工艺技术_微铌处理钢的物理冶金知识讲座

微铌处理钢的物理冶金 东涛 傅俊岩 （CITICCBMM 微合金化技术中心） 摘要：本文简要总结了国内外迄今钢的微铌处理的实践，并丛增强 Nb(CN)析出效果、 有效的-形变再结晶、有限的热变形抗力的增量、改善热卷性能均匀性等四个方面，阐述 微铌处理钢生产可发挥的物理冶金内容。提出了微铌处理符合我国国情的发展途径的观点， 适应现阶段钢铁业和制造业发展的技术层次和钢材需求。 关键词：微铌处理、物理冶金、国情、需求 1. 前言 早期微合金化大量的研究工作， 阐明了在普通低碳钢和低合金高 强度钢中铌的强韧化效果及其机制，如图 1 所示，铌与钒、钛的微合 金化相比，既能提高钢的强度，又改善了钢的韧性，每增加 0.01%Nb 约可获得 814Mpa 的强度增量，并使钢的韧脆性转变温度下降 810。 后续的研发成果又表明， 在较低的加入量 （0.015%Nb） 、 尤其是钢中 C、N 含量较低的情况下，同样显示出铌微合金化对钢的 强度和韧性的有利影响。 图 1 微合金化对强度和韧性的贡献比较 本文作者在 1997 年的一篇报告中，曾论述了微铌处理钢的广阔 前景，通过说明钢的微铌处理的几个冶金学问题，强调了微铌处理对 于改善量大面广 Q235、16Mn、20MnS 等钢的强韧性水平，提高钢的 性能和合格率十分有效。随后的 5 年中，人们在专注于铌微合金化专 业用钢开发的同时，从材料的性能高级化的 趋势来看，微铌处理还是值得重视的。每吨钢仅增加 17 元左右的 投入，可以取得显著的经济效益，不失为是一种经济的手段，符 合我国国情，适应现阶段钢铁业钢材品种结构调整和制造业产品 技术升级对钢材高质量的需求。 2. 微 Nb 处理钢中的析出强化 钢的微合金化设计原理已概括得十分清楚,在高温再结晶奥氏体 区,Nb的作用主要在抑制再结晶,提高再结晶停止温度.在低温非 再结晶奥氏体区,Nb的贡献主要在于提高Ar3点,并富化相变生 核.在终轧后加速冷却及卷取过程中Nb的强化效果,则在于Nb(CN)的 共格析出及相伴随的位错亚结构,使钢得到进一步强化(见图 2) . 图 2 Nb、V、Ti 共格析出强化效果 Nb 的强化效果明显大于 Ti 和 V . 轧后的强化效果与此时呈固 溶状态的 Nb 的浓度有关. Nb 在钢中的 C 和 N 含量及其溶解度，遵循溶解度的关系，列于 表 1 和表 2。因此不同温度下 Nb 在钢中的溶解度量取决于钢中 C、N 含量。 新近的研究报告指出， 影响终轧后的析出和亚结构强度贡献也与 钢中 Nb 的总含量相关联（见图 3） ，即使0.02% Nb 的钢中析出及 亚结构的强化也在 30Mpa 左右（见图 4 和图 5） 。 表 1 Nb 和 C 溶解温度之间关系 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 溶解温度之间关系 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 图 3 NbC 和 NbN 的溶解度 图 4 不同 Nb 含量低碳钢的析出 和亚结构强化 图 5 Nb 含量对屈服强度影响 下面，提供一组试验数据（见表 3）用以说明不同 Nb 含量钢的 屈服强度水平,0.015%Nb 钢屈服强度高于无 Nb 钢 2445Mpa. 表 3 钢中 Nb 含量与屈服强度关系 Nb 含量 （%） 终轧温度 （） 580卷取屈服强度 （Mpa） 轧后加速冷却固溶 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 处理对抑制奥氏体再结晶的影响 Nb对奥氏体再结晶的影响通过两种基本机制， 其一是加热时未溶 解到奥氏体中的Nb(C、N)及在高温形变过程中析出的Nb(C、N)对再结 晶的钉扎作用。但未溶解碳氮化物颗粒度一般在 1000A 以上，高温形 变析出的碳氮化物颗粒度往往也在 500A 左右，且数量有限，对再结 晶的钉扎力约在 44KN/m 2，而热轧道次间奥氏体再结晶驱动力在 20MN/m 2，比晶粒粗化的驱动力大 200 倍，所以高温析出物阻碍晶粒 粗化易，而只有当钉扎力超过再结晶驱动力时，才有可能抑制再结晶 的发生。 其二是固溶于奥氏体中的溶质Nb原子对再结晶停止温度的影响， 图 6 示出了形变率与形变温度的关系，界定了T95%为完全再结晶温度， T5%为再结晶停止温度。微合金化元素Nb及V、Ti对T5%的影响见图 7。 微量Nb的影响远比V、Ti显著，溶解量为 0.01%Nb和 0.02%Nb的奥氏体 再结晶停止温度分别为 900和 950左右。 图 6 形变率与形变温度关系 图 7 Nb及V、Ti对T5%影响 目前，据对 Nb 钢奥氏体再结晶的研究，绘制出了不同含量的 Nb 钢 “温度形变率再结晶” 图， 见图 8。 “Nb 含量70%再结晶时间” 曲线，见图 9。以及“轧制温度再结晶临界压下率”的关系图，见 图 10。 图 8 铌钢的温度-变形-再结晶图 图 9 含量70%再结晶时间曲线 图 10 轧制温度再结晶临界压下率关系图 由上可知，0.02%Nb的钢中，对奥氏体再结晶的影响主要是溶质 原子对再结晶停止温度的影响，0.02%Nb钢的T5%为 940，而 0.09%Nb 钢的T5%可升到 1030。微铌处理钢的奥氏体再结晶临界压下率比V、 Ti高得多。 4. 微 Nb 处理钢的形变抗力 在钢的热变形过程中，以变形抗力定义为阻止其发生热变形的 能力，热机械处理工艺（TMCP）研究特别关注钢的变形抗力，希望在 较低的变形抗力实现 TMCP。影响钢的变形抗力的诸因素见图 11。 图 11 影响变形抗力的因素及相关系 钢的变形抗力， 不仅与在线组织控制有关， 更与轧制能力相联系。 随温度变化的形变率与变形抗力的一般关系见图 12。Nb 及 V、Ti 添 加量对变形抗力的影响见图 13。析出 Nb 的形变抗力要大于固溶 Nb 的形变抗力，0.02%Nb 钢的形变抗力仅为 CMn 低合金高强度钢的 1.021.05 倍。 图 12 形变温度对微 Nb 钢应力应变曲线的影响 图 13 铌、钒、钛的添加量对变形抗力的影响（=0.3%） 从轧制道次间的软化度来衡量，钢中添加 Nb 后大大降低了钢的 软化速度，随轧制过程由奥氏体再结晶区温度降至非再结晶区，应变 累积效果也随之增大。 由于相的变形抗力低于同一温度下的 相，所以(+)两相区轧制时出现低变形抗力的情况。 此外，如图 14 所示，通过调整轧制规范，可以降低低温区的 变形抗力来适应轧钢装备，以挖掘钢材的内在潜力，提高钢材的综合 力学性能。 图 14 采用控轧工艺生产中板时各道次的 变形抗力实测值与公式计算值 5. 微 Nb 处理钢板带性能均匀性控制 板带材的性能及其均匀性,首先取决于钢的化学成分、冶炼和铸坯 工艺、以及热轧规范。而现今在线组织和性能控制及性能均匀性的探 讨,关注的是轧后冷却控制和带材热卷取的影响。 微 Nb 处理钢的优势在于: (1)微Nb的存在是形变诱导析出和形变诱导相变的必要条件。图 15 为不同Nb含量钢的奥氏体晶粒尺寸与A3点关系。 (2)在轧后间断式控冷或连续式控冷过程中,转变不同程 度被控制,促使细小贝氏体的形成,一部分 Nb 被强制固溶于基体内, 提高钢的强度而不损害韧性。见图 16 和 17。 (3)在热卷取过程中,使剩余固溶 Nb 析出,可以调整钢的强韧性 匹配和性能的均匀性。见图 18。 图 15 Nb含量对奥氏体晶粒尺寸和A3点关 系的影响 图 16 轧后冷却速度对微 Nb 钢板卷的铁素体晶 粒尺寸和强化贡献的影响 图 17 晶粒尺寸和贝氏体体积百分数与冷却速率的关系 图 18 终轧温度对加 2%Nb 钢板卷屈服强度 和韧脆转变温度影响 X70 级管线钢的试生产表明,板卷的强度以尾部的强度最高、中 部次之、 头部最低。 而韧性正好相反。 通过调整层流冷却制度,以 “回 火”过程 Nb 的二次析出强化,使板卷的强韧性分布趋于均匀。 主要参考文献: 1L.Meyer,F.Heisterkamp,W.Mueschenborn:Columbium.titanium and Vanadium in normalized,thermornethanically treated and cold rolled steels. 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