φ160 mm非調質鋼棒材的顯微組織和疲勞性能

高華耀 劉棟林 李振華 俞 杰 周 湛 龔寶聲

(1. 江蘇永鋼集團有限公司 特鋼公司,江蘇 張家港 215628; 2. 海天塑機集團有限公司,浙江 寧波 315821)

微合金化非調質鋼是一種將軋制與熱處理相結合、省略調質工序的新型節能結構鋼,其性價比優于傳統的調質鋼,得到了廣泛應用[1]。

可直接機加工的大尺寸非調質鋼棒材的生產一直是國內的技術難點[2]。在傳統高溫(可減小變形抗力)、高速熱軋過程中,大尺寸棒材心部和表面的溫差較大,棒材心部的再結晶晶粒將明顯長大,而且尺寸越大越顯著,影響棒材的性能。GB/T 15712—2016《非調質機械結構鋼》中僅對直徑小于60 mm的非調質鋼棒材提出了明確的性能要求[3],而目前市場上迫切需要φ60 mm以上的非調質鋼棒材,用于注塑機拉桿、油缸活塞桿等桿類件。以往注塑機拉桿、油缸活塞桿主要采用調質鋼制作,生產成本高周期長、返修費用高,還存在淬火開裂、淬火變形較大等問題[4-10]。為滿足市場需求,本文采用現有設備和控軋控冷技術生產了φ160 mm的非調質鋼棒材,改善了棒材的力學性能。

1 試樣制備和試驗方法

1.1 試樣制備

研究用φ160 mm非調質鋼棒材的生產流程為鐵水+廢鋼→110 t電爐EAF→LF精煉→VD真空精煉→連鑄→緩冷→鑄坯加熱→開坯→待溫→連軋→穿水→緩冷→精整→稱重→入庫,化學成分如表1所示。

表1 研究用非調質鋼棒材的化學成分Table 1 Chemical compositions of the investigated non-quenched-and-tempered steel bar

1.2 試驗方法

按GB/T 2975—2018《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣方法及試樣制備》從棒材距表面25 mm(1/3半徑)處沿軋制方向取樣制備拉伸試樣;從棒材距表面約5、25、40、60和80 mm處取樣制備金相試樣。在UTM5305型拉伸試驗機上按GB/T 228—2010《金屬材料 拉伸試驗 室溫試驗方法》進行拉伸試驗。金相試樣采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕,采用AXIO Image M2m型光學顯微鏡和SUPRA 55 Sap-phire型場發射掃描電子顯微鏡進行金相檢驗。

從棒材距表面25 mm(1/3半徑)處沿軋制方向取樣制備疲勞試驗試樣,其尺寸如圖1所示。按GB/T 4337—2015《金屬材料疲勞試驗旋轉彎曲試驗方法》,采用HB8120型旋轉-彎曲疲勞試驗機進行旋轉疲勞試驗,應力比R為-1,4點彎曲加力,試驗頻率為50 Hz,試驗至試樣斷裂或旋轉疲勞次數達到1×107周次時結束。采用升降法測定疲勞強度,有效試樣數量為10根或更多。

圖1 旋轉彎曲疲勞試驗試樣的尺寸Fig.1 Dimension of the specimen for rotating bending fatigue test

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織

圖2為棒材表面以下不同部位的顯微組織。從圖2可知,φ160 mm非調質鋼棒材距表面5 mm處組織為貝氏體和少量珠光體,其原因是棒材表面與水直接接觸冷速快,冷卻速率處于連續冷卻轉變曲線圖中貝氏體與珠光體交界處。隨著與棒材表面距離的增大,冷卻速率降低,珠光體逐漸增多,并析出網狀先共析鐵素體,顯微組織為鐵素體和珠光體。隨著與表面距離的進一步增大,鐵素體增多,其形態從短桿狀轉變為塊狀,距表面25和80 mm處鐵素體形態不同,這是不同區域冷速不同所致[10]。此外,由于鋼中含微量Nb和V,結合控軋控冷(低溫軋制和軋后快速冷卻)工藝,棒材組織能顯著細化。微量V和Nb與C、N結合形成碳化物在晶界析出,能阻礙奧氏體晶粒長大,并為后續的相變提供更多的形核位置從而獲得細小的珠光體團[6-8]。距棒材表面25 mm處的晶粒度為9～10級,距棒材表面40 mm處的晶粒度為8.5～9級,距棒材表面80 mm處的晶粒度為5～7級。

圖2 φ160 mm非調質鋼棒材距表面5(a)、10(b)、25(c)、40(d)和80 mm(e)處的顯微組織Fig.2 Microstructures at 5(a),10(b),25(c),40(d) and 80 mm(e) from the surface in the non-quenched-and-tempered steel bar 160 mm in diameter

圖3為棒材表面以下不同部位的較低和較高倍組織。圖3表明:棒材距表面25和80 mm處的顯微組織主要為鐵素體和珠光體,且隨著與表面距離的增大,鐵素體增多,珠光體團尺寸增大、數量減少;距表面80 mm處鐵素體主要呈塊狀。距表面25和80 mm處的珠光體片層間距為170～260 nm,且隨著與表面距離的增大珠光體片層間距增大。距表面25 mm處珠光體呈細片狀并碎化、無序分布,這是鋼材具有高強韌性的重要原因之一[9-10]。距表面40 mm處珠光體片層排列整齊且粗化。距表面80 mm處珠光體片層排列整齊,粗化更明顯。

圖3 φ160 mm非調質鋼棒材距表面25(a,d)、40(b,e)和80 mm(c,f)處的較低(a～c)和較高(d～f)倍組織Fig.3 Lower-(a to c) and higher-(d to f) magnification structures at 25(a,d),40(b,e) and 80 mm(c,f) from the surface in the non-quenched-and-tempered steel bar 160 mm in diameter

距表面80和25 mm處的冷卻速率差異很大,因此棒材心部珠光體片層間距為260 nm,而邊緣為170 nm,冷速越大過冷度越大,奧氏體轉變成珠光體的驅動力就越大,碳原子擴散速率減慢、遷移距離縮短[8-10]。

2.2 力學性能和旋轉彎曲疲勞S-N曲線

由圖4(a)可知,160 mm非調質鋼棒材在3個應力水平下的波動較小;圖4(b)表明,在107循環周次下的疲勞強度為502 MPa。對于組織為鐵素體和珠光體的非調質鋼,疲勞裂紋一般在鐵素體和珠光體的邊界萌生并擴展,通過控軋控冷獲得細小均勻的珠光體+鐵素體組織可獲得優異疲勞性能[11]。

圖4 φ160 mm非調質鋼棒材距表面25 mm處的升降圖(a)和S-N曲線(b)Fig.4 Rise and fall diagram (a) and S-N curve (b) at 25 mm from the surface in the non-quenched-and-tempered steel bar 160 mm in diameter

表2為非調質鋼棒材的拉伸和疲勞性能。由表2可知,φ160 mm非調質鋼棒材的抗拉強度為1 002 MPa,屈服強度為755 MPa,斷后伸長率為18%,斷面收縮率為48%,疲勞強度為502 MPa。微量V的加入抑制了加熱過程中奧氏體晶粒長大,控軋待溫使晶粒均勻化,改善了由于開坯后回復再結晶導致晶粒不均勻的現象,而且V和Nb的復合彌散析出相能抑制晶粒長大從而獲得細小均勻的組織[3-5]。由于低溫控軋配合穿水控冷,棒材中形核位置更多,從而獲得了均勻細小、片層間距為170～220 nm的珠光體組織。因此,非調質鋼通過微量V和Nb的加入及采用控軋控冷工藝能獲得較優異的強韌性和疲勞性能[12]。

表2 φ160 mm非調質鋼棒材的拉伸和疲勞性能Table 2 Tensile and fatigue properties of the non-quenched-and-tempered steel bar 160 mm in diameter

3 結論

(1)φ160 mm非調質鋼棒材距表面25和40 mm處晶粒度為8.5～10級,顯微組織為珠光體和鐵素體,珠光體片層間距為170～220 nm。

(2)φ160 mm非調質鋼棒材的抗拉強度為1 002 MPa,屈服強度為755 MPa,斷后伸長率為18%,斷面收縮率為48%;距表面25 mm處的疲勞強度為502 MPa。