16MnCr5高温热塑性及连续冷却转变曲线测定及应用.pdf

第 44 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.44.No.4August 2023特殊钢SPECIAL STEEL16MnCr5高温热塑性及连续冷却转变曲线测定及应用王宁涛1，2，王利军1，2，郭俊成1，3，韩光洋1，4（1 河北省线材工程技术创新中心，邢台 054027；2 邢台钢铁有限责任公司技术中心，邢台 054027；3 邢台钢铁有限责任公司线材厂，邢台 054027；4 邢台钢铁有限责任公司销售公司，邢台 054027）摘 要：动态高温热塑性实验表明16MnCr5钢在第II脆性区（9001 200）未出现脆性，最佳变形温度为8001 050。在600750 之间塑性变差，对应于第脆性区。连续冷却转变实验表明16MnCr5钢在0.53/s之间冷却时，得到均匀的铁素体和珠光体组织；超过5/s冷却时，出现贝氏体组织。16MnCr5钢连铸坯冷却到600 组织转变刚完成或尚未完成，因此，热装的温度应尽量低于600。16MnCr5钢盘条轧制后关闭保温罩缓冷，运用于生产30 mm大规格16MnCr5钢线材，组织为F+P，晶粒度约7.5级，硬度达到80HRB，组织均匀，可以满足下游用户拉拔、冷镦使用要求。关键词：16MnCr5钢；高温热塑性；CCT；热装DOI:10.20057/j.1003-8620.2023-00007 中图分类号：TG142.1Determination and Application of High Temperature Thermoplasticity and Continuous Cooling Transition（CCT）Curve of 16MnCr5Wang Ningtao1，2，Wang Lijun1，2，Guo Juncheng1，3，Han Guangyang1，4（1 Hebei Engineering Innovation Center for Wire Rod，Xingtai 054027，China；2 Technical Centre，Xingtai Iron&Steel Co.，Ltd.，Xingtai 054027，China；3 Wire Rod Plant of Xingtai Iron&Steel Co.，Ltd.，Xingtai 054027，China；4 Sales department of Xingtai Iron&Steel Co.，Ltd.，Xingtai 054027，China）Abstract：The dynamic high temperature ductility test shows that 16MnCr5 steel does not appear brittleness in the second brittle zone（900-1 200），and the optimum deformation temperature is 800-1 050.The plasticity decreases between 600 and 750，corresponding to the third brittle zone.The continuous cooling transformation experiment shows that when 16MnCr5 steel is cooled at speed between 0.5-3/s，uniform ferrite and pearlite structure can be obtained；When the cooling speed is more than 5/s，bainite appears.The structure transformation of 16MnCr5 steel continuous casting billet cooled to 600 has just been completed or has not yet been completed，therefore the temperature of hot charging should be lower than 600 as far as possible.After 16MnCr5 wire rod is rolled，close the insulation cover for slow cooling，which is conducive to subsequent processing.After rolling 16 MnCr5 steel wire rods，the insulation cover is closed for slow cooling，which is used in the production of 30 mm large size 16 MnCr5 steel wire rod.The microstructure is F+P with grain size about 7.5，hardness about 80HRB，and uniform microstructure，which can meet the requirements of downstream customers for drawing and cold heading.Key Words：16MnCr5 Steel；High Temperature Thermoplasticity；CCT；Hot Charging16MnCr5钢为德标产品，有良好的淬透性和切削性，低温冲击韧性高，经渗碳淬火后，用于齿轮、气门顶杆、链轮、凸轮轴等，用途广泛1。16MnCr5钢通常为棒材、线材产品，从连铸大方坯经过高温开坯或轧制得到最终产品。为了保证得到良好质量的产品，对轧制过程进行模拟以便更好的选择工艺。其中常用的实验是高温热塑性实验和奥氏体连续冷却转变实验。本文从连铸大方坯取样进行动态高温热塑性实验和连续冷却实验，以期为16MnCr5钢轧制工艺提供参考。单独测量高温热塑性以及连续转变曲线的研究已经有很多，但两者结合分析，并且联系对轧制以及热装工艺的影响目前还比较少见。1试验材料及方法高温热塑性从模拟轧制的角度出发设计试验过程。钢坯生产工艺为：80 t转炉-80 t LF精炼-80 t RH-连铸。连铸大方坯断面尺寸为280 mm325 mm，从近表面部分进行取样。车削成10 mm120 mm短棒，并在两端加工螺纹。试验材料的化学成分作者简介：王宁涛（1987-），男，硕士，高级工程师；E-mail：；收稿日期：2023-02-06120第 4 期王宁涛等：16MnCr5高温热塑性及连续冷却转变曲线测定及应用见表 1，在Gleeble-1500热模拟机上进行试验。高温热塑性试验方案如图 1 所示。预加热至1 100，保温5 min，加热速度为10/s。然后降温或升温到试验温度 T（速率 3/s），保温 3 min。测定试样在该温度下的断面收缩率和抗拉强度，拉伸速率为 0.01 s-1。试样拉断之后在热模拟试验机中自然冷却，冷却速度为1520/s。试验温度T从600、650、700、7501 200，每间隔50 进行一组试验，一共进行13组试验。连续冷却转变同样采用模拟轧制的方式：试样先加热到1 100，保温5 min。降温至935 （冷却速度为20/s），进行35%的应变（应变速率为20 s-1）；间隔1 s后，再进行30%的应变（应变速率为20 s-1）；应变完成后冷却至 850 （冷却速度为 20/s），从850 正式开始冷却转变试验，以不同的冷却速度冷却至 300。冷却速度分别为 0.1、0.5、1、3、5、10、15/s，动态CCT曲线试验如图2所示。2试验结果及分析2.1高温热塑性研究结果表明，钢在 6001 400 的温度区间，存在着三个塑性较差的区域，称之为脆性区2-3。随着冶炼水平提高，第I脆性区（1 200）和第II脆性区（900 1 200）目前已经较少提及。因为国标对于P、S、O含量的要求加严，出钢脱氧和保护浇注的普及，以及对Mn/S比的控制等，大部分钢种中O、S分别与Al、Mn结合，因此，无FeS、FeO等杂质在晶界的析出，减少了第II脆性区的出现机率。第III脆性区（600900）根据机理不同，又可以分为奥氏体的脆化和两相区或低温区的脆化。16MnCr5钢高温热塑性曲线如图3所示。脆性区发生在600750 之间，对应于第脆性区，断面收缩率最低处为700，断面收缩率为60%。微观形貌借助扫描电镜对比分析，如图4所示。650 和700 均具有准解理特征，没有明显的韧窝特征。700 放大3 000倍时可以看到断面上凸起部分类似城墙型或棱状，凸起部分可能是晶界位置，判断应该是晶间断裂类型。文献 5 表明，低碳钢出现晶间破坏主要是与先共析铁素体有关，先共析铁素体优先在奥氏体的晶界处形成，刚开始形成时以铁素体薄膜形式存在，对塑性的影响最大。1 000 试样韧窝比较大，该温度完全位于奥氏体相区，与两相区或铁素体相区断口形貌区别较大。1 050 以上断口已经液化无法分析。表116MnCr5大方坯的化学成分（质量分数）Table 1Chemical composition of 16MnCr5 bloom%C0.17Si0.05Mn1.20S0.005P0.014Cr1.05N0.0040Ni0.01Alt0.030O0.0011图1高温热塑性试验方案Fig.1Test scheme of high temperature thermoplasticity图2动态CCT曲线试验图Fig.2Dynamic CCT curve test scheme图316MnCr5钢的高温热塑性曲线Fig.3 High temperature thermoplasticity curve of 16MnCr5 steel121第 44 卷 特殊钢对试样断口附近组织进行横剖面观察，如图5所示。由于此时试样已经是拉拔断裂后冷却到常温时的组织，与试验时的组织有所区别。700 试样铁素体部分呈现长条状，并且位于原奥氏体晶界处，图5（a）中红色箭头所指位置为原奥氏体晶界，可以看到黑色的线条形貌，这些线条是从原晶界析出的碳氮化物或其他晶界杂质。如图 5（b）所示，1 000 断口附近的组织均为马氏体组织，因为冷却速度较快，试样相当于淬火，证明之前为奥氏体组织。700 时的脆性机理，文献 35 显示，主要原因为先共析铁素体、晶界析出物。700 试样铁素体部分呈现长条状并且在晶界附近，证明是先共析铁素体组织。从后面的连续转变曲线可知，700 正好位于先共析铁素体刚开始析出的区域，刚开始析出的铁素体呈薄膜状，影响最大，到650 铁素体已经成长为块状，这时对塑性的影响小于刚析出时。对于晶界析出的碳氮化物，主要为Al（C，N）.一般研究表明5，Al含量较低（0.02%0.04%）且氮含量0.005%左右时，其析出物对于高温热塑性的影响不大，且 AlN 对热塑性的影响集中在 800 左右区域。700 时塑性已经变差，热加工时需要避开该温度区间。钢坯热装温度有可能在这一区间，这在后面重点进行讨论。2.2CCT曲线试验结果根据不同冷却速度下试样长度变化和温度的曲线，简称膨胀曲线。从曲线各拐点位置处做切线与温度相交的点记为临界点6-8，并根据组织确定临界点代表的意义，结果见表2。对试样冷却后的组织进行检测，结果如图6所示。以不同冷却速度的转变温度为基础，绘制的CCT曲线图如图7所示。从不同冷却速度的组织上观察，0.13/s的冷却速度下，组织均为铁素体+珠光体。0.1/s冷却速度下，组织有聚集，组织呈现为珠光体团和铁图416MnCr5钢高温热塑性实验断口电镜图片：（a）650，（b）700，（c）700 （3 000），（d）1 000 Fig.4Fracture electron microscope picture of 16MnCr5 steel high temperature thermoplasticity test：（a）650 ，（b）700 ，（c）700 （3 000），（d）1 000 图516MnCr5钢高温热塑性实验断口附近组织：（a）700，（b）1 000 Fig.5Microstructure near fracture surface of 16MnCr5 steel high temperature thermoplasticity test：（a）700 ，（b）1 000 表2CCT试验临界转变点Table 2Critical transition point of CCT test冷却速度/（s-1）0.10.51351015转变温度/Fs760742730720710701694Ps-620590-Pf650630605568-Bs-580560550Bf-480450445组织F+PF+PF+PF+PF+P+BF+BF+B硬度值79.8HRB84.2HRB85.7HRB93.3HRB23.5HRC28HRC29HRC122第 4 期王宁涛等：16MnCr5高温热塑性及连续冷却转变曲线测定及应用素体团。0.53/s冷却速度下为正常的珠光体和铁素体结构，铁素体晶粒度分别为8、8.5、9级，可见随着冷却速度增加，晶粒度呈细化趋势。冷速5/s开始出现贝氏体组织，F+P 的组织仍占 50%以上。10/s和15/s冷却速度下组织以贝氏体为主，含量80%以上，剩余铁素体大部分呈网状，少部分为块状。由图7可以看出，3/s的冷却速度下，转变完成的温度为600 左右，间接表明650700 正好位于两相区，组织转变尚未完成，具备形成网状先共析铁素体的条件。3讨论根据高温热塑性和CCT曲线试验结果，对热加工过程工艺进行优化控制。根据热塑性结果，该钢种高温的最佳变形区间为8001 050，锻造和轧制的温度应控制在该温度区间。根据CCT曲线，该钢种最佳的冷却速度为0.53/s，此时冷却后得到的组织为F+P。并且冷却速度越快，晶粒越为细小。过于缓慢的冷却速度下，晶粒容易相互吞噬长大，不利于组织均匀性。钢厂采用连铸连轧及热装工艺可节省能源消耗9，但热装不当会产生热装裂纹缺陷10。根据16MnCr5钢的CCT曲线和高温热塑性曲线，可制定合适的热装工艺。根据CCT曲线，常规冷却速度下600 时组织转变尚未完成。如果高于该温度进行热装，一方面奥氏体没有完全转变，晶粒还较为粗大11，再奥氏体化时晶粒得不到细化；另外碳化物在晶界析出，同样不利于后续的再加热组织。综合考虑热装的温度应尽量小于 600。为了生产节奏，有企业在连铸后采用三冷工艺，钢坯表面温度降低很快，能够达到400 以下，且心部还保留大量热量。采用三冷工艺可以保证钢坯表面组织完成转变。针对线材生产过程，钢坯的加热温度选择为1 0501 100，经过高压水除鳞之后降低100，表面温度为9501 000，整个轧制过程温度控制在850 以上，吐丝温度在850900 之间。冷却线上保温罩关闭，有利于降低强度，方便下游客户加工。实际生产的30 mm大规格热轧线材铁素体晶粒度7.5级左右，硬度80HRB，组织均匀，组织形貌如图8所示。图6CCT曲线不同冷却速度后得到的组织：（a）0.1/s，（b）0.5/s，（c）1/s，（d）3/s，（e）5/s，（f）10/s，（g）15/sFig.6Microstructure obtained after CCT curve different cooling rates：（a）0.1/s，（b）0.5/s，（c）1/s，（d）3/s，（e）5/s，（f）10/s，（g）15/s图716MnCr5钢的CCT曲线图Fig.7CCT curve of 16MnCr5 steel123第 44 卷 特殊钢4结论（1）随着冶炼水平提高，减少了第脆性区出现的机率。16MnCr5钢最佳高温变形温度为8001 050，建议轧制温度为9501 000，吐丝温度850900，在700 附近处于脆性区域，主要是先共析铁素体薄膜导致塑性降低。（2）一般连铸坯冷却到600 时组织才转变完成，600 以上热装时，初始铸态晶粒以及晶界析出物均可能遗传到再加热的组织导致塑性不良，因此，热装温度应尽量600。（3）热轧后最佳冷却速度为0.53/s，组织为F+P，考虑到后续的深加工，应关闭保温罩，此时冷却速度约为1/s。超过5/s时出现贝氏体组织，导致强度明显升高。（4）实际生产 30 mm 大规格 16MnCr5钢线材组织为 F+P，晶粒度约 7.5 级，硬度 80HRB，组织均匀，可以满足下游用户拉拔、冷镦等要求。参考文献1 李永超，李瑞鹏，李家杨，等.汽车发动机气门挺柱用16MnCr5冷镦钢盘条的研发与生产 J.特殊钢，2020，41（6）：24-27.2 王宁涛，阮士朋，段路昭，等.SAE8640 合金钢 280 mm325 mm连铸坯的高温力学性能 J.特殊钢，2018，39（1）：68-70.3 刘江，文光华，唐萍.微合金钢连铸坯横裂纹研究现状 J.钢铁研究学报，2016，28（10）：1-9.4 Mintz B，Abu-Shosha R，Shaker M.Influence of deformation induced ferrite，grain boundary sliding，and dynamic recrystallisation on hot ductility of 0.1-0.75%C steels J.Materials Science and Technology，1993，9（10）：907-914.5 Mintz B，Yue S，Jonas J J.Hot ductility of steels and its relationship to the problem of transverse cracking during continuous castingJ.International Materials Reviews，1991，36（1）：187-220.6 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