82B盘条非平衡态冷却异常组织形成机理研究

李伟

（中天钢铁集团有限公司，江苏常州 213000）

1 引言

82B盘条是通过控轧控冷而获得的一种索氏体化率较高的过共析钢高速线材，因具有很高的强度和良好的韧性而广泛用作预应力钢丝和钢绞线等工程结构材料[1，2]。在批量生产过程中，82B盘条偶尔会出现不同等级的条状马氏体或网状渗碳体，而这两种异常组织的存在破坏了原珠光体组织的均匀性，从而提高了后续拉拔工序的断丝率。一些研究者认为，82B盘条在散冷线上冷却速率过快时则形成马氏体，冷却速率过慢时则形成渗碳体[3，4]。另一些研究者发现82B马氏体多形成于盘条芯部，通过模拟论证了盘条芯部马氏体形成的根本原因是铸坯中心的铬锰成分严重偏析[5]。另外，82B盘条中心碳偏析会促进缓慢冷却条件下芯部网状渗碳体的形成[6]。

本文以斯太尔摩风冷线生产的ø12.5mm～ø13.0mm 82B盘条的生产结果为研究对象，结合散冷过程控制分析异常组织形成条件，同时探索该类组织在非平衡态冷却条件下的形成机理，旨在减少实际生产中上述异常组织形成概率，并为铬锰偏析的82B盘条组织提供控冷改进思路。

2 生产结果与讨论

2.1 金相组织

本文以A厂第N条斯太尔摩风冷线19个月共计生产的18.9万吨ø12.5m m～ø13.0mm 82B盘条为研究对象，统计结果表明该产线生产的82B盘条出现条状马氏体的概率为1.01%，出现网状渗碳体的概率为1.45%，具体数据如表1所示。

表1 ø12.5mm～ø13.0mm 82B盘条异常组织概率表

通过不同异常组织对比发现，无论是ø12.5mm规格，还是ø13.0mm规格，82B盘条出现马氏体的概率都小于网状渗碳体的概率。另外，通过不同规格对比发现，无论是马氏体，还是网状渗碳体，ø12.5mm 82B盘条出现异常组织的概率大于ø13.0mm出现异常组织的概率，其中ø12.5mm 82B盘条出现马氏体的概率是ø13.0mm的5.3倍，ø12.5mm 82B盘条出现网状渗碳体的概率是ø13.0mm的1.4倍。从图1来看，82B盘条无论是网状渗碳体（晶界处白色线条），还是条状马氏体（白色块状），异常组织级别增大趋势概率都是先增大后减小，其中2级异常组织出现的概率最大。从图2来看，82B盘条条状马氏体和网状渗碳体都出现在芯部，但边缘未发现异常情况。

图1 82B盘条异常组织级别概率趋势

图2 82B盘条异常组织金相形貌

2.2 散冷温度

A厂第N条生产线82B盘条以（900±15）℃的温度进行吐丝盘卷，并在斯太尔摩风冷线上进行近似连续冷却，前14段辊道采用风冷控制，后面采用空冷控制，其散冷温度曲线类似为侧立S型曲线，冷却过程主要分为三个阶段，如图3所示，其中12.5-D表示12.5mm搭接点；12.5-F表示12.5mm非搭接点；13.0-D表示13.0mm搭接点；13.0-F表示13.0mm非搭接点。

图3 82B盘条散冷温度曲线

第一个阶段为快速风冷阶段，其中ø12.5mm规格搭接点平均冷却速率为8.8℃/s，非搭接点平均冷却速率为8.5℃/s，ø13.0mm规格搭接点平均冷却速率为8.9℃/s，非搭接点平均冷却速率为9.2℃/s。总体而言，ø12.5mm规格的冷却速率小于ø13.0mm规格的冷却速率。

第二阶段为奥氏体转变为珠光体的主要相变阶段，从曲线来看，ø12.5mm规格的相变温度为613～665℃，ø13.0mm规格的相变温度为603～660℃。另外，82B盘条在强风冷却32s后出现温度先升高后降低的趋势，并在39s时温度达到最高，说明此时相变最剧烈。温度先升高是因为相变热大于风冷热对流，而后温度降低是因为相变快结束相变热小于风冷热对流。

第三个阶段为相变结束后缓慢空冷阶段，ø12.5mm规格搭接点平均冷却速率为1.6℃/s，非搭接点平均冷却速率为1.8℃/s，ø13.0mm规格搭接点平均冷却速率为1.4℃/s，非搭接点平均冷却速率为1.7℃/s。总体而言，ø12.5mm规格的冷却速率大于ø13.0mm规格的冷却速率。

对上述散冷温度曲线进行非线性回归得出，第一阶段的拟合公式为T=AeBt，第二阶段的拟合公式为T=at2+bt+c，其中T是散冷温度，t是冷却时间，A、B、a、b、c是常数，具体参数和拟合度（R2）如表2所示。从拟合度结果可知，第一阶段的散冷温度与时间的关系满足指数函数，第二阶段的散冷温度与时间的关系满足二次函数。

3 机理分析

3.1 网状渗碳体形成机理分析

表2 散冷温度拟合公式参数和拟合度

由铁碳相图可知，82B盘条在平衡态下冷却将形成99.16%珠光体和0.84%网状渗碳体，而在风冷条件下的非平衡态冷却使得原共析路线发生左移，Acm析出线转变为A3析出线，奥氏体因冷却速度过快而先析出少量铁素体，再析出珠光体。因此，冷却速率越快，82B盘条越不容易在过冷奥氏体边界析出网状渗碳体。

在斯太尔摩风冷线上，82B盘条一方面向外发生热辐射和向内发生热传导，另一方面与空气发生热对流，其冷却速率随着时间增加呈减小趋势。由于测量温度是表层温度，而芯部温度要高于表层温度，所以在相同冷却条件下，推断芯部冷却速率要慢于表层冷却速率。由于82B盘条网状渗碳体出现在芯部，说明芯部的冷却速率过慢，近似于平衡态冷却。由第一阶段的分析数据可知，ø12.5mm规格表层平均冷却速率小于ø13.0mm规格表层平均冷却速率，而ø12.5mm规格网状渗碳体率却大于ø13.0mm规格网状渗碳体率，从而间接说明芯部冷却速率变慢时，82B盘条的芯部网状渗碳体率相应提高。

由图4可知（12.5-D表示12.5mm搭接点；12.5-F表示12.5mm非搭接点；13.0-D表示13.0mm搭接点；13.0-F表示13.0mm非搭接点），在接近相变前，ø12.5mm规格搭接点冷却速率为3.8℃/s，非搭接点冷却速率为6.1℃/s，ø13.0mm规格搭接点冷却速率为3.9℃/s，非搭接点冷却速率为6.1℃/s。因此，无论是ø12.5mm规格，还是ø13.0mm规格，82B盘条搭接点的表层冷却速率都要低于非搭接点表层冷却速率，这说明82B盘条搭接点的芯部在接近共析反应前更容易形成网状渗碳体。在生产过程中，为降低82B盘条的网状渗碳体率，适当提高相变前搭接点的冷却速率，即通过调整佳灵装置来增大搭接点的风量分配，降低相变前搭接点和非搭接点的温差[7]。

图4 82B盘条散冷冷却速率

3.2 马氏体形成机理分析

从异常组织析出顺序对比可知，网状渗碳体和马氏体没有同时出现在盘条芯部，其中网状渗碳体是在过冷奥氏体晶界处析出铁素体的过程中产生的成片分散状异常组织，马氏体是过冷奥氏体发生共析反应时产生的孤岛状异常组织。

由上述分析可知，82B盘条表层冷却速率大于芯部冷却速率，理论上表层更容易出现马氏体，但事实上所有的马氏体都出现在芯部，这说明马氏体形成的直接原因不是冷却速率。试验结果表明，Cr、Mn含量的增加会提升过冷奥氏体的稳定性，降低马氏体形成的冷却速率，所以在同样的冷却条件下Cr、Mn元素的偏析更容易产生马氏体[5]。由图2可知，芯部马氏体的几何尺寸近似于珠光体的几何尺寸，这说明马氏体形成之前的奥氏体晶粒存在Cr、Mn偏析。对于芯部有Cr、Mn元素偏析的82B盘条，在非平衡态冷却条件下铁素体析出之后应适当降低冷却速率有助于抑制马氏体形成。

由图4可知，在奥氏体转变为珠光体的主要相变过程中，ø12.5mm规格82B盘条表层冷却速率基本上大于ø13.0mm规格82B盘条表层冷却速率，而ø12.5mm规格马氏体率大于ø13.0mm规格马氏体率，从而间接说明芯部冷却速率变快时，Cr、Mn元素偏析的82B盘条的芯部马氏体率相应提高。在生产过程中，为降低ø12.5mm规格82B盘条的马氏体率，应适当降低相变快结束时的冷却速率，即通过降低后道次的风机风量来提高终冷温度。

在82B盘条散冷共析相变过程中，降低冷却速率虽然可以控制盘条芯部Cr、Mn偏析而析出马氏体，但是此过程相变热会造成温度升高而增大珠光体层间距，从而降低抗拉强度。研究表明相变前过冷度越大，82B珠光体层间距越小[8]。在非平衡态冷却下，增大共析相变前的过冷度，一方面提升了共析相变前的冷却速率，另一方面降低了共析相变起始点，若后续降低冷却速率也能控制相变过程的最大温度，这既能抑制网状渗碳体和马氏体的形成，也能保证抗拉强度。

4 结论

（1）经大量统计数据分析，ø12.5m m～ø13.0mm 82B盘条出现条状马氏体的概率为1.01%，出现网状渗碳体的概率为1.45%，82B盘条只出现在芯部的异常组织的级别增大趋势概率都是先增大后减小。

（2）82B盘条的散冷温度曲线类似为侧立S型曲线，主要分为快速风冷阶段、共析相变阶段和缓慢空冷阶段。第一阶段和第二阶段的散冷温度与时间的关系分别满足指数函数和二次函数。

（3）82B盘条网状渗碳体是其搭接点的芯部在接近共析反应前过冷奥氏体晶界处析出铁素体的过程中产生的，马氏体是芯部铬锰偏析的过冷奥氏体发生共析反应时产生的。通过调整共析相变前后冷却速率和降低相变前过冷度可降低异常组织出现的概率。