氮含量對(duì)含硼低碳貝氏體鋼性能的影響

劉艷玲　黃　重　田云生

(安陽鋼鐵股份有限公司)

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氮含量對(duì)含硼低碳貝氏體鋼性能的影響

劉艷玲黃重田云生

(安陽鋼鐵股份有限公司)

對(duì)不同氮含量下的含硼低碳貝氏體鋼的強(qiáng)塑性、沖擊韌性進(jìn)行了對(duì)比分析，從微觀組織簡(jiǎn)單分析了氮對(duì)鋼板強(qiáng)度造成影響的原因，并從熱力學(xué)角度解釋了加鈦固氮的必要性，針對(duì)冶煉過程中氮含量的控制提出了一系列措施。

氮含量平衡熱力學(xué)脫氮

0　前言

隨著控軋控冷技術(shù)的發(fā)展，鋼鐵材料的品種和等級(jí)不斷提升，其性能的實(shí)現(xiàn)手段也發(fā)生著變化，以前通常是通過添加大量合金改變鋼材性能，目前主要是通過控制相變改變鋼材內(nèi)部顯微組織來改善鋼材性能。安鋼700 MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼主要是在鋼中添加鈮、硼等微合金元素，控軋控冷后可得到極細(xì)的含有高位錯(cuò)密度的貝氏體基體組織，其主要通過細(xì)晶強(qiáng)化，位錯(cuò)及亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，析出強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化等方式來保證鋼的強(qiáng)韌性匹配，以及良好的焊接性能，而鋼中能提高鋼板淬透性的并不是硼含量總量，而是鋼中固溶的酸溶硼量。

由于硼的化學(xué)性質(zhì)極為活潑，很容易與鋼中的氮結(jié)合使硼失去作用，所以在硼鋼的冶煉過程中應(yīng)嚴(yán)格控制氮含量，以確保鋼中有效硼含量。筆者就相同工藝條件下不同氮含量對(duì)低碳貝氏體鋼性能的影響，從熱力學(xué)角度分析了加鈦固氮的原因，并對(duì)冶煉過程中氮含量的控制提出相關(guān)措施。

1　試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)工藝路線：鐵水預(yù)處理─150 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐─LF精煉爐─VD真空脫氣爐─寬板坯連鑄機(jī)─加熱爐─3500 mm爐卷軋機(jī)─層流冷卻-精整入庫。試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分見表1。

表1　試驗(yàn)材料的化學(xué)成分 　 /%

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)坯采用安鋼1#寬板連鑄機(jī)的150 mm連鑄板坯，將不同成分的試驗(yàn)鋼通過再結(jié)晶區(qū)+未再結(jié)晶區(qū)兩階段控制軋制，并進(jìn)行控制冷卻，然后分別進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)鋼采用的控軋控冷工藝見表2。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1不同N含量的力學(xué)性能

試驗(yàn)鋼控軋控冷后，對(duì)1#～5#試驗(yàn)鋼分別取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)塑性能、V型夏比沖擊功分別如圖1、圖2所示(圖中數(shù)據(jù)為試驗(yàn)鋼均值)。

表2　試驗(yàn)材料所采用的控制軋制控制冷卻工藝

圖11#～5#試驗(yàn)鋼強(qiáng)塑性能

圖2　1#～5#試驗(yàn)鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度

從圖1可以看出，通過1#～5#試驗(yàn)鋼的強(qiáng)塑性對(duì)比可知，在工藝相同的條件下，一定N含量范圍內(nèi)，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度隨著鋼中N含量的下降有所提高，但塑性相對(duì)強(qiáng)度的提高反而有所降低。從圖2可以看出，鋼中N含量在60 ppm以下范圍內(nèi)，N含量的變化對(duì)試驗(yàn)鋼夏比沖擊韌性影響并不明顯。

在冶煉過程中，鋼中[N]原子與[Ti]原子優(yōu)先以1∶1的比例結(jié)合生產(chǎn)氮化鈦，由于N元素與Ti元素分子量為1∶3.4，試驗(yàn)鋼中加入0.015%的Ti后在生產(chǎn)氮化鈦的過程中消耗N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0044%，以典型試樣分析，1#、3#試驗(yàn)鋼中未被Ti固定N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.0021%、0.0008%，5#試驗(yàn)鋼的N基本全部被固定。

當(dāng)鋼中未被固定的N與B結(jié)合生成氮化硼， B與N的分子量為1∶1.3，排除其它因素的影響，1#試驗(yàn)鋼硼全部失效，3#、5#試驗(yàn)鋼有效硼分別為0.0009%、0.0015%。鋼中N含量的超標(biāo)會(huì)造成硼的失效，減弱了鋼的淬透性，造成鋼板強(qiáng)度的明顯下降。

由于硼的化學(xué)性能極其活潑，很容易與鋼中的N結(jié)合失去作用，所以在含硼低碳貝氏體鋼的冶煉過程中嚴(yán)格控制N含量很重要，而冶煉過程中添加Ti元素正是為了固氮以保證鋼中有效硼含量。

2.2顯微組織

1）加強(qiáng)道德素質(zhì)的培養(yǎng)。以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，班級(jí)管理與企業(yè)管理相結(jié)合，在班級(jí)管理的基礎(chǔ)上引進(jìn)企業(yè)管理的先進(jìn)理念，提高學(xué)生的社會(huì)適應(yīng)能力。學(xué)校注重學(xué)生學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，希望學(xué)生勤勉努力，而企業(yè)更重視工作與競(jìng)爭(zhēng)能力，這就需要學(xué)校有意識(shí)加強(qiáng)這方面素質(zhì)的培養(yǎng)。

為進(jìn)一步了解硼對(duì)低碳貝氏體鋼性能的影響，利用ZEISS Observer A1m金相顯微鏡對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行顯微組織觀察，1#、5#試驗(yàn)鋼典型顯微組織如圖3所示。

(a) 1#鋼500×　　　　　　　　(b) 5#鋼 500×

從圖3可以看出，1#試驗(yàn)鋼的顯微組織主要是粒狀貝氏體和少量多邊形鐵素體；3#試驗(yàn)鋼的主要是細(xì)的粒狀貝氏體組織。在未再結(jié)晶奧氏體區(qū)軋制過程中試驗(yàn)鋼進(jìn)行充分累計(jì)變形的壓扁奧氏體變形，1#試驗(yàn)鋼的顯微組織相對(duì)粗大，并且出現(xiàn)了多邊形鐵素體，這可能是由于氮的存在影響了有效硼含量，造成鋼板淬透性的降低，究其原因是淬透性元素作用失效引起的。

2.3[N]與[Ti]、[B]的親和力

在煉鋼、連鑄條件下，[N]與[Ti]、[B]存在的化學(xué)平衡反應(yīng)式及△G0如圖4所示[1]。

圖4　[N]與[Ti]、[B]反應(yīng)的△G0

從圖4的平衡熱力學(xué)原理可以看出，[N]與[Ti]平衡反應(yīng)的吉布斯自由能差大于[N]與[B]反應(yīng)的吉布斯自由能差，也就是說氮與鈦的親和力強(qiáng)于硼，這也是含硼鋼采用加鈦固氮的重要原因。在硼含量為0.0015%的低碳鋼中，若添加0.015%的Ti，排除其它因素的影響，當(dāng)鋼中N含量超過60ppm，則會(huì)造成硼的完全失效。

3　氮含量的控制措施

3.1氮的來源

轉(zhuǎn)爐冶煉過程中復(fù)吹控制不當(dāng)，氮?dú)迩袚Q不及時(shí)會(huì)增加氮的含量；補(bǔ)吹也會(huì)增加鋼中氮含量；鐵合金、廢鋼鐵和渣料中的氮也會(huì)隨爐料帶入鋼水。氮?dú)庠跔t氣中的分壓力很高，鋼中的氮主要是鋼水裸露過程中吸入并溶解的：出鋼口形狀不規(guī)則以及出鋼口粘接冷鋼會(huì)造成鋼流發(fā)散，增加了鋼水與大氣接觸的比表面積，給鋼水吸氮?jiǎng)?chuàng)造了條件；出鋼時(shí)間越長，鋼水與大氣接觸的時(shí)間就越長，吸氮的可能性就越大；LF過程增氮的主要原因是電弧區(qū)增氮、底吹流量過大或除塵風(fēng)量大于底吹氬氣的流量時(shí)造成裸露的鋼液與大氣接觸增氮；連鑄過程保護(hù)澆鑄沒做好會(huì)造成鋼液與大氣接觸增氮[2]。

影響鋼中氮含量的因素很多，氮含量的控制一直是冶金難點(diǎn)，為提高氮的控制水平，減少低碳含硼鋼中的氮含量，著重以下方面進(jìn)行控制。

(1)轉(zhuǎn)爐過程控制：在復(fù)吹過程中采用前中期供氮?dú)?，后期供氬氣，及時(shí)進(jìn)行切換；對(duì)出鋼口的形狀及外部掛鋼進(jìn)行控制，以鋼流不發(fā)散為原則，控制出鋼時(shí)間；提高終點(diǎn)命中率，減少因補(bǔ)吹帶入的增氮量；選擇合金物料時(shí)不選用氮含量偏高的物料。

(2)LF精煉過程控制：在保證精煉效果的前提下縮短通電時(shí)間，減少空氣電解，在流動(dòng)性爐渣形成后采用快速升溫方式，從而進(jìn)一步降低增氮量；在LF 通電過程中，根據(jù)不同冶煉階段控制除塵閥開度，實(shí)現(xiàn)微正壓操作，避免負(fù)壓操作將周圍空氣抽向爐內(nèi)，與鋼水接觸增氮；選擇合適的底吹氬流量， 使鋼水在攪拌的前提下避免鋼液面裸露。

(3)連鑄過程控制：連鑄過程防止增氮的措施主要是避免鋼液與空氣接觸增氮，有可能與空氣接觸的位置都要做好密封和吹掃。

在低碳硼鋼的冶煉過程中，為進(jìn)一步降低氣體含量冶煉潔凈鋼，采取VD真空脫氣工序，可大大降低鋼中氮含量。

4　結(jié)論

通過對(duì)不同氮含量強(qiáng)度和韌性的對(duì)比分析，得出：

(1)含硼低碳貝氏體鋼中，氮含量的增加對(duì)強(qiáng)度有不利影響，鋼中氮含量的增加在一定程度上造成了強(qiáng)度的降低。

(2)氮的存在影響了有效硼含量，降低了鋼板的淬透性。

(3)從平衡熱力學(xué)角度，為保證有效硼含量，可采取添加鈦的方式進(jìn)行固氮。

(4)適當(dāng)增加鐵水配比、轉(zhuǎn)爐全程吹氬、增加VD脫氣工序等，有利于降低鋼中氮含量。

[1]郭曉波,戚淑芳,趙成林.低碳硼鋼氮化物析出特點(diǎn)研究[J].鞍鋼技術(shù),2013,384(6):28.

[2]吳康,鄭毅,唐洪樂,等.轉(zhuǎn)爐冶煉低碳冷軋鋼終點(diǎn)氮含量的控制[J].梅山科技,2011(2):53.

THE AFFECT OF NITROGEN CONTENT ON PROPERIES OF BORON CONTAINING LOW CARBON BAINTIC STEEL

Liu YanlingHuang ZhongTian Yunsheng

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd)

The mechanical properties of low carbon bainitic steel with different nitrogen content are studied. The reason for the effect of nitrogen on the strength of the steel plate is analyzed from its microstructure, and the necessity of adding titanium to nitrogen fixation is explained from the point of view of thermodynamics, and a series of measures are put forward to control nitrogen content in the smelting process.

nitrogen contentequilibrium thermodynamicsdenitrification

玲，工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心；

2016—5—18