φ160 mm非调质钢棒材的显微组织和疲劳性能

高华耀 刘栋林 李振华 俞 杰 周 湛 龚宝声

(1. 江苏永钢集团有限公司 特钢公司,江苏 张家港 215628; 2. 海天塑机集团有限公司,浙江 宁波 315821)

微合金化非调质钢是一种将轧制与热处理相结合、省略调质工序的新型节能结构钢,其性价比优于传统的调质钢,得到了广泛应用[1]。

可直接机加工的大尺寸非调质钢棒材的生产一直是国内的技术难点[2]。在传统高温(可减小变形抗力)、高速热轧过程中,大尺寸棒材心部和表面的温差较大,棒材心部的再结晶晶粒将明显长大,而且尺寸越大越显著,影响棒材的性能。GB/T 15712—2016《非调质机械结构钢》中仅对直径小于60 mm的非调质钢棒材提出了明确的性能要求[3],而目前市场上迫切需要φ60 mm以上的非调质钢棒材,用于注塑机拉杆、油缸活塞杆等杆类件。以往注塑机拉杆、油缸活塞杆主要采用调质钢制作,生产成本高周期长、返修费用高,还存在淬火开裂、淬火变形较大等问题[4-10]。为满足市场需求,本文采用现有设备和控轧控冷技术生产了φ160 mm的非调质钢棒材,改善了棒材的力学性能。

1 试样制备和试验方法

1.1 试样制备

研究用φ160 mm非调质钢棒材的生产流程为铁水+废钢→110 t电炉EAF→LF精炼→VD真空精炼→连铸→缓冷→铸坯加热→开坯→待温→连轧→穿水→缓冷→精整→称重→入库,化学成分如表1所示。

表1 研究用非调质钢棒材的化学成分Table 1 Chemical compositions of the investigated non-quenched-and-tempered steel bar

1.2 试验方法

按GB/T 2975—2018《钢及钢产品力学性能试验取样方法及试样制备》从棒材距表面25 mm(1/3半径)处沿轧制方向取样制备拉伸试样;从棒材距表面约5、25、40、60和80 mm处取样制备金相试样。在UTM5305型拉伸试验机上按GB/T 228—2010《金属材料 拉伸试验 室温试验方法》进行拉伸试验。金相试样采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀,采用AXIO Image M2m型光学显微镜和SUPRA 55 Sap-phire型场发射扫描电子显微镜进行金相检验。

从棒材距表面25 mm(1/3半径)处沿轧制方向取样制备疲劳试验试样,其尺寸如图1所示。按GB/T 4337—2015《金属材料疲劳试验旋转弯曲试验方法》,采用HB8120型旋转-弯曲疲劳试验机进行旋转疲劳试验,应力比R为-1,4点弯曲加力,试验频率为50 Hz,试验至试样断裂或旋转疲劳次数达到1×107周次时结束。采用升降法测定疲劳强度,有效试样数量为10根或更多。

图1 旋转弯曲疲劳试验试样的尺寸Fig.1 Dimension of the specimen for rotating bending fatigue test

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

图2为棒材表面以下不同部位的显微组织。从图2可知,φ160 mm非调质钢棒材距表面5 mm处组织为贝氏体和少量珠光体,其原因是棒材表面与水直接接触冷速快,冷却速率处于连续冷却转变曲线图中贝氏体与珠光体交界处。随着与棒材表面距离的增大,冷却速率降低,珠光体逐渐增多,并析出网状先共析铁素体,显微组织为铁素体和珠光体。随着与表面距离的进一步增大,铁素体增多,其形态从短杆状转变为块状,距表面25和80 mm处铁素体形态不同,这是不同区域冷速不同所致[10]。此外,由于钢中含微量Nb和V,结合控轧控冷(低温轧制和轧后快速冷却)工艺,棒材组织能显著细化。微量V和Nb与C、N结合形成碳化物在晶界析出,能阻碍奥氏体晶粒长大,并为后续的相变提供更多的形核位置从而获得细小的珠光体团[6-8]。距棒材表面25 mm处的晶粒度为9～10级,距棒材表面40 mm处的晶粒度为8.5～9级,距棒材表面80 mm处的晶粒度为5～7级。

图2 φ160 mm非调质钢棒材距表面5(a)、10(b)、25(c)、40(d)和80 mm(e)处的显微组织Fig.2 Microstructures at 5(a),10(b),25(c),40(d) and 80 mm(e) from the surface in the non-quenched-and-tempered steel bar 160 mm in diameter

图3为棒材表面以下不同部位的较低和较高倍组织。图3表明:棒材距表面25和80 mm处的显微组织主要为铁素体和珠光体,且随着与表面距离的增大,铁素体增多,珠光体团尺寸增大、数量减少;距表面80 mm处铁素体主要呈块状。距表面25和80 mm处的珠光体片层间距为170～260 nm,且随着与表面距离的增大珠光体片层间距增大。距表面25 mm处珠光体呈细片状并碎化、无序分布,这是钢材具有高强韧性的重要原因之一[9-10]。距表面40 mm处珠光体片层排列整齐且粗化。距表面80 mm处珠光体片层排列整齐,粗化更明显。

图3 φ160 mm非调质钢棒材距表面25(a,d)、40(b,e)和80 mm(c,f)处的较低(a～c)和较高(d～f)倍组织Fig.3 Lower-(a to c) and higher-(d to f) magnification structures at 25(a,d),40(b,e) and 80 mm(c,f) from the surface in the non-quenched-and-tempered steel bar 160 mm in diameter

距表面80和25 mm处的冷却速率差异很大,因此棒材心部珠光体片层间距为260 nm,而边缘为170 nm,冷速越大过冷度越大,奥氏体转变成珠光体的驱动力就越大,碳原子扩散速率减慢、迁移距离缩短[8-10]。

2.2 力学性能和旋转弯曲疲劳S-N曲线

由图4(a)可知,160 mm非调质钢棒材在3个应力水平下的波动较小;图4(b)表明,在107循环周次下的疲劳强度为502 MPa。对于组织为铁素体和珠光体的非调质钢,疲劳裂纹一般在铁素体和珠光体的边界萌生并扩展,通过控轧控冷获得细小均匀的珠光体+铁素体组织可获得优异疲劳性能[11]。

图4 φ160 mm非调质钢棒材距表面25 mm处的升降图(a)和S-N曲线(b)Fig.4 Rise and fall diagram (a) and S-N curve (b) at 25 mm from the surface in the non-quenched-and-tempered steel bar 160 mm in diameter

表2为非调质钢棒材的拉伸和疲劳性能。由表2可知,φ160 mm非调质钢棒材的抗拉强度为1 002 MPa,屈服强度为755 MPa,断后伸长率为18%,断面收缩率为48%,疲劳强度为502 MPa。微量V的加入抑制了加热过程中奥氏体晶粒长大,控轧待温使晶粒均匀化,改善了由于开坯后回复再结晶导致晶粒不均匀的现象,而且V和Nb的复合弥散析出相能抑制晶粒长大从而获得细小均匀的组织[3-5]。由于低温控轧配合穿水控冷,棒材中形核位置更多,从而获得了均匀细小、片层间距为170～220 nm的珠光体组织。因此,非调质钢通过微量V和Nb的加入及采用控轧控冷工艺能获得较优异的强韧性和疲劳性能[12]。

表2 φ160 mm非调质钢棒材的拉伸和疲劳性能Table 2 Tensile and fatigue properties of the non-quenched-and-tempered steel bar 160 mm in diameter

3 结论

(1)φ160 mm非调质钢棒材距表面25和40 mm处晶粒度为8.5～10级,显微组织为珠光体和铁素体,珠光体片层间距为170～220 nm。

(2)φ160 mm非调质钢棒材的抗拉强度为1 002 MPa,屈服强度为755 MPa,断后伸长率为18%,断面收缩率为48%;距表面25 mm处的疲劳强度为502 MPa。