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45鋼在高標(biāo)準(zhǔn)要求下作為高品質(zhì)材料供貨，不允許組織中存在魏氏組織。對于魏氏組織的成因，從金屬材料的熱力學(xué)和動力學(xué)原理認(rèn)為，加熱溫度過高或冷卻速度過快，導(dǎo)致亞共析鋼或過共析鋼在冷卻過程中，先共析的鐵素體或滲碳體從奧氏體晶界上沿著奧氏體的一定晶面向晶內(nèi)生長而形成魏氏組織。過高的加熱溫度或過快的冷卻速度對于不同的鋼種具體是多少是不明確的。本文針對45鋼探討，加熱溫度對魏氏組織形成的影響，以及在高溫冷卻過程，實(shí)際形成魏氏組織的溫度區(qū)間。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝改進(jìn)，在生產(chǎn)過程中控制魏氏組織的形成。

 

1.試驗(yàn)方法及內(nèi)容 

 

1.1 試驗(yàn)方法

 

(1）根據(jù)魏氏組織形成時的表面浮凸效應(yīng)，利用Lasertec 激光共聚焦高溫顯微鏡三維成像，捕捉在高溫冷卻過程中，魏氏組織的形成過程。即魏氏組織的實(shí)時產(chǎn)生形態(tài)及實(shí)際形成溫度和時間。

 

(2）實(shí)驗(yàn)室利用熱電偶測40mm×40mm 試樣，空冷冷卻速度大致為80℃～120℃/min，本試驗(yàn)冷卻速度參考測定的空冷冷速，采用120℃/min。在實(shí)際生產(chǎn)的熱軋空冷過程中，鋼材的長度、規(guī)格以及環(huán)境溫度的影響等遠(yuǎn)大于被測試樣，其空冷速度應(yīng)比實(shí)驗(yàn)室測定空冷速度小。本試驗(yàn)方案研究了高溫冷卻形成魏氏組織的溫度區(qū)間，試驗(yàn)結(jié)果可適用于生產(chǎn)。

 

1.2 工藝試驗(yàn)    

 

試驗(yàn)用的45鋼化學(xué)成分見表1。

試驗(yàn)用試樣取自同一支樣，試樣尺寸Φ6mm×2.6mm，試樣均未侵蝕。

 

1.3 工藝方案    

 

本文所有工藝的冷速均低于淬火冷速。

 

1.3.1 第1組等溫冷卻工藝試驗(yàn)    

 

加熱溫度：1050℃、1020℃、1000℃、980℃、950℃、900℃、880℃、870℃、860℃升溫均采用從室溫開始以300℃/min的速率升溫至700℃，然后以100℃/min 的速度升溫至試驗(yàn)溫度并保溫30 min的加熱工藝；降溫則選取等溫冷卻工藝：以120℃/min 的速率降溫至727℃保溫10min→以120/min 的速率降溫至680保溫10 min→以180℃/min 的速率降溫至室溫。    

 

高溫冷卻過程中，組織的變化狀態(tài)圖見高溫實(shí)時組織轉(zhuǎn)變圖1～圖6。

等溫冷卻試驗(yàn)可知：升溫階段，在870℃開始出現(xiàn)晶界明顯遷移，晶粒明顯長大。所有溫度冷卻至727℃（理論共析反應(yīng)溫度點(diǎn)）等溫，有團(tuán)狀組織生成，見圖2，但均無針狀組織形成；在1000 ℃以上保溫后冷卻至680℃（即過冷奧氏體的珠光體形成溫區(qū)）等溫，保溫僅需10多s，即析出針狀組織，一般單個針的完成析出用時3s左右。見圖3中1所示位置處。同時在圖3中2所示位置處有隱約針狀趨勢。對應(yīng)圖3中2相應(yīng)位置，可見在隨后連續(xù)冷卻至511℃時，隱針組織開始轉(zhuǎn)變成針狀組織，至481℃完成轉(zhuǎn)變，按試驗(yàn)冷卻速度180℃/min 計(jì)算,隱針完成轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧罱M織時間約為10s。加熱至1000℃以下的某個溫度等溫冷卻，只在680℃析出針狀組織。

 

1.3.2 第2組連續(xù)冷卻工藝試驗(yàn)    

 

試驗(yàn)溫度選?。?020℃、950℃、880℃連續(xù)降溫以60℃/min 的速率冷卻至室溫高溫連續(xù)冷卻，針狀組織形成圖見圖7～圖9。

 

 

 

從連續(xù)冷卻試驗(yàn)可知：從較低加熱溫度880℃連續(xù)冷卻，在649℃開始析出針狀組織，至642℃析出完成；從較高加熱溫度950℃連續(xù)冷卻，在675℃開始析出，至667℃完成析出；從高的加熱溫度1020℃連續(xù)冷卻，在680℃開始析出，至658℃完成析出，析出的針狀組織較多，且針大多很粗長，如圖9中數(shù)字位置所示，針狀組織先后析出。所有加熱溫度下單個針完成析出用時約6s，高的加熱溫度下，全部針最后完成析出用時22s。

 

1.3.3 第3組工藝    

 

根據(jù)第1、2組工藝試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)工藝，選取加熱溫度880℃、860℃探討冷卻速度對形成魏氏組織的影響。 

 

從880℃以30℃/min 和60℃/min 的緩慢冷速→冷卻至680℃保溫10min→然后以180 ℃/min 的速率冷卻至室溫。 

 

從860℃以200℃/min 的快速冷卻速度→冷卻至680℃保溫10min→然后以180℃/min 的速率冷卻至室溫。    

兩種工藝下的高溫組織見圖10～圖11。

從冷卻速度試驗(yàn)可知：880℃以上，即使冷卻速度降到極低，也有針狀組織形成，冷速越大，形成的針狀組織越多，見圖10。860℃以下，即使冷卻速度升到很高（低于淬火冷速），也沒有針狀組織形成，見圖11。

 

2.結(jié)果分析

 

關(guān)于魏氏組織的形成機(jī)理，學(xué)術(shù)上比較著名的有三種理論：貝氏體切變理論、類馬氏體相變理論以及成核和長大擴(kuò)散型理論。這三種理論均是基于魏氏體針狀組織的表面浮凸效應(yīng)進(jìn)行論證。本文同樣根據(jù)魏氏組織形成的浮凸效應(yīng)，在高溫金相試驗(yàn)中，試樣全部在拋光狀態(tài)，不經(jīng)過腐蝕顯示組織，利用激光三維成像，實(shí)時真實(shí)地呈現(xiàn)針狀組織的形成過程，所有針的形成均伴有浮凸效應(yīng)。利用高溫激光共聚焦顯微鏡，可以真實(shí)、實(shí)時地觀察到“針”從開始出現(xiàn)到析出完成的全過程以及相應(yīng)的溫度、時間點(diǎn)。   

 

根據(jù)45鋼高溫金相組織轉(zhuǎn)變試驗(yàn)結(jié)果可得出以下結(jié)論：

 

（1）加熱溫度高于860℃，冷卻過程中均形成魏氏組織，加熱溫度越高，形成魏氏針狀組織越多，針越粗長。

 

（2）在等溫冷卻方式下45鋼于680℃保溫時形成魏氏組織。如果加熱溫度大于1000℃，則從680℃繼續(xù)冷卻至511℃時，隱針開始生成細(xì)針狀魏氏組織；在連續(xù)冷卻方式下，魏氏組織開始形成的溫度隨加熱溫度降低略有降低。如果加熱溫度在1000 ℃以上，則魏氏組織開始形成溫度為680℃。隨加熱溫度的降低，魏氏組織的形成溫度降低5 ℃～30 ℃左右。

 

（3）魏氏組織中單個針從開始析出到完成一般只需6s左右，加熱溫度大于1000℃，多個針完全生成一般需20s以上。

 

工藝方案的設(shè)計(jì)側(cè)重于模擬攀長特公司現(xiàn)有的連軋、初軋生產(chǎn)工藝。試驗(yàn)中的加熱溫度對應(yīng)于實(shí)際生產(chǎn)的終軋溫度。針對魏氏組織形成的兩個因素——加熱溫度過高、冷卻速度過快考慮，冷卻速度在實(shí)際生產(chǎn)中對魏氏組織的形成不起主導(dǎo)作用。這是因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)的熱軋空冷過程中，鋼材的長度、規(guī)格以及環(huán)境溫度的影響等遠(yuǎn)大于被測試樣，其空冷速度應(yīng)比試驗(yàn)用冷卻速度的小的多，不可能形成生產(chǎn)中因冷速過快導(dǎo)致魏氏組織生成現(xiàn)象。因此在試驗(yàn)選取的冷卻速度下，研究高溫冷卻形成魏氏組織的溫度區(qū)間，試驗(yàn)結(jié)果完全可適用于生產(chǎn)；但在熱軋空冷過程中，要避開680 ℃～500 ℃這個形成魏氏組織的溫度區(qū)間，在現(xiàn)有的裝備條件下，幾乎不大可能實(shí)現(xiàn)。生產(chǎn)中要減少45 鋼中的魏氏組織，比較有效的方式是從下調(diào)終軋溫度著手，即必須下調(diào)加熱溫度。攀長特公司連軋廠現(xiàn)有的軋制工藝：加熱溫度為1050℃ ，終軋溫度在880℃～950 ℃之間；初軋加熱溫度為1220 ℃～1250 ℃ ；關(guān)于終軋溫度，一般小規(guī)格為850℃ ～950℃左右、大規(guī)格為950℃～1000℃左右。從本文的3組工藝試驗(yàn)結(jié)果來看，攀長特公司連軋廠和初軋廠現(xiàn)有工藝下的終軋溫度均會導(dǎo)致魏氏組織的形成，終軋溫度越高，形成的針量越多且針越粗大，魏氏組織的級別越高。

 

生產(chǎn)過程中要控制魏氏組織的形成，必須將終軋溫度控制在860℃及以下，按此工藝倒推，即降低軋制的加熱溫度。連軋廠生產(chǎn)從加熱軋制到終軋，根據(jù)成材規(guī)格，溫度降低大致100℃～150℃，將終軋溫度控制在860℃及以下，并調(diào)整加熱溫度至1000℃左右比較合理可行。對比初軋廠的軋制工藝，影響終軋溫度的因素包括加熱后傳遞和軋制兩個過程，在傳遞過程中根據(jù)規(guī)格大小，降溫在100℃～150℃左右。軋制根據(jù)軋制道次，降溫在100 ℃～150 ℃左右，目前，為保證透燒，加熱溫度一般使用1 250 ℃。為控制和改善魏氏組織，加熱溫度必須下調(diào)。根據(jù)軋制規(guī)格，下調(diào)100℃～150 ℃左右。從目前的工裝看，為確保終軋溫度控制在860℃，倒推加熱溫度調(diào)整至1200℃～1150℃比較合理。為了保證透燒，建議能通過降低加熱溫度，延長加熱保溫時間予以實(shí)現(xiàn)。

 

3.結(jié)論

 

(1) 利用激光共聚焦高溫顯微鏡研究45鋼高溫組織轉(zhuǎn)變，可以完整呈現(xiàn)魏氏組織形成的浮凸效應(yīng)。

 

(2) 加熱溫度高于860 ℃，45鋼在冷卻時形成魏氏組織。

 

(3) 45鋼魏氏組織一般在680 ℃～650 ℃開始析出，單個針完成析出用時2s～6 s，加熱溫度越高，析出的溫度較高，析出過程較長，形成的針狀組織量越多且針更粗長。

 

(4) 加熱1000℃以上，針狀組織析出分兩階段完成，在680℃等溫，析出針狀組織，一般析出在3s以內(nèi)結(jié)束，同時有隱針形成趨勢，隨后連續(xù)冷卻至511℃，隱針組織開始轉(zhuǎn)變成針狀組織，隱針完成析出用時10 s左右。

 

(5) 生產(chǎn)過程中要控制45鋼魏氏組織含量，應(yīng)在合理的加熱溫度下確保終軋溫度控制在860 ℃以下，方能保證在終軋后冷卻過程中抑制魏氏組織的析出。