概念介紹
採用控軋控冷技術(TCMP)對鋼材整個熱軋和軋後冷卻過程(包括坯料加熱、軋制、冷卻及卷取)進行控制, 已成為棒材和型材生產的主要強化工藝。20MnSi 鋼作為一類強度高、韌性好的鋼種, 主要用以滿足建築用熱軋帶肋鋼筋的需求, 不僅要求其具有良好的力學性能, 同時還要求其顯微組織符合相關規定。
目前中國大部分鋼鐵企業採用在普通20MnSi鋼成分基礎上添加Nb 、V 等微合金元素並進行控軋控冷的工藝生產較高強度帶肋螺紋鋼筋。近年來, 由於Nb 、V 等合金元素價格的不斷提高, 利用微合金化提高20MnSi 鋼筋強度的成本逐漸上升。作為以細晶強化為目標的控軋控冷工藝, 冷卻後的鋼筋自回火溫度及鋼中Si 、Mn 等合金元素的含量是改善鋼筋的微觀組織及機械強度的重要因素。參照國標1499 .2 —2007 對20MnSiNb 鋼筋合金成分的要求, 設計不同Si 、Mn 成分的20MnSi 鋼, 並以此為研究對象, 在鋼廠進行了不同自回火溫度下的控軋控冷試驗, 對所得鋼筋進行微觀組織觀察與力學性能測試, 研究了鋼中Si 、Mn 合金元素和自回火溫度對鋼筋組織及力學性能的影響規律, 探討了利用20MnSi 生產400MPa 3 級螺紋鋼筋的可行性 。
技術分析
鋼筋微觀組織分析
通過對所取鋼筋試樣進行微觀組織觀察, 發現各鋼筋試樣的顯微組織沿剖面邊部及中心有2 種不同形態, 且均有明顯過渡組織。1 ～ 4 號試驗鋼筋的500 倍下邊部顯微組織照片; 3號與4 號鋼筋試樣自回火溫度分別為650 ℃及750 ℃的中心顯微組織。
自回火溫度為550 ℃的鋼筋試樣邊部為回火馬氏體組織, 隨著自回火溫度達到750 ℃, 4 號試樣邊部為珠光體+鐵素體組織。自回火溫度處於650 ℃的2 號試樣邊部為索氏體+珠光體組織;相同自回火溫度下, 3 號試樣的邊部為索氏體+珠光體+鐵素體組織。
可見, 自回火溫度為650 ℃條件下, 鋼筋邊部的鐵素體已再結晶, 為等軸晶粒, 滲碳體也聚集成球狀並在鐵素體基體上析出;Si 、Mn 等合金元素含量較高的3 號試樣邊部出現了較為粗大的多邊形鐵素體組織, 原富碳奧氏體也已轉變為碳化物並於鐵素體基體上析出。
在隨著自回火溫度由650 ℃提高至750 ℃, 鋼筋的心部均為鐵素體+珠光體組織, 珠光體晶粒得到細化; 4 號鋼筋試樣的邊部珠光體晶粒直徑明顯小於其中心組織 。
淬透性分析
自回火溫度650 ℃下2 號試樣與3 號試樣的過渡組織。在自回火溫度達到650 ℃時, 2 號與3 號試樣的過渡區金相組織均為索氏體+珠光體+鐵素體組織, 其中2 號試樣的邊部組織與中心組織交界處有部分魏氏組織。當加熱與冷卻條件相同時, 臨界直徑越大, 鋼的淬透性越好。由於在穿水過程中鋼筋的邊部冷卻速度遠大於臨界冷卻速度, 在冷卻後鋼筋邊部為馬氏體組織, 自回火過程中進行馬氏體組織的回火轉變, 因此認為邊緣至過渡帶距離可表征鋼筋的臨界直徑D0 。根據淬透性因子f Mn =1 +3.33Mn %、f Si =1 +0 .7Si %, 當Si 、Mn 的質量分數提高0 .30 %時, 鋼筋的淬透性可提高40 %左右。經過測量,Mn 的質量分數為1 .44 %的3 號鋼筋試樣其邊緣至過渡帶距離為1 .2 ～ 1 .7mm , 而Mn 的質量分數為1 .10 %的3 號試樣邊緣與過渡帶距離則為0 .8 ～ 1mm , 與通過淬透性因子所計算淬透性提高量相當。
力學性能分析
試驗鋼筋的屈服強度與抗拉強度均達到了370MPa 和520MPa 以上, 符合GB1499 .2 —2007中所規定的ReL ≥335MPa 及Rm ≥455MPa 的標準。且隨著自回火溫度的提高, 矽、錳含量相同的1 、2 號鋼筋及3 、4 號鋼筋, 其屈服強度分別下降了12MPa 及30MPa , 1 、2 號鋼筋的抗拉強度差別不大, 3 、4 號鋼筋的抗拉強度則隨回火溫度的升高相應提高16MPa ;自回火溫度相同的2 、3 號鋼筋隨矽、錳含量的提高, 屈服強度與抗拉強度分別提高92MPa 與98MPa , 強化效果顯著;1 ～ 4 號鋼筋的靜力韌度(Rm ·A)隨自回火溫度及矽、錳含量的提高呈現遞增趨勢, 4 號鋼筋的Rm · A 達到最大, 為163 .80J/cm3 , 強度與塑性得到良好配合。同時, 各鋼筋的總伸長率差別不明顯, 為25 % ～ 28 %, 強屈比大於等於1 .31 , 符合國標要求 。
性能影響
自 回火溫度對鋼筋組織與性能的影響
鋼筋控軋控冷後的自回火類似於Temper Co re(芯熱回火)過程, 即鋼筋終軋完成後通過水冷系統, 控制穿水強度和穿水壓力, 以使鋼筋在不同溫度下進行自回火。由於鋼筋表層冷卻速度遠大於臨界冷卻速度, 而心部冷卻則遠小於表層冷卻速度, 使鋼筋表層淬火, 成為馬氏體組織, 心部仍為過冷奧氏體;隨後的自然冷卻過程中, 心部熱量逐漸傳遞至鋼筋表面, 使表層淬火馬氏體組織發生分解, 形成新的回火組織。這種熱處理可使鋼筋產生相變強化, 強化增量可達100 ～ 300MPa 。靜力韌度的意義是鋼筋在靜載下吸收變形的能力, 通常可用以表征鋼筋強度與塑性配合的好壞。鋼筋中的馬氏體組織會嚴重影響材料的塑性, 而細化的索氏體和珠光體組織則可以提高鋼筋的屈強比與靜力韌度。
隨著自回火溫度的提高, 鋼筋的邊部組織由回火馬氏體轉變為回火珠光體, 且鋼筋心部的珠光體組織也得到細化。
相同矽、錳含量下, 隨著自回火溫度的提高, 4 號鋼筋試樣的屈服及抗拉強度與3 號鋼筋試樣相比分別降低了30MPa 與20MPa , 但屈強比與靜力韌度顯著提高。自回火溫度過低, 鋼筋的表層組織為回火馬氏體, 不符合國標要求;鋼筋自回火溫度的提高能顯著改善鋼筋組織, 並使鋼筋的強度與塑韌性得到良好配合, 但過高的自回火溫度會使鋼筋的力學性能降低。因此, 適當的鋼筋自回火溫度應當保持在650 ～ 700 ℃之間 。
合金元素對鋼筋組織與性能的影響
雖然550 ℃被認為處於亞共析鋼的回火索氏體轉變區間, 在550 ℃溫度下自回火鋼筋的邊部為馬氏體組織; 回火珠光體的轉變溫度也達到了750 ℃、650 ℃以下,鋼筋的表層馬氏體組織也轉變為索氏體組織。李壯等人認為碳質量分數為0 .14 %的低碳鉚螺回火珠光體組織轉變溫度為500 ～ 550 ℃, 與本試驗相比有所降低, 而其他相關文獻中, 20MnSi 鋼筋馬氏體回火組織轉變溫度則與本試驗鋼筋相當。因此, 鋼中碳含量的提高會使馬氏體回火組織的轉變溫度升高。同時, Mn 可降低奧氏體中碳的活度, 從而促進非平衡相諸如退化的珠光體形成, 在相同自回火溫度下, 2 、3 號試樣的邊部組織變化應與此相關。
當矽、錳質量分數提高0 .30 %, 鋼筋的屈服強度和抗拉強度可分別提高50MPa 及40MPa 。隨著鋼筋中矽、錳含量的提高, 3 號鋼筋試樣與2 號鋼筋試樣相比, 屈服強度與抗拉強度分別提高了92MPa 和98MPa 。隨著鋼中矽、錳含量提高, 鋼筋的淬透性也相應提高, 這是因為Si 、Mn 在融入奧氏體後使20MnSi 鋼的C 曲線右移, 降低了材料的臨界淬火速度, 從而使鋼筋淬火馬氏體區擴大所致。因此,鋼筋中的Si 、Mn 元素質量分數分別達到0 .60 %及1 .40 %後可提高鋼筋淬透性, 使淬火馬氏體回火組織的區域擴大, 提高鋼筋的機械強度。這與本試驗所得結果相符, 同時進一步說明自回火溫度對20MnSi 鋼筋機械強度的影響主要是通過改善鋼筋組織實現 。
非微合金化HRB400 鋼筋的生產討論
按照國家標準, 熱軋帶肋鋼筋的生產可分為3種強度級別。屈服強度達400MPa 的HRB400鋼筋常採用在20MnSi 原料基礎上添加Nb 、V 等合金元素進行微合金化或以微合金化與控軋控冷工藝相配合的方式進行生產。本次試驗中, 經控軋控冷後1 、2 號試樣的屈服強度與抗拉強度都達到了國標中關於HRB335 鋼筋的相關要求, 3 、4 號試樣其屈服強度與抗拉強度分別達到440MPa 與610MPa以上, 靜力韌度達到153.50 J/cm3 以上, 符合HRB400 鋼筋的使用要求;同時, 通過調節軋後自回火溫度, 在750 ℃溫度下進行自回火的4 號鋼筋試樣, 其顯微組織也為珠光體組織, 晶粒度達到10 級,符合國家標準的要求。可見本次試驗用20MnSi 鋼的矽、錳含量與20MnSiNb 鋼的Si 、Mn 合金元素含量相比差別不大, 且不用添加微合金元素。通過提高控軋控冷後期的自回火溫度,並適當提高鋼中Si 、Mn 元素含量, 不僅提高了20MnSi 熱軋帶肋鋼筋的強度級別, 而且改善了鋼筋的表層微觀組織, 使熱軋帶肋鋼筋的生產工藝簡化,降低了成本和能耗, 提高了經濟效益 。
總結
1)自回火溫度650 ℃下, 20MnSi 鋼筋表層為索氏體+珠光體組織, 自回火溫度達到750 ℃時為珠光體組織。索氏體組織隨著自回火溫度的提高有向珠光體轉變的趨勢;自回火溫度過低, 鋼筋的表層組織為回火馬氏體, 不符合國標要求;鋼筋自回火溫度的提高能顯著改善鋼筋組織, 並使鋼筋的強度與塑韌性得到良好配合, 但過高的自回火溫度會使鋼筋的力學性能降低。因此, 適當的鋼筋自回火溫度應當保持在650 ～ 700 ℃之間。
2)鋼中的Si 、Mn 元素可提高20MnSi 鋼筋的淬透性, 增強鋼筋的相變與細晶強化效果, 鋼筋中Si 、Mn 元素質量分數分別達到0 .60 %和1 .40 %後可顯著提高鋼筋的屈服強度與抗拉強度。採用控軋控冷, 並進行高溫回火處理的20MnSi 鋼筋, 其屈服強度與抗拉強度可達到440MPa 及610MPa 以上;與微合金化H RB400 鋼筋相比, 鋼中的Si 、Mn 元素含量並無顯著變化, 而且不用額外加入Nb 、V 等微合金元素, 可使熱軋帶肋鋼筋的生產工藝簡化, 並降低成本和能耗 。
