熊師兵　欒道成　孫衛(wèi)鵬　張偉

作者簡介：熊師兵（1990—），男，四川南充人，西華大學材料科學與工程學院，碩士研究生，研究方向：貝氏體鋼。

摘 要：本實驗通過研究非真空電弧爐和電渣重熔得到的鋼的組織對比，來分析精煉的必要性；其次通過對試樣在890℃完全奧氏體化后分別進讓其空冷、290℃等溫、320℃等溫處理處理后的織特征變化，分析冷卻速度對貝氏體鋼的組織性能的影響。實驗表明：經過電渣重熔得到的鋼組織更加均勻，細小以及致密，其綜合性能更優(yōu)良。隨著冷卻速度增大，本試驗鋼的組織有粒狀貝氏體開始向針狀、板條狀轉變，并且硬度逐漸增大。

關鍵詞：貝氏體鋼；電渣重熔；組織性能

前言

鋼液質量的好壞將會在很大程度上影響鋼構件的性能，主要是雜質相跟氣體等降低了組織的均勻性，改變了組織的內部結構。電渣重熔是一種二次精煉的技術，集鋼水二次精煉與定向凝固相結合的綜合的冶金鑄造過程。其原理是利用電流通過液態(tài)渣池形成渣組熱將金屬的電極融化，熔化的金屬匯聚成熔滴穿過渣層進入金屬熔池，最后在水冷結晶器內結晶結晶凝固成鋼錠[1]。電渣重熔的主要目的是提純金屬并獲得潔凈，組織均勻，致密的鋼錠。通過不同的熱處理和冷卻速度，可以使鋼獲得不同的組織、性能，以改善鋼的使用性能。

一、材料的成分

本實驗所選用的原材料是一種通過非真空冶煉鑄造出來，空冷得到的一種貝氏體鋼，其成分如下：C0.28-0.35%、Si1.6-2.0%、Mn1.5-2.0%、P≤0.035%、S≤0.025%、Cr1.1-1.5%、Ni0.3-0.4%、Mo1.4-0.5%。具體熱處理工藝為：先對比分析電渣重熔前后試樣的組織特征，按空冷、290℃空氣爐等溫3h后空冷、300℃空氣爐等溫3h后空冷三種方式進行處理。利用OLYMPUS-TOKYO金相顯微鏡觀察組織；利用HR-150A洛氏硬度計測試硬度。

二、結果及分析

2.1精煉前后的金相組織

圖2.1 為新型貝氏體鋼的顯微組織

圖2.1分別是由普通非真空電弧爐和電渣重熔得到的貝氏體鋼的金相組織。從圖中可以看出，由以上兩種方式得到的貝氏體鋼的組織均為典型的粒狀貝氏體，并伴有少量針狀貝氏體。吳伯濤等對粒狀貝氏體的形態(tài)特征及相變特征做出了解釋，他認為粒狀貝氏體是由上貝氏體形鐵素體+島狀組織組成[2]。由圖可以看出，兩種冶煉方式得到的組織在形態(tài)上沒有較大差別，但是相較于普通非真空電弧爐冶煉得到的組織，電渣重熔這種冶煉方式得到的組織更加均勻細小，更加致密。從組織形態(tài)上來說電渣重熔這種精煉方式具有其必要性。

2.2不同冷卻速度得到的組織

圖2.2 890℃奧氏體化15分鐘后不同的冷卻方式后組織

由圖可以明顯觀察到本次實驗所用鋼經過不同冷卻速度所得到的組織基本為貝氏體組織，但不同條件下得到貝氏體的組織的形態(tài)和種類都有所不同。圖（a）是貝氏體鋼的原始組織圖，主要為呈針狀和板條狀的下貝氏體，其中大塊白色組織為先共析鐵素體，其組織比較粗大而且雜亂。圖（b）是在隨爐加熱到890℃奧氏體化處理15分鐘后在320℃的熱處理爐中等溫3小時?？梢杂^察到金相組織為混合貝氏體組織。其中大部分為粒狀貝氏體，少量的針狀貝氏體，以及更少量的上貝氏體。圖（c）是在隨爐加熱到890℃后奧氏體化處理15分鐘后在290℃的熱處理爐中等溫3小時?？梢杂^察到粒狀貝氏體組織以及細條狀、針狀下貝氏體組織，由于其冷卻速度的降低，其貝氏體板條開始變得細長[3]。由圖（b）與圖（c）對比可以看出，雖然兩圖都是粒狀貝氏體與針狀下貝氏體組織，但290℃處理下的組織比320℃處理下的組織晶粒更細長，針狀貝氏體也較多，因為等溫溫度越低，更接近下貝氏體生成區(qū)域，隨著溫度的降低，其貝氏體開始由針狀向塊狀轉變，并且組織中開始出現了少量板條狀貝氏體的出現。圖（d）是在隨爐加熱到890℃奧氏體化處理15分鐘后在空冷至室溫，由于其冷卻速度，快，碳化物更是來不及析出，再加之該試驗用鋼含有大量的合金元素，如含有高達2.0%的Si，阻礙了碳化物的析出，取而代之的是富碳的穩(wěn)定的奧氏體，因此觀察到的組織大部分是粒狀或板條狀貝氏體跟馬氏體組織的混合組織。

2.3硬度分析

通過HR-150A洛氏硬度計測試測得洛氏硬度如下：電渣重熔冶煉方式得到的貝氏體鋼硬度為：45.3HRC；非真空電弧爐冶煉方式得到的貝氏體鋼硬度為42.8HRC；890℃奧氏體化后320℃等溫處理的硬度為37.0HRC；890℃奧氏體化后290℃等溫處理的硬度為：39.2HRC；890℃奧氏體化后空冷得到的硬度為：46.4HRC。

由數據可以看出，電渣重熔冶煉方式得到的貝氏體鋼硬度比普通電弧爐冶煉方式得到的貝氏體鋼硬度高。因為電渣重熔可以得到純度高，磷硫含量低，非金屬夾雜少，其次通過電渣重熔，可使材料的組織更加均勻致密，故它的硬度高于普通電弧爐冶煉鋼錠的硬度。在等溫處理時，隨等溫溫度的降低，硬度有上升趨勢，這是由于290℃等溫處理時，冷卻速度更快，在高溫區(qū)域停留時間較短，擴散更不充分，其組織更傾向于形成下貝氏體、馬氏體等，故290℃等溫處理的硬度高于320℃等溫處理時的硬度。完全奧氏體化后在空氣中冷卻時得到的試樣的硬度最大，這是因為空冷時冷卻速度比較快，碳原子擴散不夠充分，因此冷卻過程中富碳奧氏體將部分轉變成馬氏體組織，使得馬氏體的過飽和度增大，而且再加上其本身含有大量的下貝氏體，等硬度較高組織，所以硬度最高。

三、實驗結論

1.本實驗用鋼所形成的組織主要是粒狀貝氏體。通過電渣重熔后得到的組織更加均勻、細小以及致密，其硬度也有一定的提高。

2.奧氏體化后等溫處理得到的主要是粒狀貝氏體和少量針狀下貝氏體組織，但等溫290℃得到的針狀下貝氏體數量增加，且針狀尺寸更大，奧氏體化后空冷得到的組織由于其冷卻速度快，得到的組織主要是針狀的下貝氏體和馬氏體。

3.奧氏體化后等溫處理得到組織的硬度隨著溫度的降低硬度有所升高，在等溫320℃、290℃得到的硬度分別為37.0 HRC 、39.2 HRC；奧氏體化后空冷得到的組織的硬度最高為46.4HRC，即奧氏體化后隨著冷卻速度的增大，材料的硬度呈上升趨勢。（作者單位：西華大學材料科學與工程學院）

參考文獻：

[1] 馬新生，耿茂鵬，堯軍平等.電渣熔鑄過程中數學模型的分類及數值模擬的簡便求解.南昌大學學報（工科版），2005年01期

[2] 吳伯濤等.熱處理工藝對新型貝氏體鋼組織與性能的影響，[D].中南大學

[3] 馮紅超，茍亞娟，張耀武.HQ785鋼CCT曲線測定及顯微組織研究[J]熱處理技術與裝備2010，3（4）：40-42

[4] 何雷，欒道成，陳曉男等。轍叉用新型貝氏體鋼的滾動接觸疲勞性能。金屬熱處理2014，39（2）

[5] 方鴻生，白秉哲，鄭秀華，鄭燕康，陳秀云.粒狀貝氏體和粒狀組織的形態(tài)與相變[J]，金屬學報，1986；22（4）：A283—288

[6] 劉永銓.鋼的熱處理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1981