一種連桿用非調質鋼的連續冷卻轉變

紀仁峰，劉年富，鐘芳華

(1.寶鋼特鋼有限公司,上海 200940； 2.寶鋼特鋼韶關有限公司, 廣東 韶關 512123)

微合金非調質鋼是伴隨世界能源短缺而發展起來的一種高效節能鋼，通過熱鍛或熱軋后其力學性能便可達到傳統的調質碳素鋼或合金鋼水平。大大減少了由于零件淬火變形和開裂帶來的損失，具有節約能源、環保、降低制造成本等特點，因此，微合金非調質鋼被廣泛地應用于汽車工業、農業機械、建筑機械、石油等行業[1-3]。

過冷奧氏體連續冷卻轉變(CCT)曲線具有系統的反映出冷卻速率對特定鋼種相變開始溫度、結束溫度及組織與硬度關系的功能，是調整鋼的化學成分、制訂鋼的軋制工藝和熱處理工藝的重要參考依據[4-6]。本實驗采用膨脹法、金相法與硬度法相結合的方式，利用熱模擬機對新開發的用于汽車連桿用中碳非調質鋼的連續冷卻轉變進行了實驗研究，為實際生產工藝的制訂和優化提供了一個有用的參考資料。

1 實驗材料及方法

實驗材料為寶鋼特鋼韶關有限公司開發的汽車連桿用非調質鋼，其化學成分如表1所示。生產工藝如下：130 t轉爐冶煉→LF爐精煉→RH爐精煉→連鑄(緩冷)→鑄坯檢查→大棒軋制φ70 mm圓鋼→空冷至室溫。

表1 實驗鋼化學成分(質量分數，%)

首先在Gleeble-3800熱模擬試驗機上測定實驗鋼的臨界相變溫度，用φ6 mm×81 mm圓柱試樣，先以10 ℃/s的速度升溫到500 ℃，再以0.05 ℃/s加熱到960 ℃，保溫10 min；然后以0.05 ℃/s的速度冷卻至400 ℃，最后以10 ℃/s降溫到室溫。加熱時測得臨界相變溫度Ac1=749 ℃，Ac3=819 ℃；冷卻時測得臨界相變溫度Ar1=619 ℃，Ar3=705 ℃。

連續冷卻試驗的試樣以10 ℃/s的升溫速度加熱到960 ℃，保溫10 min，然后分別以0.1、0.5、0.8、1、1.5、2、3、4、5、8、10 ℃/s的降溫速度冷卻至室溫。冷卻后試樣經研磨拋光，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，采用LEICA DMILM型光學顯微鏡觀察顯微組織，用Zwick ZHμ-A顯微維氏硬度計測量不同冷卻速度下試樣的顯微維氏硬度值。

2 實驗結果與分析

2.1 過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線

圖1為根據不同冷卻速度下測定的相變溫度、相變開始和結束時間繪制的實驗鋼奧氏體連續冷卻轉變的CCT曲線。從圖中可以看出，當冷卻速度小于0.5 ℃/s時，主要發生鐵素體和珠光體轉變，且鐵素體轉變區域要大于珠光體轉變區域；當冷卻速度大于0.5 ℃/s時，開始出現貝氏體組織，隨冷卻速度增加，貝氏體逐漸增加，冷卻速度在0.5～0.8 ℃/s時的室溫組織為先共析鐵素體、珠光體和貝氏體；當冷卻速度大于1 ℃/s時，開始發生馬氏體轉變，隨著冷卻速度增加，鐵素體、珠光體含量逐漸減少，貝氏體、馬氏體量逐漸增多；當冷卻速度大于8℃/s時，轉變組織全部為馬氏體。

圖1 實驗鋼的CCT曲線Fig.1 CCT curves of experimental steel

2.2 不同冷卻速度下的顯微組織

圖2所示為不同冷卻速度下實驗鋼的顯微組織，從圖中可以看出，當冷卻速度為0.1 ℃/s時，發生鐵素體/珠光體轉變，室溫組織為鐵素體+珠光體。先共析鐵素體呈塊狀析出，說明先共析鐵素體在較低的冷卻速度下得到充分的長大，如圖2(a)所示。當冷卻速度增加至0.5 ℃/s時，開始出現少量的貝氏體，轉變產物為鐵素體+珠光體+少量貝氏體，隨著冷卻速度的提高，貝氏體的含量逐漸增多，珠光體含量也逐漸減少，組織主要為珠光體+鐵素體+貝氏體，如圖2(b)、2(c)所示。當冷卻速度達到1 ℃/s時，開始出現少量的馬氏體。隨著冷卻速度的增加，貝氏體、馬氏體量逐漸增多，珠光體量逐漸減少，冷卻速度為3 ℃/s時，組織中未出現珠光體、鐵素體，轉變產物為馬氏體+少量貝氏體。當冷卻速度達到8 ℃/s時，轉變產物全部為馬氏體，如圖2(f)、2(g)。

(a)0.1 ℃/s;(b)0.5 ℃/s;(c)0.8 ℃/s;(d)1 ℃/s;(e)2 ℃/s;(f)5 ℃/s;(g)10℃/s圖2 實驗鋼從960 ℃以不同冷卻速度得到的顯微組織Fig.2 Microstructure of the experimental steel cooled from 960 ℃ wiyh different cooling rates

2.3 不同冷卻速度下的顯微硬度

實驗鋼在不同冷卻速度下的顯微維氏硬度如圖3所示。從圖中可以看出，冷卻速度對顯微硬度有很大的影響，隨著冷卻速度的增加，顯微硬度也隨之增大。結合圖2中的顯微組織隨冷卻速度的變化情況，隨著冷卻速度的增加，鐵素體和珠光體體積分數逐漸減少，而貝氏體和馬氏體體積分數則逐漸增多。對于成分相同的鋼來說，硬度變化規律是馬氏體>貝氏體>珠光體>鐵素體。因此，實驗鋼的顯微硬度隨著冷卻速度的增加而增加。

圖3 實驗鋼的維氏硬度隨冷卻速度的變化Fig.3 The change of Vickers-hardness of the experimental steel with cooling rate

3 討論

實驗用連桿非調質鋼的特點是中碳高硅高錳，并添加了一定量的鉻、釩、鈮和鉬。其中錳是增大奧氏體區的元素，其在晶界表面富集后對晶界產生釘扎作用，延長珠光體轉變的孕育時間，從而減慢奧氏體向鐵素體和珠光體轉變。同時，錳元素可以大大地降低貝氏體轉變驅動力，使貝氏體轉變在較低的冷卻速度下即可進行。硅元素能增加過冷奧氏體的穩定，可以延緩貝氏體轉變，同時也可降低貝氏體轉變溫度，鉻和釩的加入能夠擴大貝氏體轉變區域，增加鋼的貝氏體淬透性。鋼中加入微量的鈮和鉬，利用鈮元素的晶界偏聚效應，對晶界移動產生較強的拖拽作用，延遲奧氏體向鐵素體和珠光體轉變；鉬元素使CCT曲線右移，延長了鐵素體和珠光體的孕育期，增加了過冷奧氏體的穩定性，同時，鉬元素能夠降低貝氏體開始轉變溫度，使奧氏體在較低的溫度下即可發生貝氏體轉變。由此可見，此中碳非調鋼的錳、硅、鉻、釩和微量的鈮和鉬等元素可增加鋼的淬透性，促進貝氏體轉變，在較寬的冷卻速度范圍內得到貝氏體組織。在冷卻速度為0.5～5 ℃/s范圍內，都有貝氏體組織存在，如圖1和圖2所示。

4 結論

1)連桿用中碳非調質鋼在連續冷卻轉變過程中，先后發生了先共析鐵素體和珠光體、貝氏體和馬氏體轉變，且轉變開始溫度隨著冷卻速度的提高而逐漸降低。

2)連桿用中碳非調質鋼中合金元素錳、鉻、釩及微量鈮和鉬的加入擴大了貝氏體轉變區，在較大冷卻速度范圍內均能得到貝氏體組織。

3)過冷奧氏體經連續冷卻轉變后室溫組織的顯微硬度隨著冷卻速度的增加而增大。當冷卻速度為0.5 ℃/s時，組織中開始出現貝氏體；當冷卻速度為1 ℃/s時，組織中開始出現馬氏體，與硬度變化曲線相一致。