礦用圓環(huán)鏈25MnV鋼凝固和冷卻過程的組織性能影響

王 剛，陳黔湘，魏福龍

（首鋼水城鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，貴州 六盤水 553000）

1 材料成分

根據(jù)GB3414-82的規(guī)定，礦用圓環(huán)鏈25MnV鋼的化學(xué)成分包括C、Mn、V、Si、P、S等，具體成分要求如表1所示。根據(jù)試驗(yàn)試制工藝成分控制具體數(shù)據(jù)可知，C、Mn、V成分控制過程較為穩(wěn)定，而Si波動(dòng)較大。

表1 化學(xué)成分要求/%

2 計(jì)算原理

本文通過利用JMatPro軟件，對(duì)該鋼凝固和冷卻過程中的組織性能進(jìn)行了計(jì)算。此軟件是在合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫開發(fā)的基礎(chǔ)上，建立物理模型動(dòng)態(tài)求解材料性能，結(jié)合所需的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以此得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。對(duì)于多元合金系，計(jì)算固溶相吉布斯自由能時(shí)，采用（1）方程，方程（1）中，第一項(xiàng)表示純組元的吉布斯自由能；第二項(xiàng)表示理想狀態(tài)下的焓；第三項(xiàng)表示兩兩之間的相互作用[1，2]。

相轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算，采用TTT計(jì)算的一般方程，即

式（2）中，α=β2（G-1）/2，β是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，G為晶粒大小（ASTM標(biāo)準(zhǔn)），D是有效擴(kuò)散系數(shù)，ΔT是過冷度，q是取決于有效擴(kuò)散機(jī)制的指數(shù)，X是轉(zhuǎn)變的百分比。

在JMatpro軟件中，采用式（3）、（4）判定有關(guān)材料力學(xué)性能的計(jì)算。對(duì)于微小γ粒子對(duì)合金的屈服強(qiáng)度的強(qiáng)化效果，可用以下方程來衡量：

式（3）中，YS0和YS1表示晶格屈服強(qiáng)度和合金屈服強(qiáng)度；M為泰勒系數(shù)；b是柏氏矢量；A是形狀因子常量；d為析出粒子直徑；τ為位錯(cuò)的線張力；f是γ體積分?jǐn)?shù)。

對(duì)于大尺寸的粒子，強(qiáng)化效果可用方程（4）來衡量：

其中，ω實(shí)質(zhì)是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)工藝

礦用圓環(huán)鏈作為煤礦機(jī)的關(guān)鍵鍵，它的質(zhì)量和性能優(yōu)劣，將直接影響設(shè)備的工作效率和煤礦的煤炭產(chǎn)量。該鋼包括三個(gè)等級(jí)，分別為：B、C、D。本文通過安排了一組3爐的礦用圓環(huán)鏈鋼25MnV試制生產(chǎn)，軋鋼廠分別軋制了1爐Φ18mm規(guī)格的20MnSi和25MnV。試制工藝主要分為煉鋼工藝和軋鋼工藝。

3.1.1 煉鋼工藝

（1）鐵水條件。

表2 煉鋼工藝鐵水注入量

由上表2可知，本次試制鐵水成份適中、波動(dòng)小，有害元素P%，S%含量不高。

（2）造渣及熱平衡控制。

①本次品種鋼生產(chǎn)總裝入量為95.5噸，從連鑄鋼水量看，第26200270爐次鋼水量較低83.6t，其余兩爐正常；②轉(zhuǎn)爐消耗：3爐25MnV的石灰消耗分別為38.5kg/t，37.1kg/t，36.1kg/t；石灰、輕燒和冷料等渣料消耗在：102kg/t～122kg/t范圍，如上表所示。

（3）合金消耗。

表4 合金消耗分析

從單耗看出，本次試制生產(chǎn)單耗較標(biāo)準(zhǔn)低，主要原因是用鋼水量進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際產(chǎn)量因短尺和分坯較低。

3.1.2 軋鋼工藝

（1）工藝參數(shù)。

表5 軋鋼工藝參數(shù)分析

（2）力學(xué)及其他物理檢驗(yàn)。

表6 力學(xué)及其他物理檢測(cè)

（3）力學(xué)檢測(cè)滿足。

表7 力學(xué)檢驗(yàn)

3.2 顯微組織分析

在900℃標(biāo)準(zhǔn)化后，實(shí)驗(yàn)鋼的貝氏體形態(tài)具有顆粒特征。該鋼的組成部分包括四部分，分別為：貝氏體鐵素體（BF）、馬氏體、殘余奧氏體和少量珠光體。粒狀貝氏體是具有馬氏體/奧氏體島的板條鐵素體基體。在貝氏體元素的演化和碰撞過程中C原子從BF元素到奧氏體的連續(xù)擴(kuò)散和富集，導(dǎo)致了這種結(jié)構(gòu)的形成，并導(dǎo)致最終形成的島區(qū)域中存在碳濃度梯度。冷卻后，這些富含C的奧氏體島區(qū)將轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l馬氏體，雙馬氏體或保留的奧氏體狀態(tài)，從而形成島面積。M/A馬氏體邊緣的奧氏體島。該結(jié)構(gòu)硬度（20HRC～23HRC）適用于實(shí)際生產(chǎn)中的圓鋼剪切。

在880℃淬火（20℃水淬）后，芯基質(zhì)為馬氏體；當(dāng)水溫為37℃時(shí)，除馬氏體外，中心有許多鐵素體塊，非馬氏體結(jié)構(gòu)，鐵素體晶粒尺寸為8.5級(jí)～9級(jí)。這表明較低冷卻介質(zhì)溫度的核心結(jié)構(gòu)可以硬化并且結(jié)構(gòu)良好。這種差異的原因取決于冷卻速度。

4 結(jié)論

（1）組織性能。對(duì)圓環(huán)鏈用25MnV熱軋圓鋼進(jìn)行內(nèi)部組織分析，分析顯示，該鋼的熱軋組織為鐵素體和珠光體，并且這兩種組織呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)。通常，熱處理工藝為：淬火、差溫回火。通過以上熱處理工藝我們可以得到回火索氏體或回火屈氏體組織。與此同時(shí)，通過熱處理工藝，我們還得到了此工藝處理后的正常組織及出現(xiàn)的異常組織，該異常組織中含有馬氏體。通過對(duì)異常組織出現(xiàn)原因的探究，實(shí)驗(yàn)表明其與直臂部分的回火溫度和Mn元素產(chǎn)生偏析現(xiàn)象有關(guān)。

（2）結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果、25MnV礦用圓環(huán)鏈用鋼要求和工藝條件，我們不難發(fā)現(xiàn)，鋼中碳含量應(yīng)該控制在0.23%～0.26%。