45鋼控軋控冷工藝模擬試驗

劉 瑩, 駱春民

(天津鋼鐵集團有限公司, 天津 300000)

經過軋制的板材會出現組織異常或不均勻，造成其綜合力學性能不穩定，給鋼板的后續使用帶來不利影響。為了減小產品組織不均勻性帶來的影響，筆者利用熱模擬試驗機對45鋼鋼板進行控軋控冷工藝模擬試驗，通過單道次模擬軋制，研究了45鋼軋制過程中的動態再結晶行為，分析了應力-應變曲線特征參數，建立和繪制了45鋼的動態再結晶圖;同時研究了45鋼的臨界點及相變點，結合顯微組織分析,繪制出45鋼的過冷奧氏體連續冷卻轉變(CCT)曲線[1-3]。根據試驗數據，完成了45鋼控軋控冷工藝窗口設計，為45鋼控軋控冷工藝的制定提供了可靠的理論依據。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

選取某批次30 mm厚的45鋼熱軋鋼板，其化學成分如表1所示。將該鋼板加工成尺寸為10 mm×15 mm(外徑×長度)的圓柱形試樣，對其進行再結晶試驗；再將鋼板加工成尺寸為6 mm×85 mm(外徑×長度)的圓柱形試樣，繪制CCT曲線。

表1 45鋼鋼板的化學成分 %

1.2 試驗方法

1.2.1 動態再結晶

通過單道次壓縮變形試驗，研究45鋼變形奧氏體的動態再結晶行為，得到流變應力曲線，具體工藝為：將試樣以5 ℃/s的升溫速率加熱到1 200 ℃，保溫3 min，再以5 ℃/s的降溫速率分別冷卻到1 150，1 100，1 050，1 000，950，900，850，800 ℃，經30 s短時均溫后，再分別以0.1,1 s-1的應變速率進行熱壓縮變形，變形量均為60%，變形后立即淬火,保留變形后組織。

通過模擬試驗分析應力-應變曲線特征參數，觀察試樣形變奧氏體動態再結晶的晶粒形態，建立試驗鋼的動態再結晶圖，研究試驗鋼動態再結晶行為的發生條件和演化過程。

1.2.2 45鋼臨界點及CCT曲線的繪制

利用膨脹法研究45鋼的臨界點，具體工藝為：以5 ℃/s的升溫速率將試樣加熱到500 ℃，再以200 ℃/h的升溫速率將試樣加熱到980 ℃，保溫15 min，以200 ℃/h的降溫速率冷卻試樣。記錄熱膨脹曲線拐點，確定45鋼的Ac1(加熱時珠光體向奧氏體轉變的溫度)、Ac3(加熱時轉變為奧氏體的終了溫度)、Ar3(冷卻時鐵素體轉變的開始溫度)和Ar1(冷卻時奧氏體向珠光體轉變的溫度)。

結合金相檢驗，繪制45鋼的靜態CCT曲線。選取不同的降溫速率(0.5，1，2，3，5，7，10，15，20，30，50 ℃/s)進行試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 45鋼單道次壓縮流變應力曲線

對單道次壓縮時的應力-應變曲線進行分析，不同變形溫度和應變速率下45鋼單道次壓縮變形的應力-應變曲線如圖1所示。

圖1 不同變形溫度和應變速率下45鋼單道次壓縮變形的應力-應變曲線

在滿足低變形溫度和高應變速率條件時，45鋼的應力-應變曲線呈現動態回復特征。當變形溫度上升且應變速率下降時，應力-應變曲線的動態再結晶趨勢增強。

隨著變形溫度的降低，當應變速率增加時，應力峰值隨之上升，動態再結晶變得困難。當變形溫度過低或應變速率過大時，應力-應變曲線已經沒有明顯的動態再結晶趨勢，表現為加工硬化或動態回復特征。

當應變量相同時，隨著變形溫度的升高和應變速率的降低，流變應力呈下降趨勢；當變形溫度相同時，隨著變形速率的增大，應力峰值向著應變增大的方向移動；當變形速率相同時，隨變形溫度的升高，應力峰值及應變都有減小的趨勢。

不同試驗條件下應力-應變曲線的對比，證明了動態再結晶是一個熱激活過程，即變形溫度越高，材料越容易發生動態再結晶。

試驗結果表明：試樣在滿足變形溫度高、變形速率低、變形量較大的條件下，材料在高溫條件下的形變是軟化行為，由于溫度較高，材料內部受力產生的位錯和恢復過程中亞結構位錯的密度都減少了，在該條件下，動態再結晶更易發生。

2.2 45鋼的動態再結晶圖

根據單道次壓縮時的應力-應變曲線，建立45鋼的動態再結晶圖(見圖2)，當達到一定的應變，再結晶才會發生[4]。在滿足再結晶發生的前提下，隨著溫度的增大，需要的應變隨之減小。根據動態再結晶試驗結果，對工藝進行調整，使45鋼在粗軋階段完成再結晶，在精軋階段避免發生再結晶，在全過程避免發生部分再結晶，以免得到混晶組織。

圖2 45鋼的動態再結晶應變-溫度曲線

2.3 靜態CCT曲線

45鋼的相變轉變溫度如表2所示(A為奧氏體，F為鐵素體，P為珠光體，B為貝氏體，M為馬氏體)，CCT曲線如圖3所示。

表2 45鋼的相變轉變溫度

在45鋼的CCT曲線上，相變區域為鐵素體區、珠光體區、貝氏體區、馬氏體區。在冷卻速率大于5 ℃/s時，有貝氏體相轉變[見圖4a)]，在較大的冷卻速率下，如冷卻速率大于50 ℃/s時，有馬氏體相轉變[5][見圖4b)]。

圖4 45鋼在相變過程中的顯微組織形貌

從CCT曲線可以看出，過冷奧氏體連續冷卻速率不同，發生的轉變及組織也不同。當冷卻速率很小時，發生轉變的開始溫度和結束溫度都很高，隨著冷卻速率的增大，轉變溫度降低，轉變經歷的溫度區間隨著冷卻速率的增大而增大。

3 結論

根據熱模擬試驗結果可知，45鋼控軋控冷的工藝窗口設計為：開軋溫度不小于1 050 ℃，中間坯厚度為90 mm，軋制道次為7～9，道次間隔時間不小于10 s，軋制速率為1 m/s；開軋溫度為880～900 ℃，頭三道次間隔時間不大于10 s，軋制道次為7～9，末三道次總壓下率不小于30%，成品道次壓下率不小于8%，軋制速率為3 m/s，終軋溫度為780～810 ℃；終冷溫度為670～700 ℃，冷卻速率小于5 ℃/s。

對45鋼鋼板的控軋控冷工藝進行熱模擬研究，可為實際軋制45鋼控軋控冷工藝的制定提供可靠的理論依據,提高了45鋼的力學性能，提升了經濟效益。