钛_铌_硼对低碳贝氏体钢组织与性能的影响

2010年5月

　　　　钢铁研究学报　　　JournalofIronandSteelResearch

Vol.22,No.5

　May　2010

钛、铌、硼对低碳贝氏体钢组织与性能的影响

颜慧成1,　曹慧泉1,2,　罗　登3,　李广敏1,　夏政海3,　刘家琪1

(1.钢铁研究总院国家连铸技术工程研究中心,北京100081;　2.湖南华菱管线股份有限公司,湖南长沙410011;3.湖南华菱湘潭钢铁有限公司技术开发中心,湖南湘潭411101)

摘　要:以C2Mn钢和700MPa级低碳贝氏体钢成分为基础成分,通过调整微合金元素含量,实验室条件下熔炼浇注钢锭,并采用TMCP技术轧制钢板,研究了微合金元素钛、铌、硼对低碳贝氏体钢组织与性能的影响。结果表明,随着铌含量的增加,贝氏体含量增加,晶粒变细,材料的抗拉强度、屈服强度与韧性均增加;随着钛含量的增加,贝氏体含量增加,抗拉强度、屈服强度提高,韧性的变化与是否进行回火处理有关;硼有利于形成板条贝氏体组织,硼含量增加能提高强度,但有损韧性。关键词:低碳贝氏体钢;微合金元素;组织

中图分类号:TG14214　　文献标志码:A　　文章编号:100120963(2010)0520055204InfluenceofTi,NbandBonMicrostructureandMechanicalPropertiesofLowCarbonBainiticSteel

YANHui2cheng1,　CAOHui2quan1,2,　LUODeng3,　LIGuang2min1,　XIAZheng2hai3,　LIUJia2qi1

(1.NationalEngineeringResearchCenterofContinuousCastingTechnology,CentralIronandSteelResearchInstitute,Beijing100081,China;　2.HunanValinSteelTubeandWireCo,Ltd,Changsha410011,Hunan,China;3.TechnologyDevelopingCenter,XiangtanSteelCo,LtdofHunanValin,Xiangtan411101,Hunan,China)

Abstract:TheinfluenceofTi,NbandBonmicrostructureandmechanicalpropertiesoflowcarbonbainiticsteelwasinvestigatedbyadjustingTi,NbandBcontentrespectivelyinC2Mnsteelsand700MPalowcarbonbainiticsteels,usingmicro2alloyingandTMCPtechnologytoproduceplateinexperimentalcondition.TheratioofbainiterisewithincreaseinthecontentofNb,andRm,ReL,AKoflowcarbonbainiticsteelincreasewiththeincrementofniobium.Withtheincrementoftitaniumcontent,theratioofbainiteincreases,andthesteelstrengthisimproved,toughnessisaffectedbytheheattreatmentprocess.Withtheincrementofboroncontent,lath2likebainiteisformed,thestrengthisimprovedbuttoughnessisweakened.

Keywords:lowcarbonbainiticsteel;micro2alloyelement;microstructure

　　由于低碳贝氏体钢在韧性、焊接等方面的优良性能以及低成本的优势,并且微合金化技术与控轧控冷技术解决了该类钢的工业生产问题,近年来发展迅速,已被推广应用于工程机械制造、桥梁、造船、车辆制造、石油输送等领域。为了实现微合金成分的优化设计,需要更深入了解微合金元素对低碳贝氏体钢组织与性能的影响。笔者在C2Mn钢基础成分和700MPa级高强度低碳贝氏体钢典型成分的基础上,分别调整微合金元素含量,分析了钛、铌、硼等

微合金元素对材料组织与性能的影响。

1　试验材料与方法

　　基于C2Mn钢(1号钢)的基础成分和700MPa

级低碳贝氏体钢(5号钢)的典型成分,调整钛、铌、硼的加入量,共设计7组成分(试验钢成分见表1)。采用30kg级真空感应炉熔炼纯铁,配加微合金元素,浇注成400mm×100mm×50mm扁钢锭2块,抽测试验钢氮含量为26×10-6,硫含量为40×10-6

),男,博士,教授级高级工程师;　　E2mail:caohuiquan@chinavalin.com;　　作者简介:颜慧成(1966—收稿日期:2009203217

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(质量分数,下同)。

　　将扁锭在轧辊尺寸为<400mm×350mm的2

辊轧机上轧制成厚12mm的钢板,钢锭加热到1200℃后恒温1h,在1050℃开轧,经过2道粗轧、3道精轧,精轧开轧温度≤950℃,终轧目标温度840℃,精轧累计压下量大于60%。轧制完成后进

行弛豫(RPC)处理30s,然后喷水快速冷却,水冷速度10～15℃/s,将冷却钢板分成回火与不回火两组,钢板回火处理条件为550℃、30min。在回火、未回火钢板上分别取样测试力学性能,试样分别标注为n21、n22(n为试验钢序号),检测-40℃的冲击功来表征低温韧性,力学性能结果见图1。

表1　试验钢的成分

Table1　Chemicalcompositionsofexperimentalsteels　　　　　　　　　　%

试验钢

1234567

C01001052010580106201059010450105

Mn1172115611601159114111591160

Si0135013301360176013001330133

010120102401028010140104801013

010440102801031010320104010870141013701400139

01230121012601250120011801200120

010008010012010005010015

Ti

Nb

Cu

Ni

Mo

B

图1　试验钢的力学性能

Fig11　Mechanicalpropertiesofexperimentalsteels

2　结果与分析

211　铌对组织和性能的影响

　　1号钢为C2Mn钢,作为对比的基础成分钢,2号钢在其基础上加入了钛、铌,3号钢在2号钢成分

基础上又添加了硼,钢板高倍组织见图2,力学性能见图3。1号钢为铁素体加少量珠光体组织,晶粒大小约25μm;2号钢为多边形铁素体与粒状贝氏体的混合组织,晶粒明显细化,晶粒尺寸小于10μm。与组织变化相对应,2号钢的强度与冲击功比1号钢都显著提高,2号钢回火前、后的屈服强度、抗拉强度都比1号钢高50MPa以上;两种钢-40℃低温冲击功都较高(大于220J),回火状态下两种钢冲击

功相当,未回火状态下,加钛、铌的钢的冲击功比1号钢提高40J。　　5号钢是700MPa级低碳贝氏体钢典型成分,加入了合金元素铜、镍、钼和微合金元素钛、铌、硼,以5号钢为参照,4号钢不加硼,6号钢钛含量提高到01048%,7号钢将铌含量从01032%提高到01087%,高倍组织见图4。比较5、7号钢,分析铌含量对高强贝氏体钢的影响,5号钢未回火时,原奥氏体晶界清晰,晶界上有先共析铁素体,组织以粒状贝氏体为主,回火后为多边形铁素体、准多边形铁素体与粒状贝氏体的混合组织;提高铌含量后,7号钢原奥氏体晶界已经不很明显,基本上是粒状贝氏体组织,少部分为多边形铁素体,晶粒明显变细,尺寸

第5期　　　　　　　　　　颜慧成等:钛、铌、硼对低碳贝氏体钢组织与性能的影响　　・57・

(a)1号钢,回火;　(b)1号钢,不回火;　(c)2号钢,回火;　(d)2号钢,不回火;　(e)3号钢,回火;　(f)3号钢,不回火。

图2　试验钢的组织Fig12　MicrostructureofsteelNo11,2and3

图3　1、2号试验钢的力学性能

Fig13　MechanicalpropertiesofsteelNo11and2

(a)试样421;　(b)试样422;　(c)试样521;　(d)试样522;　(e)试样621;　(f)试样622;　(g)试样721;　(h)试样722。

图4　4～7号试验钢的组织

Fig14　MicrostructureofsteelNo14,5,6and7

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<5μm。由于晶粒的高度细化,使得屈服强度、抗拉214　讨论

强度都得到较大幅度的提高,冲击功得到显著提高

(图1)。212　钛对组织和性能的影响　　基于5号钢的成分,6号钢将钛含量从01014%提高到01048%,力学性能差异见图1。回火状态下,随着钛含量的提高,抗拉强度、屈服强度提高30MPa以上,冲击功从93J下降到16J;未回火状态下,提高钛含量时,屈服强度提高,抗拉强度变化不明显,韧性显著提高。组织都以粒状贝氏体为主(图4),

　　从试验结果可以看出,在C2Mn钢中加铌或贝氏体钢中增加铌含量都有利于形成贝氏体组织,细化晶粒,从而同时提高钢的强度与韧性。　　当低碳贝氏体钢中钛的质量分数为01048%时,有效钛含量[2]为wTi-314W(N)-3W(S)=270×10-6。wTi为总的钛含量,W(N)为生成TiN消耗的钛

量,W(S)为生成TiS消耗的钛量,较多的有效钛含量说明有机会析出TiC,能够起到强化性能作用。由于回火状态下钛含量高时,粒状贝氏体增多,铁素体

原始奥氏体晶界清晰可见,高钛的6号钢未回火的减少,但是晶粒尺寸增大,使得增加强度时降低了韧晶粒尺寸比5号钢未回火态均匀,粒状贝氏体组织性;未回火状态下钛含量高时晶粒更加均匀,粒状贝比例更高,这可能是其强度、韧性高于5号钢的原因。氏体增多,提高了低温冲击值。213　硼对组织和性能的影响　　一般认为,硼在奥氏体晶界偏聚[3],抑制了γ→　　2号钢为Nb2Ti钢,3号钢在2号钢成分基础上α转变,增加铁素体形核,有助于形成贝氏体和细化添加010015%的硼,为Ti2Nb2B钢,2号钢显微组织为多边形铁素体与粒状贝氏体的混合组织(图2),3号钢为粒状贝氏体和板条状贝氏体的混合组织,晶粒细小很多。加硼后,屈服强度、抗拉强度提高100MPa以上,冲击功降低,但仍达到109J(图1)。　　相对于典型的700MPa级低碳贝氏体钢(5号钢)成分,4号钢没有添加硼。成分之间的差异导致组织上差别比较大(图4),4号钢主要为铁素体、准多边形铁素体,很少量的粒状贝氏体组织,晶粒大小不均匀;5号钢主要为粒状贝氏体,含有少量准多边形铁素体和板条状组织,原始奥氏体晶界清晰。加硼后,5号钢力学性能有少量提高,但是冲击功降低幅度较大(图1)。　　两组试验结果都表明,加硼有利于贝氏体组织的形成,提高板条组织的比例,显著增加强度,但是减小低温冲击功。HiroshiTamehiro等[1]认为,在TMCP过程中,考虑到低温韧性时,最佳硼含量约01001%,当硼含量超过01001%时,低温韧性会变坏。本试验中3号钢的硼含量达到010015%,而5号钢硼含量只有010008%,硼含量对低温冲击功的影响表明,硼含量还是低于01001%为宜。

晶粒,能明显提高强度,但是对韧性不利,硼对韧性的影响机理仍不清楚,可能与硼化物析出状态有关,众所周知,当硼含量超过01006%时,析出粗大的Fe23(CB)6将引起硼脆。

3　结论

　　1)低碳贝氏体钢中随着铌含量增加,贝氏体含量增加,晶粒变细,材料的抗拉强度、屈服强度与韧性均增加。　　2)低碳贝氏体钢中钛含量增加时,贝氏体含量增加,抗拉强度、屈服强度提高,当钛含量达到一定量时,未回火状态下改善韧性,回火状态下韧性下降。　　3)添加硼有利于形成贝氏体组织,提高板条组织比例,显著提高强度,但有降低韧性的趋势。

参考文献:

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