微合金高碳硬線鋼組織控制與性能研究*

陳海燕

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司， 江蘇 無錫 214400)

引 言

高碳硬線鋼廣泛應(yīng)用于輪胎、硬線彈簧、鋼絲繩、紡織針布行業(yè)，其產(chǎn)品性能特點表現(xiàn)為高強度、高韌性、高耐磨性和高疲勞壽命。近期和未來隨著中國經(jīng)濟和基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展以及對綠色制造的迫切需求，高碳硬線鋼必將往高強韌性方向發(fā)展。

本文通過研究Nb在高碳鋼中對組織轉(zhuǎn)變和拉伸性能的影響，明確了Nb在高碳硬線鋼中的積極作用：Nb為強碳化物形成元素，NbC在奧氏體晶界的析出和釘扎作用，有效抑制了奧氏體晶粒的長大，能顯著細化珠光體團和片層間距。但是NbC在晶界的析出，導致晶界局部貧碳和鐵素體的析出，對高碳鋼性能不利，實際生產(chǎn)通過Nb，V的綜合作用，能夠抑制晶界鐵素體和滲碳體的析出，實現(xiàn)鋼的高強韌性匹配。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為90碳Ф5.5 mm線材，1#和2#試驗鋼化學成分如表1所示。Ф5.5 mm線材生產(chǎn)工藝流程為：100 t轉(zhuǎn)爐→100 t LF爐精煉→大方坯連鑄→中間坯→高線廠加熱→軋制→斯太爾摩控冷→檢驗→包裝入庫。

表1 試驗鋼化學成分/%

1.2 試驗方法

在線測量1#，2#試驗鋼斯太爾摩風冷線連續(xù)冷卻過程，并記錄風冷線上不同時間點相變溫度，繪制成連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，研究1#，2#鋼相變時間和相變溫度差異。分別取1#，2#試驗鋼Ф5.5 mm盤條，加工成橫向試樣，經(jīng)研磨、拋光后采用4%硝酸酒精溶液腐蝕，在金相顯微鏡和電鏡下觀察組織，對比索氏體組織差異性。分別取1#，2#試驗鋼Ф5.5 mm盤條進行拉伸數(shù)據(jù)對比，研究拉伸性能差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 對索氏體相變的影響

1#，2#試驗鋼經(jīng)過加熱、軋制，控制吐絲溫度為850-950 ℃，通過調(diào)整斯太爾摩冷卻線上的風機風量，達到索氏體相變溫度在550-700 ℃范圍的控制要求，記錄不同時間點相變溫度，繪制成連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線并對比，如圖1所示；2#試驗鋼對比1#試驗鋼索氏體相變延后，相變溫度更低，相變時間延長，說明索氏體相變更充分。

這是由于Nb和V配合加入鋼中，能增加奧氏體穩(wěn)定性，促使索氏體相變溫度降低同時相變時間延后；而NbC在奧氏體晶界的析出降低了C在奧氏體內(nèi)的濃度，同時也降低了C在奧氏體內(nèi)的擴散速率，因而推遲了珠光體的形核和長大，延長了整個相變過程，相變更充分。

圖1 試驗鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線對比

2.2 組織特征對比

將1#，2#試驗鋼在金相顯微鏡下對比實際晶粒度，添加了Nb，V的2#試驗鋼珠光體團尺寸8級，1#試驗鋼珠光體團尺寸6級。如圖2所示。

圖2 試驗鋼珠光體團級別對比

在電鏡下2000倍和10000倍下進一步對比試驗鋼珠光體團簇和珠光體片間距，如圖3，4所示。2#試驗鋼珠光體團更細小，珠光體片層間距更細。這是由于Nb，V的加入使鋼的CCT曲線往右下移動，促使索氏體相變延后同時相變溫度降低，索氏體片層更細[1]。

圖3 試驗鋼珠光體團簇對比

圖4 試驗鋼珠光體片間距對比

圖5 試驗鋼晶界鐵素體析出對比

通過試驗鋼組織對比同時還發(fā)現(xiàn)：高碳硬線鋼中Nb的添加，由于NbC的析出造成了局部貧碳區(qū)，導致晶界鐵素體的析出，如圖5所示，對高碳索氏體鋼性能控制不利[2]。

實際生產(chǎn)中，通過提高盤條在線冷卻速率，可以有效抑制鐵素體的析出。如圖6所示，加Nb試驗鋼提高冷卻速率，鐵素體比例明顯減少。

2.3 拉伸性能對比

將1#和2#試驗鋼 Ф5.5 mm盤條進行常溫拉伸數(shù)據(jù)對比，如圖7所示，添加了Nb，V的2#試驗鋼平均抗拉強度1300 MPa，斷面收縮率42%，而1#試驗鋼平均抗拉強度1230 MPa，斷面收縮率38%。2#試驗鋼比1#試驗鋼強度提高70 MPa，斷面收縮率提高4%。

圖7 試驗鋼抗拉強度、斷面收縮率對比

對高碳索氏體鋼的研究認為，珠光體片層粗細主要影響鋼的抗拉強度，而珠光體團的大小則影響鋼的斷面收縮率。試驗鋼由于珠光體團簇更小，珠光體片層間距更細，實現(xiàn)了強韌性的同時提升。

3 結(jié)束語

(1)高碳硬線鋼中添加Nb，V元素，促使索氏體相變延后，相變溫度降低，同時相變時間延長，相變更充分。

(2) Nb，V的綜合作用可以細化晶粒，促進珠光體團簇和片間距的細化，同時提高鋼的強韌性。

(3)當奧氏體晶界有NbC析出時，促進了晶界局部貧碳和鐵素體形核，同時增加了共析碳含量，容易導致晶界鐵素體形成，對高碳索氏體鋼性能不利，通過提高盤條在線冷卻速率可以有效抑制鐵素體析出。