控轧控冷工艺参数对冶金锯片用65Mn热轧带钢组织与力学性能的影响

宋进英，张宏军，魏英立，田亚强，陈连生

（华北理工大学，河北省现代冶金技术重点实验室，唐山063009）

0 引 言

冶金锯片（包括金属热切圆锯片和金属冷切圆锯片［1］）用钢的主要性能要求是较好的强韧性、焊接性以及热处理性能［2］。65Mn钢具有淬透性好、脱碳倾向小、切削性良好等优点，是目前制造冶金锯片的主要材料［3］。冶金锯片用65Mn带钢的轧制难度大，易因生产不稳定而造成力学性能波动范围较大［4-5］，热轧后65Mn钢的抗拉强度极易超过900MPa，为后续热处理带来不便，从而降低冶金锯片的成材率。化学成分优化设计是改善产品最终性能的方法之一，但65Mn钢各主要化学成分设计范围相对较窄，对热轧产品质量影响较小。控轧控冷工艺可以有效改善产品的最终组织和性能［6-7］，而目前对于提高冶金锯片用65Mn热轧钢组织和性能的研究，主要集中在连续冷却转变特性［8-9］以及轧后淬火、回火工艺参数对锯片组织、性能的影响等方面［10-11］。另外，由65Mn钢的CCT曲线可知，以珠光体为主，配合一定量半网状或块状先共析铁素体的混合型组织具有最佳的力学性能［12-13］。

为改善冶金锯片用65Mn热轧带钢的质量，并制定出适合工业生产的控轧控冷窄范围工艺参数，作者通过实验室热轧试验与现场工业生产验证相结合，研究了开轧温度、终轧温度、卷取温度以及卷取后冷却速率等工艺参数对65Mn热轧带钢显微组织和力学性能的影响规律。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验用65Mn钢采用实验室真空熔炼炉冶炼的50kg小方坯，其化学成分（质量分数／%）为0.63C，0.25Si，1.12Mn，0.011P，0.004S，0.006Al（酸溶），余Fe。首先将试验钢坯加热锻造至中间坯，然后切取6个25mm×40mm×70mm的试样，并置于SX2-10-13型箱式电阻炉中加热至1 200℃，保温15min；然后采用250mm热轧试验机，将25mm厚的试样依次轧至14，8，5，3.5mm。在轧制过程中，严格控制开轧温度、终轧温度和卷取温度（开始缓冷温度），6种工艺参数如表1所示。终轧到卷取温度区间的平均冷速为5℃·s-1，卷取后空冷的平均冷速为2.5℃·s-1，卷取后炉冷的平均冷速为0.3℃·s-1。

表1 控制轧制和控制冷却工艺参数Tab.1 Controlled rolling and controlled cooling technological parameters

1.2 试验方法

采用S-4800型冷场发射扫描电镜（SEM）和NeophotⅢ型光学显微镜（OM）观察65Mn热轧带钢的组织，腐蚀剂为4%（体积分数）硝酸酒精溶液；采用HRSS-150型洛氏硬度计测65Mn热轧带钢的硬度；按照 GB／T 228-2002加工拉伸试样，并在WEW-600B型液压万能试验机上进行拉伸试验，应变速率为10-3s-1。

2 试验结果与讨论

2.1 对显微组织的影响

由图1和图2可知，在不同的工艺下，65Mn热轧带钢的组织均为网状或半网状铁素体和珠光体组织，晶粒度为6.5～7级，符合现场生产对晶粒度的要求，但珠光体的尺寸和弥散程度不同。

在卷取温度和卷取后冷却速率相同的工艺条件下，1 200℃高温开轧和910℃高温终轧（工艺1～3）得到的晶粒明显比1 100℃低温开轧和850℃低温终轧（工艺4～6）后得到的粗大。原因在于，开轧温度和终轧温度均较高时，65Mn钢原始奥氏体晶粒尺寸较大，变形后的奥氏体晶粒尺寸也较大，经同样的控冷工艺冷却至室温后，粗大的晶粒得以保留。此外，1 200℃开轧的珠光体片层间距为500nm，较1 100℃开轧的（386nm）明显增大。可见，提高变形温度，有利于得到粗大的原始奥氏体晶粒和较大的珠光体片层间距。

在开轧温度、终轧温度和卷取后冷却速率相同的条件下，730℃高温卷取（工艺1和工艺4）得到的晶粒明显比630℃低温卷取（工艺3和工艺6）得到的更粗大，珠光体片层间距更大（730℃高温卷取的为500nm，630℃低温卷取的（412nm）。这是因为，高温卷取时延长了相转变的时间，有利于晶粒在卷取后的缓冷过程中长大，从而使得珠光体片层间距增大。可见，提高终轧后的卷取温度，可使65Mn热轧带钢得到粗大的原始奥氏体晶粒以及较大的珠光体片层间距。

在开轧温度、终轧温度和卷取温度相同的工艺条件下，卷取后以0.3℃·s-1的冷速炉冷（工艺1和工艺4）后得到的晶粒明显比以2.5℃·s-1冷速空冷（工艺2和工艺5）后得到的大，同时珠光体片层间距也明显增大（0.3℃·s-1冷速下的为500nm，2.5℃·s-1冷速下的为350nm）。原因在于，卷取后的缓冷延长了相转变时间，有利于晶粒在缓冷过程中长大，同时珠光体片层间距增大。可见，通过降低卷取后的冷却速率，有利于得到粗大的原始奥氏体晶粒以及较大的珠光体片层间距。综上所述，在其它控轧控冷工艺参数相同的条件下，较高的开轧温度和终轧温度、较高的卷取温度和较低的卷取后冷却速率均有利于得到粗大的原始奥氏体晶粒和较大的珠光体片层间距。其中，卷取后冷却速率的影响最为明显。

图1 不同轧制工艺下65Mn热轧带钢的OM形貌Fig.1 OM morphology of 65Mn hot rolled strip at different rolling processes：（a）process 1；（b）process 2；（c）process 3；（d）process 4；（e）process 5and（f）process 6

图2 不同轧制工艺下65Mn热轧带钢的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of 65Mn hot rolled strip at different rolling processes：（a）process 1；（b）process 2；（c）process 3and（d）process 4

2.2 对力学性能的影响

由表2可知，在卷取温度和卷取后冷却速率相同的工艺条件下，1 200℃高温开轧和910℃高温终轧（工艺1～3）得到的抗拉强度和硬度，明显低于1 100℃低温开轧和850℃低温终轧（工艺4～6）的。可见，较高的轧制温度有利于改善65Mn热轧带钢的力学性能。这是因为，高温变形时，开轧温度和终轧温度都较高，65Mn钢的原始奥氏体晶粒尺寸较大，变形后奥氏体晶粒尺寸也较大，经同样的控冷工艺冷却至室温后，粗大的晶粒尺寸得以保留，从而使得力学性能改善。

表2 不同轧制工艺下65Mn热轧带钢的抗拉强度和硬度Tab.2 Tensile strength and hardness of 65Mn hot rolled strip at different rolling processes

在开轧温度、终轧温度和卷取后冷却速率相同的工艺条件下，730℃高温卷取（工艺1和工艺4）得到65Mn钢的抗拉强度和硬度，明显低于630℃低温卷取（工艺3和工艺6）得到的。可见，较高的卷取温度降改善65Mn钢的抗拉强度和硬度。这是因为，高温卷取延长了珠光体相转变时间，使晶粒在卷取后的缓冷过程中长大和增大珠光体片层间距。

在开轧温度、终轧温度和卷取温度相同的工艺条件下，卷取后以0.3℃·s-1冷速炉冷（工艺1和工艺4）得到65Mn钢的抗拉强度和硬度，明显低于以2.5℃·s-1冷速空冷（工艺2和工艺5）得到的。可见，卷取后较低的冷却速率会降低65Mn钢的抗拉强度和硬度。这是因为，卷取后较低的冷却速率可以延长珠光体相转变时间，有利于晶粒长大和增大珠光体片层间距。

综上所述，在其它控轧控冷工艺参数相同的条件下，较高的开轧温度和终轧温度、较高的卷取温度和较低的卷取后冷却速率均有利于降低65Mn钢的抗拉强度和硬度。其中，卷取后冷却速率的影响最为明显。

3 工业生产验证

采用开轧温度为（1 180±10）℃、终轧温度为（910±10）℃、卷取温度为（710±10）℃、卷取后平均冷速小于0.05℃·s-1的工艺进行工业生产验证试验。为全面了解产品的性能指标，除在生产现场取样外，还分别在7638钢卷尾部开卷5m和10m处取样，在7641钢卷尾部开卷5，10，15，20m处取样。取样的钢卷号、厚度及力学性能结果如表3所示。由表可知，在生产工艺基本相同的情况下，随着成品厚度增大，65Mn热轧带钢的硬度和抗拉强度均降低，抗拉强度为850～900MPa，这主要与带钢在终轧后至卷取阶段的冷却速率有关。经现场实测，随着产品厚度增加，终轧后的冷速逐渐越小，这有利于相变前奥氏体晶粒长大和相变后珠光体片层间距增大，故抗拉强度和硬度均会降低，这与上述热轧试验的力学性能结果相吻合。对于同一卷带钢而言，钢卷尾部试样的硬度和强度都较高，这主要是因为在现场取样时，65Mn带钢完成卷取后立即进行吊装取样，剪切后试样成为独立的一块钢板，其在空气中的冷速很大；另外取样时试样尾部也会接触到温度很低的取样设备，这进一步增大了冷速。而此时所取试样的温度相对较高，在空冷过程中处于发生铁素体和珠光体相变的温度区间，若以较大的冷速急冷至室温，会使先共析铁素体显著减少，珠光体晶粒细化，同时珠光体片层间距也会变小。因此，生产现场取样时，试样温度高、冷速过大，这会导致其硬度和抗拉强度明显偏高；而当65Mn热轧钢卷入库缓冷至室温时，随着开卷长度增加，试样的硬度和抗拉强度均呈逐渐下降的趋势，此时，65Mn带钢的外层冷速大，内部冷速较低直到趋于稳定冷速。因此，当带钢开卷达到一定长度后，其力学性能将趋于一稳定值。

表3 工业生产65Mn热轧带钢的力学性能Tab.3 Mechanical properties of industry production 65Mn hot rolled strip

4 结 论

（1）在其它控轧控冷工艺参数相同的条件下，较高的开轧温度和终轧温度、较高的卷取温度和较低的卷取后冷却速率，有利于65Mn热轧带钢得到原始奥氏体晶粒尺寸和珠光体片层间距均较大的室温组织以及较低的抗拉强度和硬度；其中，卷取后冷却速率对原始奥氏体晶粒尺寸、珠光体片层间距以及抗拉强度和硬度的影响最为明显。

（2）65Mn热轧带钢最佳的控轧控冷工艺为开轧温度（1 180±10）℃、终轧温度（910±10）℃、卷取温度（710±10）℃、卷取后平均冷速小于0.05℃·s-1，此时抗拉强度可控制在850～900MPa。

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