低碳钢盘条轧后控冷新技术

骆春民, 刘 莹, 花艳侠, 田志鹏

(天津钢铁集团有限公司技术中心, 天津 300301)

低碳钢盘条在生产过程中的轧后温度和冷却速率决定了盘条的内在组织和力学性能,同时盘条表面生成的氧化铁皮结构及厚度对后续的拉拔加工工艺有着极其重要的影响,因此控制盘条轧后冷却是整个生产过程中产品质量控制的关键。笔者采用热模拟试验模拟研究不同控冷工艺条件下,低碳钢盘条显微组织的转变和氧化铁皮的生成规律,从而优化生产工艺参数,提高盘条的力学性能、塑性指标和表面质量等综合技术性能和应用性能,实现新控冷工艺在低碳钢盘条生产中的应用。

1 试验材料

热模拟试验材料为某公司生产的SAE1018型φ6.5 mm碳素钢拉丝用盘条,在同一盘卷上截取30根试样,尺寸为6.5 mm×80 mm(外径×长度)。用细砂纸打磨去除试样表面的氧化铁皮。用直读光谱仪分析试样的化学成分,结果如表1所示。由表1可知:其化学成分符合标准SEA J403—2001 《碳钢化学成分》的要求。

表1 盘条试样的化学成分分析结果 %

2 试验方案和结果

2.1 试验方案

利用热模拟机进行试验,将试样在0.5 s内加热到设定温度,然后控冷。加热温度设定为950 ℃和930 ℃,模拟加热温度T1到开冷温度T2时间内盘条终轧到吐丝前高温区的氧化;吐丝后分两个阶段进行冷却,第1阶段开冷温度T2设定为900 ℃和930 ℃,冷却速率v1分别设定为1.5,1,0.5 ℃/s,第2阶段开冷温度T3分别设定为600,750,830 ℃,冷却速率v2分别设定为3,1,6,8 ℃/s。 试验后各试样经激光显微镜和扫描电镜能谱分析,以研究各工艺条件下试样的显微组织结构及表面氧化铁皮的结构和厚度变化规律,寻找最佳控冷工艺。

2.2 试验结果及分析

2.2.1 控冷过程奥氏体组织转变

低碳钢盘条属于亚共析钢,终轧后将奥氏体冷却到低于Ar3(冷却时奥氏体开始析出铁素体的温度)温度时,先在晶界上析出铁素体,为先共析铁素体F,先共析铁素体含量随着冷却速率的增大而减少。随着温度的继续降低,奥氏体向铁素体转变;当温度降至低于共析线Ar1(冷却时奥氏体向珠光体转变开始温度)温度时,奥氏体将发生共析转变,形成珠光体。根据冷却速率及冷却温度的不同,铁素体的形态有等轴形铁素体、多边形铁素体、针状铁素体[1]等,同时共析转变形成的珠光体会随冷却速率的增大及转变温度的降低而变得细化,从而盘条的力学性能提高。大量的研究表明[2-3],在奥氏体晶粒度一定的前提下,组织中形成分布均匀的针状铁素体,以保持强度相对不变,而韧性得到有效改善。针状铁素体是在冷却过程中,温度稍高于上贝氏体温度时,通过切变相变形成的具有高密度位错的非等轴贝氏体铁素体。微观来看,针状铁素体的尺寸、位错密度及其结构形式是决定韧性的重要因素,所以细小针状铁素体的高密度位错亚结构及其良好的位错组态是针状铁素体钢比多边形铁素体钢有更高韧性的内在原因。为了提高低碳钢盘条的使用性能或再加工过程的力学性能和拉拔性能,通过轧后控制冷却能得到分布均匀的针状铁素体组织。

不同工艺控冷模拟试验后试样的显微组织如表2所示(表中F为马氏体,P为珠光体,A为奥氏体,AF为针状铁素体)。

表2 不同工艺控冷模拟试验后试样的显微组织

由表2可知,1～7号试样组织均为等轴及多边形铁素体加珠光体,而8～11号试样显微组织中除了等轴及多边形铁素体加珠光体外,还有针状铁素体(见图1)。结合各冷却工艺的开冷温度及冷却速率可知:低碳钢盘条奥氏体冷却到共析转变区600 ℃以后,以1 ℃/s或3 ℃/s的冷却速率得不到针状铁素体组织,如1～7号试样;而在奥氏体进入先共析铁

图1 试样心部显微组织形貌

素体相区后冷却速率增大,可以得到针状铁素体组织,如8～11号试样,特别是11号试样,由开冷温度930 ℃缓冷到830 ℃,奥氏体进入先共析铁素体相区后,v2达到8 ℃/s时,冷却组织中出现了大量的针状铁素体,且针状铁素体在试样的中心及边部分布较均匀。从10号与11号试样的显微组织看出,随着v2的增大,针状铁素体含量也增多,可见针状铁素体的生成与冷却速率是密切相关的。针状铁素体组织不但可以分割原奥氏体晶粒、细化组织,同时还能提高盘条的塑性变形能力,对盘条的后续加工是有益的。

2.2.2 控冷过程氧化铁皮的生成

低碳钢盘条冷却过程生成的氧化铁皮称为三次氧化铁皮。一次氧化铁皮是在加热炉中生成的,并由初轧前的高压水除鳞机将其去除。粗轧过程中和粗轧后生成的为二次氧化铁皮,其可经粗轧剥离或由二次除鳞机去除。精轧过程中和精轧后生成的氧化铁皮即为三次氧化铁皮,其在随后盘卷和冷却过程中,进一步生长并发生结构转变。因此,三次氧化铁皮影响盘条表面最终的氧化铁皮厚度。

在低碳钢盘条终轧后的冷却过程中,由于表层与氧气接触发生化学反应,生成的氧化物吸附在盘条表面,成为三次氧化铁皮。

研究表明[4-5],邻铁层是比较疏松且厚度较大的FeO,依次向外是比较致密的Fe3O4和非常薄的表面层Fe2O3。盘条控冷后表面氧化铁皮的能谱线分析结果如图2所示。由图2可知:最里层为铁基体,往外层氧元素含量增加,铁元素含量降低,而后铁、氧元素出现平缓期,最外层氧元素含量再次增加,铁元素含量降低。氧化铁皮主要由FeO、 Fe3O4和Fe2O3三种相组成,靠近基体为FeO相,Fe3O4相分布在FeO层外,最外层为Fe2O3相,但其含量极少,而FeO对于Fe3O4有较高的比例。

图2 盘条控冷后表面氧化铁皮的能谱线分析结果

随着工艺参数的不同,氧化铁皮各层厚度及总厚度出现差异,不同工艺对应的氧化铁皮厚度如表3所示。

表3 不同工艺对应的氧化铁皮厚度

各参数对氧化铁皮厚度的影响分析如下所述。

(1) 加热温度和开冷温度的影响。在各段冷却速率相同的条件下,加热温度和开冷温度升高时,生成氧化铁皮的厚度增加。这是因为温度越高,能量越大,氧化铁皮更易于扩散发生氧化反应。1号试样与2号试样相比,2号试样的氧化铁皮更厚;3 号试样与5号试样相比,5号试样的氧化铁皮更厚。

(2) 冷却时间的影响。在其他参数相同的条件下,随加热时间的延长,氧化铁皮厚度增大。3号试样与4号试样相比,4号试样的氧化铁皮厚;5号试样与6号试样相比,6号试样的氧化铁皮厚。

(3) 冷却速率v1的影响。冷却速率v1对各层氧化铁皮厚度及总厚度影响较大,冷却速率越慢,生成的氧化铁皮越厚。冷却速率为0.5 ℃/s时,7～11号试样的氧化铁皮总厚度达到了44 μm以上,且FeO与Fe3O4厚度比增大;而冷却速率为1.5 ℃/s时,1,2号试样的氧化铁皮总厚度较薄,FeO与Fe3O4厚度比减小。

(4) 冷却速率v2的影响。冷却速率v2影响FeO向Fe3O4的转化,随着v2的增大,FeO向Fe3O4转化反应的时间缩短,生成的Fe3O4含量减少,FeO与Fe3O4厚度比增大。如:v2为3 ℃/s时,1～6号试样的FeO与Fe3O4厚度比为1.21～2.91,而v2为6 ℃/s时,8,9,10号试样的FeO与Fe3O4厚度比为4.81～6.15,比值明显增大。

(5) 开冷温度的影响。铁氧相图中氧化铁皮在温度小于570 ℃才发生FeO向Fe3O4的转变,因此开冷温度在600 ℃以上,温度的变化对氧化铁皮的相组成及各层厚度影响不大。如9号试样与10号试样相比,氧化铁皮各层厚度及总厚度差别很小。

氧化铁皮显微组织形貌如图3所示。

图3 氧化铁皮显微组织形貌

3 结论

(1) 低碳钢盘条奥氏体缓冷到共析转变区600 ℃以后,冷却速率为1 ℃/s或3 ℃/s时,冷却组织为等轴及多边形铁素体加珠光体,得不到针状铁素体组织。

(2) 低碳钢盘条奥氏体冷却时,在进入先共析铁素体相区后增大冷却速率,冷却速率达到6 ℃/s和8 ℃/s时均有针状铁素体生成,且随冷却速率增大,针状铁素体含量也增多。

(3) 低碳钢盘条在高温区停留的温度和时间是氧化铁皮生成厚度的关键影响因素。若想得到适宜厚度的氧化铁皮及合适的各层厚度,可适当升高加热温度及开冷温度,并以较慢的冷却速率进入两相区。

(4) 为了得到良好除磷效果的盘条表面,同时盘条还具有良好的强度和塑性,可对低碳钢盘条进行轧后控制冷却。