陳 穎

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035）

38CrMoAl 是高鋁鋼，Al 在鋼中是一種氮化物形成元素，鑄件經(jīng)滲氮處理后，表面形成氮化鋁層（AlN），依靠AlN 的彌散強(qiáng)化來(lái)提高鑄件表面的硬度和強(qiáng)度[1，2]。經(jīng)熱處理和精加工后的38CrMoAl 圓鋼具有良好的品質(zhì)，在塑料模具鋼應(yīng)用中占有重要地位[3]，國(guó)內(nèi)外對(duì)其生產(chǎn)[4，5]和加工[6]進(jìn)行了深入研究。

某鋼鐵廠生產(chǎn)的38CrMoAl 大規(guī)格（直徑在Φ85mm 以上）注塑機(jī)用圓鋼要求硬度低于HB255，但在實(shí)際生產(chǎn)中由于材料本身特性和生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，造成硬度普遍超標(biāo)嚴(yán)重。這對(duì)該廠產(chǎn)品形象和聲譽(yù)造成了一定的負(fù)面影響，因此有必要對(duì)38CrMoAl 生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究。Gleeble 熱模擬技術(shù)是一種成熟的實(shí)驗(yàn)手段，在材料性能研究及冶金過(guò)程模擬中占有重要地位[7,8]。在冶金成份相對(duì)固定的條件下，冷卻和熱軋溫度對(duì)硬度的影響較為突出，本次研究采用Gleeble 熱模擬儀對(duì)上述兩個(gè)方面進(jìn)了模擬分析研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)所用38CrMoAl 為Ф90mm 棒材，同一軋制號(hào)取多支試樣。試驗(yàn)鋼的成分如表1 所示。

表1 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分（wt，%）

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)38CrMoAl 質(zhì)量計(jì)劃，制定了Gleeble3800 熱模擬儀試驗(yàn)方案，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果試樣進(jìn)了金相和硬度分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)態(tài)CCT 曲線研究

利用Gleeble3800 研究38CrMoAl 的動(dòng)態(tài)CCT 曲線，研究不同冷卻速度條件下鋼的組織以及相轉(zhuǎn)變溫度，測(cè)量其布氏硬度，確定不同冷速對(duì)鋼材組織和硬度的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)38CrMoAl 質(zhì)量計(jì)劃，軋制過(guò)程中要求終軋溫度控制在900℃～1050℃。熱模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)取其中間值，軋件變形溫度設(shè)定在980℃。熱模擬實(shí)驗(yàn)工藝為：將試樣以20℃/s 的速度加熱到1250℃，保溫10min，以15℃/s 的冷速降到980℃變形，應(yīng)變量為0.5，應(yīng)變速率為6s-1。以15℃/s 的冷速降到820℃，然后以不同的冷卻速度冷卻到相變完成。具體工藝如圖1 所示。

圖1 熱模擬工藝圖

不同冷卻速度條件下得到的鋼的組織和硬度如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)鋼在不同冷速下的組織及其硬度

根據(jù)金相檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，要想鋼的硬度較低，鋼的組織最好是全部的鐵素體+珠光體，要達(dá)到這一目標(biāo)，鋼的冷卻速度最好在600℃/h 以下。

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量Ф90mm 圓鋼軋后冷卻速度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圓鋼終軋溫度在1050℃左右時(shí)，鋼材上冷床的溫度在780℃左右，下冷床溫度在490℃左右。鋼材上冷床（780℃左右）到下冷床（490℃左右），其冷卻速度在0.15℃/s ～0.3℃/s 范圍內(nèi)。對(duì)比熱模擬試驗(yàn)金相結(jié)果可以看出，此時(shí)鋼的組織應(yīng)該主要是鐵素體+珠光體，且鋼的組織轉(zhuǎn)變基本上應(yīng)該都是在冷床上完成。

從現(xiàn)場(chǎng)情況和熱模擬金相結(jié)果看，受冷床條件所限，鋼材入緩冷坑溫度很難達(dá)到珠光體轉(zhuǎn)變溫度以上，因而要想通過(guò)提高鋼材入緩冷坑溫度的方法來(lái)達(dá)到控制鋼的相變過(guò)程，使鋼的組織轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+珠光體，從而降低鋼材的硬度是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，必須通過(guò)其它工藝措施來(lái)實(shí)現(xiàn)降低鋼材硬度的目的。

圖3 冷速為800℃/h 時(shí)鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

2.2 變形溫度對(duì)鋼組織和硬度的影響

從熱模擬試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于Ф90mm38CrMoAl，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有條件下，如果鋼上冷床溫度在750℃～780℃左右時(shí)，其組織應(yīng)該主要是鐵素體+珠光體。圖4 為實(shí)驗(yàn)鋼實(shí)際金相組織。從鋼材的金相結(jié)果看出，實(shí)驗(yàn)鋼母材組織基本都是貝氏體組織，鋼的硬度為HB324，這與熱模擬結(jié)果不相符。從現(xiàn)場(chǎng)了解來(lái)看，造成這種現(xiàn)象的原因很可能是鋼在實(shí)際軋制過(guò)程中軋制溫度過(guò)高造成的。

圖4 實(shí)驗(yàn)鋼母材的金相組織

鑒于此，利用Gleeble 熱模擬儀模擬研究了在同樣的冷卻速度條件下，變形溫度對(duì)鋼的組織和硬度的影響。具體的熱模擬工藝如下：

將試樣以20 ℃/s 的速度加熱到1260 ℃，保溫10min，以20℃/s 的冷速降到不同溫度變形，應(yīng)變量為0.5，應(yīng)變速率為6s-1，變形完了以后以1000℃/h 的冷卻速度冷卻到相變完成。具體工藝如圖5 所示。

圖5 熱模擬工藝圖

最終得到熱模擬實(shí)驗(yàn)鋼的金相組織如圖6 所示。

圖6 不同硬度對(duì)應(yīng)的金相組織

從實(shí)驗(yàn)鋼的金相組織來(lái)看，當(dāng)鋼的變形溫度為910℃時(shí)，鋼的最終組織中產(chǎn)生了較多的鐵素體+珠光體組織，這對(duì)于降低鋼的硬度是有利的。當(dāng)鋼的變形溫度為1050℃時(shí)，從鋼的金相組織來(lái)看，鋼中幾乎看不到鐵素體和珠光體組織，其組織基本都是貝氏體組織，鋼的硬度也較高，達(dá)到了HB330 以上。從能量角度來(lái)看這是由于在較低溫度下變形提高了奧氏體的能量增加了相變的驅(qū)動(dòng)力；從顯微結(jié)構(gòu)上來(lái)看是由于較低溫度下變形增加了位錯(cuò)、變形帶、空位以及孿晶等缺陷，增加了鐵素體的形核質(zhì)點(diǎn)，從而使鐵素體相變比較容易發(fā)生。此外，位錯(cuò)密度的增加，增加了碳原子的擴(kuò)散通道，也有利于鐵素體相變的進(jìn)行。

從現(xiàn)場(chǎng)了解到，目前軋制38CrMoAl 時(shí)基本都是采用較高的溫度進(jìn)行軋制，鋼的終軋溫度基本都是在1050℃以上。拿實(shí)際鋼的金相組織與熱模擬試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。因此，要降低硬度，在目前現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有的設(shè)備條件下，應(yīng)該從降低鋼的軋制溫度著手。

2.3 結(jié)論

（1）在變形溫度為980℃的情況下，要想鋼的硬度較低，鋼的組織最好是全部的鐵素體+珠光體，要達(dá)到這一目標(biāo)，鋼的冷卻速度要控制在600℃/h 以下。

（2）當(dāng)變形溫度為910℃時(shí)，38CrMoAl 在1000℃/h 的冷卻速度下，實(shí)驗(yàn)鋼發(fā)生了明顯的鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，而當(dāng)變形溫度為1050℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼的金相組織看不到鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變點(diǎn)，因此降低38CrMoAl 的軋制溫度具有降低其硬度的趨勢(shì)。