劉艷玲 孔德南 高建舟 鄧杭州 尚繼方

(安陽鋼鐵股份有限公司)

0 前言

控軋控冷技術(shù)的高度發(fā)展在一定程度上節(jié)約了合金元素的添加量，對于低碳高強(qiáng)度鋼來說，添加B既可以保證鋼的低碳當(dāng)量，又可以提高鋼的淬透性從而滿足鋼板的高強(qiáng)韌性。這主要是利用固溶硼在奧氏體晶界偏析，抑制晶界中鐵素體相變核的生成來提高淬透性。筆者通過實(shí)驗(yàn)，就不同成分設(shè)計(jì)的低碳貝氏體鋼中硼對組織性能、CCT曲線及焊接性能的影響進(jìn)行了分析研究，并就冷卻速率對含硼低碳貝氏體鋼的影響進(jìn)行了分析討論。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

由于B易與N結(jié)合并以BN形式析出，因此，為確保固溶B，通常添加與N化合力強(qiáng)的Al或Ti來固定N，本次試驗(yàn)采用微Ti處理方式進(jìn)行固N(yùn)。為充分研究硼在低碳貝氏體鋼中的作用，本次試驗(yàn)采用Nb-B-Ti、Nb-Cr-Mo成分體系設(shè)計(jì)的級鋼進(jìn)行研究。試驗(yàn)鋼化學(xué)成分詳見表1。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料采用鐵水預(yù)處理→復(fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF爐→VD→板坯連鑄→3500 mm爐卷軋機(jī)工藝流程。試驗(yàn)坯采用安鋼1#寬板連鑄機(jī)的150 mm連鑄板坯，將不同成分的試驗(yàn)鋼通過再結(jié)晶區(qū)+未再結(jié)晶區(qū)兩階段控制軋制，并進(jìn)行控制冷卻，然后分別進(jìn)行力學(xué)性能、金相組織檢驗(yàn)及連續(xù)冷卻試驗(yàn)。試驗(yàn)鋼采用的控軋控冷工藝見表2。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 硼對低碳貝氏體鋼強(qiáng)韌性的影響

試驗(yàn)鋼控軋控冷后對1#～3#加取試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和夏比V型沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)鋼強(qiáng)塑性能、韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別如圖1、圖2所示。

表2 試驗(yàn)材料所采用的控制軋制控制冷卻工藝

圖1 1#～3#試驗(yàn)鋼強(qiáng)塑性能

圖2 1#～3#試驗(yàn)鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度

由圖1可以看出，通過1#～3#強(qiáng)塑性對比可知，在充分固N(yùn)的情況下，硼可以在低碳貝氏體鋼中發(fā)揮相當(dāng)強(qiáng)的淬透作用，但其在顯著提高強(qiáng)度的同時(shí)，塑性卻受到不利影響，從某種程度上表現(xiàn)出塑性隨強(qiáng)度的升高而降低的趨勢。試驗(yàn)鋼通過控制軋制控制冷卻，硼對于強(qiáng)度的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于Mo、Cr等貴重合金元素，并且添加10×10-6左右的硼即可發(fā)揮作用，即使是淬透性能很低的1#試驗(yàn)鋼，通過添加微量B元素，也可以大大提高其強(qiáng)度。固溶硼在奧氏體晶界偏聚，可以抑制晶界中鐵素體相變核的生成，從而提高了淬透性［1］。另外，硼不僅加強(qiáng)了鈮的析出效果，而且可以形成Nb(C，N，B)化合物，此類化合物在熱變形后，在奧氏體中會(huì)通過應(yīng)變誘導(dǎo)在位錯(cuò)線上析出，從而明顯阻礙變形后晶界的運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化了奧氏體晶粒。

由圖2可以看出，1#、2#試驗(yàn)鋼在Cev設(shè)計(jì)差異很大的情況下，經(jīng)過嚴(yán)格的控軋控冷工藝，其韌性并沒有顯現(xiàn)太大差異，但相比3#試驗(yàn)鋼其韌脆轉(zhuǎn)變溫度有所升高。綜合分析，B的添加，在對塑性和韌性稍有影響的同時(shí)，大大提高了鋼板的強(qiáng)度指標(biāo);在降低合金成本的同時(shí)，保證了鋼板的綜合性能。

2.2 硼對低碳貝氏體鋼CCT曲線的影響

低碳貝氏體鋼是一類高強(qiáng)度、高韌性的鋼種，因其低碳設(shè)計(jì)消除了碳對貝氏體組織韌性的不利影響，這類鋼的強(qiáng)度不再依靠鋼中碳含量而主要通過組織強(qiáng)化控制，因此，對2#、3#試驗(yàn)鋼取樣委托哈爾濱焊接研究所進(jìn)行連續(xù)冷卻，其CCT曲線如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)鋼CCT曲線

由圖3可知，硼的添加使低碳貝氏體鋼鐵素體、珠光體、貝氏體曲線右移，并且鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變溫度下移，推遲了鐵素體、珠光體的轉(zhuǎn)變。2#試驗(yàn)鋼以10℃/s的冷卻速率冷至560℃即可獲得100%貝氏體組織;3#試驗(yàn)鋼以13℃/s的冷卻速率冷至530℃獲得貝氏體組織。在低碳貝氏體鋼變形后的冷卻過程中，硼原子在晶界的偏聚會(huì)極大地阻礙新相在晶界處形核，從而使先共析鐵素體生成區(qū)明顯右移，擴(kuò)大了此鋼種獲得均勻貝氏體組織的冷速范圍。

2.3 硼對低碳貝氏體鋼顯微組織的影響

為進(jìn)一步了解硼對低碳貝氏體鋼性能的影響，利用ZEISS Observer A1m金相顯微鏡對試驗(yàn)鋼進(jìn)行顯微組織觀察，顯微組織如圖4所示。

圖4 不同回火溫度下的顯微組織

由圖4可以看出，1#試驗(yàn)鋼主要是粒狀貝氏體和多邊形鐵素體組成的混合組織;2#試驗(yàn)鋼主要是粒狀貝氏體和少量多邊形鐵素體;3#試驗(yàn)鋼主要是針狀鐵素體和少量粒狀貝氏體的混合組織。在顯微組織圖像中原壓扁奧氏體晶界清晰可見，這些未再結(jié)晶奧氏體區(qū)進(jìn)行了充分累計(jì)變形的壓扁奧氏體變形帶，可作為晶粒內(nèi)相變驅(qū)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)，從而有利于控冷階段試驗(yàn)鋼的相變控制。在低碳貝氏體鋼中添加硼，使鐵素體、珠光體、貝氏體曲線右移，硼抑制了鐵素體、珠光體形核。另外，低碳貝氏體鋼基體中固溶的鈮、硼原子在冷卻及相轉(zhuǎn)變后，將在貝氏體內(nèi)析出Nb(C，N，B)化合物，進(jìn)一步強(qiáng)化貝氏體組織。

2.4 硼對低碳貝氏體鋼焊接性能的影響

低碳貝氏體鋼由于其碳含量很低，因此焊接冷裂紋敏感性很小，另一方面這類鋼在焊接過程中晶粒長大傾向性很小，因此具有優(yōu)良的焊接性能［4］。由表1中1#～3#試驗(yàn)鋼P(yáng)cm值分析，2#含硼試驗(yàn)鋼焊接性能理論上和3#試驗(yàn)鋼焊接冷裂紋敏感性應(yīng)該相當(dāng)，為進(jìn)一步探討硼對低碳貝氏體鋼工程應(yīng)用的焊接性能，對2#鋼取樣委托哈爾濱焊接研究所進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，見表3。

表3 2#試驗(yàn)鋼焊接性能試驗(yàn)

通過對2#試驗(yàn)鋼進(jìn)行插銷冷裂紋試驗(yàn)、斜Y坡口焊接裂紋進(jìn)行試驗(yàn)，并對焊接熱影響區(qū)進(jìn)行最高硬度試驗(yàn)，結(jié)果表明，試驗(yàn)鋼熱影響區(qū)淬硬傾向較小，對氫致開裂敏感性很低;中等約束條件下室溫不預(yù)熱焊接不會(huì)產(chǎn)生冷裂紋。

利用ZEISS Observer A1m金相顯微鏡對對焊接試驗(yàn)鋼熱影響區(qū)進(jìn)行顯微組織觀察，顯微組織照片如圖5所示。

圖5 2#試驗(yàn)鋼焊接熱影響區(qū)顯微組織

由圖5可以看出，在鈮、硼綜合作用下，這類鋼的焊接熱影響區(qū)顯微組織仍然為高強(qiáng)韌的貝氏體組織。這種貝氏體組織內(nèi)部的位錯(cuò)密度很高;另一種原因是在焊接快速冷卻過程中，硼和鈮原子會(huì)偏聚在新形成并正在移動(dòng)中的奧氏體晶界上，從而明顯地減緩了這些新晶粒長大，在加熱時(shí)鋼板中存在的Nb(C，N)析出除了阻止新晶界移動(dòng)外，還要經(jīng)過一個(gè)自身的溶解過程，從而在奧氏體晶粒的長大過程中也起到一定的限制作用。

3 討論

硼的添加有利于在低碳高強(qiáng)鋼設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中得到貝氏體組織，但在冷卻過程中形成Fe23(C，B)6類型的硼化物，在TMCP狀態(tài)下，由于硼的作用導(dǎo)致晶界處位錯(cuò)密度較高且處于混亂狀態(tài)，應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)較大，對沖擊韌性不利，容易出現(xiàn)沖擊性能波動(dòng)問題。在有些資料中顯示［3］，F(xiàn)e23(C，B)6大約在970℃以上不穩(wěn)定而消失，在600℃以下也因不穩(wěn)定而無法存在;但Cr元素的加入具有穩(wěn)定Fe2B相的作用，并隨著Cr含量的增加，950℃時(shí)Fe23(C，B)6相的存在區(qū)域也隨著擴(kuò)大，且在600℃以下也能穩(wěn)定存在。

另外，含硼鋼淬透性對冷卻速率比較敏感，硼的淬透性主要是由于硼的晶界偏聚、硼化物晶界析出造成的，隨著冷卻速率的的增加，硼在晶界的非平衡偏聚物增多，并且冷卻到一定溫度后出現(xiàn)硼析出物。在快速冷卻階段由于奧氏體過冷度增大，促進(jìn)了貝氏體鐵素體向細(xì)板條束發(fā)展。在含硼低碳貝氏體鋼的生產(chǎn)過程中，冷卻速率的控制對組織、性能的控制至關(guān)重要。

4 結(jié)論

通過Nb-B-Ti、Nb-Cr-Mo不同成分體系試驗(yàn)鋼的組織、性能、冷卻曲線的研究，得出：

1)低碳貝氏體鋼中硼的加入使鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變點(diǎn)下降，使CCT冷卻曲線右移，擴(kuò)大了貝氏體組織的冷卻速率范圍。

2)硼的添加強(qiáng)化了鋼的顯微組織，對低碳貝氏體鋼的強(qiáng)度貢獻(xiàn)很大，并且強(qiáng)度隨著冷卻速率的增大而升高;Nb-B-Ti鋼相對于Nb-Cr-Mo鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。

3)含硼低碳貝氏體鋼在中等約束條件下，室溫不預(yù)熱焊接不產(chǎn)生冷裂紋。

［1］ 賀信萊，諸幼義，柯俊.硼向奧氏體晶界的非平衡偏聚［J］.金屬學(xué)報(bào)，1982，18(1)：5-10.

［2］ 梁曉軍，焦四海，王聰，姜洪生.冷卻速率對直接淬火鋼組織和性能的影響［J］.機(jī)械工程材料，2007，31(2)：16-18.

［3］ 符寒光，宋緒丁，劉海明，雷永平，成小樂，邢建東.熱處理對Fe-B-C合金顯微組織的影響［J］.稀有金屬材料與工程，2010，39(6)：1125-1128.

［4］ 翁宇慶，等.超細(xì)晶鋼［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2003：279-288.