H11Mn2SiA焊接用钢连续冷却组织转变与工艺控制

翟林甫 张全刚，2 赵贤平 邹文辉

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(1.安阳钢铁集团有限责任公司;2.北京科技大学)

H11Mn2SiA焊接用钢连续冷却组织转变与工艺控制

翟林甫1张全刚1，2赵贤平1邹文辉1

*

(1.安阳钢铁集团有限责任公司;2.北京科技大学)

利用Gleeble－1500热模拟试验机测定了H11Mn2SiA的动态连续冷却转变(CCT)曲线，并观察了其组织和硬度。结果表明，当H11Mn2SiA从奥氏体以不同冷却速率冷却时，存在奥氏体向铁素体和珠光体的转变、贝氏体转变和马氏体转变;贝氏体转变的临界冷却速度为2.5℃/s;冷却速度达到20℃/s时会出现马氏体组织;因此H11Mn2SiA的冷却速度应控制在≤1℃/s。实践中选用终轧温度860℃～900℃、吐丝温度850±10℃和0.10～0.15 m/s的辊道速度，能够将冷却速度控制在0.3～0.6℃/s范围内，使H11Mn2SiA获得最佳的组织和性能。

CCT曲线 冷却速度 工艺控制 延迟冷却 抗拉强度

0 前言

进入二十一世纪，随着市场需求的增长和焊接自动化的迅猛发展，气体保护焊丝生产日臻发展壮大，产量不断提高，占全部焊接材料的比例稳步提升，目前全国每年焊接材料产量已突破400万t，其中气体保护实芯焊丝产量约为120万t［1］。因此，在我国气保焊丝还有长足的发展空间，而作为50 kg级气保焊丝用钢的H11Mn2SiA在相当长的时期内将会持续增长。气体保护焊丝的发展趋势是产能和产量不断增加、产品质量逐步提高、产品品种日渐完善。

“十一五”期间，安钢加大了高端高效产品的开发和工艺研究力度，并加快推进与高校和研究院所等科研机构的项目研究合作，焊接用钢产品成为了安钢高线机组的一个亮点，其产品强度级别逐步形成系列化。H11Mn2SiA作为制作CO2气体保护焊丝常用的原材料，其质量问题始终是钢铁企业和下游金属制品行业关注的焦点。针对焊接用钢H11Mn2SiA在实际生产中存在强度偏高、耗费模具且容易出现断丝等问题，结合现场实际测定CCT曲线，以便有效指导生产和提高产品质量。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验材料为安钢100 t转炉——LF精炼——150 mm×150 mm方坯连铸——高速线材生产线轧制的H11Mn2SiA盘条，规格为5.5 mm，化学成分为见表1。经校直、打磨抛光后，切割成热模拟试样，试样尺寸为Φ5.0 mm×80 mm。

表1 H11Mn2SiA的化学成分 %

1.2 实验方法

参考高速线材生产线上实际工艺参数，使用Gleeble－1500热模拟试验机测定不同冷速下的动态CCT曲线，实验测定工艺如图1所示。

图1 CCT曲线实验测定工艺

将Φ5.0×80 mm的热模拟试样以10℃/s的速度真空感应加热到970℃奥氏体化后，保温5 min，再将其以5℃/s的速度冷却至920℃，变形40%，变形速率为0.5 s－1，变形后分别以 0.1 ℃ /s、0.3 ℃ /s、0.4 ℃ /s、0.5 ℃ /s、0.7 ℃ /s、1 ℃ /s、3 ℃ /s、5 ℃ /s、10 ℃ /s、20 ℃ /s的冷却速度冷却至室温，根据相变过程中体积的变化膨胀原理来测定动态CCT曲线。另外，将热模拟试样以10℃/min的升温速率缓慢加热来测定奥氏体转变开始温度Ac1和终止温度Ac3。

2 结果与分析

实验测得Ac3=850℃和Ac1=790℃。热模拟试样在920℃变形后以不同的冷却速度连续冷却可得到相应的Ar3和Ar1值，然后以温度为纵坐标，时间为横坐标，根据不同冷速下相变开始点和终止点，结合不同冷却速度下的组织特征，用Origin计算机软件绘制H11Mn2SiA钢的CCT曲线，如图2所示。

图2 H11Mn2SiA的动态CCT曲线

对不同冷速下所得试样进行组织分析，如图3所示。结合H11Mn2SiA的CCT曲线和不同冷却速度下组织结构特征，可以看出:

1)当H11Mn2SiA从奥氏体以不同冷却速率冷却时，存在三种相变区，即奥氏体向铁素体和珠光体的转变、贝氏体转变和马氏体转变;

2)当冷却速度≤1℃/s时，冷却过程中铁素体开始转变温度在790℃左右，珠光体开始转变温度在630℃左右，温度降至580℃以下整个冷却过程的相变已基本完成;

3)当冷却速度≥3℃/s时，组织中已经存在贝氏体组织，根据转变规律绘制了贝氏体组织开始出现的临界冷却转变曲线，即冷却速度为2.5℃/s的曲线;

图3 不同冷却速度下H11Mn2SiA的金相组织

4)当冷却速度达到20℃/s，发现有少量的马氏体组织出现，但所测冷却曲线中拐点并不明显，可见出现马氏体的量并不大。

冷却速度与晶粒度和硬度的关系如图4所示。

图4 冷却速度与硬度、晶粒度的关系

由图4可知，当冷却速度≤1℃/s时，硬度与晶粒度随冷却速度的增加，变化不大，晶粒度稳定在7～7.5级，平均硬度在81～84 HRB;但当冷却速度＞1℃/s时，硬度和晶粒度随冷却速度的增加，出现明显的上升。通过分析不同冷却速度下金相组织、晶粒度、硬度的变化规律，得出H11Mn2SiA的冷却速度应控制在≤1℃/s，最佳控制范围在0.3～1.0℃/s。

3 工艺控制

3.1 轧制温度控制

终轧温度是决定奥氏体晶粒度的主要参数之一，它通过对奥氏体晶粒度的影响，影响到相变过程中的组织转变和转变产生的形貌。终轧温度对奥氏体晶粒度影响规律是:终轧温度高，晶粒粗大;终轧温度低，晶粒细小。由于终轧温度降低，限制了变形后奥氏体晶粒长大，相变前奥氏体晶粒越小，晶界面积增大，为铁素体形核提供了更多的可能性，有利于铁素体形核，使随后的奥氏体—铁素体相变后的铁素体量增加，其晶粒尺寸变得细小;而当终轧温度过高时，变形奥氏体晶粒较粗，会推迟相变结束线，导致贝氏体产生［2］。为获得相对细小的奥氏体晶粒度，增大组织中铁素体含量，将终轧温度设定在860～900℃的范围内。

3.2 吐丝温度控制

吐丝温度的高低直接影响过冷奥氏体的稳定性，因而对产品性能产生重要影响。当吐丝温度较低时，可细化奥氏体晶粒，使奥氏体向铁素体和珠光体转变最佳化;吐丝温度越高，在相同冷却工艺下，盘条易出现混晶组织或贝氏体、马氏体组织［3］。

H11Mn2SiA盘条组织主要为铁素体+珠光体组织，由于钢中Si、Mn含量较高，增加了钢的淬透性，并使C曲线向右下方移动，推迟并延长了转变时间，如果吐丝温度不当将会出现过冷组织，对拉拔加工性能不利［4］。根据实际生产工艺流程，结合实验结果将吐丝温度设定为850±10℃。

3.3 冷却速度控制

H11Mn2SiA属于低碳硅锰钢，轧后冷却工艺对其组织和性能起着至关重要的作用。结合现场实际工艺流程，从所测CCT曲线来看，该钢种不易出现马氏体组织，但当冷却速度达到2.5℃/s以上时，会出现贝氏体组织。因此需采用延迟冷却工艺，选用入口辊道速度0.10～0.15 m/s，并且斯太尔摩冷却线上保温罩全部关闭，保证H11Mn2SiA在保温罩内缓慢进行相变。此工艺生产条件下测得搭接点位置入罩温度在800℃～815℃，出罩温度在600℃～620℃，搭接点位置已基本完成相变，而在非搭接点位置已全部完成相变，其搭接点和非搭接点的平均冷却速度均在0.3～0.6℃/s范围内。

3.4 产品质量水平

同样的化学成分下，此工艺生产的H11Mn2SiA盘条组织为等轴铁素体+珠光体，铁素体晶粒度为8.5～9.0级;抗拉强度较前期有了大幅下降，其值均在530 MPa以下，且通圈性能稳定，差值小于25 MPa，断面收缩率也均达到75%以上;该批产品经下游用户使用，可不经退火热处理直接拉拔成Φ0.8～1.2 mm的成品焊丝，模具耗费严重的情况也大为改善，各项焊接性能指标能够很好的满足标准要求，得到了用户的普遍认可。

4 结论

1)通过实验手段测定了H11Mn2SiA的CCT曲线，结合不同冷却速度下的金相组织和硬度值，得知H11Mn2SiA从奥氏体以不同冷却速率冷却时，存在三种相变区，即奥氏体向铁素体和珠光体的转变、贝氏体转变和马氏体转变;冷却速度＞1℃/s时，塑性急剧变差;冷却速度＞2.5℃/s时，开始出现贝氏体组织;最佳冷却速度应控制在0.3～1.0℃/s。

2)根据实验结果，工艺控制中设定终轧温度860℃～900℃，吐丝温度850±10℃，斯太尔摩冷却采用延迟冷却工艺，选用0.10～0.15 m/s的入口辊道速度，保证H11Mn2SiA在罩内缓慢相变，使产品各项性能指标达到了标准和使用要求。

［1］李春范，杜淼，杨晶秋，等.中国焊接材料的现状及发展趋势［J］.焊接，2010(7):28－30.

［2］丁华，刘雅政，张立芬.控冷工艺对ER70S－6钢相变和组织的影响［J］.轧钢，2002，19(1):15－17.

［3］张春燕，陈兴伟，张晓香，等.ER70S－6盘条质量分析与生产工艺改进［J］.金属制品，2011，37(2):54－55.

［4］王礼银，黄肇信，王庆贤，等.ER50－6盘条生产工艺研究［J］.金属制品，2004，30(2):34－36.

CONTINUOUS COOLING STRUCTURE TRANSFORMATION AND PROCESS CONTROL OF H11Mn2SiA WELDING STEEL

Zhai Linfu1Zhang Quangang1，2Zhao Xianping1Zou Wenhui1
(1.Anyang Iron and Steel Group Co.，Ltd; 2.University of Science and Technology Beijing))

Dynamic continuous cooling transformation(CCT)curves of H11Mn2SiA were measured by Gleeble－1500 thermo － mechanical simulator，then microstructure and hardness of steel were observed.The result indicated that the austenite transforming to ferrite and pearlyte，bainite and martensite were discovered when H11Mn2SiA cooled from austenite by different cooling rates;The bainite critical cooling rate was 2.5 ℃ /s;Martensite would appeared when the cooling rate reached 20℃/s;therefore the cooling rate of H11Mn2SiA should not be more than 1℃/s.When the finishing temperature 860℃～900 ℃，the spinning temperature 850±10 ℃ and the roller speed 0.10～0.15 m/s were setted in the practice，the cooling rate of H11Mn2SiA could be controlled at 0.3～0.6 ℃ /s，and it would obtain the better microstructure and properties.

CCT curves cooling rate process control delayed cooling tensile strength

*联系人:翟林甫，助理工程师，河南.安阳(455004)，安阳钢铁集团有限责任公司技术中心;2012—3—9