82B 盤條網(wǎng)狀滲碳體形成原因及控制措施探析

劉 穎

（河鋼宣鋼技術(shù)中心，河北 宣化 075100）

0 引言

82B 硬線盤條作為一種高碳鋼，具有強(qiáng)度高、塑性強(qiáng)等特點(diǎn)，是生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的重要原材料[1-2]。在冷拉拔生產(chǎn)中，盤條的組織均勻性顯著影響鋼絞線的加工質(zhì)量[3]，特別是Φ12.5 mm 以上的大規(guī)格盤條，更易在中心部位出現(xiàn)碳偏析，進(jìn)而在冷卻相變過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的網(wǎng)狀滲碳體異常組織。同時(shí)由于網(wǎng)狀滲碳體的形變能力小，沿晶界析出形成硬脆相，極大地削弱了晶界強(qiáng)度，使盤條塑性惡化，極易引起拉拔、捻股脆斷[1]。而金相組織檢測(cè)作為鑒定和研判鋼材質(zhì)量合格與否的重要參考依據(jù)，在鋼材質(zhì)量檢驗(yàn)工作中發(fā)揮著重要作用。因此，本文系統(tǒng)性地分析了盤條冷卻過程網(wǎng)狀滲碳體形成機(jī)制，利用碳硫分析儀研究了碳元素在盤條徑向方向上的分布規(guī)律，并應(yīng)用傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡，分析了不同等級(jí)的網(wǎng)狀滲碳體顯微金相組織。

1 生產(chǎn)工藝流程

82B 硬線盤條生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示。成品的金相組織檢測(cè)以及相關(guān)力學(xué)性能檢驗(yàn)是判定成品能否交付下游工序或客戶的重要依據(jù)。因此，金相組織的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)，對(duì)于優(yōu)化生產(chǎn)流程、調(diào)整工藝參數(shù)等具有顯著的指導(dǎo)意義。

2 網(wǎng)狀滲碳體形成機(jī)理及危害分析

2.1 形成機(jī)理分析

82B 硬線盤條的w（C）在0.65%～0.83%范圍內(nèi)，屬于過共析鋼。從圖2 所示[4]的鐵碳相圖中可以看出，82B 在緩慢冷卻過程中不存在包晶轉(zhuǎn)變，通過勻晶變化轉(zhuǎn)化為奧氏體組織，隨著溫度持續(xù)降低開始發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，沿著奧氏體晶界析出二次滲碳體呈網(wǎng)狀分布，并伴有珠光體組織析出。在實(shí)際生產(chǎn)中，若82B盤條中心出現(xiàn)嚴(yán)重的碳偏析，造成碳含量過高時(shí)，相變過程無法及時(shí)進(jìn)入偽共析區(qū)，造成二次滲碳體組織的過度發(fā)展，即形成了大量的網(wǎng)狀滲碳體。

2.2 形變行為分析

由于網(wǎng)狀滲碳體屬于脆硬相，其變形量遠(yuǎn)低于鐵素體組織，且主要集中于中心部分。因此，在生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的冷拉拔過程中，中心與表層部位的金屬組織在變形量上出現(xiàn)了顯著的差異性，即無法保證協(xié)調(diào)同步變形。隨著拉拔形變外力的增大，在網(wǎng)狀滲碳體晶界處產(chǎn)生了較強(qiáng)的應(yīng)力集中，并開始出現(xiàn)微小裂紋，伴隨著應(yīng)力的持續(xù)性增大，裂紋開始快速發(fā)展，數(shù)量增多且不斷長(zhǎng)大，裂紋間出現(xiàn)相互連通，最終造成拉拔脆斷，形成尖杯狀斷口。

3 碳偏析分布規(guī)律研究

3.1 試樣制備方法

采用EMIA820V 型紅外碳硫分析儀對(duì)Φ12.5 mm 82B 盤條截面上不同位置的w（C）進(jìn)行分析，而試樣制備對(duì)于分析結(jié)果的準(zhǔn)確性具有顯著影響。利用車床車削掉盤條表層的氧化鐵皮后，設(shè)置車床的進(jìn)刀深度為1 mm，采用低速模式沿盤條徑向進(jìn)行切削，如圖3所示。若車床轉(zhuǎn)速過高、車削速度過大，會(huì)導(dǎo)致急劇的摩擦而生熱，車削后的樣屑發(fā)黃、發(fā)藍(lán)，存在明顯的過氧化現(xiàn)象。因此，采用低速模式以及控制合理的進(jìn)刀深度，可保證車削后的樣屑呈螺旋狀，表觀呈亮白色，具有顯著的金屬光澤。

對(duì)盤條每一層徑向圓周車削后的螺旋狀樣屑進(jìn)行碳元素分析，開始前采用碳硫分析儀對(duì)標(biāo)樣進(jìn)行校驗(yàn)，控制動(dòng)力氣壓力在0.30～0.35 MPa、載氣壓力0.25～0.30 MPa。

3.2 碳元素分布規(guī)律

采用EMIA820V 型紅外碳硫分析儀在82B 盤條截?cái)嗝嫔暇嘀行狞c(diǎn)不同位置處進(jìn)行w（C）分析，并計(jì)算C 偏析指數(shù)，結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可以看出：Φ12.5 mm 規(guī)格的82B 盤條碳偏析主要集中于截?cái)嗝娴男牟课恢茫姨己砍蕭佄锞€形狀。在邊緣位置的w（C）最低，約為0.77%，而靠近中心點(diǎn)4～4.5 mm 的位置上w（C）達(dá)到峰值，最高為0.827%，C 偏析指數(shù)高達(dá)1.02，在距中心點(diǎn)距離＜4 mm 的范圍內(nèi)，w（C）隨距中心點(diǎn)距離的縮短而呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但w（C）和C 偏析指數(shù)要遠(yuǎn)高于盤條邊緣位置。因此，網(wǎng)狀滲碳體組織的出現(xiàn)與碳偏析有直接的關(guān)系，網(wǎng)狀滲碳體也多出現(xiàn)于盤條截?cái)嗝娴男牟课恢谩?/p>

圖4 w（C）分布規(guī)律和C 偏析指數(shù)

4 網(wǎng)狀滲碳體金相組織檢測(cè)

4.1 金相試樣制備方法

1）垂直切取Φ12.5 mm 82B 盤條的橫向試樣，對(duì)試樣待測(cè)截?cái)嗝孢M(jìn)行打磨，為防止摩擦生熱，造成金相組織變化，采用清水對(duì)試樣進(jìn)行降溫、冷卻。

2）采用磨光能力大、磨削性能好的金剛石研磨膏或金剛石噴霧作為拋光劑，確保試驗(yàn)待測(cè)表面平整、光滑，出現(xiàn)鏡面。

3）采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的硝酸酒精溶液，浸泡拋光后的試樣截?cái)嗝婕s20 s 以上，并且保證試樣截?cái)嗝娌慌c容器底部接觸。

4）依次使用清水、酒精對(duì)試樣進(jìn)行沖洗，并擦拭干凈。若試樣截?cái)嗝娉霈F(xiàn)污漬、劃痕等，則需重復(fù)上述步驟，對(duì)試樣重新進(jìn)行拋光、浸蝕等。

4.2 網(wǎng)狀滲碳體分級(jí)評(píng)價(jià)

采用LEICA DMI 5000M 顯微鏡進(jìn)行500 倍條件下的金相組織觀察，并根據(jù)滲碳體存在形態(tài)和數(shù)量，對(duì)82B 盤條進(jìn)行不同質(zhì)量等級(jí)的劃分、評(píng)價(jià)，如圖5所示。圖5-1 為0 級(jí)網(wǎng)碳，未出現(xiàn)網(wǎng)狀滲碳體；圖5-2為1 級(jí)網(wǎng)碳，存在未封閉的網(wǎng)狀滲碳體，沒有或輕微可見沿晶界析出的鏈狀滲碳體，但不能形成有效測(cè)量面積；圖5-3 為2 級(jí)網(wǎng)碳，存在1～2 個(gè)晶粒呈全封閉網(wǎng)狀滲碳體，其他未封閉；圖5-4 為3 級(jí)網(wǎng)碳，存在3個(gè)晶粒呈全封閉網(wǎng)狀滲碳體，其他未封閉全部成網(wǎng)，但其分布范圍小于整個(gè)視場(chǎng)面積的2/3；圖5-5 為4級(jí)網(wǎng)碳，存在4 個(gè)以上的全封閉網(wǎng)狀滲碳體。

圖5 網(wǎng)狀滲碳體金相結(jié)構(gòu)圖

從圖5-2—圖5-5 看出，滲碳體沿奧氏體晶界分布，呈亮白色，且不易變形，在盤條心部區(qū)域的晶界上形成大小不一的網(wǎng)狀或半網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)網(wǎng)狀滲碳體等級(jí)大于2 級(jí)時(shí)，盤條的組織均勻性大幅降低，削弱了晶粒間的連接強(qiáng)度[5]，內(nèi)部金相組織硬度出現(xiàn)差異化，嚴(yán)重影響盤條各項(xiàng)性能指標(biāo)，在拉拔過程中極易沿晶界產(chǎn)生裂紋，隨著拉拔變形量增加，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，進(jìn)而引發(fā)脆斷問題。因此，控制盤條中心碳偏析是改善網(wǎng)狀滲碳體過度發(fā)展的重要舉措。

5 控制中心碳偏析的措施及效果分析

5.1 控冷措施

針對(duì)82B 盤條質(zhì)量管理，除在冶煉工序嚴(yán)格控制w（C），均勻穩(wěn)定鋼水成分外，通過網(wǎng)狀滲碳體形成機(jī)理分析可知，合理的冷卻工藝是控制高碳鋼形成良好金相組織的重要舉措[6]。

5.1.1 吐絲溫度

吐絲溫度是高速線材控冷過程相變開始的關(guān)鍵參數(shù)，要將吐絲溫度嚴(yán)格控制在900～930 ℃內(nèi)。若吐絲溫度過高，盤條冷卻速度降低，導(dǎo)致相變時(shí)間延長(zhǎng)，奧氏體晶粒組織發(fā)展長(zhǎng)大[7]，并且氧化鐵皮的產(chǎn)生量大幅升高，嚴(yán)重降低盤條的表面質(zhì)量；若吐絲溫度過低，則會(huì)在盤條表面出現(xiàn)大量的貝氏體、馬氏體等脆性組織，惡化盤條性能。

5.1.2 冷卻速度

盤條的冷卻過程要保證合理的控冷區(qū)間和降溫梯度，以確保合理的降溫相變溫度。在實(shí)際生產(chǎn)中，冷卻速度的調(diào)控措施主要有：控制風(fēng)冷輥道速度、控制冷卻風(fēng)量、控制保溫罩開啟數(shù)量。生產(chǎn)Φ12.5 mm規(guī)格的82B 盤條時(shí)，一是要將風(fēng)冷輥道速度控制在0.35～0.75 m/s 范圍內(nèi)，且根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)控制；二是要通過控制冷卻風(fēng)機(jī)開啟臺(tái)數(shù)及風(fēng)門開度進(jìn)行風(fēng)量調(diào)整，其中1—12 號(hào)風(fēng)機(jī)全開，開度100%，13 號(hào)風(fēng)機(jī)開度50%，其余風(fēng)機(jī)全關(guān)；三是根據(jù)季節(jié)溫度，靈活調(diào)整保溫罩開啟數(shù)量，夏季可全開，冬季則需要關(guān)閉13—17 號(hào)保溫罩。將冷卻速度控制在10 ℃/s 時(shí)，有利于穩(wěn)定相變過程，促進(jìn)索氏體組織的發(fā)展，改善盤條的金相組織的均勻性，抑制網(wǎng)狀滲碳體的形成和發(fā)育。

5.2 效果比對(duì)分析

控冷工藝優(yōu)化調(diào)整前后，Φ12.5 mm 規(guī)格的82B盤條各級(jí)網(wǎng)狀滲碳體出現(xiàn)概率分布如圖6 所示。工藝優(yōu)化后，以2021 年8 月份生產(chǎn)數(shù)據(jù)為例，1 級(jí)以下級(jí)別網(wǎng)碳出現(xiàn)概率提高至96.33%，同比提高了4.73%，2 級(jí)以上網(wǎng)碳出現(xiàn)概率同比由8.38%降低至5.91%。

圖6 工藝優(yōu)化前后各級(jí)網(wǎng)碳組織分布圖

在控冷工藝優(yōu)化調(diào)整前后，金相組織及力學(xué)性能分析情況如圖7 及表1 所示。金相檢測(cè)基體組織主要為索氏體和珠光體，工藝優(yōu)化后索氏體占比由84%～86%提高至89%～92%，金相組織細(xì)化均勻性大幅提升，抗拉強(qiáng)度平均由1 178 MPa 提高至1 199 MPa，斷面收縮率相對(duì)提高了近3%，斷后伸長(zhǎng)率降低了0.2%。

表1 工藝優(yōu)化前后金相組織及力學(xué)性能分析

圖7 工藝優(yōu)化前后金相組織典型圖

6 結(jié)論

1）通過對(duì)Φ12.5 mm 82B 硬線盤條徑向上距中心點(diǎn)不同點(diǎn)位的w（C）分析發(fā)現(xiàn)，w（C）在徑向上呈現(xiàn)出拋物線形狀的分布狀態(tài)，在距中心點(diǎn)4～4.5 mm 的點(diǎn)位上w（C）達(dá)到峰值。

2）觀察不同等級(jí)網(wǎng)狀滲碳體金相組織顯微結(jié)構(gòu)，滲碳體沿奧氏體晶界分布，呈亮白色，當(dāng)網(wǎng)狀滲碳體等級(jí)大于2 級(jí)時(shí)，盤條的組織均勻性大幅降低，極易引發(fā)脆斷。

3）在生產(chǎn)工藝控制中，除嚴(yán)格控制鋼水w（C）、均勻穩(wěn)定鋼水成分外，在后冷軋工序中要合理控制吐絲溫度、冷卻速度等控冷工藝參數(shù)。

4）工藝優(yōu)化后，1 級(jí)以下級(jí)別網(wǎng)碳出現(xiàn)概率提高至96.33%，同比提高了4.73%，鋼材金相組織均勻性大幅提升，抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率、斷后伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能明顯提高。