刘辉杰 万 勇 冯小明 李 杰 温永红 张 磊

(1.新余钢铁集团有限公司技术中心，江西新余 338001；2.安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山 243032；3.新余钢铁集团有限公司第一炼钢厂，江西新余 338001)

硼对65钢连续冷却转变行为的影响

刘辉杰1万 勇2冯小明1李 杰2温永红2张 磊2

(1.新余钢铁集团有限公司技术中心，江西新余 338001；2.安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山 243032；3.新余钢铁集团有限公司第一炼钢厂，江西新余 338001)

利用热膨胀法和金相- 硬度法，研究了冷却速率(0.1～35 ℃/s) 对不含硼和含0.001 5%硼(质量分数，下同)的65钢过冷奥氏体连续冷却转变的影响。结果表明，65钢在连续冷却过程中，当冷速为0.1～5 ℃/s 时，组织为铁素体加珠光体；冷速为5～15 ℃/s时，主要是珠光体；冷速为15～35 ℃/s时，主要是板条马氏体加少量珠光体。随着冷却速度的增加，不含硼和含0.001 5%硼的65钢硬度值均逐渐增大。在相同冷速下，相比不含硼的65钢，含0.001 5%硼的65钢铁素体晶粒和珠光体片层间距更小、总体硬度更高。为获得具有优异拉拔性能的索氏体，对于不含硼65钢，其冷速应控制在5～10 ℃/s，对于含0.001 5%硼65钢，其冷速应控制在10～15 ℃/s。

硼 65钢 冷却速率 CCT曲线 显微组织

65钢热轧盘条作为制造钢丝绳的重要材料，目前已广泛应用于加工低松弛预应力钢丝、钢丝绳、弹簧等金属制品，其市场前景非常广阔。新余钢铁集团有限公司(简称“新钢”)生产的65盘条(φ5.5、φ6 mm)主要供给客户以生产高强度细钢丝绳。经客户反映，新钢生产的65盘条在拉拔过程断丝现象较为严重。据文献报道，铸坯内部缺陷、钢中脆性夹杂物和盘条组织异常是造成这一问题的重要原因，主要表现为中心碳偏析、B和C类夹杂物超标、马氏体和网状渗碳体[1- 3]。崔怀周等指出，在高碳钢中加入少量硼可显著提高C类硅酸盐夹杂的变形能力，进而提高热轧状态下钢的塑性[4- 6]。然而，硼在钢中的另一显著作用是提高钢的淬透性[7]，可能会影响轧制和控冷过程的组织转变，进而影响产品性能，但目前关于含硼高碳钢连续冷却转变过程的组织转变行为的研究尚未见报道。因此，本文主要对不含硼和含硼65钢过冷奥氏体连续冷却转变行为进行研究，旨在为含硼高碳钢的热轧控冷和热处理工艺制订提供依据，以改善其组织和性能。

1 试验材料与方法

通过工业试验冶炼两炉试验钢，一炉为普通65钢，另一种为加硼65钢，两炉钢的化学成分如表1所示。两炉钢经铸坯取样后分别加工成若干个φ6 mm×10 mm的试样，然后进行静态CCT测定，试验在Gleeble- 3500热模拟试验机上进行。热模拟试验过程参数如下：在真空条件下，将试样以10 ℃/s的速率从室温加热到920 ℃并保温5 min，然后分别以0.1、0.5、1、5、10、15、20、30、35 ℃/s的速度冷却到室温。

表1 试验钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical compositions of the tested steels (mass fraction) %

试验结束后，试样经热镶、研磨和抛光，然后用2%硝酸酒精溶液浸蚀，再用Olympus BX51M光学金相显微镜和JSM- 6510LV扫描电子显微进行微观组织的观察和分析。根据各试样不同冷速下膨胀曲线的拐点(切点或极值点)和显微组织等参数确定不同冷速时的相变温度，绘制试验钢的静态CCT曲线。利用HVT- 1000A型硬度计测定试样不同冷速下的硬度值，试验力为1 kg，每个试样测3点，取平均值作为其硬度值，用HV1表示。

2 试验结果

2.1 冷却速度对不含硼和含硼65钢微观组织的影响

图1、 图2分别为不同冷速下不含硼和含0.001 5%硼的65钢显微组织。由图1可知， 随着冷却速度的增加， 不含硼65钢的显微组织从以多边形铁素体、珠光体为主逐渐过渡到以珠光体和马氏体为主。当冷却速度为0.1 ℃/s时，不含硼65钢的显微组织主要由先共析铁素体和珠光体组成；当冷速增加到0.5 ℃/s时，铁素体、珠光体组织细化，珠光体片层间距减小；当冷速增加到1 ℃/s时，组织中珠光体转变量增加，铁素体量逐渐减少且体积减小；当冷速增加到5 ℃/s时，组织主要为沿原奥氏体晶界析出的极少量多边形先共析铁素体和珠光体；当冷却速度为10 ℃/s时，先共析铁素体消失，出现了马氏体；随着冷速的继续增加，主要为珠光体和马氏体混合组织，且马氏体体积分数不断增多。

当冷却速度为0.1 ℃/s时，含0.001 5%硼65钢的显微组织主要为先共析铁素体加珠光体。随着冷却速度的增加，铁素体、珠光体细化，珠光体片层间距减小；当冷速增加到10 ℃/s时，组织以珠光体为主，出现了极少量的铁素体；当冷速增加到15 ℃/s时，先共析铁素体消失，整体上都是珠光体组织；当冷速达到20 ℃/s时，出现了马氏体；随着冷速的继续增加，组织中珠光体含量减少，马氏体转变量增多。

2.2 冷却速度对不含硼和含硼65钢硬度的影响

不同冷速下，不含硼和含0.001 5%硼65钢的硬度如表2所示。从表2中可以看出，随着冷却速率的增加，两种钢的显微硬度逐渐增大。这主要是由于随着冷速的提高，组织中相的构成发生变化，逐渐由低硬度的铁素体、珠光体组织向高硬度的马氏体转变。在相同冷速下，相比不含硼65钢，含0.001 5%硼65钢的总体硬度更高。

2.3 不含硼和含硼65钢CCT曲线的测定

根据不同冷却速度膨胀曲线上的拐点(切点或极值点)，结合金相显微镜、扫描电镜和硬度结果确定实际相变温度，绘制不含硼和含0.001 5%硼65钢的静态CCT曲线，如图3所示。由图3可以看出， 两种试验钢的奥氏体在不同冷速下的连续冷却过程中， 分别发生了铁素体转变、 珠光体转变和马氏体转变，从高温到低温的相变产物主要包括先共析铁素体、珠光体和马氏体。随着冷却速度的增大，铁素体和珠光体区域逐渐变窄，珠光体转变区变宽，相变区逐渐从铁素体和珠光体过渡到以珠光体和马氏体为主。在相同冷速下，相比不含硼65钢，含0.001 5%硼65钢由奥氏体转变为珠光体加铁素体的温度更低。结合表2还可看出，当冷却速度达到20 ℃/s时，含0.001 5%硼65钢才出现马氏体组织，由此可见，硼元素不仅延缓了65钢的γ→α转变，还推迟了其马氏体转变。此外，在430 ℃以上，冷却速度小于35 ℃/s时，65钢过冷奥氏体在不同冷速下均发生了γ→P的转变，得到不同形态的珠光体组织，包括片状珠光体、层状索氏体和珠光体- 索氏体过渡组织。当冷至Ms点以下时，其过冷奥氏体转变为马氏体。

图1 不同冷速下不含硼65钢的显微组织Fig.1 Microstructures of 65 steel without boron under different cooling rates

图2 不同冷速下含0.001 5%硼65钢的显微组织Fig.2 Microstructures of 65 steel with 0.001 5% boron under different cooling rates

表2 不含硼和含0.001 5%硼65钢的显微硬度与冷速及组织的关系Table 2 Relationship among microhardness, cooling rate and microstructure for 65 steel without boron and with 0.001 5% boron

图3 不含硼(a)和含0.001 5%硼(b)65钢的CCT曲线Fig.3 CCT curves of 65 steel without boron and with 0.001 5% boron

3 分析和讨论

综合以上分析可知，冷却速度和硼元素对65钢连续冷却转变行为影响较大。随着冷速的增加，65钢铁素体开始转变温度降低，铁素体晶粒细化,珠光体片层间距不断减小(图1、2中(a)～(d))。其主要原因是随着冷速的增加，晶界、位错等处的临界形核自由能与均匀变形时的临界形核自由能逐渐减小，导致γ→α、γ→P转变的温度更低(即过冷度增大)，而高过冷度更有利于相变过程的铁素体、珠光体形核，促使其细化[8]。此外，相变温度越低，碳原子扩散速度和扩散距离越小，相界迁移率和晶粒长大速率也越小，导致在相同的形核速率下得到的铁素体晶粒尺寸和珠光体片层间距更细小[8]。在相同冷速下，相比不含硼的65钢，含0.001 5%硼的65钢由奥氏体转变为珠光体加铁素体的温度更低且总体硬度更高。其主要原因是硼在奥氏体晶界偏聚，进一步延缓了γ→α和γ→P转变，推迟了先共析铁素体和珠光体形成，导致珠光体片层间距更小[9- 12]，如图4所示。图4中不加硼的65钢珠光体片层间距平均值为511.1 nm，含0.001 5%硼的65钢珠光体片层间距平均值为446 nm。据文献报道，减小珠光体片层间距并促使其均匀化可有效提高钢的强度和塑性变形能力[13]。因此，在相同冷速下，相比不含硼65钢，含0.001 5%硼65钢的总体硬度更高。由此还可推断，65钢中添加0.001 5%硼有利于提高其拉拔性能。因此对于65钢，为了获得优异的拉拔性能，其微观组织应为片层间距细化(80～150 nm)的索氏体加少量铁素体。从图1和图2可以看出，如果不加硼，65钢的冷速应控制在5～10 ℃/s，若添加0.001 5%的硼，其冷速应控制在10～15 ℃/s。

图4 冷却速率0.1 ℃/s时(a)不含硼和(b)含0.001 5%硼65钢的珠光体片层间距Fig.4 Pearlite interlamellar spacing of 65 steel without boron and with 0.001 5% boron at a cooling rate of 0.1℃/s

4 结论

(1)在低冷速(0.1～5 ℃/s)转变区，不含硼和含0.001 5%硼的65钢相变产物主要是铁素体加珠光体。在中冷速(5～15 ℃/s)转变区，不含硼的65钢相变产物是珠光体加少量马氏体；含0.001 5%硼的65钢相变产物主要是珠光体。在高冷速(15～35 ℃/s)转变区，不含硼和含0.001 5%硼的65钢相变产物主要是马氏体加少量珠光体。

(2)随着冷却速度的增加，不含硼和含0.001 5%硼的65钢硬度均逐渐增加。在相同冷速下，相比不含硼的65钢，含0.001 5%硼的65钢的铁素体晶粒和珠光体片层间距更小、总体硬度更高。

(3)为了获得具有优异拉拔性能的索氏体，对于不含硼65钢，其冷速应控制在5～10 ℃/s，对于含0.001 5%硼的65钢，其冷速应控制在10～15 ℃/s。

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收修改稿日期：2017- 03- 01

EffectofBorononContinuousCoolingTransformationof65Steel

Liu Huijie1Wan Yong2Feng Xiaoming1Li Jie2Wen Yonghong2Zhang Lei2

(1. Technology Center of Xinyu Iron and Steel Co., Ltd., Xinyu Jiangxi 338001, China; 2. School of Metallurgical Engineering, Anhui University of Technology, Ma’anshan Anhui 243032, China; 3. The First Steel Plant of Xinyu Iron and Steel Co., Ltd., Xinyu Jiangxi 338001, China)

Through thermal expansion and metallographic- hardness method, the effect of cooling rate on the continuous cooling transformation of 65 steel without boron and with 0.001 5% (by mass, the same below) boron was studied. The results showed that during continuous cooling, the microstructure was ferrite and pearlite with the cooling rate ranging from 0.1 ℃/s to 5 ℃/s; when the cooling rate increased between 5 ℃/s and 15 ℃/s, the microstructure was pearlite; in the range from 15 ℃/s to 35 ℃/s, the microstructure was mainly lath martensite and a small amount of ferrite. With the increase of cooling rate, the hardness of 65 steel without boron and with 0.001 5% boron increased gradually. Under the same cooling rate, compared with the steel without boron, that with 0.001 5% boron obtained smaller ferrite grain size, pearlite interlamellar spacing and higher hardness. In order to obtain the sorbite with excellent drawing property, the cooling rate for 65 steel without boron should be controlled between 5 ℃/s and 10 ℃/s, and that with 0.001 5% boron should be controlled between 10 ℃/s and 15 ℃/s.

boron， 65 steel， cooling rate， CCT curve， microstructure

刘辉杰，男，高级工程师，主要从事钢铁新产品的研发

李杰，男，教授，主要从事钢铁产品质量控制研究，Email:yejinlijie@163.com