电脉冲处理对330hrb螺纹钢凝固组织的影响

电脉冲处理对330hrb螺纹钢凝固组织的影响

在上世纪末，提出了下一代钢材料的概念，并引起了世界各国的高度关注。这种方法主要通过控制钢的化学成分（微黄金化）、微组织形状、固体变形和颗粒细化来实现。其中核心技术是晶粒细化,即超细晶技术,通过将当前钢材晶粒尺寸细化一个数量级,使钢铁材料的强度可提高一倍,同时保持良好的塑性和韧性。而在金属凝固过程或凝固前施加一选定的电脉冲,使凝固组织得到有效改善,树枝晶区缩小,一次晶臂得到细化,二次晶臂减小,等轴晶区扩大,且细化均匀,也能使金属材料的内裂纹、缩孔和疏松基本上消除,成分偏析得到改善,并且处理后的钢材的力学性能得到一定的提高。为此,对335HRB螺纹钢在凝固过程中施加电脉冲进行了实验,观察未经过电脉冲处理和经过2600V电脉冲处理的335HRB螺纹钢的宏观和微观凝固组织变化,并对其显微硬度进行测量。1电脉冲处理和微观组织观察实验选择材料为335HRB螺纹钢,主要成分见表1,先用中频感应炉(CW-1JJ)将335HRB螺纹钢熔化,使钢液温度达到1600℃,并保温5min,用铝丝进行脱氧后浇铸到自制的保温效果较好的内腔尺寸为准80mm×70mm浇铸型中,开启脉冲信号发生器进行电脉冲处理,直到钢水全部凝固为止,电脉冲处理的总时间为4min。将经过处理的铸锭用线切割沿轴向切开,取其一半在预磨机上经过水砂纸磨光,用1∶1的HCl和H2O溶液在70℃中热浸10min左右,再用3%~5%(质量分数)碳酸钠水溶液冲刷清除试样表面上的腐蚀产物,然后用水洗净并用电吹风吹干,最后直接观察其低倍组织。在另一半试样特定的位置切取12mm×12mm×12mm小试样,经过预磨机和抛光机处理完后,用4%(体积分数)的硝酸酒精溶液腐蚀抛光面,在金相显微镜和扫描电子显微镜(QUANTA200)下对其微观组织进行观察;通过显微硬度仪(HX-0000TM)对试样不同组织的硬度值进行测量。2在分析和探索结果2.1凝固组织的改善图2a为未经过电脉冲处理的宏观凝固组织,其与经过电脉冲细化处理的试样具有相同的凝固工艺参数。可以看出,未经过电脉冲处理的335HRB螺纹钢凝固组织中树枝晶比较发达,一次枝晶粗大,二次枝晶明显,且组织分布不均匀;而经2600V电脉冲处理后螺纹钢宏观凝固组织得到明显改善,在试样的整个断面上已很难找到树枝晶,凝固组织基本都以细小均匀的等轴晶形式存在,如图2b所示。335HRB螺纹钢的凝固组织得到改善的原因可能是脉冲电流通过熔体时产生电磁收缩力,使形成的树枝晶尤其是细小的树枝晶被碎断成细小的碎粒,游离于熔体中并成为新的晶粒生长核心而形核长大,使凝固后的晶粒得到细化和等轴化;或是脉冲电流产生的磁收缩力使熔体被反复的压缩,而使局部区域的液态金属迅速失去过热,增加凝固的过冷度,并对原子扩散的激活能产生影响,使金属凝固的形核率增加;或是脉冲电流降低形核势垒,使结晶形核更容易进行;也可能是脉冲电流产生的Peltier热效应和Jouler热效应等方面均对凝固组织产生影响。2.2电脉冲处理对魏氏组织和珠光体形貌的影响335HRB螺纹钢碳的质量分数为0.25%,属于亚共析钢,由平衡状态的Fe-Fe3C相图可知,在平衡状态的凝固组织由珠光体和铁素体构成,根据杠杆定理算得珠光体的质量分数为32.5%,铁素体质量分数为67.5%。对未经过电脉冲处理和经过2600V电脉冲处理的335HRB螺纹钢的微观组织进行检验,微观组织如图3所示。图3a为未经过电脉冲处理的螺纹钢凝固组织,其由珠光体和铁素体组成,铁素体以魏氏组织形式存在,呈现出片(或针)状,且较为粗大,末端尖细,同时,有大量魏氏组织由晶界插入原奥氏体晶粒内部。而经过2600V电脉冲出后,螺纹钢的凝固组织发生明显变化,珠光体显著增多,铁素体减少,且铁素体主要以块状和网状形式存在,仅在局部区域存在少量魏氏组织,如图3b所示。对于电脉冲处理魏氏组织减少的原因可能是经过电脉冲处理后,形成的奥氏体晶粒比较细小,碳自晶界扩散到晶内的路径短,铁素体的形核率比也较大,故对铁素体形核比较有利,这样在魏氏组织形成之前可能在晶界处已产生了足够量的网状铁素体,从而使奥氏体中的含碳量提高到一定的程度,以至魏氏组织形成的上限温度低于钢的实际温度,因此魏氏组织不能形成。而经过电脉冲处理后,铁素体总含量将减少,珠光体含量增加的原因可能是由于2600V电脉冲处理后试样局部区域过冷度增加,使得冷却速度加快,奥氏体发生伪共析转变,先共析铁素体来不及析出,直接转变为渗碳体和铁素体的整合组织的伪珠光体,使铁素体含量减少,珠光体含量增加,而伪珠光体的碳含量根据原奥氏体碳含量的不同而不同,并非平衡条件下珠光体中渗碳体和铁素体的比值,且伪珠光体的片层间距一般比较小,主要为托氏体和索氏体组织。对未经过电脉冲处理和经过2600V脉冲电压处理的335HRB螺纹钢的珠光体形貌进行观察,其结果如图4所示。可以看出,未经过电脉冲细化处理的335HRB螺纹钢的珠光体为典型珠光体组织,铁素体和渗碳体的片层结构比较明显,珠光体的片层比较平直,片层间距比较大,平均片层间距为0.52μm;而经过2600V脉冲电压处理后,珠光体发生显著变化,其片层间距减小,平均片间距为0.30μm,并在局部区域出现类粒状和短杆状珠光体组织,且在整个试样断面上均出现此现象。对于电脉冲改善珠光体形貌原因,可认为电脉冲作用到钢液时,在钢液中造成整个液体中大范围碳元素的弥散均匀分布,从而使得最初凝固的奥氏体相中的碳原子分布相对正常凝固情况要均匀的多。当进入珠光体转变温度范围时,在原奥氏体晶粒内有一些贫碳区突然开始聚集形核长大,形成铁素体,打破了原来碳元素均匀分布的平衡关系,必然导致大范围弥散的碳富集区的出现,使更多的Fe3C形核点产生,并造成了大量近程碳原子迁移速度的加快,这样由于形核率的增加,碳元素扩散速度的加快,使珠光体片层间距出现了缩短现象;同时,电脉冲可使液态金属局部区域的过冷度增加,使原子的活动能力下降,原子扩散距离减小,从而使生成的珠光体中铁素体和渗碳体片层比较薄。2.3显微硬度和显微硬度对未经过电脉冲处理和经过2600V电脉处理335HRB螺纹钢显微组织中的珠光体和铁素体的显微硬度(HV)进行了测量,显微硬度试验载荷为1N,保压时间为15s,其结果如图5所示。可以看出,经过电脉冲处理的335HRB螺纹钢的珠光体和铁素体的显微硬度均得到了提高,珠光体显微硬度由未经过处理的183HV0.1提高到219HV0.1,增加了16.44%,硬度提高的原因可结合珠光体形态来分析,经过2600V电脉冲处理后,珠光体主要以索氏体和屈氏体组织存在,片层间距较薄,其铁素体和渗碳体的相界面增加,在外力作用下抗塑性变形能力增强,材料的强度、硬度升高。而从图5明显可以看出,电脉冲对铁素体的显微硬度影响不是很明显,其显微硬度由未经过处理的127HV0.1提高到138HV0.1,仅增加了7.97%,因为未经电脉冲处理的铁素体主要以魏氏组织形式存在,使钢的塑性和冲击韧性显著降低,对显微硬度的影响不大,但铁素体硬度微弱的提高可能由于未经过电脉冲处理的空白样中原奥氏体组织比较粗大,形成了大量粗大的魏氏组织,而经过电脉冲处理后魏氏组织减少,主要以网状和块状铁素体形式存在。3等轴晶的微观组织1)经过2600V电脉冲处理,335HRB螺纹钢的凝固组织得到明显细化,树枝晶基