精炼和冷却速度对钢组织性能的影响

熊师兵　栾道成　孙卫鹏　张伟

作者简介：熊师兵（1990—），男，四川南充人，西华大学材料科学与工程学院，硕士研究生，研究方向：贝氏体钢。

摘 要：本实验通过研究非真空电弧炉和电渣重熔得到的钢的组织对比，来分析精炼的必要性；其次通过对试样在890℃完全奥氏体化后分别进让其空冷、290℃等温、320℃等温处理处理后的织特征变化，分析冷却速度对贝氏体钢的组织性能的影响。实验表明：经过电渣重熔得到的钢组织更加均匀，细小以及致密，其综合性能更优良。随着冷却速度增大，本试验钢的组织有粒状贝氏体开始向针状、板条状转变，并且硬度逐渐增大。

关键词：贝氏体钢；电渣重熔；组织性能

前言

钢液质量的好坏将会在很大程度上影响钢构件的性能，主要是杂质相跟气体等降低了组织的均匀性，改变了组织的内部结构。电渣重熔是一种二次精炼的技术，集钢水二次精炼与定向凝固相结合的综合的冶金铸造过程。其原理是利用电流通过液态渣池形成渣组热将金属的电极融化，熔化的金属汇聚成熔滴穿过渣层进入金属熔池，最后在水冷结晶器内结晶结晶凝固成钢锭[1]。电渣重熔的主要目的是提纯金属并获得洁净，组织均匀，致密的钢锭。通过不同的热处理和冷却速度，可以使钢获得不同的组织、性能，以改善钢的使用性能。

一、材料的成分

本实验所选用的原材料是一种通过非真空冶炼铸造出来，空冷得到的一种贝氏体钢，其成分如下：C0.28-0.35%、Si1.6-2.0%、Mn1.5-2.0%、P≤0.035%、S≤0.025%、Cr1.1-1.5%、Ni0.3-0.4%、Mo1.4-0.5%。具体热处理工艺为：先对比分析电渣重熔前后试样的组织特征，按空冷、290℃空气炉等温3h后空冷、300℃空气炉等温3h后空冷三种方式进行处理。利用OLYMPUS-TOKYO金相显微镜观察组织；利用HR-150A洛氏硬度计测试硬度。

二、结果及分析

2.1精炼前后的金相组织

图2.1 为新型贝氏体钢的显微组织

图2.1分别是由普通非真空电弧炉和电渣重熔得到的贝氏体钢的金相组织。从图中可以看出，由以上两种方式得到的贝氏体钢的组织均为典型的粒状贝氏体，并伴有少量针状贝氏体。吴伯涛等对粒状贝氏体的形态特征及相变特征做出了解释，他认为粒状贝氏体是由上贝氏体形铁素体+岛状组织组成[2]。由图可以看出，两种冶炼方式得到的组织在形态上没有较大差别，但是相较于普通非真空电弧炉冶炼得到的组织，电渣重熔这种冶炼方式得到的组织更加均匀细小，更加致密。从组织形态上来说电渣重熔这种精炼方式具有其必要性。

2.2不同冷却速度得到的组织

图2.2 890℃奥氏体化15分钟后不同的冷却方式后组织

由图可以明显观察到本次实验所用钢经过不同冷却速度所得到的组织基本为贝氏体组织，但不同條件下得到贝氏体的组织的形态和种类都有所不同。图（a）是贝氏体钢的原始组织图，主要为呈针状和板条状的下贝氏体，其中大块白色组织为先共析铁素体，其组织比较粗大而且杂乱。图（b）是在随炉加热到890℃奥氏体化处理15分钟后在320℃的热处理炉中等温3小时。可以观察到金相组织为混合贝氏体组织。其中大部分为粒状贝氏体，少量的针状贝氏体，以及更少量的上贝氏体。图（c）是在随炉加热到890℃后奥氏体化处理15分钟后在290℃的热处理炉中等温3小时。可以观察到粒状贝氏体组织以及细条状、针状下贝氏体组织，由于其冷却速度的降低，其贝氏体板条开始变得细长[3]。由图（b）与图（c）对比可以看出，虽然两图都是粒状贝氏体与针状下贝氏体组织，但290℃处理下的组织比320℃处理下的组织晶粒更细长，针状贝氏体也较多，因为等温温度越低，更接近下贝氏体生成区域，随着温度的降低，其贝氏体开始由针状向块状转变，并且组织中开始出现了少量板条状贝氏体的出现。图（d）是在随炉加热到890℃奥氏体化处理15分钟后在空冷至室温，由于其冷却速度，快，碳化物更是来不及析出，再加之该试验用钢含有大量的合金元素，如含有高达2.0%的Si，阻碍了碳化物的析出，取而代之的是富碳的稳定的奥氏体，因此观察到的组织大部分是粒状或板条状贝氏体跟马氏体组织的混合组织。

2.3硬度分析

通过HR-150A洛氏硬度计测试测得洛氏硬度如下：电渣重熔冶炼方式得到的贝氏体钢硬度为：45.3HRC；非真空电弧炉冶炼方式得到的贝氏体钢硬度为42.8HRC；890℃奥氏体化后320℃等温处理的硬度为37.0HRC；890℃奥氏体化后290℃等温处理的硬度为：39.2HRC；890℃奥氏体化后空冷得到的硬度为：46.4HRC。

由数据可以看出，电渣重熔冶炼方式得到的贝氏体钢硬度比普通电弧炉冶炼方式得到的贝氏体钢硬度高。因为电渣重熔可以得到纯度高，磷硫含量低，非金属夹杂少，其次通过电渣重熔，可使材料的组织更加均匀致密，故它的硬度高于普通电弧炉冶炼钢锭的硬度。在等温处理时，随等温温度的降低，硬度有上升趋势，这是由于290℃等温处理时，冷却速度更快，在高温区域停留时间较短，扩散更不充分，其组织更倾向于形成下贝氏体、马氏体等，故290℃等温处理的硬度高于320℃等温处理时的硬度。完全奥氏体化后在空气中冷却时得到的试样的硬度最大，这是因为空冷时冷却速度比较快，碳原子扩散不够充分，因此冷却过程中富碳奥氏体将部分转变成马氏体组织，使得马氏体的过饱和度增大，而且再加上其本身含有大量的下贝氏体，等硬度较高组织，所以硬度最高。

三、实验结论

1.本实验用钢所形成的组织主要是粒状贝氏体。通过电渣重熔后得到的组织更加均匀、细小以及致密，其硬度也有一定的提高。

2.奥氏体化后等温处理得到的主要是粒状贝氏体和少量针状下贝氏体组织，但等温290℃得到的针状下贝氏体数量增加，且针状尺寸更大，奥氏体化后空冷得到的组织由于其冷却速度快，得到的组织主要是针状的下贝氏体和马氏体。

3.奥氏体化后等温处理得到组织的硬度随着温度的降低硬度有所升高，在等温320℃、290℃得到的硬度分别为37.0 HRC 、39.2 HRC；奥氏体化后空冷得到的组织的硬度最高为46.4HRC，即奥氏体化后随着冷却速度的增大，材料的硬度呈上升趋势。（作者单位：西华大学材料科学与工程学院）

参考文献：

[1] 马新生，耿茂鹏，尧军平等.电渣熔铸过程中数学模型的分类及数值模拟的简便求解.南昌大学学报（工科版），2005年01期

[2] 吴伯涛等.热处理工艺对新型贝氏体钢组织与性能的影响，[D].中南大学

[3] 冯红超，苟亚娟，张耀武.HQ785钢CCT曲线测定及显微组织研究[J]热处理技术与装备2010，3（4）：40-42

[4] 何雷，栾道成，陈晓男等。辙叉用新型贝氏体钢的滚动接触疲劳性能。金属热处理2014，39（2）

[5] 方鸿生，白秉哲，郑秀华，郑燕康，陈秀云.粒状贝氏体和粒状组织的形态与相变[J]，金属学报，1986；22（4）：A283—288

[6] 刘永铨.钢的热处理[M].北京：冶金工业出版社，1981