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低温用铌微合金化钢板细晶化工艺开发
信息来源:世界金属导报2016-04-19B13      时间:2016-04-20 09:23:32

1引言

具有高的抗低温性能、高塑性和抗脆性裂纹扩展能力的结构钢板,尤其是高韧性水平、Z向性能和低温性能要求的钢板生产面临诸多难题。对厚度超过30mm的钢板(大口径管线钢),要求在低温DWTT过程中表现出性能稳定,这是最大挑战。现代生产厚钢板的工艺技术是基于能够实现钢的组织细化。热机械控制工艺(TMCP)是细晶粒厚钢板低成本生产技术。不过,传统的加热温度高至1170-1200℃(有时更高)的两阶段轧制并不能总是实现钢板所需的性能组织。现代化可逆轧机TMCP工艺的灵活性可以改善轧制过程,因此对细晶组织的形成产生更大贡献,使得所生产出的钢板具有高的抗塑性和脆性断裂性能。实现钢板所需微观组织的TMCP工艺主要过程包括板坯加热、在特定温度范围内道次大变形以及加速冷却等。板坯厚度是厚钢板生产的关键,因为必须要在粗轧和精轧阶段提供足够的总压下量,从而获得最大可能的有效晶界能。然而,连铸坯通常存在一些局限性,而当生产特厚钢板时,则出现更多局限性。有些情况下,这限制了道次变形量,而这在轧制的开始阶段尤为重要。

为了获得细晶化组织,板坯加热阶段的主要任务是防止加热及均热过程中晶粒过度长大。通常认为Nb和Ti是抑制现代微合金化钢在再加热过程中晶粒长大的主要元素。Nb和Ti形成溶解度低的碳化物和氮化物,它们可以阻止奥氏体晶界移动。对TMCP而言,再加热温度相对较高,因此溶解温度较低的Al N和VC及VN颗粒对抑制晶粒长大没有明显作用。

2试验

在俄罗斯维克萨钢厂实验室开展了加热温度和保温时间对微合金结构钢奥氏体组织影响的试验研究。研究表明,对成分为0.06%C、0.21%Si、1.8%Mn、0.05%Nb、0.017%Ti、0.17%Mo,同时还添加Ni、Cu和Cr元素的钢,根据加热参数的不同,轧制前奥氏体组织可以分成三种类型:细晶粒、粗晶粒和混晶。

对上述特定成分的钢,利用Ther mo-Cal c软件计算出的Nb(C,N)溶解温度TsNb(C,N)在1121℃。发现在Nb(C,N)完全溶解温度范围内奥氏体晶粒发生明显粗化。同时,开展了微观组织研究,研究超过一定的加热温度和保温时间后晶粒异常长大的原因。从工业化生产的板坯上取样,放置在控制气氛(氩气保护)的电炉中加热,以7℃/mi n加热至1160-1250℃,保温30mi n,随后水淬。然后对分别加热至1160℃、1190℃和1250℃水淬后的试样进行微观组织对比研究,发现随着加热温度的不同,马氏体结构的尺寸和分布均存在明显差异。

考虑到淬火后马氏体束尺寸由原始奥氏体晶粒尺寸控制,研究认为,当加热到1160℃时奥氏体组织是均匀细晶结构;当加热温度达到1190℃时,奥氏体组织为混晶类型;而当加热至1250℃时,组织变成均匀、粗晶结构,这与图1所示的结果一致。

利用透射电镜研究碳氮化物形貌,从而确定影响加热后奥氏体晶粒的微观组织因素,比较了铸态和模拟再加热条件下试样中碳氮化物的形貌。研究发现,在铸态板坯中出现不同类型的碳氮化物,主要有枝晶状和杆状碳氮化物、含有Nb和Ti的中等尺寸析出物以及纳米尺寸析出物。颗粒尺寸从几个纳米到几个微米不等。此外,在铸态板坯中发现了均匀分布的、尺寸5-30nm的Nb(C,N)颗粒,同时还观察到在枝晶状夹杂物周围无这类细小析出物的区域。看起来枝晶状颗粒是在慢冷后通过Nb(C,N)在高凝固温度下形成的立方TiN颗粒上沉积而形成,有些情况下由于偏析而形成链状簇。当基体中没有TiN时,Nb(C,N)颗粒更为细小且均匀分布。

此外,还研究了加热至1160℃、1180℃、1250℃保温30min后微观组织中碳氮化物形貌的变化。当加热温度达到1160℃时,枝晶状和纳米尺寸(小于10nm)颗粒消失,仅观察到粗大的立方TiN颗粒或尺寸15-30nm的细小含Nb颗粒。含Nb颗粒随机但均匀分布,没有形成链状簇。

当加热至1180℃时,微观组织中存在粗大的立方颗粒,尺寸达到0.3μm(认为是TiN),有时形成链状簇。立方型TiN可能是粗大枝晶状析出物的残留。

3讨论

在比较TEM结果和加热参数与奥氏体晶粒尺寸关系的结果后,认为晶粒异常长大的开始点和亚微米尺寸Nb(C,N)的溶解同时发生。因此,得出Nb是保证轧制前低温再加热时板坯组织类型为细晶结构的主要微合金化元素。显然,Ti微合金化对细晶结构的形成作用不明显,原因是粗大的TiN颗粒彼此间距大,不能充当抑制晶界移动的有效阻碍物。这种现象对中厚板生产尤为重要,因为即使现代化的大功率轧机也不能提供完全多次再结晶,从而不能细化高加热温度下形成的粗大原始奥氏体组织。

4工业试制

在俄罗斯维克萨钢厂5m中厚板轧机上试制的厚

度40mm、名义最低屈服强度450MPa钢板验证了实验室研究结果。钢的化学成分为0.06%C、0.20%Si、1.6%Mn、0.03%Nb、0.016%Ti,同 时还添加Ni、Cu和Cr(Mo)。采用两阶段TMCP工艺,轧制参数与以往一致,但加热模式不同(温度和保温时间)。板坯在连续加热炉内加热到1100-1200℃,保温5-12h。研究了再加热参数对钢的夏比冲击吸收功和力学性能的影响。开展落锤撕裂试验(DWTT)评价低温性能。工业试验结果见图2和图3。

结果表明,提高厚板坯再加热温度和延长保温时间对夏比冲击吸收功(KV)和抗低温性能(落锤撕裂试验中的韧脆转变温度BDTT)带来负面影响。另外,低温加热时,强度水平下降,而屈强比YS/TS提高。应当指出的是,再加热温度的选择必须与技术要求一致。因为在绝大多数情况下,传统的高温加热模式(1180-1220℃)相当适于满足客户对产品性能的需要。

TMCP工艺可能会使再加热后的细晶奥氏体组织进一步细化,也就是说,优化的轧制规程可以带来额外的组织细化。在轧制厚钢板的过程中,提高道次压下量并不总能保证预期的奥氏体晶粒细化,此外,也必须考虑轧机轧制力/力矩限制。突出问题是,粗轧过程中沿板坯横截面出现不均匀变形,表层变形量远大于心部。另外,在板坯表面和内层存在温度梯度。板坯心部温度更高,导致静态再结晶(SRX)后晶粒长大速率高。粗轧和精轧之间长的待温时间也导致再结晶后的奥氏体晶粒长大。为了保证厚板所需的粗轧终轧温度,精轧阶段通常在低于Ar3温度开始轧制。对厚钢板,尤其对横截面中部,加速冷却时的冷却速率有限,因此细化微观组织的可能性也受到限制。本研究设计了多阶段轧制规程,最大程度降低厚钢板生产时这种不利作用。利用专门设计的再结晶模型计算了轧制时温度和变形参数,采用Gl eebl e试验机模拟了钢板生产条件下的再结晶动力学与温度和变形条件关系。模拟了传统的粗轧规程以及温度和变形参数经过优化的粗轧规程。

从两种粗轧规程下获得的微观组织分析可以明显地看出,优化的规程可以实现奥氏体晶粒的明显细化。工业试制证实了实验室模拟研究结果。采用传统的和优化后的粗轧规程生产出450MPa、40mm厚钢板,将其微观组织进行对比研究证实,新开发的再加热和轧制规程在获得厚度方向均匀分布的细小组织方面具有明显优势。

传统的厚板TMCP工艺(再加热温度1180-1200℃、两阶段轧制 加速冷却)导致不均匀的组织尺寸分布和组织类型,在亚表面层出现带状组织,它由加工硬化的铁素体和粗大贝氏体组成。在1/4厚度处铁素体-贝氏体组织相对均匀。不过,在厚板中部发现大面积的板条状贝氏体,这是原奥氏体晶粒混晶造成的。采用再结晶模型计算优化后的再加热和轧制规程进行厚钢板轧制,无论是在晶粒尺寸分布还是组织类型,沿厚度方向总是均匀一致的。与传统的两阶段TMCP工艺相比,采用优化的多阶段工艺生产出的厚板具有更高的夏比冲击能和DWTT剪切面积。采用优化的TMCP工艺,使DWTT转变温度降低15-20℃。新开发的TMCP规程已经用于450-480MPa钢板的工业生产。

5结语

在低的板坯加热温度下未溶解的Nb(C,N)抑制奥氏体晶粒异常长大,它结合新开发的多阶段轧制工艺,实现名义屈服强度450-485MPa级40mm厚钢板全厚度方向均匀、细小的微观组织分布,钢板具有高的韧性水平、Z向性能和低温性能。 (熊菲)

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