鈦處理對(duì)S355J2G3+B鋼鍛件的影響研究

劉繼紅

(中冶京誠(chéng)(營(yíng)口)裝備技術(shù)有限公司，遼寧115004)

硼鋼具有較高的淬透性且成本低廉，因此發(fā)展較快?；阝伜偷挠H和力大于硼和氮的親和力，在硼鋼的冶煉過(guò)程中，通常引入鈦元素以“固氮護(hù)硼”，避免形成BN而降低硼對(duì)鋼淬透性的有效性[1,2]。公司最近生產(chǎn)的一批S355J2G3+B鋼鍛件經(jīng)鈦處理后發(fā)現(xiàn)-20℃低溫沖擊不合格，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)TiN復(fù)相夾雜物的存在是導(dǎo)致低溫沖擊不合格的原因。進(jìn)一步的試驗(yàn)研究表明，通過(guò)改變熱處理工藝進(jìn)而優(yōu)化組織狀態(tài)是解決該類(lèi)鋼低溫沖擊韌性偏低的一個(gè)有效途徑。

1 生產(chǎn)過(guò)程

1.1 冶煉

采用電爐冶煉(EAF)、爐外精煉(LF)、真空脫氣(VD)和真空澆注(VC)工藝生產(chǎn)鋼錠。嚴(yán)控有害元素含量，LF工序采用鋁脫氧，VD工序控制鈦線(xiàn)喂入量為0.04%進(jìn)行固氮，硼加入量為0.001 6%。

1.2 鍛造

鋼錠脫模后熱送至鍛造廠(chǎng)，采用拔長(zhǎng)工藝一火次出成品，總鍛比4.5。鋼錠冒口及水口端均有足夠的切除量，以減少產(chǎn)品的非金屬夾雜物含量。

1.3 鍛后熱處理

根據(jù)技術(shù)協(xié)議性能指標(biāo)要求，我們采用了正火工藝進(jìn)行最終處理，正火溫度為880℃，鼓風(fēng)空冷。

2 檢驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)研究

2.1 化學(xué)成分分析、組織及力學(xué)性能檢驗(yàn)

化學(xué)成分要求及分析結(jié)果如表1所示，符合技術(shù)協(xié)議要求。非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。鍛件正火后毛坯取樣，取樣位置為表面40 mm以下，縱向試樣。力學(xué)性能要求及檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示，結(jié)果表明-20℃沖擊性能指標(biāo)不符合技術(shù)條件的要求。為探明導(dǎo)致低溫沖擊值偏低的原因，我們對(duì)試樣進(jìn)行了沖擊斷口檢驗(yàn)，在斷口處發(fā)現(xiàn)存在點(diǎn)狀?yuàn)A雜物，其掃描電鏡照片如圖1所示。EDS分析表明，該夾雜物為T(mén)iN復(fù)相夾雜物，檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表1 鋼鍛件的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of the steel forging(mass fraction, %)

圖1 斷口掃描電鏡觀察Figure 1 The SEM image of the fracture

A(硫化物類(lèi))B(氧化鋁類(lèi))C(硅酸鹽類(lèi))D(球狀氧化物類(lèi))細(xì) 系0粗 系0細(xì) 系0粗 系0細(xì) 系0粗 系0細(xì) 系0.5粗 系0.5

表3 鋼鍛件正火態(tài)下的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of the steel forging under normalizing

表4 區(qū)域EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 The analysis results of zones by EDS(mass fraction, %)

表5 鋼鍛件調(diào)質(zhì)態(tài)下的力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of the steel forging under quenching and tempering

2.2 調(diào)質(zhì)熱處理試驗(yàn)

TiN復(fù)相夾雜物不易受力變形，極大的降低了材料的低溫沖擊韌性，因此我們尋求通過(guò)改變其組織狀態(tài)來(lái)提高材料基體的低溫沖擊韌性，從而彌補(bǔ)由TiN復(fù)相夾雜物帶來(lái)的不利影響。我們選取淬火加熱溫度為900℃，水淬后620℃回火。檢驗(yàn)結(jié)果如表5所示，可見(jiàn)-20℃低溫沖擊功獲得了較大的提升，同時(shí)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也得到了極大地提高。進(jìn)一步的金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，組織狀態(tài)由正火態(tài)下的珠光體和鐵素體混合組織轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w組織是力學(xué)性能獲得優(yōu)化的主要原因。鋼鍛件正火態(tài)和調(diào)質(zhì)態(tài)下的金相組織如圖2和圖3所示。

3 分析討論

在硼鋼的生產(chǎn)過(guò)程中，Ti元素的引入對(duì)其后續(xù)的熱處理低溫沖擊韌性有著較大的影響，一方面細(xì)小的TiN能夠?qū)Я．a(chǎn)生明顯的細(xì)化效果，而另一方面大顆粒的TiN夾雜物晶粒細(xì)化作用減弱且過(guò)剩的Ti在晶界的富集對(duì)低溫沖擊韌性十分不利[3]。相關(guān)研究也表明在冶煉過(guò)程中對(duì)Ti含量的控制十分必要[4]。針對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的TiN復(fù)相夾雜物所引起的低溫沖擊韌性偏低問(wèn)題，通過(guò)調(diào)質(zhì)處理優(yōu)化組織狀態(tài)，進(jìn)而改善材料整體的低溫沖擊韌性是其中一個(gè)有效解決途徑。另外，在后續(xù)的S355J2G3+B鋼鍛件的試生產(chǎn)中，我公司為避免Ti元素對(duì)低溫沖擊韌性產(chǎn)生的不利影響，沒(méi)有在冶煉過(guò)程中引入鈦元素進(jìn)行固硼，轉(zhuǎn)而通過(guò)增加真空脫氣時(shí)間來(lái)降低N含量及適當(dāng)增加VD工序中B元素的加入量來(lái)控制B元素的最終收得率。試制的兩支鍛件均獲得了較好的效果，化學(xué)成分和正火條件下的-20℃低溫沖擊功均達(dá)到了技術(shù)條件要求，其中-20℃低溫沖擊功分別達(dá)到了51 J和50 J。

圖2 鋼鍛件正火態(tài)下的金相組織Figure 2 Microstructure of the steel forging under normalizing

圖3 鋼鍛件調(diào)質(zhì)態(tài)下的金相組織Figure 3 Microstructure of the steel forging under quenching and tempering

4 結(jié)論

(1)通過(guò)掃描電鏡和能譜分析表明TiN復(fù)相夾雜物是造成S355J2G3+B鋼鍛件正火態(tài)低溫沖擊韌性不合格的原因。

(2)通過(guò)調(diào)質(zhì)處理將正火態(tài)下的珠光體和鐵素體混合組織轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)質(zhì)索氏體組織是提高低溫沖擊韌性的有效途徑。

(3)為避免Ti元素對(duì)低溫沖擊韌性產(chǎn)生的不利影響，在冶煉過(guò)程中不引入鈦元素而通過(guò)降低氮含量和適當(dāng)增加B元素的加入量來(lái)控制B元素的最終收得率亦能達(dá)到技術(shù)條件要求。

[1] 胡開(kāi)華， 任美康. 含B中碳低合金鑄鋼及B、Al、Ti的相互作用和對(duì)沖擊韌度的影響[J]. 鑄造技術(shù)， 2005,26(9):767-769.

[2] 翟克勇， 馬幼平. 鈦含量對(duì)0.20C-1.1Mn-0.1V-0.004B低碳硼鋼組織和韌性的影響[J]. 特殊鋼， 2003,24(1):15-17.

[3] 李驚鴻， 雷洪波， 許剛，等. 鈦處理對(duì)鋼中夾雜物形態(tài)和分布影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 冶金叢刊， 2010, (5): 5-7.

[4] 李國(guó)忠，曹紅福， 惠榮，等. 鈦鋁含量對(duì)低合金高強(qiáng)度鋼Q345D低溫沖擊韌性的影響[J]. 特殊鋼， 2002, 23(1): 53-54.