N含量對低成本Q345B組織和性能的影響規律

葉強

攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司 四川攀枝花 617000

近年來，由于鋼鐵行業形勢嚴峻，攀鋼充分利用釩鈦資源的優勢，探索了低成本中鈦Q345B的生產工藝。采用Ti微合金化的工藝路線，通過降低Mn含量達到降本的效果，通過Ti的析出強化作用，同時保證了低成本Q345B的強度要求。

由于Ti的性質活潑，易與鋼中的0、S、N等雜質元素結合形成尺寸較大的化合物，它們既不能細化晶粒，也起不到沉淀強化的作用，因此鋼中0、S、N等元素含量的波動會導致產品性能的波動[1]。在生產研發過程中，N含量過高會降低Ti收得率，因此分析了N含量對Ti收得率的影響規律，確定中鈦低成本Q345B的最佳N含量，并研究了N含量對中鈦Q345B組織性能的影響。

1 N含量對Ti析出的影響

含Ti鋼鑄坯中主要存在液析TiN、固析TiN、固析Ti4S2C2及MnS等析出物，其中TiN為主要析出相[2]。經Thermo-ca1c計算可知，低成本Q345的液相線溫度1514-1522℃。TiN在液鋼中固溶度積公式（1）和TiN理想化學配比（2）如下：

（其中，[Ti]和[N]分別為固溶Ti和N的量，T為絕對溫度）

如圖1，可以得到1500oC下液析TiN的體積分數隨著Ti含量的變化關系。設定鋼中N含量分別為10ppm、30ppm、50ppm、80ppm和100ppm。可以看出，對于給定的N含量，存在一個臨界的Ti含量，高于此值，液析TiN即會產生。對于含有80ppm的N的鋼來說，臨界Ti含量為0.04%，對于含有50ppm的N的鋼來說，臨界Ti含量為0.07%。

針對中Ti微合金化低成本Q345，其Ti含量控制在≤0.080，當N含量控制在50PPM以內時，可以避免液析TiN的產生，且按照理想化學配比N最多固定0.0171% Ti，Ti主要還是在更低溫度下通過形變誘導析出、相間析出和鐵素體過飽和析出TiC的形式產生顯著的沉淀強化效果。

2 試驗材料和方法

為驗證中鈦低成本Q345B的最佳N含量，分析N含量對中鈦Q345B組織性能的影響，進行了兩種不同N含量的含鈦Q345B的小批量工業試制?；瘜W成分見表2，1#鋼和2#鋼的N含量分別為66ppm和30ppm。通過板坯加熱-粗軋-6機架熱連軋-層流冷卻-卷取等流程，制得中鈦Q345B鋼卷。

軋制冷卻后，對兩種不同N含量的含鈦Q345B鋼卷進行取樣，分別檢測室溫拉伸性能和金相組織；拉伸試樣為30mm×230mm板狀樣，金相和掃描電鏡試樣用3%硝酸酒精溶液侵蝕。掃描電鏡實驗在日立S4300場發射掃描電鏡上進行，掃描電壓15kV，并利用配備的EDAX-Genesis6.0能譜儀進行能譜分析。

3 試驗結果

3.1 力學性能

采用SANS WE600微機液壓萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，力學性能結果見表3。可見：①兩種試驗鋼力學性能均滿足試驗要求，且強度富余量較大；②1#鋼N含量大于2#鋼，相比之下，1#鋼延伸率小于2#鋼。

3.2 金相組織

表1 N含量對液析TiN消耗Ti含量的影響（Ti含量為0.1%）

表2 兩種不同N含量的中鈦Q345B化學成分/%

表3 兩種不同N含量的含鈦Q345B的力學性能

表4 金相組織檢驗結果

表5 1#鋼析出物能譜結果

采用德國ZEISS MEF3金相顯微鏡進行金相組織分析，檢驗結果見表4，金相組織照片見圖2。可見，①1#鋼組織為鐵素體+珠光體+微量貝氏體，由于層流冷卻時卷取溫度偏低，1#鋼中形成微量貝氏體組織，并造成其延伸率偏于下限。②2#鋼為鐵素體+珠光體正常組織，晶粒度為10.5級，且由于鋼卷表面層流冷卻強度大于心部，故邊部組織晶粒尺寸明顯小于心部。

3.3 析出相分析

取延伸率21.0%的1#鋼和延伸率27.0%的2#鋼拉伸余樣，進行斷口形貌觀測和能譜分析。分析結果見圖3和表5?？梢?，延伸率較低的試樣含有大量圓形或方形的顆粒，經能譜分析含有大量的Ti。由于Ti在鋼中的存在形式包括TiN、TiC、Ti4C2S2等析出物，其中100nm以上的粒子一般是液析TiN，固析的TiN其尺寸在100nm以下，TiC尺寸更小。很明顯，圖3 所示析出物為液析TiN，且相比于2#鋼，延伸率低的1#鋼中液析TiN尺寸更大，數量更多。

4 分析與討論

對于30ppm和66ppm兩種N含量鋼板的析出物，可得出以下規律：兩種成分的鋼板中均存在粗大的方形液析TiN，尺寸在3～8μm，從圖3和圖4可看出，N含量為66ppm的鋼板中液析TiN數量更多，尺寸更大。

影響鋼板屈服強度的主要原因有以下幾種[3]：粗大析出物、夾雜物、帶狀組織、珠光體含量、晶粒大小及其均勻性、鋼材表面狀態等。鋼板中形成的粗大液析TiN，會造成局部應力集中，成為微裂紋的形核源，可能會導致力學性能下降。

控制TiN析出物細小彌散，其冶煉工藝的關鍵首先是鋼液澆注時過熱度要小；此外，應控制N、Ti的濃度積低于鋼固相溫度下的平衡濃度積，以及控制O、S、N等元素的穩定性；另外，增加澆鋼冷卻速度也有利于晶粒細化和減小TiN對鋼材性能的不利影響[4-6]。為了降低鋼中N含量，必須減少精煉、連鑄過程中N2溶解，主要措施有強化精煉工序、大包保護澆注等。

5 結語

（1）對于中鈦Q345B，其Ti含量控制在 ≤0.080，當N含量控制在50ppm以內時，可以避免粗大液析TiN的產生。

（2）試制不同N含量的中鈦Q345B，1#鋼、2#鋼N含量分別為66ppm、30ppm，兩種試驗鋼力學性能均符合標準，但是1#鋼延伸率偏于下限；1#鋼含有微量貝氏體組織，2#方鋼為鐵素體+珠光體正常組織。

（3）通過斷口形貌觀察，延伸率低的1#鋼中液析TiN尺寸更大，數量更多。形成粗大液析TiN是導致延伸率下降的主要原因，應優化工藝，控制TiN析出物細小彌散、降低鋼中N含量。