[科普中國]-自回火

簡介

采用控軋控冷技術(shù)(TCMP)對鋼材整個熱軋和軋后冷卻過程(包括坯料加熱、軋制、冷卻及卷取)進(jìn)行控制, 已成為棒材和型材生產(chǎn)的主要強(qiáng)化工藝。20MnSi 鋼作為一類強(qiáng)度高、韌性好的鋼種, 主要用以滿足建筑用熱軋帶肋鋼筋的需求, 不僅要求其具有良好的力學(xué)性能, 同時還要求其顯微組織符合相關(guān)規(guī)定。

目前中國大部分鋼鐵企業(yè)采用在普通20MnSi鋼成分基礎(chǔ)上添加Nb 、V 等微合金元素并進(jìn)行控軋控冷的工藝生產(chǎn)較高強(qiáng)度帶肋螺紋鋼筋。近年來, 由于Nb 、V 等合金元素價格的不斷提高, 利用微合金化提高20MnSi 鋼筋強(qiáng)度的成本逐漸上升。作為以細(xì)晶強(qiáng)化為目標(biāo)的控軋控冷工藝, 冷卻后的鋼筋自回火溫度及鋼中Si 、Mn 等合金元素的含量是改善鋼筋的微觀組織及機(jī)械強(qiáng)度的重要因素。參照國標(biāo)1499 .2 —2007 對20MnSiNb 鋼筋合金成分的要求, 設(shè)計不同Si 、Mn 成分的20MnSi 鋼, 并以此為研究對象, 在鋼廠進(jìn)行了不同自回火溫度下的控軋控冷試驗, 對所得鋼筋進(jìn)行微觀組織觀察與力學(xué)性能測試, 研究了鋼中Si 、Mn 合金元素和自回火溫度對鋼筋組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律, 探討了利用20MnSi 生產(chǎn)400MPa 3 級螺紋鋼筋的可行性1。

鋼筋微觀組織分析通過對所取鋼筋試樣進(jìn)行微觀組織觀察, 發(fā)現(xiàn)各鋼筋試樣的顯微組織沿剖面邊部及中心有2 種不同形態(tài), 且均有明顯過渡組織。1 ～ 4 號試驗鋼筋的500 倍下邊部顯微組織照片; 3號與4 號鋼筋試樣自回火溫度分別為650 ℃及750 ℃的中心顯微組織。

自回火溫度為550 ℃的鋼筋試樣邊部為回火馬氏體組織, 隨著自回火溫度達(dá)到750 ℃, 4 號試樣邊部為珠光體+鐵素體組織。自回火溫度處于650 ℃的2 號試樣邊部為索氏體+珠光體組織;相同自回火溫度下, 3 號試樣的邊部為索氏體+珠光體+鐵素體組織。

可見, 自回火溫度為650 ℃條件下, 鋼筋邊部的鐵素體已再結(jié)晶, 為等軸晶粒, 滲碳體也聚集成球狀并在鐵素體基體上析出;Si 、Mn 等合金元素含量較高的3 號試樣邊部出現(xiàn)了較為粗大的多邊形鐵素體組織, 原富碳奧氏體也已轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟锊⒂阼F素體基體上析出。

在隨著自回火溫度由650 ℃提高至750 ℃, 鋼筋的心部均為鐵素體+珠光體組織, 珠光體晶粒得到細(xì)化; 4 號鋼筋試樣的邊部珠光體晶粒直徑明顯小于其中心組織2。

淬透性分析自回火溫度650 ℃下2 號試樣與3 號試樣的過渡組織。在自回火溫度達(dá)到650 ℃時, 2 號與3 號試樣的過渡區(qū)金相組織均為索氏體+珠光體+鐵素體組織, 其中2 號試樣的邊部組織與中心組織交界處有部分魏氏組織。當(dāng)加熱與冷卻條件相同時, 臨界直徑越大, 鋼的淬透性越好。由于在穿水過程中鋼筋的邊部冷卻速度遠(yuǎn)大于臨界冷卻速度, 在冷卻后鋼筋邊部為馬氏體組織, 自回火過程中進(jìn)行馬氏體組織的回火轉(zhuǎn)變, 因此認(rèn)為邊緣至過渡帶距離可表征鋼筋的臨界直徑D0 。根據(jù)淬透性因子f Mn =1 +3.33Mn %、f Si =1 +0 .7Si %, 當(dāng)Si 、Mn 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高0 .30 %時, 鋼筋的淬透性可提高40 %左右。經(jīng)過測量,Mn 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 .44 %的3 號鋼筋試樣其邊緣至過渡帶距離為1 .2 ～ 1 .7mm , 而Mn 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 .10 %的3 號試樣邊緣與過渡帶距離則為0 .8 ～ 1mm , 與通過淬透性因子所計算淬透性提高量相當(dāng)。

力學(xué)性能分析試驗鋼筋的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均達(dá)到了370MPa 和520MPa 以上, 符合GB1499 .2 —2007中所規(guī)定的ReL ≥335MPa 及Rm ≥455MPa 的標(biāo)準(zhǔn)。且隨著自回火溫度的提高, 硅、錳含量相同的1 、2 號鋼筋及3 、4 號鋼筋, 其屈服強(qiáng)度分別下降了12MPa 及30MPa , 1 、2 號鋼筋的抗拉強(qiáng)度差別不大, 3 、4 號鋼筋的抗拉強(qiáng)度則隨回火溫度的升高相應(yīng)提高16MPa ;自回火溫度相同的2 、3 號鋼筋隨硅、錳含量的提高, 屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別提高92MPa 與98MPa , 強(qiáng)化效果顯著;1 ～ 4 號鋼筋的靜力韌度(Rm ·A)隨自回火溫度及硅、錳含量的提高呈現(xiàn)遞增趨勢, 4 號鋼筋的Rm · A 達(dá)到最大, 為163 .80J/cm3 , 強(qiáng)度與塑性得到良好配合。同時, 各鋼筋的總伸長率差別不明顯, 為25 % ～ 28 %, 強(qiáng)屈比大于等于1 .31 , 符合國標(biāo)要求3。

自回火溫度對鋼筋組織與性能的影響鋼筋控軋控冷后的自回火類似于Temper Co re(芯熱回火)過程, 即鋼筋終軋完成后通過水冷系統(tǒng), 控制穿水強(qiáng)度和穿水壓力, 以使鋼筋在不同溫度下進(jìn)行自回火。由于鋼筋表層冷卻速度遠(yuǎn)大于臨界冷卻速度, 而心部冷卻則遠(yuǎn)小于表層冷卻速度, 使鋼筋表層淬火, 成為馬氏體組織, 心部仍為過冷奧氏體;隨后的自然冷卻過程中, 心部熱量逐漸傳遞至鋼筋表面, 使表層淬火馬氏體組織發(fā)生分解, 形成新的回火組織。這種熱處理可使鋼筋產(chǎn)生相變強(qiáng)化, 強(qiáng)化增量可達(dá)100 ～ 300MPa 。靜力韌度的意義是鋼筋在靜載下吸收變形的能力, 通常可用以表征鋼筋強(qiáng)度與塑性配合的好壞。鋼筋中的馬氏體組織會嚴(yán)重影響材料的塑性, 而細(xì)化的索氏體和珠光體組織則可以提高鋼筋的屈強(qiáng)比與靜力韌度。

隨著自回火溫度的提高, 鋼筋的邊部組織由回火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹬楣怏w, 且鋼筋心部的珠光體組織也得到細(xì)化。

相同硅、錳含量下, 隨著自回火溫度的提高, 4 號鋼筋試樣的屈服及抗拉強(qiáng)度與3 號鋼筋試樣相比分別降低了30MPa 與20MPa , 但屈強(qiáng)比與靜力韌度顯著提高。自回火溫度過低, 鋼筋的表層組織為回火馬氏體, 不符合國標(biāo)要求;鋼筋自回火溫度的提高能顯著改善鋼筋組織, 并使鋼筋的強(qiáng)度與塑韌性得到良好配合, 但過高的自回火溫度會使鋼筋的力學(xué)性能降低。因此, 適當(dāng)?shù)匿摻钭曰鼗饻囟葢?yīng)當(dāng)保持在650 ～ 700 ℃之間2。

合金元素對鋼筋組織與性能的影響雖然550 ℃被認(rèn)為處于亞共析鋼的回火索氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間, 在550 ℃溫度下自回火鋼筋的邊部為馬氏體組織; 回火珠光體的轉(zhuǎn)變溫度也達(dá)到了750 ℃、650 ℃以下,鋼筋的表層馬氏體組織也轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w組織。李壯等人認(rèn)為碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 .14 %的低碳鉚螺回火珠光體組織轉(zhuǎn)變溫度為500 ～ 550 ℃, 與本試驗相比有所降低, 而其他相關(guān)文獻(xiàn)中, 20MnSi 鋼筋馬氏體回火組織轉(zhuǎn)變溫度則與本試驗鋼筋相當(dāng)。因此, 鋼中碳含量的提高會使馬氏體回火組織的轉(zhuǎn)變溫度升高。同時, Mn 可降低奧氏體中碳的活度, 從而促進(jìn)非平衡相諸如退化的珠光體形成, 在相同自回火溫度下, 2 、3 號試樣的邊部組織變化應(yīng)與此相關(guān)。

當(dāng)硅、錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高0 .30 %, 鋼筋的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度可分別提高50MPa 及40MPa 。隨著鋼筋中硅、錳含量的提高, 3 號鋼筋試樣與2 號鋼筋試樣相比, 屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別提高了92MPa 和98MPa 。隨著鋼中硅、錳含量提高, 鋼筋的淬透性也相應(yīng)提高, 這是因為Si 、Mn 在融入奧氏體后使20MnSi 鋼的C 曲線右移, 降低了材料的臨界淬火速度, 從而使鋼筋淬火馬氏體區(qū)擴(kuò)大所致。因此,鋼筋中的Si 、Mn 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到0 .60 %及1 .40 %后可提高鋼筋淬透性, 使淬火馬氏體回火組織的區(qū)域擴(kuò)大, 提高鋼筋的機(jī)械強(qiáng)度。這與本試驗所得結(jié)果相符, 同時進(jìn)一步說明自回火溫度對20MnSi 鋼筋機(jī)械強(qiáng)度的影響主要是通過改善鋼筋組織實(shí)現(xiàn)3。

非微合金化HRB400 鋼筋的生產(chǎn)討論按照國家標(biāo)準(zhǔn), 熱軋帶肋鋼筋的生產(chǎn)可分為3種強(qiáng)度級別。屈服強(qiáng)度達(dá)400MPa 的HRB400鋼筋常采用在20MnSi 原料基礎(chǔ)上添加Nb 、V 等合金元素進(jìn)行微合金化或以微合金化與控軋控冷工藝相配合的方式進(jìn)行生產(chǎn)。本次試驗中, 經(jīng)控軋控冷后1 、2 號試樣的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度都達(dá)到了國標(biāo)中關(guān)于HRB335 鋼筋的相關(guān)要求, 3 、4 號試樣其屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到440MPa 與610MPa以上, 靜力韌度達(dá)到153.50 J/cm3 以上, 符合HRB400 鋼筋的使用要求;同時, 通過調(diào)節(jié)軋后自回火溫度, 在750 ℃溫度下進(jìn)行自回火的4 號鋼筋試樣, 其顯微組織也為珠光體組織, 晶粒度達(dá)到10 級,符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。可見本次試驗用20MnSi 鋼的硅、錳含量與20MnSiNb 鋼的Si 、Mn 合金元素含量相比差別不大, 且不用添加微合金元素。通過提高控軋控冷后期的自回火溫度,并適當(dāng)提高鋼中Si 、Mn 元素含量, 不僅提高了20MnSi 熱軋帶肋鋼筋的強(qiáng)度級別, 而且改善了鋼筋的表層微觀組織, 使熱軋帶肋鋼筋的生產(chǎn)工藝簡化,降低了成本和能耗, 提高了經(jīng)濟(jì)效益1。

總結(jié)1)自回火溫度650 ℃下, 20MnSi 鋼筋表層為索氏體+珠光體組織, 自回火溫度達(dá)到750 ℃時為珠光體組織。索氏體組織隨著自回火溫度的提高有向珠光體轉(zhuǎn)變的趨勢;自回火溫度過低, 鋼筋的表層組織為回火馬氏體, 不符合國標(biāo)要求;鋼筋自回火溫度的提高能顯著改善鋼筋組織, 并使鋼筋的強(qiáng)度與塑韌性得到良好配合, 但過高的自回火溫度會使鋼筋的力學(xué)性能降低。因此, 適當(dāng)?shù)匿摻钭曰鼗饻囟葢?yīng)當(dāng)保持在650 ～ 700 ℃之間。

2)鋼中的Si 、Mn 元素可提高20MnSi 鋼筋的淬透性, 增強(qiáng)鋼筋的相變與細(xì)晶強(qiáng)化效果, 鋼筋中Si 、Mn 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到0 .60 %和1 .40 %后可顯著提高鋼筋的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度。采用控軋控冷, 并進(jìn)行高溫回火處理的20MnSi 鋼筋, 其屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度可達(dá)到440MPa 及610MPa 以上;與微合金化H RB400 鋼筋相比, 鋼中的Si 、Mn 元素含量并無顯著變化, 而且不用額外加入Nb 、V 等微合金元素, 可使熱軋帶肋鋼筋的生產(chǎn)工藝簡化, 并降低成本和能耗3。