控冷工藝對82B盤條相變行為影響的研究

王克杰 薛瑞 董天真 劉海英 駱春民 （天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津 300301)

控冷工藝對82B盤條相變行為影響的研究

王克杰 薛瑞 董天真 劉海英 駱春民 （天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津 300301)

利用Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)分別測定了82B盤條在靜態(tài)和控冷狀態(tài)下的CCT曲線，研究了控冷工藝對82B盤條相變行為和組織轉(zhuǎn)變的影響。結(jié)果表明，與靜態(tài)CCT相比，控冷工藝能夠推遲珠光體轉(zhuǎn)變，降低臨界冷卻速率，并且能夠優(yōu)化組織;相變時的最佳冷卻速率應(yīng)控制在3℃/s以下。

靜態(tài) 控冷 CCT曲線 珠光體 轉(zhuǎn)變 研究

1 前言

82B盤條是生產(chǎn)高強(qiáng)度、低松弛預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)用鋼絲和鋼絞線的主要原料，不但要求有穩(wěn)定的化學(xué)成分、純凈的鋼質(zhì)、同時要求有較高的索氏體含量和均勻的金相組織[1]，因此，要求82B盤條在吐絲后有一個良好的相變過程。鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)對于了解鋼在實(shí)際生產(chǎn)中的相變規(guī)律和組織性能具有重要的意義?，F(xiàn)有可查的82BCCT曲線通常是靜態(tài)CCT曲線，其冷卻和相變過程與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)有較大不同，因此研究82B高碳盤條在控冷過程中的CCT曲線（以下簡稱控冷CCT曲線)及其相變規(guī)律，對制定合理的控冷工藝具有重要的指導(dǎo)意義。

2 試驗(yàn)材料、試樣尺寸及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為天鋼生產(chǎn)的82B盤條，其化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分 %

2.2 試樣尺寸與形狀

熱模擬試樣取自軋制成?9 mm成品線材，機(jī)加工成?8 mm×80 mm的圓棒試樣。試樣的尺寸與形狀如圖1所示。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 82B臨界點(diǎn)的測定

按照黑色冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB／T5127-93的規(guī)定，用膨脹法測定鋼的臨界點(diǎn)[2]，以2℃/s的加熱速率將試樣加熱到500℃，此后以200℃/h將試樣加熱到800℃（Accm)，保溫15 min，再以200℃/h冷卻試樣，測得試樣臨界轉(zhuǎn)變溫度如表2所示。

表2 熱模擬試樣臨界轉(zhuǎn)變溫度 /℃

2.3.2 實(shí)驗(yàn)鋼CCT曲線的測定

本次試驗(yàn)在熱模擬機(jī)上，采用熱膨脹法并輔助以金相法測定CCT曲線。

為了能更準(zhǔn)確地反映82B盤條在大生產(chǎn)控冷條件下的相變過程，我們模擬實(shí)際控冷工藝從較低但尚未發(fā)生相變的溫度開始，以不同的冷卻速度連續(xù)冷卻試樣并測定相變曲線，由此得到的CCT曲線稱之為控冷CCT曲線。為了與常規(guī)靜態(tài)CCT曲線比較，同時測定了82B盤條的靜態(tài)CCT曲線。兩種CCT曲線的測定工藝如下。

（1) 靜態(tài)CCT曲線

將?8 mm×80 mm的圓棒試樣以20℃/s加熱到900℃，保溫15 min，分別以不同冷速進(jìn)行恒速冷卻，測量出試樣的溫度-膨脹量變化曲線，采用切線法在熱膨脹曲線上確定相變溫度。

（2) 控冷CCT曲線

將?8 mm×80 mm的圓棒試樣以20℃/s加熱到900℃，保溫15 min，先以9℃/s冷卻到700℃，然后分別不同冷速進(jìn)行恒速冷卻，測量出試樣的溫度-膨脹量變化曲線，采用切線法在熱膨脹曲線上確定相變溫度。

熱模擬試驗(yàn)后，將模擬試樣制成金相試樣，分別用共聚焦激光顯微鏡和掃描電鏡觀察金相組織，測定索氏體片層間距。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 兩種CCT曲線

實(shí)驗(yàn)測得的靜態(tài)CCT曲線如圖2所示。

冷卻曲線的冷速從右向左分別為：1℃/s、2℃/s、3℃/s、4℃/s、5℃/s、6℃/s、9℃/s、15℃/s、18℃/s、20℃/s、25℃/s、30℃/s、35℃/s。

圖2 靜態(tài)CCT曲線圖

實(shí)驗(yàn)測得的控冷CCT如圖3所示。冷卻曲線的冷速從右向左分別為 1℃/s、2℃/s、3℃/s、4℃/s、5℃/s、6℃/s、9℃/s、12℃/s、15℃/s、18℃/s、20℃/s。在 CCT 曲線上，相變區(qū)域主要是珠光體區(qū)，在較快的冷卻速度下可以產(chǎn)生貝氏體和馬氏體。

圖3 控冷CCT曲線圖

由圖2、圖3可以看出，過冷奧氏體連續(xù)冷卻速度不同，發(fā)生的轉(zhuǎn)變及組織不同。當(dāng)冷速很小時，發(fā)生轉(zhuǎn)變的開始溫度和結(jié)束溫度都很高，隨著冷速增大，轉(zhuǎn)變溫度降低，且在完全產(chǎn)生珠光體的區(qū)域內(nèi)，轉(zhuǎn)變經(jīng)歷的溫度區(qū)間隨著冷速的增大而增大。

從圖2、圖3兩圖對比來看，在相同冷速下，圖3的珠光體轉(zhuǎn)變開始溫度和結(jié)束溫度均低于圖2的，貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變溫度同樣也較低，可見控冷工藝推遲了珠光體轉(zhuǎn)變，使CCT曲線向下方移動;靜態(tài)CCT曲線的臨界冷卻速率（即不產(chǎn)生珠光體的最小冷卻速率)為18℃/s，而控冷CCT曲線的臨界冷卻速率為15℃/s，可見控冷工藝降低了臨界冷卻速率。

3.2 控冷工藝對相變及組織的影響

熱模擬試樣的原始狀態(tài)為退火狀態(tài)，退火溫度為850℃/s，保溫40 min，其室溫下的金相組織為珠光體，見圖4。

圖4 試驗(yàn)的原始金相組織

將測完CCT曲線的熱模擬試樣沿?zé)犭娕己附犹幤书_，經(jīng)過磨拋后，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，觀察該面的金相組織。不同冷卻速度下兩種工藝的金相組織見圖5和圖6。

圖5 靜態(tài)CCT曲線不同冷速下的金相組織

圖6 控冷CCT曲線不同冷速下的金相組織

從金相組織圖中可以看出，對于靜態(tài)CCT曲線，當(dāng)冷速小于4℃/s時，冷卻到室溫將得到全部珠光體和索氏體組織，只是組織的片層間距有所不同。當(dāng)冷速為4℃/s時，開始出現(xiàn)少量貝氏體和馬氏體。隨著冷速增大，珠光體和索氏體的量逐漸減少，貝氏體和馬氏體的量逐漸增多，當(dāng)冷速為15℃/s時，冷卻到室溫的組織中大部分都為貝氏體和馬氏體組織，珠光體和索氏體已經(jīng)很少。當(dāng)冷速在18℃/s以上（包括18℃/s)時，冷卻到室溫將得到全部貝氏體和馬氏體組織，冷速越大，馬氏體所占比例越高。

對于控冷CCT曲線，當(dāng)冷速小于4℃/s時，冷卻到室溫將得到全部珠光體和索氏體組織，只是組織的片層間距可能有所不同。當(dāng)冷速為4℃/s時，開始出現(xiàn)少量貝氏體和馬氏體。隨著冷速增大，珠光體和索氏體的量逐漸減少，貝氏體和馬氏體的量逐漸增多，當(dāng)冷速為12℃/s時，冷卻到室溫的組織中大部分都為貝氏體和馬氏體組織。當(dāng)冷速在15℃/s以上（包括15℃/s)時，冷卻到室溫將得到全部貝氏體和馬氏體組織，冷速越大，馬氏體所占比例越高。通過對比可知，在冷卻速度等于4℃/s時，兩種CCT曲線均出現(xiàn)了少量的貝氏體和馬氏體，小于4℃/s時可得到全部的珠光體和索氏體;在冷卻速度較大時，控冷CCT曲線得到貝氏體和馬氏體的臨界冷去速度比靜態(tài)CCT曲線的要低。

為進(jìn)一步研究控冷工藝對相變及組織的影響，利用掃描電鏡對部分冷速下的金相組織進(jìn)行觀察，如圖7～10所示。

圖7 靜態(tài)CCT工藝

圖8 控冷CCT工藝

圖9 控冷CCT工藝

從圖7和8可以看出，當(dāng)冷速為4℃/s時，兩種工藝都開始出現(xiàn)貝氏體和馬氏體，這在82B盤條生產(chǎn)中屬于異常組織，是應(yīng)該避免出現(xiàn)的;當(dāng)冷速為6℃/s時，貝氏體和馬氏體的量有所增加。靜態(tài)CCT工藝得到的異常組織更粗大一些。

從圖9和10可以看出，當(dāng)冷速在4℃/s以下時，得到的組織為珠光體和索氏體，控冷CCT工藝得到的組織更均勻細(xì)密些。

在實(shí)際生產(chǎn)中要求82B盤條應(yīng)具有良好的拉撥強(qiáng)度盤條應(yīng)具有良好的拉撥強(qiáng)度和延伸性，因此其理想組織應(yīng)是均勻細(xì)珠光體即索氏體，不得有貝氏體及馬氏體。根據(jù)測定的靜態(tài)和控冷CCT曲線，結(jié)合金相組織的對比，可知控冷工藝有助于優(yōu)化組織，最佳冷卻速度可控制在3℃/s以下。

3.3 冷卻速度對索氏體片層的影響

82B盤條的相變在連續(xù)轉(zhuǎn)變過程中形成不同層間距的珠光體，一般認(rèn)為80 μm～150 μm的珠光體為索氏體組織[3]。事實(shí)上，即使在這個區(qū)間內(nèi)，索氏體的性能仍然有很大的差異，因此在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)對索氏體片層間距予以足夠的重視。見表3。

奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變是在一定過冷度下通過擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)的，過冷度是發(fā)生轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力。因此等溫轉(zhuǎn)變珠光體（索氏體)片層的成長是與轉(zhuǎn)變溫度緊密相關(guān)的，影響珠光體片層間距的主要因素是轉(zhuǎn)變溫度。隨著轉(zhuǎn)變溫度降低，會形成愈來愈細(xì)的珠光體組織。在實(shí)際生產(chǎn)中，珠光體的轉(zhuǎn)變是在連續(xù)冷卻過程中進(jìn)行的，相邊分析時可將連續(xù)冷卻過程劃分為間隔為△t的若干個等溫過程的組合，冷卻速度越慢，越接近于等溫過程，獲得的組織層間距越均勻，反之亦然。此外由過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線和實(shí)測數(shù)據(jù)表明，冷卻速度越大，珠光體轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間也越大，開始轉(zhuǎn)變的溫度也越低，珠光體片層間距也就越小[4]。

4 結(jié)論

采用熱膨脹法和金相法測定了82B試樣靜態(tài)和控冷兩種CCT曲線，觀察研究了控冷工藝對82B盤條相變和顯微組織的影響，得到如下結(jié)論。

4.1 在一定的條件下，控冷工藝能夠降低珠光體的轉(zhuǎn)變開始溫度和轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度，即推遲珠光體轉(zhuǎn)變，使CCT曲線下移，并且能夠降低臨界冷卻速率。

4.2 在冷卻速度等于4℃/s時，兩種CCT曲線均出現(xiàn)了少量的貝氏體和馬氏體，小于4℃/s時可得到全部的珠光體和索氏體。

4.3 在冷卻速度較大時，控冷CCT曲線得到貝氏體和馬氏體的臨界冷卻速度比靜態(tài)CCT曲線的要低。

4.4 冷速越大，索氏體片層間距越小，且同一冷速得到的組織由邊部向心部，片層間距逐漸增大。

4.5 實(shí)際生產(chǎn)中，最佳盤條控冷速率可控制在3℃/s以下。

[1]姚敢英，潘應(yīng)君.82B鋼盤條拉拔脆斷的原因分析[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報，2006，29(5):457-459.

[2]YB/T 5127-93，鋼的臨界點(diǎn)測定方法（膨脹法)[S].

[3]劉宗昌，任慧平，宋義全.金屬固態(tài)相變教程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

[4]吳香菊.82B控扎控冷工藝的研究[D].東北大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006，44-55.

Study on Controlled Cooling Process Influence on 82B Wire Rod Transformation Behavior

Wang Kejie,Xue Rui,Dong Tianzhen,Liu Haiying,Luo Chunmin

CCT curves of 82B wire rod at static and controlled cooling states are measured and determined by Gleeble-3800 thermal simulation testing machine and the influence of controlled cooling process on the phase transformation behavior and structure transformation of 82B wire rod are studied.Results show,compared with static CCT,the controlled cooling can delay pearlite transformation,reduce threshold cooling rate and optimize the structure;the optimized cooling rate during transformation should be control under 3℃/s.

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（收稿 2010－06－20 責(zé)編 趙實(shí)鳴)

王克杰，男，教授級高工，1982年畢業(yè)于東北大學(xué)金屬物理專業(yè)，現(xiàn)任天津鋼鐵公司技術(shù)中心物理實(shí)驗(yàn)室主任，從事鋼鐵材料物理檢測及研究工作。