75E钢线材出现马氏体组织的研究

    在某段时间内，高速线材厂轧制规格为Ø5.5mm的75E线材时，一些批次出现马氏体。由平炉冶炼的3023批号线材中未出现马氏体，而由电炉冶炼的3024、3025、3035批号的线材中均出现了马氏体。为了探明成因，以便制定相应的措施，避免再生产此类不合格产品，需要进行相关的试验研究。
    1  方案设计
    通常，电炉炼钢的原料是废钢，来源较杂，一般Cr、Ni、Cu等合金元素含量偏高。而合金元素能推迟奥氏体向珠光体的转变，从而降低钢的临界冷却速度，增加钢的淬透性。此外，同时含有两种或多种合金元素，其推迟珠光体的转变比单一元素的作用要大得多。如果Cr、Ni等溶解到奥氏体中，都增大过冷奥氏体的稳定性，使“C”曲线右移，Cr不但使“C”曲线右移，而且改变“C”曲线的形状，降低上、下临界冷速。
    对共析钢的CCT曲线来说，如果冷却速度线穿过珠光体转变终了线，即冷却速度大于下临界冷却速度，过冷奥氏体应能完全转变成珠光体，冷速介于上、下临界冷速之间时，过冷奥氏体在珠光体转变区就不能完全转变为珠光体，部分奥氏体稳定地保留下来，继续冷却到Ms点以下时就会形成马氏体。
    现场大规模生产，轧后冷速控制不当也会导致马氏体的出现。在轧制优质硬线时，高线斯太尔摩控冷线一般冷速在10℃/s左右，而10℃/s的冷却速度对共析钢来说，应当只是形成索氏体组织的冷。如果废钢中含有多种合金元素，冶炼后残存于成品钢中，会使“C”曲线右移，有可能在一定冷速条件下使本来可穿过珠光体转变终了线的冷却速度线落到了上、下临界冷速之间，造成珠光体转变不完全，而最终形成马氏体。
    因此，制定如下试验方案：通过化学成分分析，研究化学成分对组织的影响；通过热模拟试验，研究线材奥氏体化后不同冷速对组织的影响。
    2  试验内容
    2.1 化学成分分析
    对熔炼化学成分，3024、3025、3035三个批号各元素的质量分数见表1。

表1  熔炼成分分析结果          w/%

    对成品成分分析，从3024、3035两个批号中各选一卷盘条（2t），按头、中、尾分别取样进行化学分析，并选取批号为1781规格为Ø10mm的盘条样进行化学成分分析，各元素的质量分数见表2。

表2  成品化学成分分析结果          w/%

    2.2 显微组织分析
    选3024、3025、3035三个批号的线材分头、中、尾取样，进行显微组织检验，其结果见表3。

表3  显微组织检验结果

    2.3 热模拟试验
    2.3.1 组织正常与异常批号线材的对比试验
    选取3024、3025、1781批号的线材样品，每个批号各截取4个10mm长的试样在Gleeble2000热模拟试验机上进行热模拟试验，先将试样都加热到880℃，保温约5min，然后将每个批号的4个试样分别以5℃/s、10℃/s、15℃/s、20℃/s的冷却速度进行冷却，以观察不同冷速下的组织状况，结果见表4。

表4  热模拟试验后显微组织检验结果

    2.3.2 不同直径的试样对比试验
    选取批号为1781的Ø10mm的线材，将其加工成Ø8mm长度为15mm、Ø5.5mm长度为12mm的试样各3个，做热模拟对比试验。将试样加热到880℃，保温约10min，然后将每种规格的3个试样分别以5℃/s、10℃/s、15℃/s的冷却速度进行冷却，以观察不同冷速下的组织状况，结果见表5。

表5  热模拟试验后显微组织检验结果

    2.3.3 热模拟试验冷却曲线的对比
    将轧态组织正常和异常试样的热模拟试验冷却曲线进行对比分析，观测其一定冷却速度下的珠光体相变温度根据曲线读取珠光体开始相变的近似温度。结果见表6。

表6  Ø5.5mm不同批号的珠光体相变温度

    3  分析讨论
    通过上述试验得出以下结果：
    （1）从化学成分分析结果来看，熔炼成分3024、3035批号的碳含量处于标准允许范围。而成品成分碳含量均低于标准的下限。其中成品3035批号中的Cr元素含量偏高，其质量分数为0.31%-0.32%，超出w(Cr)≤0.25%标准，成品3024、3035批号Cr、Ni含量比1781批号高一个数量级，可能还有其它合金元素的影响，使3024、3035以10℃/s冷却速度冷却时，其组织中便出现了马氏体。
    （2）通过对批号为1781的线材加工成的3个直径Ø10mm、Ø8mm、Ø5.5mm的试样进行热模拟试验，未发现热模拟试样的直径大小对相同冷速下冷却后所得的组织有影响。
    （3）通过对组织正常批号与异常批号进行热模拟对比试验，发现轧态组织正常的线材经过奥氏体化加热后以20℃/s冷却，未出现马氏体。而轧态组织异常的线材，以5℃/s冷却未出现马氏体，以10℃/s冷却就出现了马氏体。可见在生产3024、3035批号的线材时，应可以通过降低冷却速度得到正常组织。
    （4）从热模拟冷却曲线可以看出，批号为3035、3024的珠光体相变温度比批号为1781的珠光体相变温度要低，而批号为3035的试样Cr、Ni含量最高，其珠光体相变温度最低为584℃，批号为1781的珠光体相变温度为648℃。可见Cr、Ni等合金元素确实使“C”曲线发生右移。
    （5）3024、3025、3035批号轧态组织主要为马氏体，与轧后冷速也有一定的关系，因为热模拟20℃/s的冷速下组织中的马氏体量也远不如轧态组织中的多，可能是生产现场轧后冷却控制不当。
    4  结语
    线材合金元素成分偏高在轧制中容易使其在较低的冷速下出现马氏体。热模拟试验表明，以10℃/s冷速冷却，批号为3024、3025、3035试样会出现马氏体组织。实际生产中轧后冷却可能控制不当也是轧态组织中出现马氏体的原因之一。在轧制合金元素偏高的高碳钢线材时，应适当降低冷速。