控軋控冷工藝對(duì)高強(qiáng)度錨桿鋼組織和性能的影響
張晉源1，齊治畔2，劉鵬2，宋青松1，尋懋年1，韓培德1
(1. 太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030024；2. 山西通才工貿(mào)有限公司， 山西 臨汾 043400)
摘要：隨著礦井深度的增加，對(duì)錨桿支護(hù)強(qiáng)韌性的要求越來(lái)越高，為了應(yīng)對(duì)這一情況，需要研發(fā)出更高強(qiáng)度的錨桿鋼。利用錨桿鋼研究了軋制工藝、冷卻工藝與珠光體、鐵素體相比例，析出相析出行為及力學(xué)性能的關(guān)系。研究結(jié)果表明，在中軋后、精軋前采用適當(dāng)水冷+回復(fù)段處理的復(fù)合工藝可使晶粒更細(xì)小、組織更均勻。對(duì)超高強(qiáng)度錨桿鋼進(jìn)行熱壓縮變形試驗(yàn)，由熱模擬試驗(yàn)結(jié)果確定相轉(zhuǎn)變溫度為Ac1=737 ℃、Ac3=886 ℃。最終篩選出入精軋溫度為810 ℃、回復(fù)段溫度為800 ℃時(shí)，可獲得的晶粒尺寸達(dá)4 μm，珠光體體積分?jǐn)?shù)為66.8%，鐵素體體積分?jǐn)?shù)為33.2%，珠光體片層間距達(dá)200 nm；另外調(diào)整V、Cr、N等析出以提高錨桿鋼的強(qiáng)韌性，較低的回復(fù)溫度有利于細(xì)小、彌散、V(C/N)析出相的析出，V(C/N)的析出可進(jìn)一步改善錨桿鋼的力學(xué)性能。由該控軋控冷工藝軋制的錨桿鋼屈服強(qiáng)度為780 MPa、抗拉強(qiáng)度為930 MPa、硬度為291HV、伸長(zhǎng)率為20%。
關(guān)鍵詞：錨桿鋼；控軋控冷工藝；珠光體；鐵素體；V(C/N)析出相
1 引言
高產(chǎn)量礦井的發(fā)展與煤炭開(kāi)采技術(shù)的進(jìn)步息息相關(guān)，開(kāi)采量需求的不斷提高，使得開(kāi)采礦井的深度越來(lái)越深，目前國(guó)內(nèi)礦區(qū)的平均開(kāi)采深度已超過(guò)1 000 m，且開(kāi)采深度還以約10 m/a的速度增加。這就要求煤礦巷道支護(hù)裝備也必須適應(yīng)開(kāi)采深度增加所提出的新要求，煤礦巷道支護(hù)從木支護(hù)、砌碹支護(hù)、型鋼支護(hù)逐漸過(guò)渡到錨桿支護(hù)。國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐證明，錨桿支護(hù)是巷道經(jīng)濟(jì)、有效的支護(hù)形式。目前，國(guó)內(nèi)有些礦區(qū)錨桿支護(hù)率已超過(guò)90%，甚至達(dá)到100%。錨桿強(qiáng)度分為普通強(qiáng)度、高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度不小于600 MPa)。所用錨桿材料有Q235、MG335、MG400、MG500、MG600。但是隨著礦井深度的增加，對(duì)錨桿鋼的強(qiáng)韌性提出了更高要求。
控軋控冷工藝的出現(xiàn)為制備低成本高強(qiáng)度合金鋼提供了一種新的方法，其通過(guò)調(diào)控微觀組織獲得優(yōu)異的力學(xué)性能。控軋控冷技術(shù)基于晶粒細(xì)化、析出和相變控制的優(yōu)勢(shì)，在組織控制機(jī)制和強(qiáng)化機(jī)制上實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新突破。對(duì)于低合金鐵素體/珠光體鋼，應(yīng)用該工藝可以進(jìn)一步細(xì)化晶粒尺寸；對(duì)于貝氏體鋼，此工藝可以控制相形態(tài)、尺寸和貝氏體析出；對(duì)于馬氏體鋼，合理的軋制工藝可以細(xì)化奧氏體晶粒，同時(shí)在奧氏體中所造成的亞結(jié)構(gòu)將促使馬氏體的晶核形成地點(diǎn)增加，阻止馬氏體的長(zhǎng)大，從而細(xì)化馬氏體晶粒。此工藝一般應(yīng)用于熱軋帶鋼、鑄鋼板、中厚鋼板和厚鋼板等多種類型。超高強(qiáng)度錨桿鋼屬于低碳、低合金鋼，利用控軋控冷工藝可進(jìn)一步提升其性能，以滿足未來(lái)發(fā)展的要求。通常C元素主要起固溶強(qiáng)化的作用，對(duì)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度都有影響，C含量不宜過(guò)高否則易使得塑性降低；Cr元素不僅可以提高鋼的硬度、強(qiáng)度，還能改善錨桿鋼的耐蝕性；V元素主要作用為細(xì)化晶粒，使鋼的強(qiáng)度和硬度提高，且與C、N元素形成V(C/N)析出相，起到彌散強(qiáng)化的作用，同時(shí)還可促使鐵素體的形核，起到很強(qiáng)的析出強(qiáng)化作用。上述組織的實(shí)現(xiàn)依賴于控軋控冷工藝，針對(duì)高強(qiáng)度錨桿鋼控軋控冷的研究國(guó)內(nèi)才剛剛開(kāi)始，故相關(guān)軋制工藝參數(shù)與微觀組織關(guān)聯(lián)性的關(guān)系有待深入探討。因此本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際選擇合適的軋制工藝、冷卻工藝，考察其對(duì)鐵素體、珠光體及析出相的影響，以為生產(chǎn)出性能更優(yōu)的錨桿鋼提供支撐。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)采用控扎控冷工藝得到的微觀組織為鐵素體+珠光體。在中軋后、精軋前采用穿水冷卻+回復(fù)段的方法進(jìn)行軋制使得晶粒更細(xì)小，組織分布更均勻，細(xì)晶強(qiáng)化作用明顯。
(2)當(dāng)入精軋溫度為810 ℃、回復(fù)段溫度為800 ℃時(shí)，通過(guò)調(diào)控溫度使得晶粒更為細(xì)小、珠光體體積分?jǐn)?shù)更大、鐵素體體積分?jǐn)?shù)更??；同時(shí)，珠光體片層間距小、相界總面積大、滲碳體片薄，協(xié)調(diào)變形較好，強(qiáng)韌性較好。該工藝下試樣力學(xué)性能為屈服強(qiáng)度780 MPa、抗拉強(qiáng)度930 MPa、硬度291HV、伸長(zhǎng)率20%。
(3)比較不同工藝發(fā)現(xiàn)，較低回復(fù)溫度(800 ℃)可使基體中彌散分布的細(xì)小析出物顆粒增多，有利于V(C，N)析出相彌散析出，使材料的綜合性能提高。
