含微量鈦低合金結構鋼的熱軋工藝優化

楊 浩，李玉藏，曲錦波

（1.江蘇省（沙鋼）鋼鐵研究院，張家港215625；2.江蘇沙鋼集團有限公司，張家港215625）

0 引 言

鈦作為廉價的微合金強化元素，在鋼中具有細晶強化、析出強化的作用，已被廣泛地應用在低合金結構鋼中。為充分利用鈦的析出強化作用，含微量鈦低合金結構鋼在軋制完成后通常需要進行時效處理。由于卷板是在軋制完成后進行卷取的，這為鈦的析出創造了良好的條件，因此鈦的析出強化作用在卷板生產領域得到廣泛應用［1-2］。而在含微量鈦低合金結構鋼的寬厚板生產過程中，為充分利用鈦的析出強化作用往往還需要在熱軋后再進行離線的回火，這勢必影響生產效率并增加生產成本，因此鈦的析出強化作用在寬厚鋼板中的應用受到限制。目前，含微量鈦低合金結構鋼寬厚板中的鈦添加量大多低于0.02%（質量分數，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晶強化作用，作者針對含微量鈦低合金結構鋼寬厚板的生產過程，通過研究TiC在奧氏體及鐵素體中的析出規律，對軋制工藝進行優化，使TiC在軋制過程中得到充分析出，在不進行回火的情況下，達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行了分析。

1 試樣制備與試驗方法

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

表1 試驗鋼化學成分 （質量分數）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型熱模擬試驗機上進行熱模擬試驗。（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，再進行變形量為40%的壓縮變形，變形應變速率為1s-1，變形后保溫30s（奧氏體溫度區），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，對應的保溫時間分別為30，300s（鐵素體溫度區），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上進行，經9道次軋制后，試驗鋼從150mm厚板坯變成15mm鋼板。根據TiC在奧氏體和鐵素體中的析出情況，設計兩種軋制工藝，如表2所示。工藝A為常規軋制工藝，采用再結晶區一階段控軋，軋后控冷至600℃后緩冷至室溫；工藝B為優化的控制軋制工藝，采用再結晶區和未再結晶區兩階段控軋，且適當降低再結晶區軋制溫度，軋后控冷至650℃后緩冷至室溫。

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

在箱式電阻爐中對熱軋態鋼板進行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型材料拉伸試驗機上完成，拉伸試樣標距為φ8mm×40mm，拉伸速率采用GB／T 228.1-2010中方法B進行，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 試驗結果與討論

2.1 奧氏體區保溫溫度對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，但在某些溫度區間，通過形變誘導可大大地促進其析出［3］。由圖1可知，試驗鋼在奧氏體區1 050℃保溫時，由于溫度較高，鈦在奧氏體中的固溶度較大，雖然試驗鋼發生了變形，但仍不足以誘導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一步下降，更多的TiC發生形核，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析出物數量更多、尺寸更小，尺寸多在10nm以下。

2.2 鐵素體區保溫溫度對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，在鐵素體區的高溫區TiC以相間析出為主；在低溫區以彌散析出為主；而在中間溫度區間則兩種析出方式兼有。從圖2中可以看出，600℃保溫時，大量細小的TiC顆粒彌散分布在鐵素體晶粒內部，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，鐵素體內未發現大量的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，經過30s保溫，觀察到大量TiC析出物在鐵素體內彌散析出，且由于保溫時間較短，TiC析出物來不及長大，因此尺寸十分細小；在700℃保溫30s時，由于保溫溫度較高，鐵素體內可見彌散析出的TiC析出物，且較650℃時數量減少但尺寸增大。

圖2 不同鐵素體區保溫條件下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 在鐵素體區不同保溫條件下TiC析出物的尺寸與數量Fig.3 Sizes and quantities of TiC precipitates in ferrite under different conditions of heat preservation

2.3 軋制工藝確定

從熱模擬試驗結果可以看出，在奧氏體和鐵素體的不同溫度區域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，析出物的數量越多，尺寸越小，因此適當降低軋制溫度對促進TiC的析出是有利的。為保證奧氏體晶粒的細化，必須進行再結晶區的軋制，但溫度過高時不利于TiC的析出且再結晶晶粒容易長大，因此應適當降低開軋溫度，即在奧氏體再結晶區的較低溫度區間。同時，應給予未再結晶區盡量多的變形，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，較高溫區既有彌散析出又有相間析出，較低溫區以彌散析出為主。文獻［5］表明，鐵素體中彌散析出方式由于析出物細小、分布均勻，對材料的性能更為有利，因此應選擇在以彌散析出為主的區間緩冷。從析出物的數量及尺寸來看，過低的溫度雖然可使TiC彌散析出，但析出物的數量和尺寸受到嚴重影響。因為過低的溫度使TiC析出的孕育時間增長，短時間內無法大量析出。在650℃保溫時析出物數量多、尺寸小、分布彌散，對性能最為有利，因此應選擇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晶軋制溫度，抑制了奧氏體再結晶晶粒長大。

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

從力學性能結果來看，工藝A軋態試驗鋼的屈服強度僅為512MPa，明顯低于工藝B軋態試驗鋼的598MPa（差80MPa左右）；但經時效處理后工藝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。這說明采用常規工藝軋制的試驗鋼在軋制完成后，需進行時效處理以充分發揮TiC的析出強化作用，進而提高強度；而采用優化工藝軋制的試驗鋼在軋制過程中TiC已得到充分析出，再經過后續時效處理后屈服強度變化并不明顯。

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

3 結 論

（1）在奧氏體區變形保溫過程中，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）在鐵素體溫區的650℃保溫時，TiC析出數量最多，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，短時間內無法大量析出；溫度過高時，TiC出現相間析出，且彌散析出物尺寸增大，數量減少。

（3）優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，試驗鋼軋態屈服強度比采用常規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，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，王瑞珍.釩鋼冶金原理與應用［M］.北京：冶金工業出版社，2012：57.

［5］劉嘉禾.釩鈦鈮等微合金元素在低合金鋼中應用基礎的研究［M］.北京：北京科學技術出版社，1992：81.