中、高碳鋼是指碳含量0.4~0.8%的碳素鋼和碳錳鋼,除錳外不含其它合金元素;為改善性能而加入微合金元素nb、v、ti、al、b等而不改變鋼的基本特性的一些鋼。這類鋼主要使用其高強度、高硬度、耐磨性、抗疲勞性能等。如軌鋼、型鋼、硬線、彈簧鋼等均屬此類。傳統的調質鋼由于離線熱處理和特別加入的合金元素等提高制造成本因素,逐漸被新型的微合金化結合熱加工藝而形成起來的熱機械處理工藝,在中、高碳鋼中的應用而創制的高性能,高附加值的新鋼材所代替。
中、高碳鋼的顯微組織與性能
這類鋼的性能取決于碳含量或珠光體體積百分數,及其組織的微細結構。除共析鋼外,都或多或少的含有一定數量的先共析鐵素體。經過了*的大量研究工作,總結出影響鋼的強度和韌性的組織因素有:原始奧氏體晶粒度,相變前的奧氏體晶粒度(dmm)或珠光體團(pmm)、珠光體數量(%)、珠光體片間距(smm)、滲碳體片的厚度(tmm),珠光體稀釋度(d倍數),先共析鐵素體(f%)形貌(多邊化或細晶粒鐵素體,或粗大網狀鐵素體)等。些因素取決于鋼的熱加工覆歷和冷卻速度。這方面的知識與經驗請查有關專著。本文只摘列公式[1][2]。供分析使用。
σy=f1/3[35+58.5mn+17.4d-1/2]+(1-f1/3)×[178+3.85s-1/2]+6.31si+425nf1/2(1)
σt=f1/3[246+1143n1/2+18.2d-1/2]+(1-f1/3)×[719+3.5σs-1/2]+97si(2)
夏比v型50%f.a.t.t
i(℃)=f(-46-11.5d-1/2)+(1-f)×[-335+5.6s-1/2-13.3p-1/2+3.48×106t]+49si+762nf1/2(3)
s=kexpq/2rt(4)
q=120kj/molk、α常數
珠光體稀釋度d=0.8/c(1-f)(5)
滲碳體片厚度t=0.125/(d-0.12)(6)
元素mnsin含量(%)
上述5個公式基本上反映了中、高碳鋼的顯微組織對性能的影響以及這些因素之間相互關系。珠光體片間距與強度的關系見照片。此照片是共析成分碳素鋼軌頂面經欠速淬火后的組織。
照片層狀珠光體組織與力學性能的關系
中、高碳鋼的微合金化
tmcp在板材生產中的應用簡稱為控制軋制;在棒、型、軌、管、鍛件等的應用統稱為熱機械處理工藝。它是微合金化與熱加工的控制熱變形與控制冷卻相結合的工藝操作。
根據溶度積原理nb、v、ti、al、b等的碳化物,氮化物以及碳氮化物在鋼中的溶解度與溫度、碳、氮濃度有關。因而它們在鋼中的析出—溶解行為,可在溫度上分段獨立或復合發生。因此可根據微合金元素的特性,分高、中、低、溫區分部“微合金化”并施以tmcp處理。得到預期的物理冶金效果。
中、高碳一般指c0.4-0.8%,但也有的文章中擴展為0.30(甚至0.25)-1.2%,這大概是以具有較多的珠光體到100%的珠光體而定界的。
表1列出了常用ti、nb、v碳化物、氮化物在奧氏體中的不同溫度下的溶度積數值。
表1v、nb和ti的碳化物和氮化物在奧氏體中的溶度積
從表1數據看在tmcp過程中可資利用的只有nbc,tic和vn。vc在奧氏體區溶解度超出微合金范圍;tin的溶解很低,在液相中就可形成tin沉淀,因此可利用其細化鑄造組織或熱影響組織。在低n鋼中,t可用于tmcp過程。技術難度較大。
nb、v在中、高碳鋼的奧氏體1200℃的溶度積和溶解度如表2,鈮的碳氮化物在950-1200℃溶度積計算值列于表3。計算值和實驗值極為相近。
表2微合金碳化物在1200℃時的溶解度
表30.8%c-0.03%nb共析鋼奧氏體區中的碳氮化鈮的沉淀溶解行為
由于cn的活度發生變化,碳氮化鈮溶解度計算過程變得很復雜,請查看相關文獻。由于氮的存在,在高區形成nb(cn),因而降低了[nb]的溶解度,和無n比較相差x系數。所以一般的碳氮化鈮的通式寫成nb(cxn1-x)。氮含量越高,鋼的[nb]越低。
在低n鋼中加微量ti,可在高溫熔點附近形成tin,另外可提高nbc的溶解,有利于固溶鈮的利用。可降低連鑄坯的700-900間的裂紋產生。
鈮在高碳鋼中的溶解度雖小,但對細化晶粒已足夠了,相變后可得微細的珠光體團。鈮在中、高碳鋼中鐵素體的溶解度可用
lgks=-10960/t+5.34(7)
表示。在600以下溶度積是很小的,可達10-8次方的量級。所以從高溫冷下來,總是有一定數的過飽和。所以鈮的低溫下的沉淀行為很強。這與釩的行為具有相反的傾向。高氮釩鋼中的vn的溶解度較大,它即容易得到較多的vn沉淀,但高溫回火也容易出現大量的自由nf。這種情況在一些時候是危險的。
碳化鈮或碳氮化鈮的溶解就不會出現大量的自由氮nf。
中、高碳鋼的熱機械處理的特點
中、高碳鋼材多為軌、型、管、棒、線、鍛件等,實際上是使用時的近終形,或半成品。實施控制軋制不像板帶那樣容易得到全體一致的開軋、終軋溫度。特別是在斷面上的溫度分布不均一性很強。特別是大型材如h型的鋼、軌鋼等,在熱加工過程中邊、角溫降不一,從而zui終形變時溫度也不一致,可能導致奧氏體晶粒不均勻。所以加入nbti等高溫再結晶阻制劑是生產這類鋼材十分必要的。首先得到比普通鋼好的、熱狀態組織,然后加速冷卻,抑制晶粒長大。
中、高碳鋼型軌棒材控制冷卻特點
中、高碳鋼的軌、型、棒、線生產工藝操作中的(tmcp)冷卻控制操作較板帶材大為復雜,設備多種多樣。因為型鋼斷面復雜,各部位冷卻不均勻,達到全截面均勻冷卻技術難度較大。一般要專門設計冷卻噴嘴可轉動角度,對準冷卻部位,噴射冷卻水、水蒸汽、高壓空氣、以達到冷卻目的。由于型鋼、軌鋼、棒線工作的特點,可實行重點部位控制冷卻。例如:軌鋼的軌面欠速淬火(不發生低溫轉變組織)就是用水霧噴吹加速冷卻,使軌面形成超細珠光體組織。又如增強螺紋鋼筋的韌芯回火或輪緣回火等在穿水過程中實現的連續的多次淬火回火和連續淬火回火。高碳鋼棒線,實行欠速淬火,得到精細珠光體組織。
中、高碳鋼的典型產品—軌鋼、型鋼
中高碳鋼幾乎專門用于軌鋼生產。鋼軌的工作要求,*耐磨損,第二抗疲勞。其壽命達到5×108噸量級。鋼軌受力是三次元的,因此要求高強度和高韌性。所以提高組織因素中的珠光體團細化程度和縮小珠光體片間距是主要的技術措施,nb、v、ti的微合金化加上tmcp工藝是現代生產軌鋼主要舉措。nb、v的沉淀同時還能提高鐵素體片的強度。
軌鋼特定的形狀,使加工變形不均勻,溫升、溫降不一致,因此導致晶粒度不均勻。nb、ti、v微合金化鋼實行熱機械處理是方法。同時賦予鋼的強韌性。加拿大,澳大利亞和巴西,日本和我國包鋼鈮稀土鋼軌的化學成分和機械性能列于表4。
表4幾種含鈮軌鋼
包鋼軌鋼加稀土為其特色,稀土的冶金作用很不穩定,主要在于加入方法。如加入方法不當,還會使鋼質變壞。美國指出,在*脫氧后,*溫度為1540-1600℃把稀土包在鐵皮內,插入鋼水中并加以攪拌,可取得*效果。制成包芯線的喂絲法則是近年的研究。
高碳釩軌鋼,含釩合金軌鋼牌號很多。應用也很成熟,但是在1983年11月德克產斯州發生的脫軌翻車并有乘客傷亡事故,正是含釩合金鋼軌的破裂造成的。其鋼軌成分:c:0.79mn1.12si0.19cr0.87mo0.008v0.058。事故當日上午7時-9時。鋼軌曾應急修理,用火焰切割過,火車以每小時120km速度沖擊所造成。該事故給以dr.w.heller為首的克魯勃技術部門以致命打擊,影響*,*門至今對釩鋼持有強烈的拒絕和否定態度。筆者認為,由于釩化物的*溶解和形成大量nf處于高淬火應力狀態,在高速沖擊下,形成應變時效而破壞。含釩鋼(特別是vn沉淀強化鋼),高溫加熱后必須回火,否則是危險的。
高氮釩微合金化鋼,在使用時如果存在有(如:焊、補焊、切割、氣割等再加熱情況時必須掛牌提示注意“嚴防再加熱”。顯然這種鋼無耐火性。
含鈮鋼軌的耐磨性、抗疲勞性,均比一般碳素鋼軌優越。
軌鋼是型鋼的一種,其它中、高碳型鋼的生產與此類同。
中、高碳棒材、硬線
棒線材斷面為園對稱,容易實現tmcp工藝控制,現代的棒線材廠都有控軋、控冷成套設備。生產棒線材、小型材,微合金化*。
鈮釩鈦在小截面棒線材生產中的應用特點:
1、釩的應用在于細化珠光體團和鐵素體多邊化細化晶粒以及強化鐵素體和珠光體的鐵素體片。這對生產硬線會取得比普通中、高碳鋼更優越的組織。
2、鈮在高速線材生產中的應用,十分廣泛,包括中碳螺紋鋼筋,高速軋制幾乎是在絕熱過程中變形,由于高變形能量的輸入,溫度可能升高,正是由于固溶鈮阻止再結晶或阻止動態再結晶后而阻止晶粒的長大。
另一特點變形溫度可比普碳鋼高出100℃,允許在更高溫度下實行更高速軋制。可以生產利于后續冷加工的基體組織。這樣高碳線材有利于后續冷加工。特別硬線加工。
我國高速線材軋機幾乎是各廠都有。較*的棒線材生產線,我國近年先后引進不少。這些廠家幾乎還是生產普碳鋼。
鈮在中、高碳鋼優越地位
圖2鍛鋼性能的發展表明tivnb鋼全面達到41crs4調質鋼的水平。vn和tivn的工藝按圖1工藝概念。而鋼的化學成分如表5。圖2影線區為cr調質鋼41crs4(qt),tt=550-650度。
圖1二步冷卻工藝概念
表5試驗鋼的化學成分
圖2二步冷卻后性能改善
圖1二步冷卻的工藝程序和變形造溫度td、淬火溫度tq(主要的控制參數)、連續冷卻與不同冷卻速度的比較。
圖1適于中、高碳鋼。*步屬于自然冷卻到相應鋼號的ttt和cct轉變圖的淬火溫度—時間位置,進行第二步急冷(水冷)得到所要的組織(馬氏體,見茵體、細晶珠光體或某種混合組織)。這種工藝過過程稱為tsc(two-step-cooling縮寫)。tsc加上沉淀強化退火(an:annealingtreatment)顯著的改善機械性能。
tivnb鋼微合金化非調質鍛鋼的屈服強度接近1000mpa,而且兼備良好韌性。
中、高碳鋼主要用于高強度、抗疲勞、耐磨損以及非焊接鋼結構。生產高質量、高附加值鋼材,tmcp(或tsc+an)與微合金化元素nb、v、ti聯合應用是*的。鈮在中、高碳鋼中的應用,特別是和tiv復合應用具有突出的優點,顯著改善鋼的強韌性。
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