控轧控冷获得低成本高性能铆螺钢的研究

2021-07-20刘明军李壮权纯逸任沛霖

金属加工(热加工) 2021年7期

刘明军＊，李壮＊，权纯逸，任沛霖

1.沈阳航空航天大学材料科学与工程学院辽宁沈阳 110136

2.沈阳飞机工业（集团）有限公司辽宁沈阳 110000

1 序言

铆螺钢产品在工业生产中一直被广泛应用[1]。高等级的铆螺钢在制造各种所需零件时必须要采用不同的热处理工艺[2]，而控制轧制实质就是一种形变热处理，形变强化可以细化晶粒。采用控轧控冷可以改善钢的组织[3]，减少甚至完全代替热处理，获得低成本、高性能的铆螺钢。笔者对铆螺钢进行了控轧后的控制冷却研究，控轧控冷工艺如图1所示，获得了较为满意的力学性能。

图1 控轧控冷工艺示意

2 试验材料与方法

试验的铆螺钢化学成分为：wC=0.186%、wSi=0.171%、wMn=0.437%，以及微量的杂质元素。80mm×80mm×30mm的坯料在1150℃加热1h后，使用φ450mm轧机轧制。经二道次轧制，850℃终轧后分别采用空冷或水冷至650℃、600℃、550℃后再空冷至室温，获得4mm×100mm×480mm的成品，分别制作1#、2#、3#、4#试样。然后对其分别进行拉伸试验、组织分析以及珠光体的体积分数和铁素体晶粒尺寸的测定。

3 试验结果与讨论

3.1 显微组织

控轧控冷后的金相组织如图2所示。由图2可看出，空冷后的组织为多边形铁素体和珠光体，其中铁素体晶粒较为粗大（见图2a），而水冷至650℃、600℃、550℃的组织，不仅铁素体晶粒细化，而且珠光体增多，且随冷却温度降低，珠光体层片间距减小。1#、2#、3#、4#试样珠光体的体积分数分别为26%、41%、64%、65%，铁素体晶粒尺寸分别为51nm、27nm、26nm、21nm （见图2b～d）。

图2 铆螺钢控轧控冷后的金相组织

3.2 力学性能

对于铆螺钢成品料，每块取3个试样进行拉伸试验，用抗拉强度与伸长率的乘积（强塑积）表征其综合性能。4种工艺下的平均力学性能结果见表1。空冷1#试样的抗拉强度、屈服强度最低，抗拉强度仅为445MPa；随水冷温度降低，抗拉强度、屈服强度提高。水冷到550℃时，4#试样的抗拉强度达530MPa，伸长率也逐渐提高，达28%。水冷导致抗拉强度提高了将近100MPa。

表1 铆螺钢控轧控冷后的力学性能

3.3 结果分析与讨论

当试样终轧后空冷时，冷却过程中的奥氏体-铁素体相变有充分的时间，铁素体能够形核和长大，因此1#试样的铁素体晶粒相对粗大（51nm）；水冷时，由于扩散相变时间减少，铁素体的相变受到了抑制，水冷温度越低，铁素体的相变时间相对越短，因此，4#试样的铁素体晶粒相对细化（21nm）[4]。形变强化细化了晶粒。根据霍尔-佩奇关系式[5]，晶粒尺寸的减少一般导致极限抗拉强度和屈服强度的增加，晶粒越细，强度越高，即

式中σy——下屈服应力（MPa）；

K——材料常数；

Ky——强化系数；

d——铁素体晶粒尺寸（nm）。

晶粒越细，单位体积内晶粒的数目越多，参与变形的晶粒数目越多，变形也越均匀，同时晶粒越细小，引起应力集中程度越低，引起裂纹形成倾向也越小，并可推迟裂纹的形成和扩展，且一旦形成裂纹，一般裂纹扩展在晶界要改变方向。晶粒细小不利于裂纹扩展，金属能够发生很大的塑性变形而不断裂，因而使塑性、韧性提高。

轧制以后控冷造成了珠光体含量增多，出现了伪共析组织，如图3所示。

图3 伪共析组织出现示意

由图3可看出，奥氏体快冷到影线区时，发生了珠光体转变。转变产物的珠光体是由非共析成分的奥氏体获得的，虽然也由片状铁素体和渗碳体组成，但它们的相对含量、片层相对厚度不同于共析成分的珠光体，又称为伪共析体[6]。水冷温度越低，这种偏离共析成分的伪珠光体体积分数越多，4#试样的伪珠光体体积分数最高（65%）。而水冷温度越低，伪珠光体的层片间距越小，这都导致了铆螺钢的强度、伸长率增高，因此4#试样的强塑积最高，达14840MPa%。控轧控冷能够实现以低碳钢代替中碳钢，铆螺钢获得了低成本和高性能。