控軋控冷工藝對高強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. 太原理工大學材料科學與工程學院， 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，對錨桿支護強韌性的要求越來越高，為了應對這一情況，需要研發(fā)出更高強度的錨桿鋼。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性能的關(guān)系。研究結(jié)果表明，在中軋后、精軋前采用適當水冷+回復段處理的復合工藝可使晶粒更細小、組織更均勻。對超高強度錨桿鋼進行熱壓縮變形試驗，由熱模擬試驗結(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 ℃、回復段溫度為800 ℃時，可獲得的晶粒尺寸達4 μm，珠光體體積分數(shù)為66.8%，鐵素體體積分數(shù)為33.2%，珠光體片層間距達200 nm；另外調(diào)整V、Cr、N等析出以提高錨桿鋼的強韌性，較低的回復溫度有利于細小、彌散、V(C/N)析出相的析出，V(C/N)的析出可進一步改善錨桿鋼的力學性能。由該控軋控冷工藝軋制的錨桿鋼屈服強度為780 MPa、抗拉強度為930 MPa、硬度為291HV、伸長率為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)展與煤炭開采技術(shù)的進步息息相關(guān)，開采量需求的不斷提高，使得開采礦井的深度越來越深，目前國內(nèi)礦區(qū)的平均開采深度已超過1 000 m，且開采深度還以約10 m/a的速度增加。這就要求煤礦巷道支護裝備也必須適應開采深度增加所提出的新要求，煤礦巷道支護從木支護、砌碹支護、型鋼支護逐漸過渡到錨桿支護。國內(nèi)外的實踐證明，錨桿支護是巷道經(jīng)濟、有效的支護形式。目前，國內(nèi)有些礦區(qū)錨桿支護率已超過90%，甚至達到100%。錨桿強度分為普通強度、高強度和超高強度(屈服強度不小于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，對錨桿鋼的強韌性提出了更高要求。
控軋控冷工藝的出現(xiàn)為制備低成本高強度合金鋼提供了一種新的方法，其通過調(diào)控微觀組織獲得優(yōu)異的力學性能。控軋控冷技術(shù)基于晶粒細化、析出和相變控制的優(yōu)勢，在組織控制機制和強化機制上實現(xiàn)了創(chuàng)新突破。對于低合金鐵素體/珠光體鋼，應用該工藝可以進一步細化晶粒尺寸；對于貝氏體鋼，此工藝可以控制相形態(tài)、尺寸和貝氏體析出；對于馬氏體鋼，合理的軋制工藝可以細化奧氏體晶粒，同時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增加，阻止馬氏體的長大，從而細化馬氏體晶粒。此工藝一般應用于熱軋帶鋼、鑄鋼板、中厚鋼板和厚鋼板等多種類型。超高強度錨桿鋼屬于低碳、低合金鋼，利用控軋控冷工藝可進一步提升其性能，以滿足未來發(fā)展的要求。通常C元素主要起固溶強化的作用，對屈服強度、抗拉強度都有影響，C含量不宜過高否則易使得塑性降低；Cr元素不僅可以提高鋼的硬度、強度，還能改善錨桿鋼的耐蝕性；V元素主要作用為細化晶粒，使鋼的強度和硬度提高，且與C、N元素形成V(C/N)析出相，起到彌散強化的作用，同時還可促使鐵素體的形核，起到很強的析出強化作用。上述組織的實現(xiàn)依賴于控軋控冷工藝，針對高強度錨桿鋼控軋控冷的研究國內(nèi)才剛剛開始，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)實際選擇合適的軋制工藝、冷卻工藝，考察其對鐵素體、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+回復段的方法進行軋制使得晶粒更細小，組織分布更均勻，細晶強化作用明顯。
(2)當入精軋溫度為810 ℃、回復段溫度為800 ℃時，通過調(diào)控溫度使得晶粒更為細小、珠光體體積分數(shù)更大、鐵素體體積分數(shù)更小；同時，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，強韌性較好。該工藝下試樣力學性能為屈服強度780 MPa、抗拉強度930 MPa、硬度291HV、伸長率20%。
(3)比較不同工藝發(fā)現(xiàn)，較低回復溫度(800 ℃)可使基體中彌散分布的細小析出物顆粒增多，有利于V(C，N)析出相彌散析出，使材料的綜合性能提高。
