自回火是金属材料热处理中的一个概念，表示材料常温下自发发生的一个回火的过程。主要用在尺寸质量效应较大的工件上，例如：表面层淬完火后，其中部仍然有600-700度的余温，那么这余温传递到淬完火的表面层，就是一个自回火过程。采用控轧控冷技术(TCMP)对钢材整个热轧和轧后冷却过程(包括坯料加热、轧制、冷却及卷取)进行控制, 已成为棒材和型材生产的主要强化工艺。20MnSi 钢作为一类强度高、韧性好的钢种, 主要用以满足建筑用热轧带肋钢筋的需求, 不仅要求其具有良好的力学性能, 同时还要求其显微组织符合相关规定。

采用控轧控冷技术(TCMP)对钢材整个热轧和轧后冷却过程(包括坯料加热、轧制、冷却及卷取)进行控制, 已成为棒材和型材生产的主要强化工艺。20MnSi 钢作为一类强度高、韧性好的钢种, 主要用以满足建筑用热轧带肋钢筋的需求, 不仅要求其具有良好的力学性能, 同时还要求其显微组织符合相关规定。

目前中国大部分钢铁企业采用在普通20MnSi钢成分基础上添加Nb 、V 等微合金元素并进行控轧控冷的工艺生产较高强度带肋螺纹钢筋。近年来, 由于Nb 、V 等合金元素价格的不断提高, 利用微合金化提高20MnSi 钢筋强度的成本逐渐上升。作为以细晶强化为目标的控轧控冷工艺, 冷却后的钢筋自回火温度及钢中Si 、Mn 等合金元素的含量是改善钢筋的微观组织及机械强度的重要因素。参照国标1499 .2 —2007 对20MnSiNb 钢筋合金成分的要求, 设计不同Si 、Mn 成分的20MnSi 钢, 并以此为研究对象, 在钢厂进行了不同自回火温度下的控轧控冷试验, 对所得钢筋进行微观组织观察与力学性能测试, 研究了钢中Si 、Mn 合金元素和自回火温度对钢筋组织及力学性能的影响规律, 探讨了利用20MnSi 生产400MPa 3 级螺纹钢筋的可行性。

钢筋微观组织分析

通过对所取钢筋试样进行微观组织观察, 发现各钢筋试样的显微组织沿剖面边部及中心有2 种不同形态, 且均有明显过渡组织。1 ～ 4 号试验钢筋的500 倍下边部显微组织照片; 3号与4 号钢筋试样自回火温度分别为650 ℃及750 ℃的中心显微组织。

自回火温度为550 ℃的钢筋试样边部为回火马氏体组织, 随着自回火温度达到750 ℃, 4 号试样边部为珠光体+铁素体组织。自回火温度处于650 ℃的2 号试样边部为索氏体+珠光体组织;相同自回火温度下, 3 号试样的边部为索氏体+珠光体+铁素体组织。

可见, 自回火温度为650 ℃条件下, 钢筋边部的铁素体已再结晶, 为等轴晶粒, 渗碳体也聚集成球状并在铁素体基体上析出;Si 、Mn 等合金元素含量较高的3 号试样边部出现了较为粗大的多边形铁素体组织, 原富碳奥氏体也已转变为碳化物并于铁素体基体上析出。

在随着自回火温度由650 ℃提高至750 ℃, 钢筋的心部均为铁素体+珠光体组织, 珠光体晶粒得到细化; 4 号钢筋试样的边部珠光体晶粒直径明显小于其中心组织。

淬透性分析

自回火温度650 ℃下2 号试样与3 号试样的过渡组织。在自回火温度达到650 ℃时, 2 号与3 号试样的过渡区金相组织均为索氏体+珠光体+铁素体组织, 其中2 号试样的边部组织与中心组织交界处有部分魏氏组织。当加热与冷却条件相同时, 临界直径越大, 钢的淬透性越好。由于在穿水过程中钢筋的边部冷却速度远大于临界冷却速度, 在冷却后钢筋边部为马氏体组织, 自回火过程中进行马氏体组织的回火转变, 因此认为边缘至过渡带距离可表征钢筋的临界直径D0 。根据淬透性因子f Mn =1 +3.33Mn %、f Si =1 +0 .7Si %, 当Si 、Mn 的质量分数提高0 .30 %时, 钢筋的淬透性可提高40 %左右。经过测量,Mn 的质量分数为1 .44 %的3 号钢筋试样其边缘至过渡带距离为1 .2 ～ 1 .7mm , 而Mn 的质量分数为1 .10 %的3 号试样边缘与过渡带距离则为0 .8 ～ 1mm , 与通过淬透性因子所计算淬透性提高量相当。

力学性能分析

试验钢筋的屈服强度与抗拉强度均达到了370MPa 和520MPa 以上, 符合GB1499 .2 —2007中所规定的ReL ≥335MPa 及Rm ≥455MPa 的标准。且随着自回火温度的提高, 硅、锰含量相同的1 、2 号钢筋及3 、4 号钢筋, 其屈服强度分别下降了12MPa 及30MPa , 1 、2 号钢筋的抗拉强度差别不大, 3 、4 号钢筋的抗拉强度则随回火温度的升高相应提高16MPa ;自回火温度相同的2 、3 号钢筋随硅、锰含量的提高, 屈服强度与抗拉强度分别提高92MPa 与98MPa , 强化效果显著;1 ～ 4 号钢筋的静力韧度(Rm ·A)随自回火温度及硅、锰含量的提高呈现递增趋势, 4 号钢筋的Rm · A 达到最大, 为163 .80J/cm3 , 强度与塑性得到良好配合。同时, 各钢筋的总伸长率差别不明显, 为25 % ～ 28 %, 强屈比大于等于1 .31 , 符合国标要求。

自回火温度对钢筋组织与性能的影响

钢筋控轧控冷后的自回火类似于Temper Co re(芯热回火)过程, 即钢筋终轧完成后通过水冷系统, 控制穿水强度和穿水压力, 以使钢筋在不同温度下进行自回火。由于钢筋表层冷却速度远大于临界冷却速度, 而心部冷却则远小于表层冷却速度, 使钢筋表层淬火, 成为马氏体组织, 心部仍为过冷奥氏体;随后的自然冷却过程中, 心部热量逐渐传递至钢筋表面, 使表层淬火马氏体组织发生分解, 形成新的回火组织。这种热处理可使钢筋产生相变强化, 强化增量可达100 ～ 300MPa 。静力韧度的意义是钢筋在静载下吸收变形的能力, 通常可用以表征钢筋强度与塑性配合的好坏。钢筋中的马氏体组织会严重影响材料的塑性, 而细化的索氏体和珠光体组织则可以提高钢筋的屈强比与静力韧度。

随着自回火温度的提高, 钢筋的边部组织由回火马氏体转变为回火珠光体, 且钢筋心部的珠光体组织也得到细化。

相同硅、锰含量下, 随着自回火温度的提高, 4 号钢筋试样的屈服及抗拉强度与3 号钢筋试样相比分别降低了30MPa 与20MPa , 但屈强比与静力韧度显著提高。自回火温度过低, 钢筋的表层组织为回火马氏体, 不符合国标要求;钢筋自回火温度的提高能显著改善钢筋组织, 并使钢筋的强度与塑韧性得到良好配合, 但过高的自回火温度会使钢筋的力学性能降低。因此, 适当的钢筋自回火温度应当保持在650 ～ 700 ℃之间。

合金元素对钢筋组织与性能的影响

虽然550 ℃被认为处于亚共析钢的回火索氏体转变区间, 在550 ℃温度下自回火钢筋的边部为马氏体组织; 回火珠光体的转变温度也达到了750 ℃、650 ℃以下,钢筋的表层马氏体组织也转变为索氏体组织。李壮等人认为碳质量分数为0 .14 %的低碳铆螺回火珠光体组织转变温度为500 ～ 550 ℃, 与本试验相比有所降低, 而其他相关文献中, 20MnSi 钢筋马氏体回火组织转变温度则与本试验钢筋相当。因此, 钢中碳含量的提高会使马氏体回火组织的转变温度升高。同时, Mn 可降低奥氏体中碳的活度, 从而促进非平衡相诸如退化的珠光体形成, 在相同自回火温度下, 2 、3 号试样的边部组织变化应与此相关。

当硅、锰质量分数提高0 .30 %, 钢筋的屈服强度和抗拉强度可分别提高50MPa 及40MPa 。随着钢筋中硅、锰含量的提高, 3 号钢筋试样与2 号钢筋试样相比, 屈服强度与抗拉强度分别提高了92MPa 和98MPa 。随着钢中硅、锰含量提高, 钢筋的淬透性也相应提高, 这是因为Si 、Mn 在融入奥氏体后使20MnSi 钢的C 曲线右移, 降低了材料的临界淬火速度, 从而使钢筋淬火马氏体区扩大所致。因此,钢筋中的Si 、Mn 元素质量分数分别达到0 .60 %及1 .40 %后可提高钢筋淬透性, 使淬火马氏体回火组织的区域扩大, 提高钢筋的机械强度。这与本试验所得结果相符, 同时进一步说明自回火温度对20MnSi 钢筋机械强度的影响主要是通过改善钢筋组织实现。

非微合金化HRB400 钢筋的生产讨论

按照国家标准, 热轧带肋钢筋的生产可分为3种强度级别。屈服强度达400MPa 的HRB400钢筋常采用在20MnSi 原料基础上添加Nb 、V 等合金元素进行微合金化或以微合金化与控轧控冷工艺相配合的方式进行生产。本次试验中, 经控轧控冷后1 、2 号试样的屈服强度与抗拉强度都达到了国标中关于HRB335 钢筋的相关要求, 3 、4 号试样其屈服强度与抗拉强度分别达到440MPa 与610MPa以上, 静力韧度达到153.50 J/cm3 以上, 符合HRB400 钢筋的使用要求;同时, 通过调节轧后自回火温度, 在750 ℃温度下进行自回火的4 号钢筋试样, 其显微组织也为珠光体组织, 晶粒度达到10 级,符合国家标准的要求。可见本次试验用20MnSi 钢的硅、锰含量与20MnSiNb 钢的Si 、Mn 合金元素含量相比差别不大, 且不用添加微合金元素。通过提高控轧控冷后期的自回火温度,并适当提高钢中Si 、Mn 元素含量, 不仅提高了20MnSi 热轧带肋钢筋的强度级别, 而且改善了钢筋的表层微观组织, 使热轧带肋钢筋的生产工艺简化,降低了成本和能耗, 提高了经济效益。

1)自回火温度650 ℃下, 20MnSi 钢筋表层为索氏体+珠光体组织, 自回火温度达到750 ℃时为珠光体组织。索氏体组织随着自回火温度的提高有向珠光体转变的趋势;自回火温度过低, 钢筋的表层组织为回火马氏体, 不符合国标要求;钢筋自回火温度的提高能显著改善钢筋组织, 并使钢筋的强度与塑韧性得到良好配合, 但过高的自回火温度会使钢筋的力学性能降低。因此, 适当的钢筋自回火温度应当保持在650 ～ 700 ℃之间。

2)钢中的Si 、Mn 元素可提高20MnSi 钢筋的淬透性, 增强钢筋的相变与细晶强化效果, 钢筋中Si 、Mn 元素质量分数分别达到0 .60 %和1 .40 %后可显著提高钢筋的屈服强度与抗拉强度。采用控轧控冷, 并进行高温回火处理的20MnSi 钢筋, 其屈服强度与抗拉强度可达到440MPa 及610MPa 以上;与微合金化H RB400 钢筋相比, 钢中的Si 、Mn 元素含量并无显著变化, 而且不用额外加入Nb 、V 等微合金元素, 可使热轧带肋钢筋的生产工艺简化, 并降低成本和能耗。