工藝技術(shù)_微鈮處理鋼的物理冶金知識講座

微鈮處理鋼的物理冶金 東濤 傅俊巖 （CITICCBMM 微合金化技術(shù)中心） 摘要：本文簡要總結(jié)了國內(nèi)外迄今鋼的微鈮處理的實踐，并叢增強 Nb(CN)析出效果、 有效的-形變再結(jié)晶、有限的熱變形抗力的增量、改善熱卷性能均勻性等四個方面，闡述 微鈮處理鋼生產(chǎn)可發(fā)揮的物理冶金內(nèi)容。提出了微鈮處理符合我國國情的發(fā)展途徑的觀點， 適應(yīng)現(xiàn)階段鋼鐵業(yè)和制造業(yè)發(fā)展的技術(shù)層次和鋼材需求。 關(guān)鍵詞：微鈮處理、物理冶金、國情、需求 1. 前言 早期微合金化大量的研究工作， 闡明了在普通低碳鋼和低合金高 強度鋼中鈮的強韌化效果及其機制，如圖 1 所示，鈮與釩、鈦的微合 金化相比，既能提高鋼的強度，又改善了鋼的韌性，每增加 0.01%Nb 約可獲得 814Mpa 的強度增量，并使鋼的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度下降 810。 后續(xù)的研發(fā)成果又表明， 在較低的加入量 （0.015%Nb） 、 尤其是鋼中 C、N 含量較低的情況下，同樣顯示出鈮微合金化對鋼的 強度和韌性的有利影響。 圖 1 微合金化對強度和韌性的貢獻比較 本文作者在 1997 年的一篇報告中，曾論述了微鈮處理鋼的廣闊 前景，通過說明鋼的微鈮處理的幾個冶金學(xué)問題，強調(diào)了微鈮處理對 于改善量大面廣 Q235、16Mn、20MnS 等鋼的強韌性水平，提高鋼的 性能和合格率十分有效。隨后的 5 年中，人們在專注于鈮微合金化專 業(yè)用鋼開發(fā)的同時，從材料的性能高級化的 趨勢來看，微鈮處理還是值得重視的。每噸鋼僅增加 17 元左右的 投入，可以取得顯著的經(jīng)濟效益，不失為是一種經(jīng)濟的手段，符 合我國國情，適應(yīng)現(xiàn)階段鋼鐵業(yè)鋼材品種結(jié)構(gòu)調(diào)整和制造業(yè)產(chǎn)品 技術(shù)升級對鋼材高質(zhì)量的需求。 2. 微 Nb 處理鋼中的析出強化 鋼的微合金化設(shè)計原理已概括得十分清楚,在高溫再結(jié)晶奧氏體 區(qū),Nb的作用主要在抑制再結(jié)晶,提高再結(jié)晶停止溫度.在低溫非 再結(jié)晶奧氏體區(qū),Nb的貢獻主要在于提高Ar3點,并富化相變生 核.在終軋后加速冷卻及卷取過程中Nb的強化效果,則在于Nb(CN)的 共格析出及相伴隨的位錯亞結(jié)構(gòu),使鋼得到進一步強化(見圖 2) . 圖 2 Nb、V、Ti 共格析出強化效果 Nb 的強化效果明顯大于 Ti 和 V . 軋后的強化效果與此時呈固 溶狀態(tài)的 Nb 的濃度有關(guān). Nb 在鋼中的 C 和 N 含量及其溶解度，遵循溶解度的關(guān)系，列于 表 1 和表 2。因此不同溫度下 Nb 在鋼中的溶解度量取決于鋼中 C、N 含量。 新近的研究報告指出， 影響終軋后的析出和亞結(jié)構(gòu)強度貢獻也與 鋼中 Nb 的總含量相關(guān)聯(lián)（見圖 3） ，即使0.02% Nb 的鋼中析出及 亞結(jié)構(gòu)的強化也在 30Mpa 左右（見圖 4 和圖 5） 。 表 1 Nb 和 C 溶解溫度之間關(guān)系 Nb (%) C (%) NbC 溶解度 () 0.047 0.050 0.040 0.16 0.06 0.15 0.00752 0.00300 0.00600 1250 1200 1190 0.044 0.034 0.036 0.11 0.04 0.20 0.00484 0.00136 0.00720 1175 1160 1130 0.028 0.012 0.010 0.010 0.25 0.04 0.17 0.13 0.00875 0.00048 0.00170 0.00130 1140 1100 1100 1050 表 2 Nb 和 N 溶解溫度之間關(guān)系 Nb (%) N (%) NbN 溶解度 （） 0.047 0.050 0.040 0.0070 0.0050 0.0050 0.000329 0.000250 0.000200 1250 1200 1190 0.044 0.034 0.036 0.0040 0.0050 0.0030 0.000176 0.000170 0.000108 1175 1160 1130 0.028 0.012 0.010 0.010 0.0035 0.0070 0.0060 0.0060 0.000098 0.000084 0.000060 0.000060 1140 1100 1100 1050 圖 3 NbC 和 NbN 的溶解度 圖 4 不同 Nb 含量低碳鋼的析出 和亞結(jié)構(gòu)強化 圖 5 Nb 含量對屈服強度影響 下面，提供一組試驗數(shù)據(jù)（見表 3）用以說明不同 Nb 含量鋼的 屈服強度水平,0.015%Nb 鋼屈服強度高于無 Nb 鋼 2445Mpa. 表 3 鋼中 Nb 含量與屈服強度關(guān)系 Nb 含量 （%） 終軋溫度 （） 580卷取屈服強度 （Mpa） 軋后加速冷卻固溶 Nb （%） 580Zh 固溶 Nb （%） 900 450 0.035 0.025 0.06 820 462 0.025 0.010 900 448 0.025 0.012 0.04 820 455 0.018 0.008 900 425 0.010 0.005 0.015 820 430 0.008 0.003 900 365 0 820 385 0 0 3. 微 Nb 處理對抑制奧氏體再結(jié)晶的影響 Nb對奧氏體再結(jié)晶的影響通過兩種基本機制， 其一是加熱時未溶 解到奧氏體中的Nb(C、N)及在高溫形變過程中析出的Nb(C、N)對再結(jié) 晶的釘扎作用。但未溶解碳氮化物顆粒度一般在 1000A 以上，高溫形 變析出的碳氮化物顆粒度往往也在 500A 左右，且數(shù)量有限，對再結(jié) 晶的釘扎力約在 44KN/m 2，而熱軋道次間奧氏體再結(jié)晶驅(qū)動力在 20MN/m 2，比晶粒粗化的驅(qū)動力大 200 倍，所以高溫析出物阻礙晶粒 粗化易，而只有當(dāng)釘扎力超過再結(jié)晶驅(qū)動力時，才有可能抑制再結(jié)晶 的發(fā)生。 其二是固溶于奧氏體中的溶質(zhì)Nb原子對再結(jié)晶停止溫度的影響， 圖 6 示出了形變率與形變溫度的關(guān)系，界定了T95%為完全再結(jié)晶溫度， T5%為再結(jié)晶停止溫度。微合金化元素Nb及V、Ti對T5%的影響見圖 7。 微量Nb的影響遠比V、Ti顯著，溶解量為 0.01%Nb和 0.02%Nb的奧氏體 再結(jié)晶停止溫度分別為 900和 950左右。 圖 6 形變率與形變溫度關(guān)系 圖 7 Nb及V、Ti對T5%影響 目前，據(jù)對 Nb 鋼奧氏體再結(jié)晶的研究，繪制出了不同含量的 Nb 鋼 “溫度形變率再結(jié)晶” 圖， 見圖 8。 “Nb 含量70%再結(jié)晶時間” 曲線，見圖 9。以及“軋制溫度再結(jié)晶臨界壓下率”的關(guān)系圖，見 圖 10。 圖 8 鈮鋼的溫度-變形-再結(jié)晶圖 圖 9 含量70%再結(jié)晶時間曲線 圖 10 軋制溫度再結(jié)晶臨界壓下率關(guān)系圖 由上可知，0.02%Nb的鋼中，對奧氏體再結(jié)晶的影響主要是溶質(zhì) 原子對再結(jié)晶停止溫度的影響，0.02%Nb鋼的T5%為 940，而 0.09%Nb 鋼的T5%可升到 1030。微鈮處理鋼的奧氏體再結(jié)晶臨界壓下率比V、 Ti高得多。 4. 微 Nb 處理鋼的形變抗力 在鋼的熱變形過程中，以變形抗力定義為阻止其發(fā)生熱變形的 能力，熱機械處理工藝（TMCP）研究特別關(guān)注鋼的變形抗力，希望在 較低的變形抗力實現(xiàn) TMCP。影響鋼的變形抗力的諸因素見圖 11。 圖 11 影響變形抗力的因素及相關(guān)系 鋼的變形抗力， 不僅與在線組織控制有關(guān)， 更與軋制能力相聯(lián)系。 隨溫度變化的形變率與變形抗力的一般關(guān)系見圖 12。Nb 及 V、Ti 添 加量對變形抗力的影響見圖 13。析出 Nb 的形變抗力要大于固溶 Nb 的形變抗力，0.02%Nb 鋼的形變抗力僅為 CMn 低合金高強度鋼的 1.021.05 倍。 圖 12 形變溫度對微 Nb 鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響 圖 13 鈮、釩、鈦的添加量對變形抗力的影響（=0.3%） 從軋制道次間的軟化度來衡量，鋼中添加 Nb 后大大降低了鋼的 軟化速度，隨軋制過程由奧氏體再結(jié)晶區(qū)溫度降至非再結(jié)晶區(qū)，應(yīng)變 累積效果也隨之增大。 由于相的變形抗力低于同一溫度下的 相，所以(+)兩相區(qū)軋制時出現(xiàn)低變形抗力的情況。 此外，如圖 14 所示，通過調(diào)整軋制規(guī)范，可以降低低溫區(qū)的 變形抗力來適應(yīng)軋鋼裝備，以挖掘鋼材的內(nèi)在潛力，提高鋼材的綜合 力學(xué)性能。 圖 14 采用控軋工藝生產(chǎn)中板時各道次的 變形抗力實測值與公式計算值 5. 微 Nb 處理鋼板帶性能均勻性控制 板帶材的性能及其均勻性,首先取決于鋼的化學(xué)成分、冶煉和鑄坯 工藝、以及熱軋規(guī)范。而現(xiàn)今在線組織和性能控制及性能均勻性的探 討,關(guān)注的是軋后冷卻控制和帶材熱卷取的影響。 微 Nb 處理鋼的優(yōu)勢在于: (1)微Nb的存在是形變誘導(dǎo)析出和形變誘導(dǎo)相變的必要條件。圖 15 為不同Nb含量鋼的奧氏體晶粒尺寸與A3點關(guān)系。 (2)在軋后間斷式控冷或連續(xù)式控冷過程中,轉(zhuǎn)變不同程 度被控制,促使細小貝氏體的形成,一部分 Nb 被強制固溶于基體內(nèi), 提高鋼的強度而不損害韌性。見圖 16 和 17。 (3)在熱卷取過程中,使剩余固溶 Nb 析出,可以調(diào)整鋼的強韌性 匹配和性能的均勻性。見圖 18。 圖 15 Nb含量對奧氏體晶粒尺寸和A3點關(guān) 系的影響 圖 16 軋后冷卻速度對微 Nb 鋼板卷的鐵素體晶 粒尺寸和強化貢獻的影響 圖 17 晶粒尺寸和貝氏體體積百分數(shù)與冷卻速率的關(guān)系 圖 18 終軋溫度對加 2%Nb 鋼板卷屈服強度 和韌脆轉(zhuǎn)變溫度影響 X70 級管線鋼的試生產(chǎn)表明,板卷的強度以尾部的強度最高、中 部次之、 頭部最低。 而韌性正好相反。 通過調(diào)整層流冷卻制度,以 “回 火”過程 Nb 的二次析出強化,使板卷的強韌性分布趨于均勻。 主要參考文獻: 1L.Meyer,F.Heisterkamp,W.Mueschenborn:Columbium.titanium and Vanadium in normalized,thermornethanically treated and cold rolled steels. 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