控轧控冷工艺对高强度锚杆钢组织和性能的影响

张晋源¹，齐治畔²，刘鹏²，宋青松¹，寻懋年¹，韩培德¹

(1. 太原理工大学材料科学与工程学院， 山西 太原 030024；2. 山西通才工贸有限公司， 山西 临汾 043400)

摘要：随着矿井深度的增加，对锚杆支护强韧性的要求越来越高，为了应对这一情况，需要研发出更高强度的锚杆钢。利用锚杆钢研究了轧制工艺、冷却工艺与珠光体、铁素体相比例，析出相析出行为及力学性能的关系。研究结果表明，在中轧后、精轧前采用适当水冷+回复段处理的复合工艺可使晶粒更细小、组织更均匀。对超高强度锚杆钢进行热压缩变形试验，由热模拟试验结果确定相转变温度为A_c1=737 ℃、A_c3=886 ℃。最终筛选出入精轧温度为810 ℃、回复段温度为800 ℃时，可获得的晶粒尺寸达4 μm，珠光体体积分数为66.8%，铁素体体积分数为33.2%，珠光体片层间距达200 nm；另外调整V、Cr、N等析出以提高锚杆钢的强韧性，较低的回复温度有利于细小、弥散、V(C/N)析出相的析出，V(C/N)的析出可进一步改善锚杆钢的力学性能。由该控轧控冷工艺轧制的锚杆钢屈服强度为780 MPa、抗拉强度为930 MPa、硬度为291HV、伸长率为20%。

关键词：锚杆钢；控轧控冷工艺；珠光体；铁素体；V(C/N)析出相

1 引言

高产量矿井的发展与煤炭开采技术的进步息息相关，开采量需求的不断提高，使得开采矿井的深度越来越深，目前国内矿区的平均开采深度已超过1 000 m，且开采深度还以约10 m/a的速度增加。这就要求煤矿巷道支护装备也必须适应开采深度增加所提出的新要求，煤矿巷道支护从木支护、砌碹支护、型钢支护逐渐过渡到锚杆支护。国内外的实践证明，锚杆支护是巷道经济、有效的支护形式。目前，国内有些矿区锚杆支护率已超过90%，甚至达到100%。锚杆强度分为普通强度、高强度和超高强度(屈服强度不小于600 MPa)。所用锚杆材料有Q235、MG335、MG400、MG500、MG600。但是随着矿井深度的增加，对锚杆钢的强韧性提出了更高要求。

控轧控冷工艺的出现为制备低成本高强度合金钢提供了一种新的方法，其通过调控微观组织获得优异的力学性能。控轧控冷技术基于晶粒细化、析出和相变控制的优势，在组织控制机制和强化机制上实现了创新突破。对于低合金铁素体/珠光体钢，应用该工艺可以进一步细化晶粒尺寸；对于贝氏体钢，此工艺可以控制相形态、尺寸和贝氏体析出；对于马氏体钢，合理的轧制工艺可以细化奥氏体晶粒，同时在奥氏体中所造成的亚结构将促使马氏体的晶核形成地点增加，阻止马氏体的长大，从而细化马氏体晶粒。此工艺一般应用于热轧带钢、铸钢板、中厚钢板和厚钢板等多种类型。超高强度锚杆钢属于低碳、低合金钢，利用控轧控冷工艺可进一步提升其性能，以满足未来发展的要求。通常C元素主要起固溶强化的作用，对屈服强度、抗拉强度都有影响，C含量不宜过高否则易使得塑性降低；Cr元素不仅可以提高钢的硬度、强度，还能改善锚杆钢的耐蚀性；V元素主要作用为细化晶粒，使钢的强度和硬度提高，且与C、N元素形成V(C/N)析出相，起到弥散强化的作用，同时还可促使铁素体的形核，起到很强的析出强化作用。上述组织的实现依赖于控轧控冷工艺，针对高强度锚杆钢控轧控冷的研究国内才刚刚开始，故相关轧制工艺参数与微观组织关联性的关系有待深入探讨。因此本文结合生产实际选择合适的轧制工艺、冷却工艺，考察其对铁素体、珠光体及析出相的影响，以为生产出性能更优的锚杆钢提供支撑。

2 精选图表

3 结论

(1)采用控扎控冷工艺得到的微观组织为铁素体+珠光体。在中轧后、精轧前采用穿水冷却+回复段的方法进行轧制使得晶粒更细小，组织分布更均匀，细晶强化作用明显。

(2)当入精轧温度为810 ℃、回复段温度为800 ℃时，通过调控温度使得晶粒更为细小、珠光体体积分数更大、铁素体体积分数更小；同时，珠光体片层间距小、相界总面积大、渗碳体片薄，协调变形较好，强韧性较好。该工艺下试样力学性能为屈服强度780 MPa、抗拉强度930 MPa、硬度291HV、伸长率20%。

(3)比较不同工艺发现，较低回复温度(800 ℃)可使基体中弥散分布的细小析出物颗粒增多，有利于V(C，N)析出相弥散析出，使材料的综合性能提高。