硼元素对碳钢h型钢性能的影响

硼元素对碳钢h型钢性能的影响

在激烈的现代竞争中，提高产品质量是公司生存的关键。为了拓展国外市场,满足产品出口要求,山西新泰钢铁有限公司组织开发了硼微合金化处理热轧H型钢产品。笔者主要通过对硼微合金化处理的热轧H型钢与普通碳素热轧H型钢的上屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、20℃冲击吸收功等性能的统计,分析了硼(B)对热轧H型钢产品力学性能的影响及其改变韧脆转变温度的机理。其中,含硼元素的H型钢产品记为HB,不含硼元素的记为BB,两种产品试样均取602个。1步转炉冷床制备铁水经转炉、吹氩站、LF炉精炼、3机3流连铸机,铸成近终型异型坯,坯料经步进梁式加热炉加热,再经高压水除鳞、BD机开坯、X-H可逆万能精轧机轧制,利用步进梁式与链式相结合的冷床进行冷却,通过9辊矫直机矫直,使用一台固定式锯和一台移动式锯组合实现定尺长度的分段,最后,进行码垛、打捆、成品入库。2试验方法和试样尺寸力学性能试样取样位置及试样制备执行GB/T2975-2008,力学性能及熔炼成分的规定执行GB/T700-2006,用WEW100型拉伸试验机测定其力学性能,用JB-300B冲击试验机做20℃冲击试验,所用试样均取自热轧H型钢产品的翼缘部分,20℃冲击吸收功所用试样的尺寸均为10mm×10mm×55mm。3试验结果与讨论3.1产品的化学成分表1是实际取样的HB与BB的化学成分分析结果对照表。可见HB和BB两种产品的化学成分均在国家标准规定的范围内,且两种产品对应的实际化学成分范围基本相同,均值相同,不同的是HB加入了均值为0.0019%的微量硼元素。3.2产品翼缘厚度表2是实际取样的HB与BB上屈服强度、抗拉强度、断后伸长率及20℃冲击吸收功的对照表,t为H型钢产品翼缘的厚度。由表2可知,不含硼元素的H型钢产品的上屈服强度、抗拉强度、断后伸长率比含硼元素的略高;含硼元素的H型钢产品的20℃冲击吸收功远远高于不含硼元素的吸收功,且含硼元素的20℃冲击吸收功的标准差较小,说明HB的20℃冲击吸收功离散度小,BB的20℃冲击吸收功离散度较大,不稳定。3.3晶粒度的测定,hb的相图1是任意抽取的同一规格HB与BB的显微组织,可知含硼元素的H型钢产品的基体组织是铁素体加珠光体,晶粒度8.0级;不含硼元素的基体组织是铁素体加珠光体,晶粒度7.0级。大量数据显示,HB产品的晶粒度为8.0~8.5级,而BB产品的晶粒度为7.0~7.5级,可见HB的晶粒较BB的稍细。硼元素的加入,防止了磷、硫等元素的偏析,净化了晶界,提高了晶界的结合力,细化了转变后的铁素体晶粒,从而可以提高产品的韧性。3.4硼元素的加入量图2是根据汇总的不含硼元素的产品与硼含量不同的产品的实际数据绘制的20℃冲击吸收功与翼缘厚度的关系曲线。可知含硼元素产品的20℃冲击吸收功随翼缘厚度变化的曲线均在不含硼元素的之上;从3条含硼元素的曲线可以看出,并不是硼含量越多,吸收功越大,随着硼含量的增加,含0.005%B的产品的吸收功反而比含0.0025%B的低。所以硼的加入量有一个合理的范围,超过或者低于此范围,硼元素的作用减弱,超过还会增加生产的成本。统计结果表明,改善热轧H型钢产品韧性最佳的硼元素的含量范围是0.002%~0.003%。3.5硼在h型钢产品中的存在形式硼在元素周期表中位于第二周期,是第ⅢA族的第一个元素。它和氮、氧都有很强的亲和力,并能与硫、碳化合。也易与某些金属(如铁等)化合生成极硬的硼化物。溶解到奥氏体中的微量硼元素与钼、钨、锰、镍元素类似,能使C曲线右移,提高过冷奥氏体的稳定性。虽然含硼元素的热轧H型钢和不含硼元素的热轧H型钢产品的强度和塑性相差无几,甚至含硼产品的数值还要略低,但含硼元素的热轧H型钢产品的20℃冲击吸收功比不含硼元素的高出很多,且稳定,说明硼对20℃冲击吸收功的影响显著。大量文献表明,硼在钢中主要以固溶态存在。固溶态存在的硼有两种存在形式,即在整个基体中均匀固溶和晶界偏聚。由金属强化理论可知,由于硼的原子半径较小,在铁素体内固溶引起的晶格畸变会很剧烈,强化效果会很强。而在碳素结构钢H型钢中,铁素体的体积比例很大,铁素体内硼的固溶强化效果会在强度上体现得不明显,从上述分析的含硼H型钢的大量力学性能测试结果看,即使加入0.008%的硼,其强化效果也不高。而且,在上屈服强度和断后伸长率基本无变化的情况下,热轧H型钢产品的韧性却有显著改善,0.0025%B就能达到很好的效果。如此微量的硼想要发挥显著作用,数量有限的晶界可让其作用达到最大化,所以硼在晶界偏聚是有理论依据的。前人的试验也发现了硼在晶界偏聚的现象,而且用来解释微量硼显著提高钢的淬透性这一问题。笔者是在普通的碳素钢中加入微量硼,晶间结合力增大,晶界脆化现象被抑制,致使热轧产品的韧性大大提高,这些现象均是硼在晶界偏聚的结果。4热处理h型钢产品的韧性(1)硼元素的加入,虽然对H型钢产品的上屈服强度、断后伸长率作用不大,但是却大大提高了热轧H型钢产品20℃的韧性。(2)含硼