3.2.3 GCr15 鋼超快速冷卻技術(shù)在我國的開發(fā)應(yīng)用
上文已經(jīng)多次指出，超快速冷卻技術(shù) UFC 使軋制鋼板性能產(chǎn)生質(zhì)的飛越，同時使材料成本和消耗大大降低，再與 ACC 配合可以實現(xiàn)多種冷卻相變路 徑控制以獲得需要性能鋼鐵材料。我國已經(jīng)在這方 面給與了充分重視，并已經(jīng)取得了卓越的成果。
軸承鋼采用新一代控軋控冷技術(shù)，NG-TMCP 的 實質(zhì)將涉及奧氏體 A 在奧氏體再結(jié)晶溫度區(qū)的熱軋變形和熱變形后進行超快速度冷卻，要研究保持硬化態(tài)的熱變形奧氏體 A 在超快冷卻轉(zhuǎn)變中析出二次碳化物和轉(zhuǎn)變成珠光體的行為，這歸根結(jié)底就是要著重研究熱軋變形和超快冷對軸承鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變CCT 曲線的影響。
東北大學(xué)的軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室 ＲAL 課題組［45］首先利用 Gleeble 1500 熱模擬試驗機和實驗室自主研發(fā)的 MMS-300 型熱力模擬試驗機進行研究，測定了連續(xù)冷速為 0.5 ～ 200 ℃ /s和在 980、800℃ 溫度下變形 0% 、20% 、40% 和 50% 條件的 CCT 曲線和顯微組織的變化。本文對主要相 關(guān)的論述觀點比較系統(tǒng)和簡潔地進行歸納，使人一 目瞭然。
實驗使用的 GCr15 鋼的成分為 1.02C、0.32Si、0.34Mn、1.49Cr、0.07Ni、0.15Cu、0.02Mo、0.0017Ti、 0.005Al、0.009P、0.003S( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，% ) 。試驗機配 備控制冷速和快速測定記錄溫度、長度和時間的功 能。轉(zhuǎn)變后得到的網(wǎng)狀碳化物按試樣通過淬回火后的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)評定。通過熱膨脹方法對實驗結(jié)果分析得到該 GCr15 鋼在 980 ℃ 時變形 0% 、20% 、 40% 和 50% 時 CCT 曲線，對應(yīng)的連續(xù)冷卻速度為 0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、10 和 20 ℃ /s。我們選取 980 ℃溫度時變形量為 0%和 50% 的曲線示于圖 21，圖 中為了方便理解鋼在冷卻過程的相變過程，確定的 相區(qū)以不同淡灰色和英文字母表示。隨變形量增加和冷卻速度改變，二次碳化物析出溫度、形態(tài)、級別，以及珠光體轉(zhuǎn)變溫度、形態(tài)相應(yīng)發(fā)生的變化分析如 下，最后還提及對馬氏體轉(zhuǎn)變影響。
(1) 二次碳化物的析出: 從圖 21 可以看出隨變形量增加時，析出碳化物的溫度提高; 當(dāng)隨著冷速增 加時，二次碳化物析出溫度對應(yīng)出現(xiàn)降低。我們可 以列出數(shù)據(jù)于下表 7 中。表中非括號中數(shù)字為作者公布的數(shù)值［45］，括號中的數(shù)字為我們按該圖約算的 數(shù)值。當(dāng)冷速在 0.5 ～ 2 ℃ /s 范圍內(nèi)增加，析出溫度出現(xiàn)降低的值較小，在 ＞ 2 ℃ /s 時，析出溫度出現(xiàn)降 低的值增大，說明冷卻速度提高的影響在這時占主 導(dǎo)地位。在 0% 變形量時抑制碳化物析出的臨界冷速為 5 ℃ /s，在 40% 和 50% 變形量下的臨界冷速為 8 ℃ /s，可以見得，GCr15 鋼在 980 ℃ 時變形 40% 和 50% 時對二次碳化物析出起到促進作用。由此得出: GCr15 鋼在冷卻速度 ＞ 8 ℃ /s 條件下不析出二次碳化物。在小于抑制碳化物析出的臨界冷速下，鋼的組織進入( 過冷奧氏體 Au + 二次碳化物 C) 的區(qū) 域。這兒，Au 為 undercooled austenite。
鋼中析出的網(wǎng)狀碳化物的形態(tài)由完整連續(xù)網(wǎng)狀 逐漸變化為斷裂的點條狀形貌。二次網(wǎng)狀碳化物厚 度隨著冷卻速度的變化示于圖 22，同時可測定 A 晶 粒逐漸細(xì)化。冷卻速度為 2 和 8 ℃ /s 時的厚度分別 是0.42 和 0.19 μm，對應(yīng)的形貌為完整的連續(xù)網(wǎng)狀二次碳化物和斷裂的點條狀碳化物。另外，二次網(wǎng) 狀碳化物和基體中含 Cr 量都隨著冷卻速度改變，按 能譜分析變化近似示于圖 23，相應(yīng)與 Cr 的擴散( 在不同溫度和不同時間下) 相關(guān)。冷速以 1 ℃ /s 冷至 室溫時，二次網(wǎng)狀碳化物中和基體中的含 Cr 量分別 為4.09% 和 1.55% ，相差 2.64 倍; 冷速以 5 ℃ /s 和 8 ℃ /s 冷至室溫時，二次網(wǎng)狀碳化物和基體中的含Cr 量分別為 1.90% 、1.62% 和 1.70% 、1.70% 。
析出碳化物的級別在一定變形量下隨著冷卻速度增加呈現(xiàn)降低的變化: 如當(dāng) 980 ℃變形 40% 時，在冷卻速度 0.5 ℃ /s 條件下，試樣中最嚴(yán)重區(qū)域的網(wǎng) 狀碳化物級別為 5 級( 該文作者未說明評定標(biāo)準(zhǔn)號) ，在5 ℃ /s 和 8 ℃ /s 時為 3 級和 2 級( GB /T18254—2002) 。這 8 ℃ /s 時的網(wǎng)狀碳化物不再完整 連續(xù)，呈出現(xiàn)斷裂的點條形狀分布在基體中，對應(yīng)冷 卻到室溫的淬火回火后經(jīng)深腐蝕的組織如圖 24，碳 化物厚度為 0.19 μm。
(2) 對珠光體轉(zhuǎn)變 PT 影響: 從圖 21 同樣可以看 出隨變形量增加時，奧氏體 A 轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w P 的溫度升高，當(dāng)隨著冷速增加時，發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變 PT 的溫度對應(yīng)出現(xiàn)降低。在冷速小的范圍這種 A→P 的轉(zhuǎn)變溫度降低較小，大于一定的冷速時，A→P 的轉(zhuǎn)變溫度降低較大。
在不變形條件下完全發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度為 3 ℃ /s，隨著變形量增加到 50% 時的臨界冷卻速度為 5 ℃ /s。即當(dāng)冷卻速度 ＞ 5 ℃ /s 時，珠 光體轉(zhuǎn)變不能完成，鋼的組織開始進入( Au + C + P) 區(qū)域，殘留的過冷奧氏體 Au 在 Ms 點時發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變 MT，得到( C + P + M + 殘余奧氏體 Ar) 組織。當(dāng)冷卻速度 ＞ 10 ℃ /s 時，鋼的組織進入過冷奧氏體Au 區(qū)域，在溫度冷卻達到 Ms 時發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，得 到( 殘余奧氏體 Ar + M) 組織。為此，珠光體轉(zhuǎn)變的上、下臨界冷速為 10 ℃ /s、5 ℃ /s( 3 ℃ /s) 。關(guān)于珠 光體轉(zhuǎn)變的上、下臨界冷速的描述可以參見資料［83］。
將不同冷卻速度和變形量下發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變的開始時間和結(jié)束時間表示在圖上就得到圖 25。圖中 虛線為二次碳化物析出線，比較粗的實線為不同變形量下 PT 的開始線和結(jié)束線，自上至下分別表示變形量為50% 、40% 、20% 和 0% ，開始線和結(jié)束線之 間的細(xì)實線為 PT 中止線。為了更好理解鋼在冷卻過程的相變過程，我們將圖中確定的相區(qū)以淡灰色 和英文字母表示得更加明確。相區(qū)之間的白色部位，讀者可以按本文中說明加以分辨。
圖 25 表示變形量范圍對應(yīng)為( 0% ～ 20% ) 和 ( 40% ～ 50% ) 和冷卻速度對應(yīng)為( 0.5 ～ 3 ℃ /s) 和 (0.5 ～ 5 ℃ /s) 相應(yīng)的條件下完成轉(zhuǎn)變后的組織組成全部為( 碳化物 C + 珠光體 P 組織) ; 變形量范圍對應(yīng)為( 0% ～ 20% ) 和( 40% ～ 50% ) 和冷卻速度對應(yīng)為( ＞ 3 ℃ /s) 和( ＞ 5 ℃ /s) 相應(yīng)的條件下完成轉(zhuǎn)變后的組織組成全部為( Au + C + P) ，這部分過冷奧氏體 Au 在相應(yīng) Ms 點轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，得到( M + C + P) 組織，在未冷卻到 Mf 點時，還存在殘余奧氏體Ar，即得到( M + C + P + Ar) 組織。圖上表示的信息內(nèi)容與上述的一致。其中珠光體形態(tài)在冷卻速度≤6 ℃ /s 時為片層狀，＞ 6 ℃ /s 時為粗大不規(guī)則的類似片層狀組織，滲碳體呈斷續(xù)的短片狀結(jié)構(gòu)，有稱 退化珠光體( 或稱變態(tài)珠光體) 的，鐵素體和碳化物的位向處于紊亂狀態(tài)，其顯微硬度仍然增大。
圖 25 十分明確指出，在一定的變形量下，隨著冷卻曲線的冷速增大，珠光體轉(zhuǎn)變的開始和結(jié)束轉(zhuǎn)變溫度降低; 在一定的冷速條件下，隨變形量增加， 珠光體轉(zhuǎn)變的開始和結(jié)束轉(zhuǎn)變溫度出現(xiàn)升高趨勢， 如表 8 表示。得到珠光體組織的片間距 d 和 HV 硬度和冷速關(guān)系示于圖 26。
(3) 對馬氏體轉(zhuǎn)變的影響: 從圖 21 可以看出，在冷卻速度相對比較緩慢條件下，馬氏體轉(zhuǎn)變曲線在 其右側(cè)出現(xiàn)抬高。這是因為在高溫區(qū)域隨著二次碳 化物的析出，基體中 C 和 Cr 的含量降低，其馬氏體點對應(yīng)升高。
東北大學(xué)的軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室對軸承鋼棒材生產(chǎn)的超快速度冷卻技術(shù)研究進行得很深入［76 － 82］，這一技術(shù)已經(jīng)在我國投入了工業(yè)化應(yīng)用。在軋鋼工廠原有連軋生產(chǎn)線上的連軋機組后增設(shè)超快速冷卻系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)水壓、噴嘴孔大小以及冷卻水管數(shù)量與軋制速度等，針對不同規(guī)格的軋制棒材在高溫終軋后實施超快速冷卻，瞬時冷卻速度可以增加到 400 ℃ /s 以上，達到在軋制棒材整 個截面上抑制網(wǎng)狀合金滲碳體析出和獲得細(xì)層片狀 珠光體組織，從而得到優(yōu)良的球化退火預(yù)組織。
國內(nèi)某特殊鋼棒材生產(chǎn)廠的連軋機組中的粗 軋、中軋和預(yù)精軋各為 6 架機組以及精軋 4 架機組， 共有22 架軋機，生產(chǎn)?20～?80 mm 棒材。相應(yīng)的 軋制速度在 1.1 ～ 12 m /s 范圍，棒材經(jīng)高溫軋制成對應(yīng)規(guī)格并進行分段剪切后在緩冷的冷床上實現(xiàn)冷 卻。在這條生產(chǎn)線上安裝超快速冷卻裝置的 1#、2# 和3#水箱，針對不同規(guī)格的軋制棒材生產(chǎn)以實現(xiàn)抑 制軸承鋼在冷卻過程中出現(xiàn)網(wǎng)狀滲碳體和獲得細(xì)層 片狀珠光體組織的超快速度冷卻技術(shù)的目的。
3 套水箱各有三條不同的內(nèi)徑管道供不同規(guī)格 軋材選用。其中 1#超快速冷卻水箱長 8 m，有 9 個噴嘴: 6個正噴，2 個反噴和 1 個氣吹; 2#和 3#水箱各 長 5 m，有 7 個噴嘴: 4 個正噴，2 個反噴和 1 個氣吹。他們的冷卻水壓最高可達 1.5 ～ 1.8 MPa，水為循環(huán) 水。這種噴水方式可達到在采用噴水方法的超快速冷卻過程中使棒材表面上不出現(xiàn)蒸汽膜階段，從而 使冷卻過程中的換熱系數(shù)激劇增加，使該系統(tǒng)的超 快瞬時冷卻速度最高達≥400 ℃ /s。高換熱系數(shù)下和超快速冷速條件下，棒材表面的溫度迅速降低，棒 材心部的溫度隨著熱傳導(dǎo)的進行也不斷降低。
超快速冷卻系統(tǒng)的布置示意圖見圖 27。冷卻系統(tǒng)中設(shè)置溫度測定點，應(yīng)用紅外測溫儀測定軋制過 程中棒材表面溫度，同時可以計算不同冷卻階段的冷卻速度。生產(chǎn)棒材在超快速裝置上經(jīng)超快速冷卻后，棒材表面很快冷卻至一定的溫度值后( 表 9 中表 示) ，在冷卻水箱之間或在裝置以后進入冷床的過程 中會出現(xiàn)返紅( 由于棒材內(nèi)部熱量傳遞出來) 到一定溫度( 見表 9) ，從而減緩冷速并在冷床的冷卻過程 中完成珠光體相變等。整個過程的工藝曲線示于圖28 中。圖 28 中表示: 規(guī)格為 200 mm × 200 mm 軸承鋼方坯于650 ℃ 進入加熱爐，加熱溫度為 1200 ℃， 總加熱時間為 6 h，出爐溫度在 1110 ～ 1150 ℃ 范圍， 進入連軋機組進行粗、中、預(yù)精和精軋工序，終軋溫 度為 980 ～ 1000 ℃。對每種超快速冷卻試驗材料的具體工藝數(shù)據(jù)列于表 9 中，表中分別列出軋制速度、 終軋溫度、超快速 UFC 裝置中工藝參量( 開啟水箱號、水壓、冷卻時間) ，冷卻最后的溫度、冷卻時間和 棒材最高的返紅溫度等。
對于?30 mm 棒材，工藝編號按 30-1 執(zhí)行。在 軋制速度 4.5 m /s 時，為達到在棒材整個截面上抑 制析出網(wǎng)狀碳化物的足夠的超快速冷卻速度，1#、2# 和 3#水箱全部開啟，水壓為 1.3 MPa，超快速冷卻時 間為 4 s( 按三段水箱總長 18 m 計算) 。超快速冷后棒材表面溫度為 459 ℃，棒材內(nèi)部傳遞出來的熱能 使棒材表面返紅，溫度為 710 ℃ 并呈均勻分布。同 時使棒材心部的冷速提高至大于二次網(wǎng)狀碳化物臨界析出速度，從而也抑制其心部出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物組 織。在出 3#水箱后的 22 m 冷卻通道和冷床中緩冷完成珠光體轉(zhuǎn)變，去應(yīng)力及去氫退火等。檢驗結(jié)果表明: 網(wǎng)狀碳化物級別為 1 級，過冷奧氏體完全轉(zhuǎn)變為珠光體。
對于?40 mm 棒材，工藝編號按 40-1 執(zhí)行。在 3.3 m /s 軋制速度時，1#、2#、3#水箱全部開啟，水壓 為 1.3 MPa，以實現(xiàn)棒材表面抑制網(wǎng)狀碳化物的析 出，超快冷卻時間為 5.6 s。超快冷后棒材表面溫度為 448 ℃，棒材內(nèi)部傳遞出來的熱能使棒材表面返 紅，溫度為 695 ℃ 并呈均勻分布。同時使棒材心部的冷速提高至大于二次網(wǎng)狀碳化物臨界析出速度， 從而抑制其心部出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物組織。在出 3#水箱 后的22 m 冷卻通道和冷床中緩冷完成珠光體轉(zhuǎn)變， 去應(yīng)力及去氫退火等。檢驗結(jié)果表明: 網(wǎng)狀碳化物 級別為1 級，過冷奧氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。
對于?60 mm 棒材，工藝編號按 60-1 執(zhí)行。在 1.5 m /s 軋制速度時，開1#和3#水箱，水壓1.3 MPa，在水箱中的總超快冷時間為 8.6 s。在 1#水箱超快速冷卻使棒材表面溫度達 348 ℃ ( ＞ Ms) ，并使棒材心部熱量向外繼續(xù)傳遞出來，使表面溫度返紅( 返紅時間為 11 s) 至 695 ℃，這一階段冷卻達到抑制棒材表面析出碳化物網(wǎng); 隨即通過 3#水箱的超快速冷卻。 棒材表面溫度又降低至 400 ℃ 以下，這第二階段冷卻使棒材心部熱量繼續(xù)傳遞出來，使心部的冷卻速度提高，抑制心部網(wǎng)狀碳化物的析出。冷卻以后，心 部和表面冷速比較接近一致，以較慢冷卻速度完成 珠光體轉(zhuǎn)變，在出 3#水箱后的 22 m 通道上和冷床中 緩冷并能去除應(yīng)力和去除氫脆等。按這一工藝生產(chǎn) 的棒材表面、1 /4 處和心部的 OM、SEM 顯微組織可見圖 29 和圖 30。可見得到的結(jié)果是在棒材整個面 上抑制了析出網(wǎng)狀碳化物和實現(xiàn)了全部緩冷完成珠光體轉(zhuǎn)變。
表 9 中表示按工藝 60-01、60-02 和 60-03 的?60 mm 棒材的生產(chǎn)與試驗工藝 60-1 的情況基本相同。
高溫軋制后超快速冷卻過程中的棒材表面和心 部的冷卻溫度曲線應(yīng)用了建立有限元模型，采用 PLANE35熱單元求解，利用 Ansys 前處理器進行模 型單元網(wǎng)格劃分等進行處理［45］，求得的 30、40 和 60 mm 鋼材的冷卻溫度-時間變化曲線分別示于圖31、32、33 的( a) 中。我們針對這些圖應(yīng)用計算機處理求得對應(yīng)之溫度-冷卻速度曲線示于圖 31、32、33 的( b) 、( c) 、( d) 中。其中( b) 為針對( a) 作的溫度-冷卻速度曲線; ( c) 為棒材表面、四分之一部位和心 部在溫度達到平衡的繼續(xù)冷卻曲線放大( 這一階段主要在冷床上進行) ，因為冷速比較接近，僅以一條粗虛線表示，細(xì)點線表示發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變的下臨界速度數(shù)值; ( d) 為二次碳化物析出的溫度區(qū)域中棒材 在四分之一部位和心部的溫度-冷卻速度曲線放大， 圖中細(xì)虛線為二次碳化物析出的臨界速度數(shù)值。由 這些圖可以十分明白采用的超快速 UFC 冷卻工藝能 在棒材整個截面上抑制析出網(wǎng)狀碳化物組織和使過冷奧氏體全部完成珠光體轉(zhuǎn)變的本質(zhì)原因。我們在 相對應(yīng)的圖上表示了二次碳化物的臨界冷卻速度和珠 光體轉(zhuǎn)變的下臨界速度，說明是十分恰當(dāng)?shù)?/span>。
工作進行到這里，可以進一步分析。對?30 和?40 mm 棒材采用相同 UFC冷卻工藝參數(shù)( 軋制速度的不同使冷卻時間發(fā)生變化) 進行超快速冷卻時，前者的冷卻速度會更快，棒材表面的溫度返紅速度也加快( 比較圖 31 和圖 32 中的( b) ) 。進行比較以后可以發(fā)現(xiàn)，工藝編號按 40-1 執(zhí)行的?40 mm 棒材的生產(chǎn)效果更好和更安全。工藝編號按 30-1 執(zhí)行的?30 mm 棒材的生產(chǎn)還有可以調(diào)整的余地，適當(dāng)改動 UFC 冷卻工藝參數(shù)，可以像 40 mm 棒材一樣達到更好和更安全的生產(chǎn)效果。我們認(rèn)為，GCr15 棒材 采用 UFC冷卻技術(shù)應(yīng)該盡量達到更好和更安全的生產(chǎn)效果也是相當(dāng)重要的。工藝編號按 60-1 執(zhí)行的?60 mm 棒材的生產(chǎn)過程中，在二次碳化物析出溫度區(qū)域中出現(xiàn)的 2 次冷卻速度低于 8 ℃ /s 的現(xiàn)象( 圖 33 中的( d) ) ，這估計對碳化物形貌影響不會大，但 是，是否可以進一步改進還可以研究。為此，我們在 這里提出的方法可以對 UFC 工藝參數(shù)調(diào)整起到相當(dāng) 方便的一定借鑒作用。
?30、?40、?60mm 軸承鋼棒分別經(jīng)過工藝 30-1、工藝40-1、工藝60-1 的超快速冷卻后，棒材整個截面上的網(wǎng)狀碳化物級別均不大于 2 級( GB /T 18254— 2016，原來文獻中為 18254—2002，現(xiàn)在已經(jīng)廢除，因 為碳化物級別圖沒有改動，在本文中則表示為 2016 年標(biāo)準(zhǔn)) 。棒材整個截面上顯微組織均為細(xì)小珠光 體，珠光體片間距為 0.19、0.19 和 0.21 μm。硬度為 393.22、378.22 和 373.4 HV。
東北大學(xué)的軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室 ＲAL［45］已經(jīng)指出，將軸承鋼超快速冷卻技術(shù)分 別成功應(yīng)用于寶山鋼鐵股份有限公司特殊鋼分公司、江陰興澄特殊鋼有限公司及石家莊鋼鐵有限責(zé) 任公司等企業(yè)，在不改變原有熱連軋生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，在連軋機組后安裝三組超快速冷卻系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)水壓、噴嘴孔大小以及冷卻水管數(shù)量，針對不同規(guī)格棒材進行高溫終軋后超快速冷卻，瞬時冷卻速度可以達到400 ℃ /s 以上。經(jīng)過超快速冷卻后，不 同規(guī)格棒材斷面不同位置的冷卻速度均可以達到抑 制網(wǎng)狀碳化物析出、過冷奧氏體完全發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變的要求，網(wǎng)狀碳化物級別均達到不大于 2 級，符合軸承行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
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