靜態不同冷卻速度對球磨機鋼球用鋼60Mn2Cr組織的影響

燕際軍，張群，白曉明

（鞍鋼集團本鋼板材股份有限公司，遼寧 本溪 117001）

隨著我國采礦業的迅速發展，粉碎礦石用的球磨機鋼球用鋼需求量也在逐年增加，采礦企業對球磨鋼的質量要求也越來越高。球磨鋼因具有組織致密、晶粒細、不易變形、耐磨性能好、沖擊韌性高、破碎率小等特點，廣泛應用在冶金礦山、水泥建材、火力發電、煙氣脫硫、磁性材料等領域，其中組織形態是影響球磨鋼的性能的重要因素[1-3]，而冷卻工藝對球磨鋼組織形態有重要影響，不同的冷卻制度得到不同的鋼材組織形態，對鋼材軋制過程起到指導意義。本鋼采用轉爐大方坯連鑄工藝生產60Mn2Cr球磨鋼，加熱爐加熱到（1 200±20）℃，經初軋機后，進入大棒連軋機組，軋制過程中幾個控溫點可以控制鋼材冷卻速度，從而控制鋼材最終的組織形態。

1 試驗材料及方法

試驗用60Mn2Cr球磨機鋼球用鋼為轉爐大方坯連鑄連軋工藝生產，具體生產工藝為：高爐鐵水→鐵水預處理→180t轉爐冶煉→180tLF爐精煉→180tRH爐真空脫氣→大方坯350 mm×470 mm連鑄→步進式加熱爐加熱→高壓水除鱗→粗軋機組軋制→連軋機組軋制→緩冷→精整→探傷→檢驗→入庫。

隨機取1爐60Mn2Cr球磨鋼試樣，經線切割加工后，成品試樣如圖1所示，化學成分見表1。

圖1 成品試樣Fig.1 Samples Taken from Finished Products

表1 化學成分（質量分數）Table 1 Chemical Compositions （Mass Fraction） %

采用Gleeble-2000熱模擬機，在室溫真空環境，以5℃·s-1加熱速度升溫到1 200℃，保溫5 min后，不進行變形處理，再以 0.5，1，2，5，10，20，30，40 ℃·s-1等8個不同冷卻速度冷卻。熱模擬試樣尺寸如圖2所示，熱處理工藝如圖3所示。

圖2 熱模擬試樣尺寸Fig.2 Size of Samples for Thermal Simulation Test

圖3 熱處理工藝Fig.3 Technology for Heating Processing

2 試驗結果

測得降溫變形曲線，用切線法[4]確定其臨界點Ar1、Ar3。為使結果精確，更換試樣，重復以上步驟，最后求得Ar1=585℃，Ar3=676℃。 測定其相應的溫度-膨脹量曲線及Ms點，結果為Ms=360℃。圖4為不同降溫速度變形曲線。

圖4 不同冷卻速度變形曲線Fig.4 Deformation Curves at Different Cooling Rates

由圖4可以看出，不同的冷卻速度會導致材料的變形不同。其中，從圖4（b）中可以看到溫度降到600℃左右時，曲線呈明顯的先上升后再下降，變形量的變化說明在此時組織發生了變化。而圖4（d）為降溫速度為5℃·s-1時的變形曲線，當溫度降到600℃左右時，曲線變形量有個緩慢的上升后再下降，組織也發生了變化，但變化量與圖4（b）有所不同。

圖5為不同冷卻速度的金相組織圖片。由圖可以看出，隨著冷卻速度的加快，鋼材組織發生了明顯的變化，從最初的P+F網狀的平衡組織，逐漸過渡到珠光體P消失，在冷卻速度達到5℃·s-1時，馬氏體M和貝氏體B開始出現，在冷卻速度達到10℃·s-1時，屈氏體T出現，最終屈氏體T也消失，形成非平衡態的M+B微量組織。此外，晶粒隨著冷卻速度的增大而逐漸變得細小。這是因為冷卻速度越大，過冷度越大，鐵素體開始轉變溫度Ar3越低，形核驅動力越大，臨界形核功和臨界核半徑減小，從而晶粒變細[5]。60Mn2Cr鋼不同冷卻速度組織變化見表2。

圖5 不同冷卻速度金相組織Fig.5 Metallographic Structures at Different Cooling Rates

表2 60Mn2Cr鋼不同冷卻速度組織變化Table 2 Microstructure Changes of 60Mn2Cr Steel at Different Cooling Rates

圖6為8種不同冷卻曲線測得的相變溫度及組織形態擬合成的CCT曲線，由曲線可以看出，隨著冷速的不同，材料組織呈現出不同的變化，和表2的組織變化完全一致。

圖6 球磨鋼60Mn2Cr CCT曲線Fig.6 CCT Curves of 60Mn2Cr Steel

3 分析與討論

過冷奧氏體向貝氏體的轉變主要包括先共析鐵素體的形成和碳化物的析出兩個過程。當冷卻速度在5℃·s-1附近時，在貝氏體形核孕育期，過冷奧氏體中的碳重新分布并在其晶界處或晶界附近形成貧碳區，鐵素體晶核便在貧碳區形成，在其長大的同時，鐵素體前沿的碳原子向兩側奧氏體中擴散，并在鐵素體條間或鐵素體內部沉淀析出碳化物，因此貝氏體的長大受碳原子擴散的控制。由于轉變發生在中溫區，鐵原子不能遷移運動，只有碳原子在鐵素體中遷移擴散，所以貝氏體的轉變是一種既有擴散又有切變的相變。

當冷卻速度達到10℃·s-1以上時，過冷奧氏體向馬氏體的轉變表現為鐵晶格的改組。在低溫區，碳原子和鐵原子都不能進行擴散，相變以切變共格方式進行，是一種無擴散型相變。

實際生產過程中，終軋溫度會改變變形后材料的儲存能和晶界遷移率，從而影響N/G(再結晶形核速率N與再結晶晶粒成長速度G之比)，降低終軋溫度會增加N/G，使得再結晶晶粒細化[4]。依據每個試樣冷卻速度及冷卻后的組織形態繪制成CCT曲線，通過CCT曲線來指導鋼材軋制過程中所需要的鋼材內部組織。

4 結論

（1）采用熱模擬試驗研究了靜態8種不同冷卻速度對球磨機鋼球用鋼60Mn2Cr組織的影響，通過變形曲線可以看出冷卻速度不同，熱膨脹曲線會發生變化，其變形量也不同，導致鋼材組織形態發生變化。

（2）變形曲線和金相組織表明，在鋼材降溫到600℃左右時，變形曲線出現拐點，組織發生改變。當冷卻速度為5℃·s-1時，開始出現貝氏體組織；當冷卻速度為10℃·s-1時，開始出現屈氏體組織。

（3）隨著冷卻速度的提高，鋼材組織從相對平衡的P+F網狀逐漸過渡到非平衡的M+B微量。