微合金高碳硬线钢组织控制与性能研究*

陈海燕

(江阴兴澄特种钢铁有限公司， 江苏 无锡 214400)

引 言

高碳硬线钢广泛应用于轮胎、硬线弹簧、钢丝绳、纺织针布行业，其产品性能特点表现为高强度、高韧性、高耐磨性和高疲劳寿命。近期和未来随着中国经济和基础建设的快速发展以及对绿色制造的迫切需求，高碳硬线钢必将往高强韧性方向发展。

本文通过研究Nb在高碳钢中对组织转变和拉伸性能的影响，明确了Nb在高碳硬线钢中的积极作用：Nb为强碳化物形成元素，NbC在奥氏体晶界的析出和钉扎作用，有效抑制了奥氏体晶粒的长大，能显著细化珠光体团和片层间距。但是NbC在晶界的析出，导致晶界局部贫碳和铁素体的析出，对高碳钢性能不利，实际生产通过Nb，V的综合作用，能够抑制晶界铁素体和渗碳体的析出，实现钢的高强韧性匹配。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为90碳Ф5.5 mm线材，1#和2#试验钢化学成分如表1所示。Ф5.5 mm线材生产工艺流程为：100 t转炉→100 t LF炉精炼→大方坯连铸→中间坯→高线厂加热→轧制→斯太尔摩控冷→检验→包装入库。

表1 试验钢化学成分/%

1.2 试验方法

在线测量1#，2#试验钢斯太尔摩风冷线连续冷却过程，并记录风冷线上不同时间点相变温度，绘制成连续冷却转变曲线，研究1#，2#钢相变时间和相变温度差异。分别取1#，2#试验钢Ф5.5 mm盘条，加工成横向试样，经研磨、抛光后采用4%硝酸酒精溶液腐蚀，在金相显微镜和电镜下观察组织，对比索氏体组织差异性。分别取1#，2#试验钢Ф5.5 mm盘条进行拉伸数据对比，研究拉伸性能差异。

2 结果与讨论

2.1 对索氏体相变的影响

1#，2#试验钢经过加热、轧制，控制吐丝温度为850-950 ℃，通过调整斯太尔摩冷却线上的风机风量，达到索氏体相变温度在550-700 ℃范围的控制要求，记录不同时间点相变温度，绘制成连续冷却转变曲线并对比，如图1所示；2#试验钢对比1#试验钢索氏体相变延后，相变温度更低，相变时间延长，说明索氏体相变更充分。

这是由于Nb和V配合加入钢中，能增加奥氏体稳定性，促使索氏体相变温度降低同时相变时间延后；而NbC在奥氏体晶界的析出降低了C在奥氏体内的浓度，同时也降低了C在奥氏体内的扩散速率，因而推迟了珠光体的形核和长大，延长了整个相变过程，相变更充分。

图1 试验钢连续冷却转变曲线对比

2.2 组织特征对比

将1#，2#试验钢在金相显微镜下对比实际晶粒度，添加了Nb，V的2#试验钢珠光体团尺寸8级，1#试验钢珠光体团尺寸6级。如图2所示。

图2 试验钢珠光体团级别对比

在电镜下2000倍和10000倍下进一步对比试验钢珠光体团簇和珠光体片间距，如图3，4所示。2#试验钢珠光体团更细小，珠光体片层间距更细。这是由于Nb，V的加入使钢的CCT曲线往右下移动，促使索氏体相变延后同时相变温度降低，索氏体片层更细[1]。

图3 试验钢珠光体团簇对比

图4 试验钢珠光体片间距对比

图5 试验钢晶界铁素体析出对比

通过试验钢组织对比同时还发现：高碳硬线钢中Nb的添加，由于NbC的析出造成了局部贫碳区，导致晶界铁素体的析出，如图5所示，对高碳索氏体钢性能控制不利[2]。

实际生产中，通过提高盘条在线冷却速率，可以有效抑制铁素体的析出。如图6所示，加Nb试验钢提高冷却速率，铁素体比例明显减少。

2.3 拉伸性能对比

将1#和2#试验钢 Ф5.5 mm盘条进行常温拉伸数据对比，如图7所示，添加了Nb，V的2#试验钢平均抗拉强度1300 MPa，断面收缩率42%，而1#试验钢平均抗拉强度1230 MPa，断面收缩率38%。2#试验钢比1#试验钢强度提高70 MPa，断面收缩率提高4%。

图7 试验钢抗拉强度、断面收缩率对比

对高碳索氏体钢的研究认为，珠光体片层粗细主要影响钢的抗拉强度，而珠光体团的大小则影响钢的断面收缩率。试验钢由于珠光体团簇更小，珠光体片层间距更细，实现了强韧性的同时提升。

3 结束语

(1)高碳硬线钢中添加Nb，V元素，促使索氏体相变延后，相变温度降低，同时相变时间延长，相变更充分。

(2) Nb，V的综合作用可以细化晶粒，促进珠光体团簇和片间距的细化，同时提高钢的强韧性。

(3)当奥氏体晶界有NbC析出时，促进了晶界局部贫碳和铁素体形核，同时增加了共析碳含量，容易导致晶界铁素体形成，对高碳索氏体钢性能不利，通过提高盘条在线冷却速率可以有效抑制铁素体析出。