楊 浩，李玉藏，曲錦波

（1.江蘇?。ㄉ充摚╀撹F研究院，張家港215625；2.江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司，張家港215625）

0 引 言

鈦作為廉價的微合金強化元素，在鋼中具有細(xì)晶強化、析出強化的作用，已被廣泛地應(yīng)用在低合金結(jié)構(gòu)鋼中。為充分利用鈦的析出強化作用，含微量鈦低合金結(jié)構(gòu)鋼在軋制完成后通常需要進(jìn)行時效處理。由于卷板是在軋制完成后進(jìn)行卷取的，這為鈦的析出創(chuàng)造了良好的條件，因此鈦的析出強化作用在卷板生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1-2］。而在含微量鈦低合金結(jié)構(gòu)鋼的寬厚板生產(chǎn)過程中，為充分利用鈦的析出強化作用往往還需要在熱軋后再進(jìn)行離線的回火，這勢必影響生產(chǎn)效率并增加生產(chǎn)成本，因此鈦的析出強化作用在寬厚鋼板中的應(yīng)用受到限制。目前，含微量鈦低合金結(jié)構(gòu)鋼寬厚板中的鈦添加量大多低于0.02%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），其主要作用為固定鋼中自由氮，并利用所形成的TiN顆粒抑制高溫奧氏體長大。

為了充分利用鈦的析出強化和細(xì)晶強化作用，作者針對含微量鈦低合金結(jié)構(gòu)鋼寬厚板的生產(chǎn)過程，通過研究TiC在奧氏體及鐵素體中的析出規(guī)律，對軋制工藝進(jìn)行優(yōu)化，使TiC在軋制過程中得到充分析出，在不進(jìn)行回火的情況下，達(dá)到最佳的析出強化效果，并對軋后鋼板的顯微組織與性能進(jìn)行了分析。

1 試樣制備與試驗方法

試驗用鋼采用工業(yè)純鐵為原料在150kg真空感應(yīng)熔煉爐中冶煉，澆鑄出150mm×150mm×420 mm的鋼錠，熔煉溫度為1 610℃，澆鑄溫度為1 570℃，試驗鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗鋼化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of the test steel（mass） %

將鑄坯軋制成尺寸為φ10mm×16mm圓柱試樣，在Gleeble-3800型熱模擬試驗機(jī)上進(jìn)行熱模擬試驗。（1）先以10℃·s-1速率將試樣加熱至1 200℃保溫5min，然后以10℃·s-1的速率分別冷至1 050，950，850℃后保溫10s，再進(jìn)行變形量為40%的壓縮變形，變形應(yīng)變速率為1s-1，變形后保溫30s（奧氏體溫度區(qū)），最后以100℃·s-1冷速冷至200℃以下。（2）先以10℃·s-1速率將試樣加熱至1 200℃，保溫5min，然后以10℃·s-1的速率冷至950℃并保溫10s，再以1s-1應(yīng)變速率變形40%，變形后立即以15℃·s-1的冷速分別冷至700，650，600℃保溫，對應(yīng)的保溫時間分別為30，300s（鐵素體溫度區(qū)），保溫完成后以100℃·s-1冷速冷至200℃以下。隨后用線切割方法在試樣焊接熱電偶處取樣，制作雙噴減薄透射電鏡試樣，在JEM2100F型透射電鏡上觀察TiC析出物。

軋制試驗在φ750mm二輥可逆式試驗軋機(jī)上進(jìn)行，經(jīng)9道次軋制后，試驗鋼從150mm厚板坯變成15mm鋼板。根據(jù)TiC在奧氏體和鐵素體中的析出情況，設(shè)計兩種軋制工藝，如表2所示。工藝A為常規(guī)軋制工藝，采用再結(jié)晶區(qū)一階段控軋，軋后控冷至600℃后緩冷至室溫；工藝B為優(yōu)化的控制軋制工藝，采用再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)兩階段控軋，且適當(dāng)降低再結(jié)晶區(qū)軋制溫度，軋后控冷至650℃后緩冷至室溫。

表2 兩種軋制試驗工藝參數(shù)Tab.2 The two Parameters of the pilot rolling trials

在箱式電阻爐中對熱軋態(tài)鋼板進(jìn)行600℃×1h的時效處理。隨后沿鋼板的橫向取樣，拉伸試驗按照 GB／T 228.1-2010在Instron 5585型材料拉伸試驗機(jī)上完成，拉伸試樣標(biāo)距為φ8mm×40mm，拉伸速率采用GB／T 228.1-2010中方法B進(jìn)行，即彈性段至上屈服拉伸速率為30MPa·s-1，屈服段為2mm·min-1，屈服后為12mm·min-1。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 奧氏體區(qū)保溫溫度對TiC析出的影響

由固溶度積公式可知，TiC在奧氏體中析出比較困難，但在某些溫度區(qū)間，通過形變誘導(dǎo)可大大地促進(jìn)其析出［3］。由圖1可知，試驗鋼在奧氏體區(qū)1 050℃保溫時，由于溫度較高，鈦在奧氏體中的固溶度較大，雖然試驗鋼發(fā)生了變形，但仍不足以誘導(dǎo)TiC的析出，因此并未見大量TiC析出相；在950℃保溫時，由于奧氏體溫度的降低，鈦在奧氏體中的固溶度下降，同時伴隨著形變誘導(dǎo)作用，在試驗鋼中觀察到尺寸在10～20nm彌散析出的TiC；在850℃保溫時，鈦在奧氏體中的固溶度進(jìn)一步下降，更多的TiC發(fā)生形核，但因奧氏體溫度較低，TiC析出物的長大過程受到抑制，因此最終試驗鋼中TiC析出物數(shù)量更多、尺寸更小，尺寸多在10nm以下。

2.2 鐵素體區(qū)保溫溫度對TiC析出的影響

彌散析出和相間析出是TiC在鐵素體中的常見析出方式，析出方式常因析出溫度不同而不同［4］。一般來說，在鐵素體區(qū)的高溫區(qū)TiC以相間析出為主；在低溫區(qū)以彌散析出為主；而在中間溫度區(qū)間則兩種析出方式兼有。從圖2中可以看出，600℃保溫時，大量細(xì)小的TiC顆粒彌散分布在鐵素體晶粒內(nèi)部，即以彌散析出為主，析出物尺寸多在10μm左右；而在700℃保溫時，鐵素體晶粒內(nèi)部不但觀察到彌散分布的TiC析出物，還觀察到平行排列的TiC析出物，說明在700℃下TiC的析出方式既有彌散析出又有相間析出，尺寸多在10～20μm。

圖1 不同奧氏體區(qū)保溫條件下TiC析出物的TEM形貌Fig.1 TEM morphology of TiC precipitates in austenite under different conditions of heat preservation

鐵素體區(qū)保溫除影響TiC在鐵素體中的析出方式外，還對TiC析出物的尺寸和數(shù)量有影響。從圖3可知，在600℃保溫30s時，由于溫度低，TiC在鐵素體中需要孕育較長時間，鐵素體內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大量的TiC析出；在650℃保溫30s時，隨著保溫溫度的升高，TiC的孕育期縮短，經(jīng)過30s保溫，觀察到大量TiC析出物在鐵素體內(nèi)彌散析出，且由于保溫時間較短，TiC析出物來不及長大，因此尺寸十分細(xì)小；在700℃保溫30s時，由于保溫溫度較高，鐵素體內(nèi)可見彌散析出的TiC析出物，且較650℃時數(shù)量減少但尺寸增大。

圖2 不同鐵素體區(qū)保溫條件下TiC析出物的析出方式與形貌Fig.2 Precipitation modes and morphology of TiC precipitates in ferrite under different conditions of heat preservation：（a）600℃×300s，dispersive precipitation；（b）700℃×300s，dispersive precipitation and（c）700℃×300s，alternative precipitation

圖3 在鐵素體區(qū)不同保溫條件下TiC析出物的尺寸與數(shù)量Fig.3 Sizes and quantities of TiC precipitates in ferrite under different conditions of heat preservation

2.3 軋制工藝確定

從熱模擬試驗結(jié)果可以看出，在奧氏體和鐵素體的不同溫度區(qū)域TiC的析出行為有很大的不同。為使TiC在軋制過程中得到充分析出，需制定合理的軋制工藝。

從奧氏體形變保溫溫度對TiC析出的影響來看，變形溫度越低，析出物的數(shù)量越多，尺寸越小，因此適當(dāng)降低軋制溫度對促進(jìn)TiC的析出是有利的。為保證奧氏體晶粒的細(xì)化，必須進(jìn)行再結(jié)晶區(qū)的軋制，但溫度過高時不利于TiC的析出且再結(jié)晶晶粒容易長大，因此應(yīng)適當(dāng)降低開軋溫度，即在奧氏體再結(jié)晶區(qū)的較低溫度區(qū)間。同時，應(yīng)給予未再結(jié)晶區(qū)盡量多的變形，例如使終軋溫度選在對TiC析出最為有利的850℃附近。

從TiC在鐵素體中的析出方式來看，較高溫區(qū)既有彌散析出又有相間析出，較低溫區(qū)以彌散析出為主。文獻(xiàn)［5］表明，鐵素體中彌散析出方式由于析出物細(xì)小、分布均勻，對材料的性能更為有利，因此應(yīng)選擇在以彌散析出為主的區(qū)間緩冷。從析出物的數(shù)量及尺寸來看，過低的溫度雖然可使TiC彌散析出，但析出物的數(shù)量和尺寸受到嚴(yán)重影響。因為過低的溫度使TiC析出的孕育時間增長，短時間內(nèi)無法大量析出。在650℃保溫時析出物數(shù)量多、尺寸小、分布彌散，對性能最為有利，因此應(yīng)選擇650℃作為軋后控冷的終止溫度。

2.4 不同軋制工藝下的組織與性能

從圖4可以看到，試驗鋼經(jīng)軋制及時效處理后組織類型相同，均為帶狀的鐵素體＋珠光體組織；但采用優(yōu)化工藝B試驗鋼的晶粒尺寸要略小于用工藝A的，這是因為工藝B中采用了較低的再結(jié)晶軋制溫度，抑制了奧氏體再結(jié)晶晶粒長大。

圖4 試驗鋼不同工藝軋態(tài)及時效處理態(tài)的顯微組織Fig.4 Microstructure of the test steel after rolling and aging in processe A （a，b）and process B （c，d）

從力學(xué)性能結(jié)果來看，工藝A軋態(tài)試驗鋼的屈服強度僅為512MPa，明顯低于工藝B軋態(tài)試驗鋼的598MPa（差80MPa左右）；但經(jīng)時效處理后工藝A試驗鋼屈服強度獲得明顯提升（ΔRel＝69MPa），而工藝B試驗鋼屈服強度僅有小幅提升（ΔRel＝15MPa），兩者的塑性相差不大。這說明采用常規(guī)工藝軋制的試驗鋼在軋制完成后，需進(jìn)行時效處理以充分發(fā)揮TiC的析出強化作用，進(jìn)而提高強度；而采用優(yōu)化工藝軋制的試驗鋼在軋制過程中TiC已得到充分析出，再經(jīng)過后續(xù)時效處理后屈服強度變化并不明顯。

表3 不同工藝軋態(tài)與時效態(tài)試驗鋼的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of the test steel after rolling and aging in different processes

3 結(jié) 論

（1）在奧氏體區(qū)變形保溫過程中，850℃左右變形時最有利于TiC的析出；變形溫度升高時，析出物數(shù)量減少，尺寸增大，在1 050℃時已無大量的TiC析出。

（2）在鐵素體溫區(qū)的650℃保溫時，TiC析出數(shù)量最多，尺寸最小，且分布彌散，對材料性能最為有利；溫度過低時，TiC析出所需孕育時間長，短時間內(nèi)無法大量析出；溫度過高時，TiC出現(xiàn)相間析出，且彌散析出物尺寸增大，數(shù)量減少。

（3）優(yōu)化后的軋制溫度及終冷溫度分別為830℃和650℃，TiC在中厚板軋制過程中可充分析出，試驗鋼軋態(tài)屈服強度比采用常規(guī)工藝的屈服強度高約80MPa。

［1］張秀芳，馬成甫，鐘定鐘，等.汽車用含鈦T52（L）鋼板控軋控冷工藝研究與應(yīng)用［J］.鋼鐵研究，1994，81（6）：14-22.

［2］張魁，殷穎，王恩濤.低碳低錳含鈦熱軋汽車板［J］.鞍鋼技術(shù)，1987（3）：27-33.

［3］MEDINA S F.Determination of precipitation-timetemperature（PPT）diagrams for Nb，Ti or V microalloyed steels［J］.Journal of Materials Science，1997，32：1487-1492.

［4］楊才福，張永權(quán)，王瑞珍.釩鋼冶金原理與應(yīng)用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2012：57.

［5］劉嘉禾.釩鈦鈮等微合金元素在低合金鋼中應(yīng)用基礎(chǔ)的研究［M］.北京：北京科學(xué)技術(shù)出版社，1992：81.