Mn含量及卷取溫度對TSCR流程生產Ti微合金高強鋼組織與力學性能的影響

陳麒琳，孫新軍

(1. 武漢科技大學材料與冶金學院，湖北 武漢，430081；2. 鋼鐵研究總院工程用鋼研究所，北京，100081)

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Mn含量及卷取溫度對TSCR流程生產Ti微合金高強鋼組織與力學性能的影響

陳麒琳1，孫新軍2

(1. 武漢科技大學材料與冶金學院，湖北 武漢，430081；2. 鋼鐵研究總院工程用鋼研究所，北京，100081)

摘要：在TSCR流程上研究Mn含量和卷取溫度對Ti微合金高強度鋼組織與力學性能的影響。結果表明，隨著鋼中Mn含量的升高，鑄坯與熱軋成品板組織細化，其強度顯著提高；而卷取溫度的降低雖使熱軋板組織得到細化，但抑制了納米尺寸含Ti相的充分析出，熱軋板強度降低。由此可見，在細化組織的同時提高納米尺寸析出物數量是生產Ti微合金化高強鋼的關鍵所在。

關鍵詞：薄板坯連鑄連軋；Ti微合金鋼；Mn；卷取溫度；微觀組織；力學性能

基于薄板坯連鑄連軋(TSCR)流程，采用單一Ti微合金化技術生產屈服強度為700 MPa級超高強度熱軋鋼板已實現工業化應用[1-3]。國內學者已對基于該流程生產的Ti微合金鋼物理冶金學特征及強化機理做了較為系統的研究[4]，且注意到Mn元素對Ti元素在鋼中沉淀析出規律產生一定影響[5]。另一方面，TSCR流程中的過程參數包括軋制變形量、卷取溫度與冷卻速度等也通過沉淀強化、細晶強化等方式影響Ti微合金高強鋼的強度。基于此，本文結合在TSCR流程上研發Ti微合金化高強鋼的實踐，重點考察鋼中Mn含量和卷取溫度對其組織及力學性能的影響，以期為Ti微合金化高強鋼生產技術的制定和優化提供依據。

1試驗材料與方法

本試驗基于廣州珠江鋼鐵有限責任公司采用TSCR流程生產Ti微合金化高強鋼，其工藝流程為：原料→電爐煉鋼→鋼包精煉→薄板坯連鑄→均熱→熱連軋→層流冷卻→卷取。精煉過程中，鋼水用鋁充分脫氧后加入Ti鐵，采用控制軋制和控制冷卻工藝的方式來生產超高強鋼。其中，鑄坯厚度為55 mm，鑄坯拉速為4～5 m/min，均熱溫度為1150 ℃，時間為20 min，鑄坯出爐溫度為1140 ℃，終軋溫度為900 ℃。為考察Mn含量及卷取溫度對鑄坯及熱軋成品板組織與力學性能的影響，采用試驗鋼的化學成分及卷取溫度如表1所示。

表1　試驗鋼的化學成分及卷取溫度

連鑄坯試樣取自TSCR生產現場均熱完成并水淬至室溫后連鑄坯表面處、距表面1/4厚度處、距表面1/2厚度處鋼樣，方向為軋向；成品板試樣取自鋼卷開卷8 m后，距離邊部1/4處。將連鑄坯及熱軋板試樣沿橫斷面磨平、機械拋光，用4%的硝酸酒精溶液侵蝕后，在光學顯微鏡(OM)及7001F場發射掃描電鏡(SEM)下觀察組織及析出物形貌，并用能譜儀(EDS)對鋼中析出物成分進行分析；在熱軋成品板上切取薄片，磨至50～80 μm，沖成直徑為3 mm的試樣，經離子減薄后在JEOL-2010型透射電鏡(TEM)觀察其微觀結構；采用Image Tool 圖像分析軟件測量鐵素體晶粒的平均尺寸；根據GB/T 228—2002測試熱軋成品板試樣的室溫拉伸性能。

2結果與分析

2.1Mn含量的影響分析

2.1.1鑄坯組織

(a)0.4%Mn(b)1.4%Mn

圖1不同Mn含量鑄坯芯部組織的OM照片

Fig.1 OM images showing core structures of casting slabs with different Mn contents

圖1為不同Mn含量鋼樣均熱淬火后鑄坯芯部組織的OM照片。由圖1可見，0.4%Mn鋼樣的淬火組織為貝氏體+少量鐵素體，1.4%Mn鋼樣的淬火組織為馬氏體。此現象表明1.4%Mn鋼樣的淬透性較好，可歸因于該鋼樣中Mn元素含量較高。

(a)0.4%Mn(b)1.4%Mn

圖2不同Mn含量鑄坯中原始奧氏體晶粒的OM照片

Fig.2 OM images showing initial austenite grains in casting slabs with different Mn contents

圖2為不同Mn含量試驗鋼鑄坯中原始奧氏體晶粒組織的OM照片(取樣位置為鑄坯厚度的1/4處)，其中L表示長度方向，T表示厚度方向。由圖2可見，兩種試驗鋼鑄坯的奧氏體晶粒在長度方向均有拉長，表明結晶方向是沿鑄坯長度方向；此外，1.4%Mn鋼鑄坯的奧氏體晶粒尺寸比0.4%Mn鋼鑄坯細小，利用截線法測量得知，0.4%Mn鋼鑄坯沿厚度方向的奧氏體晶粒厚度約為500 μm，而1.4%Mn鋼鑄坯的晶粒厚度則為200 μm。

2.1.2熱軋成品板組織

(a)0.4%Mn(b)1.4%Mn

圖3不同Mn含量熱軋成品板的SEM照片

Fig.3 SEM images of hot strips with different Mn contents

圖板的組織為準多邊形鐵素體和少量珠光體，鐵素體平均晶粒尺寸約為7 μm，而1.4Mn%鋼熱軋成品板組織為針狀鐵素體和一定量的貝氏體，且鐵素體平均晶粒尺寸約為3 μm，組織細化效果顯著。這是由于Mn元素可在Fe-C相圖上擴大奧氏體相區，降低奧氏體向鐵素體轉變溫度，進而推遲γ→α相變；另一方面，Mn能顯著增加鋼的淬透性，當鋼中Mn含量超過一定值時，可使過冷奧氏體冷卻過程中的高溫轉變孕育期明顯長于中溫轉變孕育期，導致其等溫轉變C曲線上下分離，存在著明顯的河灣形狀。由此可見，Mn元素的加入抑制了高溫先共析鐵素體相變，降低γ→α相變溫度，細化鐵素體晶粒并且出現了明顯貝氏體的形貌特征。

2.1.3力學性能

不同Mn含量鋼樣的力學性能參數如表2所示。由表2可見，當試驗鋼的Mn含量由0.4%提高至1.4%時，其屈服強度和抗拉強度分別提升了130 MPa和140 MPa，延伸率降低了11.5%，這表明Mn做為固溶強化元素，隨著固溶量的提高，沉淀強化作用提升；此外，根據Hall-Petch公式[6]可知，當鐵素體晶粒由5～7 μm細化至3 μm，屈服強度可提升50～100 MPa。因此，在Mn元素的固溶強化作用以及鐵素體晶粒細化的共同作用下，試驗鋼的強度顯著提升。

表2不同Mn含量熱軋成品板的力學性能

Table 2 Mechanical properties of hot strips with different Mn contents

w(Mn)/%Rp0.2/MPaRm/MPaA/%0.4615685261.474582523

2.2卷取溫度的影響分析

2.2.1微觀組織

不同卷取溫度下熱軋鋼板的OM及TEM照片分別如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可見，當卷取溫度較低時，鋼樣晶粒(或亞晶)的尺寸更為細小，位錯密度較高，且出現明顯的貝氏體組織的形貌，數量也相較更多。帶鋼組織隨卷取溫度降低而細化的現象可通過γ→α相變的過冷度來解釋，即同樣的終軋溫度，若卷取溫度更低，則層流冷卻過程中要求更快的冷卻速度，增加了γ→α相變的過冷度，而過冷度的增加會降低新相形核功、減小臨界形核半徑及增大鐵素體形核率；同時，較低的相變溫度也會減緩形核后鐵素體的長大速度。由此可知，卷取溫度的降低可起到細化帶鋼組織的作用。

(a) 580 ℃(b) 620 ℃

圖4不同卷取溫度下熱軋鋼板的OM照片

Fig.4 OM images of hot strips coiled at different temperatures

(a) 580 ℃(b) 620 ℃

圖5不同卷取溫度下熱軋鋼板的TEM照片

Fig.5 TEM images of hot strips coiled at different temperatures

2.2.2析出物形貌及成分分析

(a) 580 ℃(b) 620 ℃

圖6不同卷取溫度下熱軋鋼板中析出物的SEM照片

Fig.6 SEM images of precipitates in hot strips coiled at different temperatures

不同卷取溫度下熱軋鋼板中析出物的SEM及TEM照片分別如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可見，當卷曲溫度較低時，在鋼樣基體上尤其是鐵素體晶界上均勻分布著白色顆粒，結合析出物的EDS分析可知(見圖8)，這些顆粒為幾百nm數量級的滲碳體(Fe3C)粒子。當卷取溫度較高時，鋼樣的晶界較為干凈，基本為鐵素體的單一相組織，而基體中彌散分布著大量的納米級的析出物粒子，這些細小析出物粒子分布在位錯線上，可起到釘扎位錯的作用。相關研究結果表明，這類析出物應為TiC或者Ti(CN)等含Ti析出相[3,7-8]。從析出動力學考慮，由于Ti原子的擴散激活能比碳原子高，因此TiC析出過程受鈦長程擴散的控制，需要足夠的時間才能充分析出。如果冷卻速率較快，將抑制TiC的析出過程；同時，Ti的固溶量也將提高，對析出過程不利，導致析出量減少。如果卷取溫度較高，又會發生TiC析出物長大的現象。由此可見，卷取溫度的合理選擇與控制十分重要。

(a) 580 ℃(b) 620 ℃

圖7不同卷取溫度下熱軋鋼板中析出物的TEM照片

Fig.7 TEM images of precipitates in hot strips coiled at different temperatures

圖8　卷取溫度為580 ℃時熱軋鋼板中析出物的SEM照片及EDS能譜

2.2.3力學性能

不同卷取溫度下鋼樣的力學性能參數如表3所示。由表3可見，當卷取溫度由620 ℃降低至580 ℃時，試樣的室溫屈服強度和拉伸強度分別降低了205 MPa和100 MPa，延伸率提高了6.4%，這表明降低卷曲溫度雖有助于細化組織，但由于抑制了含Ti析出物的析出，因而降低了其沉淀強化效果，導致熱軋成品板強度大幅降低。

表3不同卷取溫度下熱軋試樣的力學性能

Table 3 Mechanical properties of hot strips coiled at different temperatures

卷取溫度/℃Rp0.2/MPaRm/MPaA/%5805907302562079583023.5

3結論

(1)當Mn含量由0.4%提高至1.4%時，Ti微合金鋼鑄坯淬透性增強，鑄坯與熱軋板組織細化效果顯著，屈服強度和抗拉強度分別提高了130 MPa和140 MPa，這表明增加Mn含量可通過固溶強化和細晶強化的方式提高Ti微合金鋼的強度。

(2)當卷取溫度由620 ℃降低至580 ℃時，熱軋板組織明顯細化，位錯密度提高，出現了貝氏體形貌特征，而納米尺寸含Ti析出物粒子數量減少，幾百nm的滲碳體粒子數量增多，屈服強度和抗拉強度分別降低了205 MPa和100 MPa，這表明卷曲溫度降低雖然能細化組織，但由于抑制了納米尺寸含Ti相的充分析出，因而降低了其沉淀強化效果，導致成品板強度降低。

參考文獻

[1]毛新平．薄板坯連鑄連軋微合金化技術[M]．北京：冶金工業出版社，2008：16-17.

[2]毛新平，孫新軍，康永林，等．薄板坯連鑄連軋Ti微合金化鋼的物理冶金學特征[J]．金屬學報，2006，42(10)：1091-1095．

[3]毛新平，霍向東，康永林，等．TSCR流程生產鈦微合金化高強耐候鋼中的析出物[J]．北京科技大學學報，2006，28(11)：1023-1028．

[4]毛新平，陳麒琳，朱達炎．薄板坯連鑄連軋微合金化技術發展現狀[J]．鋼鐵，2008，43(4)：1-9．

[5]Mao X P, Chen Q L, Sun X J. Metallurgical interpretation on grain refinement and synergistic effect of Mn and Ti in Ti micro-alloyed strip produced by TSCR[J]. Journal of Iron and Steel Research International, 2014, 21(1): 31-40.

[6]雍岐龍．微合金鋼-物理和力學冶金[M]．北京：機械工業出版社，2006：8-11．

[7]婁艷芝，柳得櫓，毛新平，等．CSP工藝鈦微合金鋼中的碳氮化鈦析出相[J]．鋼鐵，2010，45(2)：70-73．

[8]周建，康永林，毛新平，等．Ti對高強耐候鋼力學性能的影響[J]．北京科技大學學報，2006，28(10)：926-930.

[責任編輯董貞]

Effect of Mn content and coiling temperature on themicrostructure and mechanical properties ofTi-microalloyed high-strength steel produced by TSCR process

ChenQilin1,SunXinjun2

(1. College of Materials Science and Metallurgical Engineering, Wuhan University ofScience and Technology, Wuhan 430081, China; 2. Division of Engineering Steel,Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China)

Abstract:The effects of Mn content and coiling temperature on the microstructures and mechanical properties of Ti-microalloyed high strength steel produced by TSCR process were investigated. The results show that higher Mn content causes finer microstructures for the continuous casting slab and hot-rolled plate, and raises the strength of Ti-microalloyed steel dramatically. On the other hand, lower coiling temperature causes finer microstructure for the hot-rolled plate; however, the full precipitation of nanometer-sized Ti-contained phases will be inhibited, and the overall strength of steel is decreased as a result. Hence, both the grain refinement and the increase of the amount of nanosized precipitates are crucial to the production of Ti-microalloyed high strength steel.

Key words：TSCR; Ti-microalloyed steel; Mn; coiling temperature; microstructure; mechanical property

收稿日期：2015-11-09

基金項目：中國博士后科學基金資助項目(2014M562072)．

作者簡介：陳麒琳(1980-)，男，武漢科技大學博士生．E-mail: chenqilin2@gaei.cn

中圖分類號：TG113.25

文獻標志碼：A

文章編號：1674-3644(2016)03-0161-05