馮紹強，黃 斌，羅友元，李 良，竇志勇

(四川省川威釩鈦冶金科技開發(fā)有限公司，四川成都 610095)

1 引言

與普通低合金鋼相比，低碳貝氏體鋼種由于碳含量下降，在保證高強度的條件下，仍能保持很高的韌性，并在惡劣環(huán)境下能滿足焊接性能。其應用范圍廣泛，可用于汽車、石油管線、大型結構件等方面。低碳貝氏體鋼的研發(fā)符合中長期鋼材品種的發(fā)展方向和目標，對于提高鋼材產(chǎn)品的市場競爭力，形成以自主知識產(chǎn)權為主導的板材品種研發(fā)平臺具有積極的推動作用。

2 低碳貝氏體鋼590L的開發(fā)

2．1 微合金元素在鋼中的作用

微合金化元素Ti、Nb在鋼中的作用主要表現(xiàn)為細晶強化和沉淀強化。抑制奧氏體形變再結晶，其中TiN、Nb(CN)，它們對高溫下的晶粒生長起阻礙作用。

2．2 合金設計

在充分分析V、Nb、Ti三種元素的微合金化特性基礎上，結合煉軋設備實際，尤其是950層冷線較短(55米)的特點對低碳貝氏體鋼確定采用Nb－Ti微合金系，即Nb微合金化基礎上進行微鈦處理。在成分設計上選擇了 C、Mn、Nb、Ti的最佳配合，從而在較寬的冷卻范圍內(nèi)都能形成完全的貝氏體組織。為了獲得高的強度，微量的Ti(～0.02%)固定鋼中的N，同時形成微細的TiN析出可以起到Nb的碳、氮化物所起的作用。

而微合金化元素Ti、Nb在鋼中的作用主要表現(xiàn)為細晶強化和沉淀強化。為了充分發(fā)揮低碳貝氏體組織的強韌化機制，在鋼種成分設計上應考慮:

①保證經(jīng)濟純凈度(S＜0.01%，P＜0.01%)，鋼中碳含量降至0.08%左右，保證高強度化后仍能進行順利的加工及焊接。

②鋼中應盡量減少合金元素的加入量，充分利用各種微合金元素復合加入技術來達到強化目的。鋼中的Mn起固溶強化作用，并進一步阻礙先共析鐵素體的析出，加入量保持在常用的1.0% ～1.4%含量范圍內(nèi)，以保證鋼種的冷彎性能。

其低碳貝氏體鋼CW510L的化學成分控制范圍見表1。

表1 CW590L熔煉成分控制

2．3 Nb－Ti微合金鋼冶煉、連鑄技術難點及措施

為保證微合金化鋼的工藝性能，在冶煉、連鑄過程中主要技術難點是:鋼中S、P、氣體及夾雜物控制，鑄坯表面裂紋控制，防止水口結瘤等。在充分試驗的基礎上，控制轉爐冶煉、爐外精煉、連鑄各項工藝參數(shù)，優(yōu)化了工藝技術方案，以保證生產(chǎn)出符合質量要求的微合金鋼。

2．3．1 鋼中S、P氣體及夾雜物控制措施

轉爐冶煉工藝重點為脫P控N。轉爐出鋼溫度控制在1630～1650℃，使到精煉爐的溫度在1550～1585℃間，有利于脫P。再通過造高堿度渣及擋渣出鋼等措施，出鋼P控制在≤0.010%。轉爐吹煉過程中全程底吹氬氣。表2為轉爐三種底吹方式的鋼水中自由N含量。

由表2可看出，采用全程吹氮和氮氬自動切換的方式，鋼中［N］波動較大，采用全程底吹氬，并在吹煉后期加大底吹氬攪拌強度，鋼中［N］能維持在小于60 ppm的水平，避免了［N］大的波動。

表2 三種底吹方式鋼中自由N含量

由于轉爐脫S的能力不強，因此在生產(chǎn)中，脫S任務更多的放在KR鐵水預處理脫硫站和LF精煉爐。實際LF爐渣成分見表3。

表3 LF終渣成分

從表3可以看出，爐渣堿度在3.0左右，渣中(FeO+MnO)很低，渣中脫硫率都在50%以上，說明LF爐渣堿度比較合適，流動性較好，完全能滿足脫硫的需要。

由于LF精煉爐處理后，鋼中仍有較少的Al2O3夾雜成串簇狀，必須進行鈣處理，使之變性生成低熔點的球狀的鋁酸鈣，易于上浮排除。為了保證Ca處理效果，要求Ca處理前，鋼中自由［O］≤5.0 ppm，保證鋼水脫氧徹底，使大量的Ca充分用于使夾雜物變性而非用于脫氧，提高Ca的收得率。喂線量依據(jù)鈣鋁比Ca/Al=0.10～0.15的原則加入，保證主要生成產(chǎn)物是鈣鋁酸鹽夾雜(12CaO·7Al2O3)。

2．3．2 鑄坯裂紋控制措施

鋼的熱延展性受成分的影響強烈，加鈮可使延展槽變深、變寬，使之向高低溫區(qū)域伸展，典型結果見圖1［1］。鋼的延展率隨微合金元素的碳、氮化物的沉積百分率提高而降低，且溶解溫度越高，延展性恢復的溫度也越高。在沉積的體積百分率一定的情況下，與不含鈮鋼相比CW590 L鋼的延展性要低得多，且Nb比V更不易溶解于奧氏體中，因此CW590L鋼的延展槽更寬。鑄坯裂紋敏感性較高，在鑄坯表面易產(chǎn)生邊部橫向裂紋，在軋制中板材邊部出現(xiàn)“V”字形邊裂。

圖1 鈮對鋼的熱延展性影響

在生產(chǎn)中主要采取了以下措施來保證鑄坯質量:

(1)整個連鑄工藝采用全程保護澆注，結晶器液面自動控制。

(2)采用低振幅、高振頻的振動參數(shù)，可以減輕鑄坯振痕程度，減小橫裂的產(chǎn)生幾率。我公司澆此類鋼采用的振動參數(shù)為f=100+35 V，f—振頻 c/min ，v—拉速 m/min。振幅，h=3.5 mm。典型拉速1.20 m/min左右。

(3)設計新的保護渣。

我們在連鑄保護渣的設計上，為達到良好的絕熱、隔離、吸附夾雜、潤滑和傳熱功能，結合微合金鋼連鑄裂紋敏感性和包晶區(qū)特性，對保護渣粘度、凝固溫度、結晶溫度和表面張力等參數(shù)提出了嚴格規(guī)定。在微合金鋼的實際生產(chǎn)中，保護渣很好地適應了鋼種需求。表4為Nb－Ti微合金鋼的保護渣主要性能指標。

表4 低碳貝氏體鋼CW590L的保護渣主要性能指標

(4)一冷弱冷

由于該類鋼種的裂紋敏感性較大，冷卻要最大限度地避免由于強度過大導致的冷卻不均最終導致熱應力過大而產(chǎn)生表面裂紋。我們通過減少水量將結晶器進出水溫差由7～8℃增加到9～10℃，降低了一冷強度，提高冷卻的均勻性。

(5)二冷弱冷

從弱冷的角度出發(fā)，設計了新的二冷水模型，將比水量在普鋼的基礎上作較大的降低。表5列出了CW590L鋼與Q235鋼的二冷水模型對比情況。典型斷面及典型拉速下，降低二冷比水量，從而在矯直處使鑄坯特別是角部避開了“脆性口袋區(qū)”。表6為不同拉速下CW590L鋼與Q235在鑄坯矯直處溫度對比。

表5 CW590L鋼與Q235鋼二冷水冷模型對比Q=k(a+b×v)，k=0.006

表6 不同拉速下CW590L鋼與Q235在鑄坯矯直處溫度對比

(6)微鈦處理

鈦是強的固氮元素，利用0.02%左右鈦就可固定鋼中60×10－6以下的氮，在板坯連鑄時可在晶界形成高溫穩(wěn)定的TiN析出相，由于TiN析出溫度較高，顆粒較大，奧氏體熱延性不會降低;另一方面，由于微鈦固N，使固溶析出Nb完全或絕大多數(shù)為碳化物的形式，從而可以改善鋼的熱塑性，使鋼的“脆性口袋區(qū)”變窄。因此生產(chǎn)中采用了微鈦處理來防止鑄坯橫裂紋的產(chǎn)生。微量Ti對含Nb、V鋼熱塑性的影響見圖2。

通過以上對冶煉、連鑄工藝參數(shù)的有效控制，保證了過熱度、拉速與冷卻強度的匹配，鑄坯質量良好，未見表面裂紋、角裂紋、中間裂紋等缺陷。其直接效果表現(xiàn)為帶鋼表面未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，帶鋼表面質量完全合格。

2．4 低碳貝氏體鋼軋制的技術難點及措施

圖2 微量Ti對含Nb、V鋼熱塑性的改善

由于熱軋原料連鑄板坯設計厚度為150 mm，軋制壓縮比較小，常規(guī)軋制工藝很難滿足微合金鋼力學、工藝性能，外加層流冷卻線較短(55 m左右)，對此課題組對加熱制度、過程溫度控制、壓下制度、終軋溫度控制、冷卻方式及卷取溫度控制等工藝技術參數(shù)進行修定，以保證生產(chǎn)出符合質量要求的貝氏體鋼。

2．4．1 低碳貝氏體鋼590L加熱制度

板坯的加熱質量直接影響產(chǎn)品的性能。CW590L是典型的微合金鋼，提高加熱溫度有利于鈮的碳氮化物更多的固溶到奧氏體中，并在隨后的軋制過程中軋后冷卻析出。另外較小的晶粒尺寸也有利于使鋼的強度和韌性同時得到提高。因此，板坯加熱要保證其中Nb的充分溶解。

由于CW590L相對于低碳鋼種來說易產(chǎn)生鑄坯中心偏析，導致成品帶狀組織嚴重，為消除這種影響，要求在加熱時能夠完全或部分消除中心偏析。所以應盡可能提高加熱溫度，延長鑄坯在爐時間，特別是高溫區(qū)停留時間;但同時要防止過高的加熱溫度導致奧氏體粗大不均，甚至產(chǎn)生異常組織。因此，需要確定合理的加熱制度。試制過程中，確定加熱時間在120～130 min，加熱溫度在1240～1270℃(如表7)。

表7 CW590L鋼坯再加熱工藝/℃

鈮的碳氮化物和Al的氮化物均可以在不太高的溫度即完全固溶于奧氏體，TiN的穩(wěn)定性相當髙，其溶解溫度高于1400℃，在一般加熱條件下，它很難固溶于奧氏體中。根據(jù)設備特點和多次的試制經(jīng)驗，我們確定CW590L最高加熱溫度≤1280℃，選定加熱溫度為1270℃。

2．4．2 帶鋼軋制以及冷卻控制

壓下制度制定原則:滿足Nb－Ti微合金鋼對控軋的要求，充分發(fā)揮微合金元素的析出強化作用;在設備能力允許的情況下盡量提高壓下率?？刂瓶倝合铝亢偷来螇合铝?，以增加形變帶和形變誘導析出效果。此階段總變形量大一些對提高板材性能有益，但末道次壓下量不能太大，這樣有利于提高帶鋼的板型質量。

2．4．2．1 粗軋控制

軋制過程實行控制軋制，粗軋階段采用大壓下軋制以獲得均勻的奧氏體晶粒組織。粗軋過程中，板坯在1040℃以上軋制(初步推算此鋼的再結晶溫度為960℃甚至更高，如圖3)，根據(jù)成品厚度變化，在奧氏體區(qū)發(fā)生大變形和再結晶可以有效細化晶粒，減輕帶狀組織，對于在α相變前形成合適的畸變結構也很重要。其次，為了生產(chǎn)高強度鋼卷，要盡量控制鈮的析出，以使α相變前的鋼板中留有大量溶解的Nb原子。其中板坯中大尺寸晶粒產(chǎn)生的不良影響要通過粗軋過程的晶粒細化得到改善。因此過高的軋制溫度導致應力累計的損失，促進了晶粒長大，所以過高的軋制溫度也不利于晶粒的細化。相反，軋制溫度過低，變形組織不利于發(fā)生再結晶，將會留下很多的回復結構。

圖3 CW590L再結晶溫度示意圖

2．4．2．2 精軋控制

在適當增加中間坯厚度基礎上，通過增加精軋段壓縮比來達到細化晶粒的目的。使用熱卷箱對中間坯進行保溫和均熱，以減少中間坯頭尾的溫度差，使成品長度方向的力學性能保持在較小的波動范圍內(nèi)。適當提高精軋負荷，特別是增加機架F6、F7的負荷，F(xiàn)7(終軋)的變形量達到了13%以上。

2．4．2．3 終軋及層流冷卻控制

終軋溫度直接影響到板材的組織和性能，隨終軋溫度的降低，鐵素體晶粒細化?？紤]到后續(xù)提高冷卻速度能夠減輕甚至消除帶狀組織，可以適當提高終軋溫度。卷取溫度對組織和性能都有較大影響。由于CW590L要求強度較高，同時為消除帶狀組織和提高低溫沖擊韌性，適宜采用較低的卷取溫度(如表8)。在軋后的相轉變過程中，快速冷卻抑制碳氮化物在奧氏體中析出，促使其在軋后卷取時析出，有助于細小沉淀相在鐵素體中析出，從而起到細晶強化及沉淀強化作用，使鐵素體晶粒最終細化。冷卻速率加大可減輕鋼中帶狀組織，有利于鋼的韌性，但卷取溫度也不能過低，以免形成較多貝氏體組織，影響鋼的強韌性匹配。根據(jù)微合金鋼的力學、工藝性能要求選擇適當?shù)木砣囟龋玫綕M意的顯微組織，達到強韌性的良好匹配。

表8 CW590L終軋溫度、卷取溫度和層流冷卻控制

3 顯微組織

3．1 顯微組織控制

鋼材的顯微組織決定性能，根據(jù)CW590L鋼性能的要求，控制組織為F+P或F+P+B，其中B為針狀鐵素體或粒狀貝氏體。在鋼中常見顯微組織缺陷是帶狀組織。主要通過以下措施減輕帶狀組織:①成分控制措施:帶狀組織形成的根本原因是合金元素的枝晶偏析。一方面合金元素的濃度變化影響碳的均勻分布，從而改變了局部奧氏體—鐵素體的相變Ar3溫度;另一方面合金元素本身也降低(如Mn、Cr)或提高(如Si)相變Ar3溫度。因此在成分上調整鋼中Si/Mn比，減弱鋼中偏析對Ar3溫度的影響，減輕帶狀組織。②冷卻工藝措施:適當加大層流冷卻速率，使Ar3過冷到較低的溫度，提高相變速度，以減輕帶狀組織。

通過這些措施，將微合金鋼帶狀組織控制在3級以下。

3．2 金相檢驗結果

從成品大梁鋼CW590L隨機抽樣8爐進金相報告看，晶粒均較細，部分組織中針狀鐵素體和粒狀貝氏體稍多，整個截面均有較多的針狀鐵素體和貝氏體組織。從邊緣組織情況來看，均有一邊緣組織晶粒較細，晶界有退化珠光體和碳化物分布。圖4、5為典型CW590L的顯微組織照片。

圖4 CW590L組織機械拋光4%硝酸酒精浸蝕500

圖5 電鏡觀察低碳貝氏體鋼CW590L的組織金相照片(微小的顆粒為析出物)

從圖4可以看出，試驗樣晶粒較細，針狀鐵素體和粒狀貝氏體量較多。

從圖5通過電鏡觀察和取樣進行化學分析，發(fā)現(xiàn)大量的析出物主要是鈮的碳氮化物和鈦的氮化物。從電鏡上觀測以及分析來看，細小的析出物主要為Nb和Ti的碳氮化物。至于產(chǎn)生如此細小析出物的原因初步分析主要是生產(chǎn)這種微合金鋼時加熱溫度過高所致。從理論上計算:NbC全固溶溫度:T=7510/［2.96－Log(0.017 ×0.09)］=1300K=1027℃，Nb(NC)較NbC的溶解溫度稍高。從上面可以看出，由于大梁鋼CW590L鋼的［Ti］/［N］接近理想配比，又由于加熱溫度較高，固溶量較多，在軋制和冷卻過程中有較多的Nb(NC)、TiN 析出，且 Nb(NC)、TiN 熟化長大較慢，質點較細，在電鏡下可以看到其質點。由于Ti的活性較高，更易與N結合，TiN溶解度更低，能先一步析出，所以出現(xiàn)如此較多的析出物。這也是生產(chǎn)的CW590L力學性能較高的原因。

3．3 綜合性能檢測情況

生產(chǎn)的低碳貝氏體鋼CW590L力學、工藝性能均能滿足標準及用戶要求，且有較大的富余量。表9列出了生產(chǎn)的CW590L鋼的力學性能及工藝性能統(tǒng)計結果。

從表9可見，與國內(nèi)大梁鋼企業(yè)標準相比，產(chǎn)品的屈服強度平均值超過下限55 MPa;抗拉強度平均值超下限55 MPa;平均延伸率為27%;冷彎(d=1a)全部合格且綜合性能波動小，成品全部滿足CW590L綜合性能要求。

表9 汽車大梁鋼CW590L力學性能統(tǒng)計表(厚度均為6．5 mm)

4 結論

(1)低碳貝氏體鋼CW590L主要采用控軋控冷工藝進行生產(chǎn)，此生產(chǎn)工藝充分細化了這類貝氏體鋼的組織及充分發(fā)揮了Nb、Ti等合金元素的作用，達到較好的強韌化效果;

(2)生產(chǎn)過程中解決了貝氏體鋼的冶煉、軋制及組織各種問題，力學、工藝性能完全滿足標準及用戶的要求;

(3)較好地掌握了貝氏體鋼CW590L的生產(chǎn)及質量控制技術，現(xiàn)已經(jīng)具備批量生產(chǎn)能力。

［1］ 王占云．控制軋制與控制冷卻［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1995．

［2］ 賀信萊，尚成嘉，等．高性能低碳貝氏體鋼［M］．冶金工業(yè)出版社，2008．