微合金化元素在钢中作用的基本原理和各自特点_高农.pdf

1吞9 0 年第9期城 们技 术 总第 1 83期 讨论 与 议 微合金化元素在钢中作用的基本原理和各自特点 离农 鞍钢钢铁研究所 近年来 国内外对 钢中加 入徽泛合金 元素以获得 高强度 高抗脆断裂性以及良 好的冷加工成型性 和可焊性的微合金钢的研究极为重视 对妮 钒 钦等合金元素 在俐中作用及原 理 各 自特点以及复合应用效果作了较 详细论述 1 前言 微合金化技术是靠加微量合金元素来 提高性能的技术 以Nb Ti V为代表 的徽合金化元素 缩写 为MAE 是在钢 热加工过程中固溶或者以碳氮化物方式存 在 分别对细化组织 相变强化 沉淀强化 等起着显著的作用 使机械 性 能得到提 高 从而获得高强度 高抗脆断裂性 以 及 良好的冷加工成型性和可焊性的微合金 化钢 近年来国内外对微合金化低合金钢 引起了极大的关注 对钢中MAE作用原 理和机制的研究一直在继续 了解和掌握 近期有关的研究结果对于指导当今科研和 生产具有重要的意义 为此 本文对微合 金化元素在钢中作用的基 本原理 各自特 点以及复合应用效果加以概述 2 微合金化元素的基本特征 2 1 徽合金元众的固有特性 其固有特性主要有 很 低 的含量 10 一3 10 一 肠 与C N和S交互作用 在基体上形成第二相沉淀 对组织产 生强烈的影响 通过工艺参数来控制溶 解和沉淀反应 钢中的MA E百分含量在 大多数情况 下是很低的 它们的浓度大约限制在 1 0 一 1 0 肠 由于其物理和化学性质所决 定 它们能与C N和S等钢 中 的 元素发 生反应 在比较低的温度下 它们的亲和 力导致第二相的沉淀 提高温度 即在奥 氏体区 间 这些 化合物全部或部分地溶于 钢的基体 中 第二相的溶解和沉淀对钢的 性能产生的影响具有决定性的意义 溶解 和沉淀不仅取决于反应元素的浓度 而且 还取决于轧制工艺参数 钢的最终性能是 M AE间接和直接作用的结果 因此它们 不仅能够控制再结晶和奥 氏体转变的基本 过程 而且能够调整结构参数来控制产品 的性能 2 2 徽合金化元素可控制的结构参傲 主要结构参数是 晶粒大小 和形 状 不同尺寸的沉淀物 铁素体型红l 织 铁素体 贝氏体 马 氏体 位错 密度 织构 非金属夹杂物 MAE通过沉淀粒子成核 与阻止晶界 迁 移 的方式来减 少奥氏休品粒J之寸 图 1 示出沉淀相体积分数和粒子 尺寸对奥氏体 鞍 钢技术 晶粒尺寸的影响 不仅正火钢奥氏体中析 出的非共格质点可减少铁素体晶粒 M AE 1000 氮 呈 00 二 10 一 J n 甘 气 乍 叱莫唱 10 一4 l 0月 图 1 匕教积分数 体积分数和粒子尺寸对奥氏体 晶粒尺寸的影响 生5 还可在热机械轧制期间通过推迟再结晶 来实现显著地细化铁素体晶粒 表 1给出了微合金化钢中不同类型的 沉淀物 沉淀物的尺寸及形貌取决于钢的 成分 MA E所形成的化合物和形成温度 其范 围较宽 这个范围从凝 固前析出的粗 大夹杂到铁素体上形成的极细小的半共格 团状物 尺寸变化范围大于 10 这些粒 子对最终产品性能产生相应的影响 MA E以各种不同方式影响奥氏体转 变 表2 如果合金化元素固溶于奥氏 体中 它如同许多常规合金化元素一样将 推迟奥氏体转变 如果奥氏体中析出质点 引起加速形核 那 么MA E对奥氏体转变 的影响就会相反 即加速奥氏体转变 衰 1 橄合金化钥中各种沉淀物 沉淀类型和尺寸沉淀种类 例 子 粗大夹杂物 10 nm 在凝固前或凝固期间沉淀 TiNTi一C ZS 细小沉淀物 10 1 n m 低一Ti 在丫相内沉淀 TiN 降低沉淀温度 中等沐 刁 沉淀物 10 n m 在丫晶粒边界和亚结构上沉淀 N b CTIC 中等大小沉淀物 102口m 应变诱导沉淀 N bCTIC 列状细小沉淀物 Y 一相间沉淀 NbCTICV C N IOi n m 极细小 半共格沉淀物 团状 IOi nm 相内沉淀N bCTICV C N 化 一 一 i 11 衰 2 合金化元幸对Ya 稗变的形晌 MAE状态 对转变 的影 响 1 M r 元素溶解于界扫 推迟转变 2 M X 丫中碳氮化物 加速转变 3 M X 丫巾应变诱导一强烈加速转变 碳篮化物 位错密度是MAE影响 的另一结构参 数 最有效地提高位错密度的方法是降低 奥氏体转变温度 使转变在贝氏体区内发 生 而不是在铁素体区域内 在钢中加入 Nb和Ti可达到这一 目的 如果 在两相区 进行热形变 MAE将会 推迟 回复过程 1 990年第9 期 从而引起最终产品中位错密度增加 微合金化钢的另一个重要结构参数是 铁素体织构 表 3 给出了对热轧和冷轧产 品中织构的研究结果 这些织构对钢的机 械性能有一定影响 在冷轧和再结晶的带 材 中 微合金化元素提高织构程度 产生 高的 r值 随之而带来良好的深冲性能 农 3 徽合金化们中产生的织构 一 二二全 一丝 一上 一兰竺 二塑 且 一鲤蟹些竺 热轧带钢或形变热处理钢板 在 丫十a 区轧制的产品 冷轧和再结晶钢板 112 11 0 100 011 111 112 554卜 丝5 履 黯黔皇霜氛 在Z方向的易脆诱导织构间隙 好的粤 装宫 异性 MA E还可控制钢中非金夹 杂物的生 成和形态 TIN常常同在它们上面结晶的 碳硫化物在一起或者形成单独的夹杂物 对硫化物形状的控制会大大提高横向试样 的韧性和冷加工成型性 2 3 续合效果 微合金化中的MA E在物理冶金学上 的多重效应 图 2 可用来控制一些关键 问题 包括组织的形成和限制那些不希望 u IJ题M人E 机制 的有害元素 通过控制应变强化 再结 晶 沉淀作用和奥氏体转变 就能得到决 定最终产品所需要性能的预期组织 氮 硫与MAE结合可增加抗时效 能力 改善 冷加工成型性以及得到更好的抑制裂纹的 能力 甚至碳与MA E结合也能 对改善钢 的性能作出贡献 由于减少了在奥氏体转 变时起作用的部分碳 或者由于使碳溶解 于铁素体 中 使其成为无害 组 织 形成 组织 性能 晶粒尺寸 强度 一 组织 一 韧性 位错密叫 成型性 乎 少 竺竺 沉淀相 时效抗 lJ 一竺 巡主 兰全竺 冷成型性 断裂抗力 孙 工C曰一 古N 一 图 2 MA E控制着HS L A钢的物理冶金 3 微合金化元素的各自特点 尽管所有的MAE都符合既能细化品 粒 又能产生沉淀强化作用的双重要求 但它们是不能互换的 每一种元素都具有 各自不同的特点 它们与钢中常见的四种 元素 碳 氮 硫 氧 之 间有着程度不 同的亲和力 表 4 在生产过程中 通过特定化合物的溶 解与沉淀相之间的作用使MA E发挥出最 大的作用 图 3示 出 了碳化物和氮化物在 10 00 时的溶解度等温线 从 中可见 在 通常碳 氮和合金化元素含量 肖况 下 只有 NbC TIC和VN化合 物对 控制生产 艺 过程 中溶解或析出是有效的 TIV不能充 分溶解 而V C具有非常大的浴解度 鞍 钢技术 衰 4 Nb T i V与们中C N S O之间的亲和力 比较 胶胶胶 C C CN N NS S S0 0 0 N N Nb b b 一竺士 T T T i i i 二三 三二 十 十十 V V V V V V V V V 十 十十 二 土上上 十 十十 十十十十 十十十十十十 注 多者代友亲和力强 二二 代表该砂氮化物起主 要强化作用 谷 认试 试10 一 2悦 NbC iTN 丫 10 一 L 一一一 叫一一玉一 一习 10 一 10 一3 10 一之 10 一 10 0 C或N 书 图 3 钢中Nb Ti V化合物在 10 0 0 时 的溶解度等温线 3 1 Nb N b在浓度很低 的情况下就可产生很 大的影响 这是由于在奥氏体或铁素体中 形成了非常细小弥散的沉淀相 在Nb C N 型碳氮化物 中的碳和氮的百 分含量是 由钢的基础成分和析出温度所控制 在奥 氏休低温区变形导致细小弥散的碳氮化物 发生应变诱导析出 这会极显著地推迟再 结晶 在铁 素体高温区 大量的 Nb处于 过饱和状态和特殊沉淀状态 结果形成很 细小半共格的粒子或团状物 它们产生显 著的沉淀硬化 在正火状态下 由于碳氮 化物成核和钉扎晶界的作用 细化了奥氏 体和铁素体晶粒 17 3 2 Ti 在MAE中 Ti被称为多重功 能 的合 金化元素 当Ti洛解于奥氏体中时 显著 地推迟奥氏体转变 微量的Ti就足以与钢 中的氮结合 保证钢的时效抗力 当浓度 调 整到化学计量的情况下 钦的氮化物呈 细小弥散分布并能减小奥氏体晶粒尺寸 在所有的沉淀相中 TIN阻止奥氏体晶粒 长大比其它的沉淀相更为有效 甚至在冷 却速度低的大线能量焊接的电渣焊中也是 如此 它们能有效地限制焊接热影响区的 晶粒粗化 在奥氏体低温区 应变诱导碳 化物沉淀类似于N b的应变诱导碳化物沉 淀 大大地推迟再结晶 与 Nb类 似 铁 素体中极细小弥散的T IC产生显著的沉淀 作用 由于钦与硫的亲和力较大 所以钦 能够形成坚硬的碳硫化物 这可防止拉长 的硫化锰所产生 的不良影响 从而使钢韧 性的各向异性程度减小 平台冲击能横向 纵向比值提高 5 3 V 与N b和Ti比较 V在钢 1 1 的溶解度 最大 形变热处理时 在奥氏体低温区 V 对再结晶没有很大的影响 但钒钢的优点 是 在未再结晶区间 进行与 N b或Ti合 金化钢同样程度的热变形时 不会增加轧 制力 钒合金化钢 中化合物溶解度很大 冷却到铁素体范围后才产生析出 这样就 可以产生相当大的沉淀强化 因而在正 火 淬火和回火钢 中 可以借助于V的机 淀相来进一步提高强度 3 4 徽合金化元素的盆合加入 早先生产的微合金化低合金钢通常只 采用一种MA E 而现在则倾向采用多利 MA E 很多研究结果表明 复合加入N b Ti V两种以上元素的时候 夕 它们的碳氮 化物行为和单独加入时是不 一样的 1 u r 一 N b复合加入的钢 比单独加入的 山咬龙 1900 年第 9 期 钢有更好的抑制奥 氏体晶粒长大的作用 而不如iT单独加入的抑制效果 H o g u h t o n 对T 卜Nb复合加入钢中析出行为做了 详细的讨论 发现沉淀相先以 Ti 二 N b 二 N 的形式存在 然后以其为核心不均匀地析 出复合沉淀相Nb TIC 一 C N 二 在Nb 一 V钢中 N bC或VN顺粒倾向于 抑制晶粒长大 而易溶解的VC顺粒则常 用来析出强化铁素休 K o za su 等人采用分析电子显微镜对 V 一 iT复合加入钢中的沉淀相进行了研究 发现形成 Ti 二 V 二 N复合沉 淀物 其 组成比X依存于沉淀物颖粒直径 越是细 小的沉淀物越是富V 这是 由于富Ti的质 点沉淀温度较高 沉淀后在高温停留的时 间较长 来得及稍为长大 而富V的质点 在更低的温度沉淀 因此更细一些 对复 合沉淀物 TIV N对奥氏体晶粒生长的影 响研究得到不同的结果 就某一特定的 V N含量下的沉淀强化效果来看 Ti 一 V 一 N钢比相应 的V 一 N钢明显 降 低 这是因 为V C N 或VN有在奥氏体 中 预先存在 的TIN顺粒上析出的倾向 因而减小了其 从铁素体中析出的驱动力 而这种析出对 强化才是有效的 最近国外一些学者根据V 一 T卜 N系钢 的特点 提出一种再结晶控制轧制 RCR 新工艺 其基本原理就是利用钢中TIN或 TICN在较高的温度下析出来抑制奥氏体 晶粒长大 同时钢中的V能够在Y一 a 相变 时形成沉淀相 从而提高钢的强度 采用 这种工艺不仅能使晶粒细化 同时还可直 接应用在现有的轧钢设备上 在某些情况 下 还可省去正火工艺 4 结束语 我国是一个锰资源较贫乏的国家 储 量仅占世界的0 8肠 而V Ti N b资源 却极其丰富 其中Ti的储量占世界首位 V占第四位 N b的储量也较丰 富 微合 金化低合金钢的发展势在必行 在 六 五 和 七 五 期间 国家专门组织开展 了全国范 围由数十所高等院校和研究机构 参加的大规模科技攻关 使低合金钢应用 理论研究在深度和广 度上都 有了很大进 步 有些方面已赶上国际水平 如研究微 Ti处理提高韧性的机制 提出了定量描述 铁素体晶粒尺寸不均匀性的方法 开发了 一种非水电解液恒电流侵蚀萃取 10 0 人以 下微细沉