微鈦固氮降低含鈮鋼皮下裂紋敏感性的機理
鄭萬1,2，寇錦榮1,2，李烈軍3，王冠4，萬翔4，劉辰生4
(1. 武漢科技大學耐火材料與冶金國家重點實驗室， 湖北 武漢 430081；2. 武漢科技大學鋼鐵冶金新工藝湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430081；3. 華南理工大學國家金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心， 廣東 廣州 510000；4. 廣東韶鋼松山股份有限公司， 廣東 韶關(guān) 512000)
摘要：降低含鈮低合金鋼鑄坯的裂紋敏感性，是實現(xiàn)熱裝熱送工藝的必要條件，采用超高溫激光共聚焦顯微鏡(HT-CLSM)、透射電鏡(TEM)等手段研究了鈦含量不同的含鈮低合金鋼(Q390、Q390GJD)高溫鑄坯的晶粒度及析出物特征，旨在揭示微鈦固氮降低含鈮鋼皮下裂紋敏感性的機理。熱力學計算與TEM檢測結(jié)果表明，增加鋼中鈦質(zhì)量分數(shù)(由0.010%上升到0.023%)提高了氮化鈦粒子的析出溫度(大于1 400 ℃)，高溫析出細小彌散的氮化鈦粒子可釘扎奧氏體晶界，細化高溫鑄坯的晶粒度(由4級變成6.5級)，晶粒尺寸降低了約44%，使高溫鑄坯的裂紋敏感性明顯降低；氮化鈦粒子優(yōu)先析出固氮降低了鈮碳氮化物、氮化鋁的開始析出溫度，并作為異質(zhì)形核核心，抑制了鈮、鋁析出物在晶界析出概率，降低了析出物脆化晶界的危害。通過微鈦固氮調(diào)控氮化物的析出溫度、析出位置及細化晶粒的作用，有效降低了含鈮鋼第三脆性溫度槽的寬度和深度，同時，高溫抗拉強度提高了21.3%~27.5%，鑄坯皮下裂紋發(fā)生率降低了80%以上。為了避免析出物的晶界鏈狀析出導致含鈮鋼鑄坯熱裝軋制裂紋，應將其鈦質(zhì)量分數(shù)控制在0.015%~0.020%的合理范圍。
關(guān)鍵詞：含鈮低合金鋼； 裂紋敏感性； 氮化鈦； 釘扎作用； 析出行為調(diào)控
1 引言
采用普通C-Mn鋼中添加微量Nb、V、Ti等合金化技術(shù)和TMCP控軋控冷先進工藝制備的低合金鋼，具有低成本、高性能(強韌性、焊接性及抗腐蝕性等)特點，已廣泛應用于機械、建筑、橋梁、軍工、船舶及海洋工程等結(jié)構(gòu)材料。鈮合金化可顯著提高鋼的再結(jié)晶溫度、降低奧氏體晶粒粗化趨勢，有效發(fā)揮細晶作用，提高鋼的強韌性，已成為大多數(shù)高強結(jié)構(gòu)鋼的首選。但含鈮低合金鋼連鑄坯裂紋敏感性強、易發(fā)生熱裝軋材裂紋，嚴重影響了熱送熱裝工藝的實施和成材率，是各大鋼廠亟待解決的生產(chǎn)難點。
優(yōu)化連鑄二次冷卻、鑄坯矯直溫度，避免第Ⅲ脆性區(qū)間的矯直裂紋是降低含鈮低合金鋼連鑄坯裂紋的主要手段。高溫拉伸試驗表明，含鈮低合金鋼中Nb(C，N)的晶界析出(900 ℃左右)降低了鋼的臨界抗拉強度，導致含鈮鋼第Ⅲ脆性溫度槽更寬更深，因此，連鑄工藝參數(shù)(拉速、二次冷卻水壓)的波動很容易造成鑄坯的矯直溫度控制不當，鑄坯矯直裂紋敏感性強。調(diào)控析出物的析出行為，避免其在鑄坯矯直前析出，也是降低鑄坯裂紋敏感性的有效措施。如嚴格控制含鈮低合金鋼的氮質(zhì)量分數(shù)(小于0.005 0%)，避免Nb(C，N)在矯直前析出，已成為鋼廠生產(chǎn)含鈮鋼實踐的共識，但鋼中氮含量控制影響因素多，涉及轉(zhuǎn)爐終點控制、鋼包爐精煉及連鑄保護澆注水平，特別是在大廢鋼比轉(zhuǎn)爐冶煉條件下，控制鋼中氮質(zhì)量分數(shù)(小于0.005 0%)更加困難。因此，采用鈦合金化工藝，發(fā)揮氮化鈦高溫優(yōu)先析出的固氮作用，降低Nb(C，N)等的析出溫度及其危害，已成為控制含鈮鋼鑄坯裂紋的有效手段。
此外，細化晶粒也是降低鑄坯裂紋敏感性的有效方法，楊柳研究發(fā)現(xiàn)，鈦鈮微合金鋼鑄坯角部振痕谷底處易形成粗大的奧氏體晶粒，在第Ⅲ脆性溫度區(qū)間的矯直力作用下，導致了鑄坯角部橫裂紋的產(chǎn)生，而細化晶?？商岣呓饘俚膹婍g性，避免角部裂紋的發(fā)生。此外，氮化鈦粒子細化鑄態(tài)組織晶粒的作用已在焊接冶金中得到廣泛應用，鈦合金化可望細化含鈮鋼鑄坯晶粒，降低其裂紋敏感性。
某鋼廠生產(chǎn)含鈮低合金鋼Q390連鑄坯的皮下裂紋發(fā)生率較高，采用增鈦降鋁的合金化工藝生產(chǎn)(鋼種名為Q390GJD)，皮下裂紋發(fā)生率明顯下降，其降低鑄坯裂紋敏感性的機制有待進一步研究。本文采用Q390、Q390GJD鑄坯試樣，通過超高溫激光共聚焦顯微鏡(HT-CLSM)、透射電鏡(TEM)等手段，研究合金化成分微調(diào)對含鈮低合金鋼晶粒度等微觀組織以及析出物行為的影響，以揭示微鈦固氮降低含鈮低合金鋼裂紋敏感性的機理，為含鈮低合金鋼的成分與工藝優(yōu)化提供理論參考。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)增加含鈮低合金鋼中鈦質(zhì)量分數(shù)(由0.010%提高到0.023%)，可有效提高氮化鈦粒子的析出溫度(大于1 400 ℃)，釘扎高溫奧氏體晶界遷移，實現(xiàn)晶粒細化，鑄坯晶粒度由粗晶粒的4級上升到細晶粒的6.5級，高溫抗拉強度增加了21.3%~27.5%，提高了高溫鑄坯的強韌性。
(2)氮化鈦優(yōu)先析出的固氮作用降低了鈮碳氮化物、氮化鋁的析出溫度，并作為異質(zhì)形核核心，抑制了鈮、鋁析出物在晶界析出概率，結(jié)合TiN釘扎奧氏體的晶粒細化作用，有效降低含鈮低合金鋼的第三脆性溫度槽的寬度和深度，裂紋敏感性明顯降低。
(3)增鈦降鋁含鈮鋼鑄坯的皮下裂紋發(fā)生率降低了80%以上，為了避免析出物的晶界鏈狀析出導致鑄坯熱裝軋制裂紋，含鈮鋼中鈦質(zhì)量分數(shù)的合理范圍為0.015%~0.020%。
