钒含量对不同冷速冷却后高碳珠光体钢显微组织的影响

梁 宇，石芷伊，梁益龙

（1.贵州大学材料与冶金学院，贵阳550025；2.贵州省材料结构与强度重点实验室，贵阳550025）

0 引 言

SWRS82B盘条是用于生产优质钢丝钢绞线的重要原材料，其组织和性能对后期深加工产品的相关性能具有较大的影响，因此对盘条组织和性能的研究将有助于后期冷变形加工产品性能的提高。关于中高碳钢中采用钒元素进行微合金化以细化奥氏体晶粒及珠光体组织的研究均有过相关报道［1－4］。这些研究对钒元素细化奥氏体晶粒、珠光体团尺寸及片层间距的有益作用进行了试验验证，但是关于工业化生产中风冷即连续冷却条件下，不同含量钒微合金化对其组织影响的研究并不多见。鉴于此，作者采用SWRS82B盘条钢为原料进行钒微合金化，制备了不同钒含量的试样，然后模拟工业生产风冷（斯太尔摩风冷线）在不同冷速下对试样进行冷却，并观察其显微组织变化，探索了钒元素及冷却条件对高碳钢盘条显微组织的影响，为工业化生产高碳钢盘条微合金化方案提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验选用市售国产φ16mm SWRS82B钢盘条为原材料，在10kg真空中频感应炉中熔炼，根据真空熔炼炉原料中各元素含量烧损变化趋势，每一炉次通过添加一定量T10钢来调整碳元素含量。根据试验材料钒元素质量分数要求，在加料斗中放入所需质量钒铁，待观察到钢液熔化翻滚后（约1 550℃）倒入钒铁，保持10～20s时间均匀化后，将钢液倒入钢模浇铸成φ95mm铸锭，再将铸锭锻造为φ17mm的圆棒。试验钢最终化学成分见表1所示，编号按实际炉次给出。

从试验材料切取尺寸φ17mm×20mm试样若干，在SX2－10－12A型箱式电阻炉中加热到860℃保温20min。出炉后试样分别在可调频风机上进行风冷，冷却速率分别为16℃·s－1和10℃·s－1，另对4－2试样加热后进行冷速较快的500℃盐浴处理。

将热处理后的试样表面打磨和抛光后用体积分数3%的硝酸酒精进行腐蚀，在PMG－3型光学显微镜下观察显微组织；采用过饱和苦味酸溶液进行晶粒形貌腐蚀，用截线法测量平均晶粒尺寸；通过线切割切取1mm厚度试样，用金相砂纸反复抛磨后通过电解双喷减薄制样，在JEM－2000FXII型透射电子显微镜（TEM）上进行组织观察。

采用Pandata热力学计算软件及PanFe数据库对不同钒含量碳钢进行热力学计算，除钒外其余成分按三炉次平均值给出。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图1可见，SWRS82B盘条钢的组织相对较均匀，为常见的索氏体；对于碳元素含量偏低、钒元素含量偏高的试样1－1，奥氏体化后在较慢的冷速10℃·s－1下风冷时，晶界上局部可见先共析铁素体，当提高冷却速率到16℃·s－1后，先共析铁素体基本未出现；但对于碳元素含量比较高，钒元素含量偏低的试样3－2，奥氏体化后在两种冷速下风冷后组织均为均匀的索氏体，未见先共析铁素体出现；而钒元素含量明显提高的试样4－2，其索氏体组织明显细化［5］，但是在两种冷速下风冷后，在晶界上均出现了明显的先共析铁素体块；试样4－2经奥氏体化及500℃盐浴处理后，没有明显的先共析铁素体出现。

选取了试样1－1及试样4－2进行原始奥氏体晶粒尺寸统计，如图2所示。统计结果显示试样1－1的平均晶粒尺寸为55.73μm，试样4－2的平均晶粒尺寸为44.21μm，可见钒元素含量较高的的试样4－2的晶粒尺寸明显细小。

对高碳珠光体钢冷却过程中出现先共析铁素体这一现象，在文献［6］中也提到过，且指出其数量随钒含量、冷速、转变温度的不同而变化。同时有研究指出这一现象在碳质量分数为0.85%、钒质量分数大于0.1%的钢中也会出现，其认为钒可促进珠光体钢先共析铁素体的转变［7］。还有研究［8］指出，钒的碳化物优先在晶界形核，使晶界区产生碳的贫化，从而促进了铁素体的形成。

钒元素的加入，会增大碳化物形核的驱动力，提高晶界上碳化物形核数率，碳化物在晶界形核长大是各自独立且同时发生的，随着碳化物的形核长大，在晶界碳化物周围形成贫碳区，促使铁素体在晶界碳化物析出的附近区域形核［9］。晶界上碳化物的密度高，加之形成铁素体的驱动力有限，这样就构成了不利于配合长大的初始条件，铁素体包围了晶界上的碳化物。在文献［10］对SWRH77B钢的研究中也指出，高碳钢中加入的钒元素达到一定量后会使晶界碳偏析程度加大，碳化物在晶界析出倾向增加，而碳化物的析出又会使周围区域贫碳导致铁素体析出倾向增大。

由图3可见，以16℃·s－1冷却的试样4－2晶界上有明显非连续碳化物富集，碳化物富集的晶界一侧为先共析铁素体，另一侧为珠光体；珠光体以晶界形成的碳化物为核心，向晶粒内生长，且在晶界形核的珠光体由于取向原因只向其中一个晶粒内长大，而不能同时向两个晶粒内生长，这与文献［11］报道的珠光体在晶界形核长大的形貌一致。文献［12］也报道了珠光体相变时取向关系，指出由于珠光体内的铁素体和渗碳体两相在生长过程中需保持良好配合，晶界上形成的珠光体更易向与其无特定取向关系的晶粒内生长。

因此在冷却时奥氏体转变初期钒元素促进晶界上析出碳化物后，在取向合适的晶粒内，晶界碳化物可作为先析出相使珠光体在此形核、长大［13］。在取向不合适的晶粒内，虽然钒元素的加入促进了晶界碳化物析出，但由于取向的因素［12］，渗碳体与铁素体较难向这个晶粒内部生长，而附近区域形成的贫碳区正好促进了先共析铁素体的形成。由于这类铁素体是在晶界附近形成，因此在低分辨率光学显微组织下犹如铁素体沿晶界析出。从图3中也可见，晶界附近的一个晶粒内，贫碳区形成的先析出铁素体是独立长大，而不是与渗碳体配合通过交替形核长大形成片状组织，因此失去了共析组织的层状组织特征，具有离异共析形貌。

2.2 相图计算

从图4可见，钒质量分数为0.16%时计算相图中的共析点相对钒质量分数为0.06%时的明显向右移动，使得钢中先共析铁素体区域扩大，在冷却过程中需要以更快的冷却速率通过这一区域才能避免先共析铁素体的析出。同时通过计算得出在相变温度为500℃时，钒质量分数为0.06%的试样，析出碳化物MC的质量分数为0.07%；而相同温度下，钒质量分数为0.16%的试样析出碳化物的质量分数为0.2%，这与前述钒元素促进碳化物相析出的结论一致。

试验钢碳质量分数在0.78%～0.8%时，计算所得共析点的碳质量分数低于传统意义上共析点0.77%的碳质量分数，文献［10］对碳质量分数为0.77%～0.78%的SWRH77B碳钢共析点的计算结果为0.72%～0.69%，其认为由于硅、锰均是降低共析点碳含量的元素，作者根据热力学定义该钢依然属于共析钢。得到的相图计算只对钒元素含量对相区影响的趋势进行了验证，并考虑冷却过程中钒元素及其碳化物在局部区域元素富集的情况，因为局部区域钒元素富集可能会导致共析点进一步偏移，所以钒元素的加入在一定程度上也能促进先共析铁素体的形成［7］。

珠光体钢构件在服役或冷变形加工受力过程中，当珠光体钢中珠光体组织内的铁素体片间距较小时，位错塞积数量较少，而且位错的应力集中可以通过珠光体组织中薄的渗碳体片的变形来缓解，因此细珠光体组织的钢具有较好的强塑性配合。而当先共析铁素体沿晶界析出后，位错将在沿晶界的铁素体内开始增殖滑移，当遇到晶界阻碍后很快在晶界处塞积，由于晶界铁素体尺寸相对较大，开动的位错数量多，晶界处位错塞积较多，应力集中程度大，难以降低，因而造成晶界裂纹的快速扩展导致脆性断裂。这将对盘条性能产生明显的影响，很多工程应用中都有因组织中铁素体而导致盘条［14－16］甚至成品钢丝［17］性能恶化的情况。

3 结 论

（1）矾元素的加入能细化SWRS82B盘条钢奥氏体晶粒；当钒质量分数大于0.16%时，在16℃·s－1风冷冷速下，将沿晶界出现铁素体，当提高冷速如500℃盐浴时，才能避免铁素体形成；钒含量控制在小于0.08%，风冷速率在10～18℃·s－1范围内均能抑制铁素体析出。

（2）钒元素的加入会促进试验钢在晶界处碳化物的富集，珠光体可在取向有利的晶粒内以晶界碳化物为先析出相形核长大，但在另一个珠光体生长取向不利的晶粒内形成贫碳区，铁素体在晶界附近贫碳区形成，铁素体与渗碳体不再交替配合生长，失去共析组织形貌，呈现出先共析铁素体沿晶界分布的形貌。

（3）通过热力学软件计算表明，钒元素加入促进相变过程碳化物的析出，同时会使高碳钢共析点右移，扩大先共析铁素体相区。

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