静态不同冷却速度对球磨机钢球用钢60Mn2Cr组织的影响

燕际军，张群，白晓明

（鞍钢集团本钢板材股份有限公司，辽宁 本溪 117001）

随着我国采矿业的迅速发展，粉碎矿石用的球磨机钢球用钢需求量也在逐年增加，采矿企业对球磨钢的质量要求也越来越高。球磨钢因具有组织致密、晶粒细、不易变形、耐磨性能好、冲击韧性高、破碎率小等特点，广泛应用在冶金矿山、水泥建材、火力发电、烟气脱硫、磁性材料等领域，其中组织形态是影响球磨钢的性能的重要因素[1-3]，而冷却工艺对球磨钢组织形态有重要影响，不同的冷却制度得到不同的钢材组织形态，对钢材轧制过程起到指导意义。本钢采用转炉大方坯连铸工艺生产60Mn2Cr球磨钢，加热炉加热到（1 200±20）℃，经初轧机后，进入大棒连轧机组，轧制过程中几个控温点可以控制钢材冷却速度，从而控制钢材最终的组织形态。

1 试验材料及方法

试验用60Mn2Cr球磨机钢球用钢为转炉大方坯连铸连轧工艺生产，具体生产工艺为：高炉铁水→铁水预处理→180t转炉冶炼→180tLF炉精炼→180tRH炉真空脱气→大方坯350 mm×470 mm连铸→步进式加热炉加热→高压水除鳞→粗轧机组轧制→连轧机组轧制→缓冷→精整→探伤→检验→入库。

随机取1炉60Mn2Cr球磨钢试样，经线切割加工后，成品试样如图1所示，化学成分见表1。

图1 成品试样Fig.1 Samples Taken from Finished Products

表1 化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions （Mass Fraction） %

采用Gleeble-2000热模拟机，在室温真空环境，以5℃·s-1加热速度升温到1 200℃，保温5 min后，不进行变形处理，再以 0.5，1，2，5，10，20，30，40 ℃·s-1等8个不同冷却速度冷却。热模拟试样尺寸如图2所示，热处理工艺如图3所示。

图2 热模拟试样尺寸Fig.2 Size of Samples for Thermal Simulation Test

图3 热处理工艺Fig.3 Technology for Heating Processing

2 试验结果

测得降温变形曲线，用切线法[4]确定其临界点Ar1、Ar3。为使结果精确，更换试样，重复以上步骤，最后求得Ar1=585℃，Ar3=676℃。 测定其相应的温度-膨胀量曲线及Ms点，结果为Ms=360℃。图4为不同降温速度变形曲线。

图4 不同冷却速度变形曲线Fig.4 Deformation Curves at Different Cooling Rates

由图4可以看出，不同的冷却速度会导致材料的变形不同。其中，从图4（b）中可以看到温度降到600℃左右时，曲线呈明显的先上升后再下降，变形量的变化说明在此时组织发生了变化。而图4（d）为降温速度为5℃·s-1时的变形曲线，当温度降到600℃左右时，曲线变形量有个缓慢的上升后再下降，组织也发生了变化，但变化量与图4（b）有所不同。

图5为不同冷却速度的金相组织图片。由图可以看出，随着冷却速度的加快，钢材组织发生了明显的变化，从最初的P+F网状的平衡组织，逐渐过渡到珠光体P消失，在冷却速度达到5℃·s-1时，马氏体M和贝氏体B开始出现，在冷却速度达到10℃·s-1时，屈氏体T出现，最终屈氏体T也消失，形成非平衡态的M+B微量组织。此外，晶粒随着冷却速度的增大而逐渐变得细小。这是因为冷却速度越大，过冷度越大，铁素体开始转变温度Ar3越低，形核驱动力越大，临界形核功和临界核半径减小，从而晶粒变细[5]。60Mn2Cr钢不同冷却速度组织变化见表2。

图5 不同冷却速度金相组织Fig.5 Metallographic Structures at Different Cooling Rates

表2 60Mn2Cr钢不同冷却速度组织变化Table 2 Microstructure Changes of 60Mn2Cr Steel at Different Cooling Rates

图6为8种不同冷却曲线测得的相变温度及组织形态拟合成的CCT曲线，由曲线可以看出，随着冷速的不同，材料组织呈现出不同的变化，和表2的组织变化完全一致。

图6 球磨钢60Mn2Cr CCT曲线Fig.6 CCT Curves of 60Mn2Cr Steel

3 分析与讨论

过冷奥氏体向贝氏体的转变主要包括先共析铁素体的形成和碳化物的析出两个过程。当冷却速度在5℃·s-1附近时，在贝氏体形核孕育期，过冷奥氏体中的碳重新分布并在其晶界处或晶界附近形成贫碳区，铁素体晶核便在贫碳区形成，在其长大的同时，铁素体前沿的碳原子向两侧奥氏体中扩散，并在铁素体条间或铁素体内部沉淀析出碳化物，因此贝氏体的长大受碳原子扩散的控制。由于转变发生在中温区，铁原子不能迁移运动，只有碳原子在铁素体中迁移扩散，所以贝氏体的转变是一种既有扩散又有切变的相变。

当冷却速度达到10℃·s-1以上时，过冷奥氏体向马氏体的转变表现为铁晶格的改组。在低温区，碳原子和铁原子都不能进行扩散，相变以切变共格方式进行，是一种无扩散型相变。

实际生产过程中，终轧温度会改变变形后材料的储存能和晶界迁移率，从而影响N/G(再结晶形核速率N与再结晶晶粒成长速度G之比)，降低终轧温度会增加N/G，使得再结晶晶粒细化[4]。依据每个试样冷却速度及冷却后的组织形态绘制成CCT曲线，通过CCT曲线来指导钢材轧制过程中所需要的钢材内部组织。

4 结论

（1）采用热模拟试验研究了静态8种不同冷却速度对球磨机钢球用钢60Mn2Cr组织的影响，通过变形曲线可以看出冷却速度不同，热膨胀曲线会发生变化，其变形量也不同，导致钢材组织形态发生变化。

（2）变形曲线和金相组织表明，在钢材降温到600℃左右时，变形曲线出现拐点，组织发生改变。当冷却速度为5℃·s-1时，开始出现贝氏体组织；当冷却速度为10℃·s-1时，开始出现屈氏体组织。

（3）随着冷却速度的提高，钢材组织从相对平衡的P+F网状逐渐过渡到非平衡的M+B微量。