終鍛溫度對Nb-V-Ti微合金非調質鋼顯微組織和沖擊韌性的影響

姚春發 滿亭惠 包耀宗

（鋼鐵研究總院工程用鋼所，北京 100081）

終鍛溫度對Nb-V-Ti微合金非調質鋼顯微組織和沖擊韌性的影響

姚春發 滿亭惠 包耀宗

（鋼鐵研究總院工程用鋼所，北京 100081）

對比研究了經控鍛-控冷處理的V-Ti和Nb-V-Ti微合金非調質鋼的顯微組織和力學性能。結果表明，Nb-V-Ti復合微合金化和控鍛-控冷處理能有效細化組織，改善珠光體形態，促進V（C，N）相析出，提高非調質鋼的沖擊韌性。添加Nb顯著提高抗奧氏體晶粒粗化溫度，使細小碳氮化物彌散分布。與傳統控鍛-控冷工藝相比，850～900℃再結晶-未再結晶控鍛-控冷工藝，使珠光體片碎化及部分球化，是導致V-Nb-Ti非調質鋼沖擊韌性提高的主要原因。

微合金非調質鋼 鈮 未再結晶區 控鍛-控冷處理

微合金非調質鋼是通過微合金化、控制軋制（鍛造）和控制冷卻等強韌化方法，取消了調質處理，達到或接近調質鋼力學性能的一類優質或特殊質量結構鋼。相較于傳統的淬火＋高溫回火（調質）處理的調質鋼，微合金非調質鋼具有降低能耗和制造成本（約25%～35%），簡化生產工藝流程，提高材料利用率，改善零件質量，保護環境等優點，因而獲得廣泛應用。目前此類鋼種的使用范圍已由最初的汽車行業逐漸向工程領域擴展［1-2］。

微合金非調質鋼本質上是一種合金結構鋼，其要求與調質鋼具有基本相當的綜合力學性能。非調質鋼的熱鍛及后續冷卻工藝是終態生產工藝，其加熱溫度、終鍛溫度和變形后的冷卻制度都對零件的最終力學性能產生直接影響。微合金化技術和控鍛控冷工藝是非調質鋼高強韌化的有效途徑［3-5］。鑒于目前市場所提供的非調質鋼中多數存在耐沖擊性能不足的缺點，本文將Nb-V-Ti復合微合金化與未再結晶區鍛造相結合，探索提高微合金非調質鋼沖擊韌性的有效方法，澄清對應的組織-性能關聯特性和強韌化微觀機制。

1 試驗材料與方法

試驗用非調質鋼的規格為φ80 mm×2 m圓棒，即鐵素體＋珠光體型熱鍛用非調質鋼，其化學成分如表1所示。試驗鋼采用控鍛-控冷工藝進行處理，工藝為：加熱溫度1 130℃，始鍛溫度1 050℃，終鍛溫度分別為1 000、950、900、850℃，鍛成φ25 mm×500 mm的棒材，鍛后以1.5℃／s的速度風冷至650℃后空冷至室溫。

鍛后成品棒材按照GB 6397-86、GB／T 229-1994分別加工2個φ5 mm×65 mm拉伸試樣和3個10 mm×10 mm×55 mm U型缺口沖擊試樣，進行力學性能測定；采用金相分析、掃描電鏡和透射電鏡等方法對試驗鋼的顯微組織進行觀察和分析。

表1 試驗鋼V-Ti、V-Ti-Nb的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical compositions of the experimental V-Ti、Nb-V-Ti steels（mass fraction） %

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能

圖1顯示了終鍛溫度對非調質鋼力學性能的影響，表2為終鍛溫度為850℃時非調質鋼的力學性能。由圖1及表2可知，終鍛溫度對V-Ti非調質鋼的強韌性影響較小，隨著終鍛溫度在850～1 000℃范圍內變化，其抗拉強度和沖擊能量分別約為1 160MPa和20 J。類似地，由終鍛溫度改變所引起的Nb-V-Ti非調質鋼強度變化亦不明顯，其抗拉強度大致保持在1 140～1 170 MPa。然而，終鍛溫度對Nb-V-Ti鋼沖擊韌性的影響顯著，在850～1 000℃溫度范圍內，Nb-V-Ti非調質鋼的沖擊韌性隨著終鍛溫度降低而明顯提高，經850℃終鍛后其沖擊能量可達～50 J，約為相同鍛造制度下V-Ti鋼沖擊韌性的2倍。可見，通過控制終鍛溫度可以對非調質鋼的沖擊韌性進行有效調控。在本試驗中，經Nb-V-Ti復合微合金化后的試驗鋼，具有與傳統V-Ti非調質鋼相同的強度級別（1 100 MPa），并同時具有雙倍于后者的沖擊韌性。

圖1 終鍛溫度對非調質鋼力學性能的影響Fig.1 Effect of final forging temperature on mechanical properties of non-quenched and tempered steels

表2 850℃終鍛后V-Ti與Nb-V-Ti非調質鋼力學性能對比Table 2 Comparison ofmechanical properties of the V-Ti and Nb-V-Ti non-quenched and tempered steels finally forged at850℃

2.2 組織分析

圖2為微合金非調質鋼的顯微組織，可見與V-Ti微合金化鋼相比，Nb-V-Ti微合金化鋼鍛后的珠光體組織均勻細小，鐵素體的體積分數約16%。由于Nb-V-Ti復合進一步促進了碳氮化物析出，通過阻止熱加工過程中奧氏體晶界遷移，提高奧氏體再結晶終止溫度（950℃），繼而使完全動態再結晶提前實現［6］。Nb-V-Ti微合金化降低了奧氏體向鐵素體轉變溫度，從而達到細化析出晶粒的效果。在奧氏體未再結晶區850～900℃鍛造，已完成動態再結晶的奧氏體晶粒仍會被再次拉長，鍛造變形不斷使奧氏體扁平細化并多次動態再結晶，最終導致組織逐步細化。同時，終鍛溫度降低可使非調質鋼中位錯密度和形變儲能顯著增加。而Nb-V-Ti復合微合金化促進了V（C，N）粒子在晶界和晶內、以及位錯線上的析出，并促進先共析鐵素體在VN顆粒周圍優先形核和長大［7-8］。

因此，在奧氏體未再結晶區對Nb-V-Ti微合金非調質鋼進行低溫鍛造，能有效地促進先共析鐵素體晶粒的細化和彌散分布。而Nb-V-Ti鋼組織中存在著大量彌散分布的、細小的晶內鐵素體，對粗大的珠光體團進行分割和細化。可見，降低終鍛溫度及由此造成的晶內鐵素體彌散分布是Nb-V-Ti鋼具有高沖擊韌性的原因之一［9-10］。

圖2 850℃終鍛后微合金非調質鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures ofmicroalloyed non-quenched and tempered steels finally forged at850℃

圖3 850℃終鍛后微合金非調質鋼的珠光體形貌Fig.3 Pearlitemorphologies ofmicroalloyed non quenched and tempered steels finally forged at850℃

2.3 珠光體層片微觀形貌分析

圖3為經850℃終鍛后V-Ti和Nb-V-Ti非調質鋼中珠光體組織的SEM照片。由圖可見，V-Ti和Nb-V-Ti鋼中珠光體層片具有完全不同的微觀形態：在V-Ti鋼中，珠光體層片均勻且平行排列；而在Nb-V-Ti鋼中，珠光體嚴重碎化，局部形成尺寸短小且隨機分布的珠光體碎片，部分碎片甚至出現球化現象。

可見，Nb-V-Ti復合微合金化不但提高了非調質鋼動態再結晶終止溫度（950℃），而且擴大了未再結晶區的溫度范圍。因此，由動態再結晶細化奧氏體晶粒與未再結晶區低溫（850℃）鍛造相結合的工藝方法，增加非調質鋼在控制冷卻處理前的形變儲能，并形成更多的鐵素體形核位置，能促進先共析鐵素體形成和均勻分布。另一方面，經未再結晶區低溫（850℃）鍛造后，Nb-VTi非調質鋼形成均勻細小的珠光體層片團簇。據已有資料報道，珠光體層片的碎化、球化和無序分布可同時提高微合金鋼的強度和韌性［11］。

2.4 珠光體片碎化

圖4為V-Ti和Nb-V-Ti非調質鋼中珠光體組織的TEM照片。由圖可見，添加Nb后，非調質鋼中滲碳體由針狀轉變為短棒狀；經低溫（850℃）終鍛后，Nb-V-Ti鋼中珠光體層片十分細小，其平均層片厚度約27 nm，平均間距約85 nm（圖4（b））。由于Nb具有阻止再結晶、晶粒細化、通過控制相變降低珠光體層片間距、析出強化四重作用［12-15］，這使得V-Ti和Nb-V-Ti非調質鋼雖經相同工藝鍛造，但控鍛原理卻大不相同：前者屬于再結晶控鍛-控冷，而后者為再結晶-未再結晶控鍛-控冷。可見，Nb-V-Ti復合微合金化與控鍛-控冷處理相結合，充分利用了在低溫未再結晶區鍛造過程中奧氏體晶粒細化、拉長、扁平形變等軸再結晶晶粒。Nb-V-Ti非調質鋼在控制冷卻過程中，一部分較長的滲碳體層片出現折斷、碎片化甚至球化，從有序排列變為無序排列，從而使得Nb-VTi非調質鋼在不損失強度的情況下韌性得到提高。

圖4 850℃終鍛后微合金非調質鋼珠光體片層的TEM形貌Fig.4 TEMmicrographs of pearlitic lamellae in non-quenched and tempered steels finially forged at850℃

3 結論

（1）經終鍛溫度為850℃的再結晶-未再結晶區鍛造加工后，Nb-V-Ti微合金非調質鋼中鐵素體-珠光體組織得到明顯細化，珠光體層片發生碎片化和球化，細小碳氮化物彌散分布，組織的細化程度和均勻性得到顯著改善。

（2）與傳統再結晶區控鍛-控冷處理的V-Ti非調質鋼（Rm＝1 160 MPa，KU2＝20 J）相比，經再結晶-未再結晶區（850～900℃）控鍛-控冷處理后Nb-V-Ti非調質鋼可達相同強度級別，同時具有較高沖擊能量（～50 J），細晶強化和析出強化是Nb-V-Ti鋼具有較高強韌性的主要原因。

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收修改稿日期：2016-03-02

Influence of Final Forging Tem perature on the Microstructure and Im pact Toughness of Nb-V-Ti Microalloyed Non-Quenched and Tempered Steel

Yao Chunfa Man Tinghui Bao Yaozong
（Department of Structural Steels，Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081，China）

The microstructure and mechanical properties of V-Ti and Nb-V-Timicroalloyed non-quenched and tempered（NQT）steels with controlled forging and cooling process were investigated.The results showed that the ferrite grain size and pearlite colony size of the Nb-V-TiNQT steel was refined significantly，together with promoting V（C，N）precipitation in the ferritic grain interior.Addition of Nb increased the full recrystallization temperature and expanded the nonrecrystallization region of the NQT steel，and hence refining themicrostructure of pearlite and ferrite and improving the distribution of the fine precipitates.Compared with the conventional V-Ti NQT steel，the impact toughness of Nb-V-Ti NQT steelwas enhanced by the controlled forging and cooling process with the lowering final forging temperature.The high impact toughness of the forged Nb-V-Ti NQT steel wasmainly attributed to the fragmentation and refinement of pearlitic lamellae during the controlled forging process.

non-quenched and tempered steel，niobium，non-recrystallization region，controlled forging and cooling process

姚春發，男，高級工程師，從事先進鋼鐵材料熱加工工藝研究，Email：yaochunfa＠nercast