Q245 耐酸钢连续冷却转变分析

2023-07-01供稿马廷威王玉红徐勇武瑞珊张瑞峰

金属世界 2023年3期

供稿|马廷威，王玉红，徐勇，武瑞珊，张瑞峰

内容导读

内容导读：通过Gleeble-2000 热模拟实验机测定了Q245 耐酸钢在不同冷却速度下的过冷奥氏体连续冷却转变曲线，采用JMatPro 软件模拟了连续冷却转变曲线，研究了冷却速度与组织和硬度之间的关系。结果表明：Q245 耐酸钢加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度Ac1为728.5 °C，珠光体向奥氏体转变的开始温度Ac3为892.5 °C，转变的组织主要有铁素体和贝氏体。当冷却速度小于10 °C/s时冷却的组织以铁素体为主，而冷却速度大于10 °C/s 时冷却的组织以贝氏体为主；且随着冷却速度的升高，Q245 耐酸钢硬度随之增加。

木材中含有大量的水分，在制造家具前必须经过干燥，干燥窑是用来对木材进行干燥加工处理的主要装备。木材在干燥过程中，受热会排出大量的水分，甲酸、乙酸等低级脂肪酸10 多种弱酸，工作温度高温、高湿。目前干燥窑的窑体主要使用铝材（部分用不锈钢）但成本较高，市场上的耐酸钢[1−5]等产品无法适用。Q245 耐酸钢的研究拟代替传统的铝合金和不锈钢，以降低干燥窑生产成本。

钢的连续冷却转变曲线能够反映材料的组织转变过程、组织转变产物以及相关转变规律，是制定轧制工艺和研究热处理工艺的重要参考资料。本文采用Gleeble 热模拟实验机测定Q245 耐酸钢在不同冷速条件下的连续冷却转变曲线，研究连续冷却转变过程中的组织转变和规律，为Q245 耐酸钢的轧制工艺制定提供参考。

试样制备与实验方法

针对Q245 耐酸钢使用环境并参考相关耐酸钢资料[6−9]，设定其成分为低碳并适当添加铜和铬等元素以提高材料的抗腐蚀性能和力学性能。冶炼采用真空炉（VIM），铸锭后，送锻造厂进行锻造，锻造后的材料机械加工成热模拟试样，以备热模拟实验。实验用钢的成分如表1 所示。

表1 实验用钢成分（质量分数） %

为从理论上确定奥氏体化温度，采用JMatPro软件模拟实验钢凝固过程，得到合金的平衡相图，如图1 所示。通过图1 可知合金奥氏体化开始温度为708.3 °C，奥氏体化结束温度为884.4 °C。设定后续奥氏体化温度为960 °C，保温5 min。

图1 合金的平衡相图

在实验材料上截取ϕ3 mm×80 mm 的试样，放入Gleeble 2000 热模拟实验机，加热温度为960 °C，保温5 min。实验材料完全奥氏体化后采用不同的冷却速度冷却到室温，冷却速度分别为35，30，25，20，15，10，5，2 和1 °C/s，冷却后的试样经过取样、磨制和抛光后，采用质量分数4%的硝酸酒精腐蚀剂进行腐蚀，腐蚀后的试样采用ZEISSAxioPlan2显微镜观察金相。

实验结果与讨论

显微组织

图2为不同冷却速度的金相组织，组织为白色铁素体和黑色贝氏体，不同冷却速度的组织大小差异明显，随着冷却速度的增大，晶粒尺寸变小，尤其是冷却速度大于25 °C/s 尤为明显，贝氏体区域更加分散、细小。当冷却速度较小时（≤10 °C/s），显微组织以粗大的等轴铁素体为主和少量贝氏体，这是因为冷却速度慢，原子的扩散速度较慢，相对高温停留时间较长，导致高温析出的铁素体较多，且有充足时间长大[10]；当冷却速度较大时（≥25 °C/s），显微组织以贝氏体为主和少量的铁素体，这是由于冷却速度的加快，相对高温停留时间较短，导致高温析出的铁素体变少，且有晶粒尺寸较小[11]。当冷却速度在15 °C/s 时，微观组织为贝氏体、铁素体。随着冷却速度的增大，铁素体占比逐渐变小，而贝氏体占比增大，且贝氏体尺寸更加细化。这是由于温度的降低，原子的热运动性能降低，导致先共析铁素体长大困难，降低了其尺寸和占比。

图2 不同冷却速度下试样金相组织：（a）1 °C/s；（b）2 °C/s；（c）5 °C/s；（d）10 °C/s；（e）15 °C/s；（f）20 °C/s；（g）25 °C/s；（h）30 °C/s；（j）35 °C/s

实验钢连续冷却转变曲线

结合微观组织和热模拟实验数据，绘制如图3 的连续冷却转变曲线。从图3 中可以看出，Q245 耐酸钢的转变区分为2 部分：高温转变区和中温转变区，奥氏体（A）转变产物分别是铁素体（F）和贝氏体（B）。在较低冷却速度下，即冷却速度控制在10 °C/s 以下时，Q245 耐酸钢获得的显微组织为铁素体组织为主，此阶段相变温度较高；当冷却速度大于10 °C/s，Q245 耐酸钢显微组织转变为为贝氏体组织为主，此阶段相变温度较低。考虑Q245 耐酸钢应用在耐酸环境中，其冷却速度应大于10 °C/s，此时获得贝氏体，冷却速度越快，贝氏体占比越大，但当冷却速度大于等于25 °C/s 后，微观组织变化较小。

图3 实验钢连续冷却转变曲线

图4为JMatPro 模拟钢样的连续冷却转变曲线，可以看出，合金的相变区分为铁素体区、珠光体区、贝氏体区3 个区域。当冷却速度控制在1 °C/s 以下时，合金会先析出铁素体、珠光体和贝氏体，当冷却速度控制在1 和10 °C/s 时，随着冷却速度的增加，组织从先共析铁素体+珠光体+贝氏体演变为从先共析铁素体+贝氏体。继续增加冷却速度至100 °C/s 时，组织为先共析铁素体+贝氏体。相变区域没有马氏体的出现，这与实验获得的连续冷却转变曲线结果基本一致。

图4 JMatPro 模拟的合金连续冷却转变曲线

显微硬度

图5为Q245 耐酸钢的显微硬度，随着冷却速度的增大，显微硬度升高。而冷却速度大于10 °C/s时，硬度上升幅度较小；当冷却速度达到20 °C/s后，硬度随冷却速度增加的趋于稳定。这是因为在该范围内，组织均为贝氏体+少量铁素体，且尺寸相当。而冷却速度小于10 °C/s 时，硬度较低，但上升明显。这是由于在该冷却速度范围内，得到的微观组织是铁素体为主，硬度较低，随着冷却速度的增加，组织中贝氏体数量也开始增加，晶粒尺寸减小，促使微观硬度增加。