硼在低碳貝氏體鋼中作用的實驗研究

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

控軋控冷技術的高度發展在一定程度上節約了合金元素的添加量，對于低碳高強度鋼來說，添加B既可以保證鋼的低碳當量，又可以提高鋼的淬透性從而滿足鋼板的高強韌性。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。筆者通過實驗，就不同成分設計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行了分析討論。

1 試驗

1.1 試驗材料

由于B易與N結合并以BN形式析出，因此，為確保固溶B，通常添加與N化合力強的Al或Ti來固定N，本次試驗采用微Ti處理方式進行固N。為充分研究硼在低碳貝氏體鋼中的作用，本次試驗采用Nb-B-Ti、Nb-Cr-Mo成分體系設計的級鋼進行研究。試驗鋼化學成分詳見表1。

表1 試驗材料的化學成分(質量分數)%

1.2 試驗方法

試驗材料采用鐵水預處理→復吹轉爐→LF爐→VD→板坯連鑄→3500 mm爐卷軋機工藝流程。試驗坯采用安鋼1#寬板連鑄機的150 mm連鑄板坯，將不同成分的試驗鋼通過再結晶區+未再結晶區兩階段控制軋制，并進行控制冷卻，然后分別進行力學性能、金相組織檢驗及連續冷卻試驗。試驗鋼采用的控軋控冷工藝見表2。

2 試驗結果與分析

2.1 硼對低碳貝氏體鋼強韌性的影響

試驗鋼控軋控冷后對1#～3#加取試樣進行拉伸試驗和夏比V型沖擊試驗，試驗鋼強塑性能、韌脆轉變溫度分別如圖1、圖2所示。

表2 試驗材料所采用的控制軋制控制冷卻工藝

圖1 1#～3#試驗鋼強塑性能

圖2 1#～3#試驗鋼韌脆轉變溫度

由圖1可以看出，通過1#～3#強塑性對比可知，在充分固N的情況下，硼可以在低碳貝氏體鋼中發揮相當強的淬透作用，但其在顯著提高強度的同時，塑性卻受到不利影響，從某種程度上表現出塑性隨強度的升高而降低的趨勢。試驗鋼通過控制軋制控制冷卻，硼對于強度的貢獻遠遠強于Mo、Cr等貴重合金元素，并且添加10×10-6左右的硼即可發揮作用，即使是淬透性能很低的1#試驗鋼，通過添加微量B元素，也可以大大提高其強度。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，在奧氏體中會通過應變誘導在位錯線上析出，從而明顯阻礙變形后晶界的運動，強化了奧氏體晶粒。

由圖2可以看出，1#、2#試驗鋼在Cev設計差異很大的情況下，經過嚴格的控軋控冷工藝，其韌性并沒有顯現太大差異，但相比3#試驗鋼其韌脆轉變溫度有所升高。綜合分析，B的添加，在對塑性和韌性稍有影響的同時，大大提高了鋼板的強度指標;在降低合金成本的同時，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度、高韌性的鋼種，因其低碳設計消除了碳對貝氏體組織韌性的不利影響，這類鋼的強度不再依靠鋼中碳含量而主要通過組織強化控制，因此，對2#、3#試驗鋼取樣委托哈爾濱焊接研究所進行連續冷卻，其CCT曲線如圖3所示。

圖3 試驗鋼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、珠光體轉變溫度下移，推遲了鐵素體、珠光體的轉變。2#試驗鋼以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明顯右移，擴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金相顯微鏡對試驗鋼進行顯微組織觀察，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#試驗鋼主要是粒狀貝氏體和少量多邊形鐵素體;3#試驗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，這些未再結晶奧氏體區進行了充分累計變形的壓扁奧氏體變形帶，可作為晶粒內相變驅動質點，從而有利于控冷階段試驗鋼的相變控制。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變后，將在貝氏體內析出Nb(C，N，B)化合物，進一步強化貝氏體組織。

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，因此具有優良的焊接性能［4］。由表1中1#～3#試驗鋼Pcm值分析，2#含硼試驗鋼焊接性能理論上和3#試驗鋼焊接冷裂紋敏感性應該相當，為進一步探討硼對低碳貝氏體鋼工程應用的焊接性能，對2#鋼取樣委托哈爾濱焊接研究所進行焊接實驗，見表3。

表3 2#試驗鋼焊接性能試驗

通過對2#試驗鋼進行插銷冷裂紋試驗、斜Y坡口焊接裂紋進行試驗，并對焊接熱影響區進行最高硬度試驗，結果表明，試驗鋼熱影響區淬硬傾向較小，對氫致開裂敏感性很低;中等約束條件下室溫不預熱焊接不會產生冷裂紋。

利用ZEISS Observer A1m金相顯微鏡對對焊接試驗鋼熱影響區進行顯微組織觀察，顯微組織照片如圖5所示。

圖5 2#試驗鋼焊接熱影響區顯微組織

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顯微組織仍然為高強韌的貝氏體組織。這種貝氏體組織內部的位錯密度很高;另一種原因是在焊接快速冷卻過程中，硼和鈮原子會偏聚在新形成并正在移動中的奧氏體晶界上，從而明顯地減緩了這些新晶粒長大，在加熱時鋼板中存在的Nb(C，N)析出除了阻止新晶界移動外，還要經過一個自身的溶解過程，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鋼設計生產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狀態下，由于硼的作用導致晶界處位錯密度較高且處于混亂狀態，應力也會相應較大，對沖擊韌性不利，容易出現沖擊性能波動問題。在有些資料中顯示［3］，Fe23(C，B)6大約在970℃以上不穩定而消失，在600℃以下也因不穩定而無法存在;但Cr元素的加入具有穩定Fe2B相的作用，并隨著Cr含量的增加，950℃時Fe23(C，B)6相的存在區域也隨著擴大，且在600℃以下也能穩定存在。

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硼析出物。在快速冷卻階段由于奧氏體過冷度增大，促進了貝氏體鐵素體向細板條束發展。在含硼低碳貝氏體鋼的生產過程中，冷卻速率的控制對組織、性能的控制至關重要。

4 結論

通過Nb-B-Ti、Nb-Cr-Mo不同成分體系試驗鋼的組織、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、珠光體轉變點下降，使CCT冷卻曲線右移，擴大了貝氏體組織的冷卻速率范圍。

2)硼的添加強化了鋼的顯微組織，對低碳貝氏體鋼的強度貢獻很大，并且強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，室溫不預熱焊接不產生冷裂紋。

［1］ 賀信萊，諸幼義，柯俊.硼向奧氏體晶界的非平衡偏聚［J］.金屬學報，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.超細晶鋼［M］.北京：冶金工業出版社，2003：279-288.