硼有利于提高其拉拔性能。因此對于65鋼，為了獲得優異的拉拔性能，其微觀組織應為片層間距細化(80～150 nm)的索氏體加少量鐵素體。從圖1和圖2可以看出，如果不加硼，65鋼的冷速應控制在5～10 ℃/s，若添加0.001 5%的硼，其冷速應控制在10～15 ℃/s。

圖4 冷卻速率0.1 ℃/s時(a)不含硼和(b)含0.001 5%硼65鋼的珠光體片層間距Fig.4 Pearlite interlamellar spacing of 65 steel without boron and with 0.001 5% boron at a cooling rate of 0.1℃/s

4 結論

(1)在低冷速(0.1～5 ℃/s)轉變區，不含硼和含0.001 5%硼的65鋼相變產物主要是鐵素體加珠光體。在中冷速(5～15 ℃/s)轉變區，不含硼的65鋼相變產物是珠光體加少量馬氏體；含0.001 5%硼的65鋼相變產物主要是珠光體。在高冷速(15～35 ℃/s)轉變區，不含硼和含0.001 5%硼的65鋼相變產物主要是馬氏體加少量珠光體。

(2)隨著冷卻速度的增加，不含硼和含0.001 5%硼的65鋼硬度均逐漸增加。在相同冷速下，相比不含硼的65鋼，含0.001 5%硼的65鋼的鐵素體晶粒和珠光體片層間距更小、總體硬度更高。

(3)為了獲得具有優異拉拔性能的索氏體，對于不含硼65鋼，其冷速應控制在5～10 ℃/s，對于含0.001 5%硼的65鋼，其冷速應控制在10～15 ℃/s。

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收修改稿日期：2017- 03- 01

EffectofBorononContinuousCoolingTransformationof65Steel

Liu Huijie1Wan Yong2Feng Xiaoming1Li Jie2Wen Yonghong2Zhang Lei2

(1. Technology Center of Xinyu Iron and Steel Co., Ltd., Xinyu Jiangxi 338001, China; 2. School of Metallurgical Engineering, Anhui University of Technology, Ma’anshan Anhui 243032, China; 3. The First Steel Plant of Xinyu Iron and Steel Co., Ltd., Xinyu Jiangxi 338001, China)

Through thermal expansion and metallographic- hardness method, the effect of cooling rate on the continuous cooling transformation of 65 steel without boron and with 0.001 5% (by mass, the same below) boron was studied. The results showed that during continuous cooling, the microstructure was ferrite and pearlite with the cooling rate ranging from 0.1 ℃/s to 5 ℃/s; when the cooling rate increased between 5 ℃/s and 15 ℃/s, the microstructure was pearlite; in the range from 15 ℃/s to 35 ℃/s, the microstructure was mainly lath martensite and a small amount of ferrite. With the increase of cooling rate, the hardness of 65 steel without boron and with 0.001 5% boron increased gradually. Under the same cooling rate, compared with the steel without boron, that with 0.001 5% boron obtained smaller ferrite grain size, pearlite interlamellar spacing and higher hardness. In order to obtain the sorbite with excellent drawing property, the cooling rate for 65 steel without boron should be controlled between 5 ℃/s and 10 ℃/s, and that with 0.001 5% boron should be controlled between 10 ℃/s and 15 ℃/s.

boron， 65 steel， cooling rate， CCT curve， microstructure

劉輝杰，男，高級工程師，主要從事鋼鐵新產品的研發

李杰，男，教授，主要從事鋼鐵產品質量控制研究，Email:yejinlijie@163.com