控軋控冷工藝對釩鈦微合金鋼組織性能的影響＊

李 戩，徐 春，馬曉藝

（1.青海大學(xué) 機械工程學(xué)院，青海 西寧 810016；2.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 材料系，上海 200235）

控制軋制是指在熱軋過程中通過對金屬加熱制度、變形制度和冷卻制度的合理控制，使熱塑性變形和固態(tài)相變結(jié)合，以獲得細小晶粒組織［1］，使鋼材具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能的軋制工藝.對低碳鋼和低合金鋼來說，采用控制軋制工藝主要是通過控制軋制工藝參數(shù)，細化形變奧氏體晶粒，經(jīng)過軋后冷卻期間奧氏體向鐵素體和珠光體的相變，形成細化的鐵素體晶粒，達到提高鋼的強度、韌性的目的.近年來，控制軋制作為熱軋新技術(shù)越來越被人們所重視.近20 多年來，汽車工業(yè)為了提高安全性和節(jié)省能源，所用鋼板已向高強化和輕量化方向發(fā)展，因此開發(fā)低合金高強度鋼板有很好的發(fā)展前景［2］.采用微合金化并與控軋控冷工藝相配合，可以使鋼板鐵素體晶粒細化，從而有效地提高鋼板的強度.本文研究了控制軋制及加速冷卻過程中工藝參數(shù)對釩鈦微合金鋼組織及性能的影響，分析了微合金化元素的析出行為、工藝制度對于析出相、強度及沖擊韌性的影響.還通過透射分析更好地了解了析出相的種類及形貌，從而制定出比較理想的加工工藝制度，為汽車用鋼的生產(chǎn)及應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 實驗材料及方法

1.1 實驗鋼的化學(xué)成分

表1 為釩氮鋼試樣的化學(xué)成分.

表1 釩氮合金鋼化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of V-Ti microalloy steels（at%）

1.2 試驗方法及工藝制度

試驗用鋼由500kg 真空冶煉后澆注鋼錠，單重150kg，每錠鍛造后切頭尾，鍛坯尺寸為100×300×200 mm3.試驗所用軋制和ACC 工藝制度如表2 所示.

表2 軋制和ACC 工藝制度Tab.2 Rolling and ACC processing

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 拉伸性能及微觀組織

表3 為不同終軋溫度和冷卻方式下實驗鋼的力學(xué)性能.由表3 可見，在終軋溫度相同的情況下，強度隨著冷卻速度的增大而升高，延伸率隨著冷卻速度的降低而升高.當(dāng)實驗鋼的終冷溫度降低到550 ℃時，實驗鋼的抗拉強度已經(jīng)超過500 MPa.1＃試樣的強度最低是因為在軋制過程中已發(fā)生變形的鐵素體晶粒在隨后的冷卻過程中長大，最終得到混晶的鐵素體組織，使強度大大降低.

4＃鋼板的抗拉強度最高，主要是由于終軋溫度的降低，鋼中出現(xiàn)貝氏體組織，貝氏體的相變強化作用使鋼板強度提高（見圖1）.在終軋溫度相同，終冷溫度相同，都是空冷的條件下，材料的屈強比較?。?＃和3＃樣）；而在水冷的情況下，實驗鋼的屈強比較大（2＃和4＃樣）.可見，冷卻速度的增大雖使得鋼材強度有了提高，也提高了鋼材的屈強比，但同時也使得鋼材延伸率明顯降低.從表3還可以看出，在不同的終軋溫度和冷卻方式下，斷面收縮率差別不大，可見不同溫度和冷速對斷面收縮率的影響不明顯.

表3 不同終軋溫度和冷卻方式下實驗鋼的拉伸性能Tab.3 Tensile properties of experimental steels at different final rolling temperatures and cooling ways

控冷工藝條件（冷卻速度和終冷溫度等）對相變、相變產(chǎn)物及析出物的形態(tài)有所改變，進而對最終產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)和性能都有直接的影響［3］.圖1 為控軋控冷后試樣的金相組織.由圖1 可以看出，1＃和3＃試樣組織為鐵素體和珠光體，2＃試樣組織為馬氏體，4＃試樣是貝氏體組織.不同工藝條件下的鐵素體的形貌、晶粒大小及各組織的體積分數(shù)不同.對于1＃試樣和3＃試樣，軋后冷卻速度較慢，過冷奧氏體在高溫下有足夠的時間進行擴散分解，從而發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，最后得到近乎平衡的珠光體組織［4］.對于4＃試樣，奧氏體過冷至較低溫度，此時碳原子可進行擴散，但鐵原子不能進行擴散，奧氏體只能轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織［5］.但是由于2＃試樣冷卻速度最快，最終形成馬氏體組織.

圖1 控軋控冷后的金相組織Fig.1 Metallographic structure after controlled rolling and controlled cooling

圖2 是1＃試樣的TEM 微觀形貌，其中圖2（a）是三叉晶界以及附近的鐵素體晶粒，可以看出周圍有少量的位錯；圖2（b）是變形珠光體組織；圖2（c）是Ti（CN）析出相.從圖2（d）中可以看到，在鐵素體基體中，尤其是位錯線上分布著細小彌散的Ti的碳氮化物顆粒，這些均勻細小的析出物可以阻礙位錯的運動，從而提高鋼材強度.

圖2 1＃樣的TEM 照片F(xiàn)ig.2 Photo of sample NO.1（TEM）

圖3 2＃樣的TEM 照片F(xiàn)ig.3 Photo of sample NO.2（TEM）

圖3 是2＃試樣的TEM 微觀形貌，圖3（a）是孿晶馬氏體組織，圖3（b）是板條馬氏體組織，圖3（c）是鐵素體晶粒的局部再結(jié)晶，圖3（d）是晶內(nèi)的在α慣性面上的析出相，圖3（e）是馬氏體交叉變形的組織.圖3（f）為馬氏體里的析出相TiN暗場像.

析出相的沉淀強化作用可以同時作用于鐵素體和珠光體.在晶界上有析出顆粒，能釘扎晶界，阻礙晶粒長大；在位錯線上的沉淀析出，可以阻礙位錯運動，致使位錯塞積，高密度的位錯束縛晶粒長大，從而也能細化晶粒使鋼得到強化.

2.2 沖擊韌性

本實驗對經(jīng)過拉伸后的1＃～4＃試樣進行了系列溫度沖擊實驗，從實驗結(jié)果可以看出，4＃試樣的沖擊功較大，一般不會發(fā)生脆斷；1＃試樣其次；盡管2＃試樣的沖擊功在低于-40 ℃時沖擊功也較大，但在高于-40 ℃時卻最小.

圖4 為試樣的沖擊溫度和沖擊功的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，隨著沖擊溫度的降低，實驗鋼的沖擊功也逐漸降低.當(dāng)沖擊溫度大于-40 ℃時1＃、3＃和4＃試樣的沖擊功比2＃試樣大很多.2＃樣的沖擊功是所有試樣里最低的，表明2＃試樣的韌性最差，原因是冷卻速度增大使析出相大多在晶界或亞晶界析出，使在晶內(nèi)的析出量減少；而在晶界或亞晶界上析出的微合金碳氮化物本身并不能使鋼材強韌化，反而在很大程度上使鋼的韌性、塑性降低，從而使晶體與晶體間相互協(xié)調(diào)性降低，故沖擊韌性有所下降.從4＃試樣的工藝來看，盡管它的冷卻速度也較大，但它的沖擊韌性也較好，原因是它的終冷溫度控制得較好，在800～850 ℃范圍內(nèi)適當(dāng)降低終冷溫度可微量提高細晶強化值，而沉淀強化組分提高明顯相比其余試樣要低得多；溫度對于沉淀析出也有非常大的影響，這是由于終軋溫度低時形變后的奧氏體具有更為豐富的形變儲存能，在隨后的控冷過程中，將促成V（CN）大量的細小彌散析出，沉淀強化作用也增強，據(jù)此可發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)亟档徒K軋溫度也能提高沖擊韌性.盡管1＃試樣強度較低，但它的沖擊韌性較好，尤其在-40～0 ℃時，原因是它的冷卻速度相對較慢，其壓下量與3＃，4＃試樣相比，在開始軋制時略高.形變溫度高時析出相的平均直徑變大，這是由于在高溫時，擴散速度較快，第二相質(zhì)點由于熟化作用而粗化，但形變量增加使析出相增加，可以在高溫時彌補其不足，而且適當(dāng)?shù)丶哟笮巫兞?，能有效地控制晶界或亞晶界上析出相的相對分量?］.2＃試樣的加工工藝盡管使其強度有所提高，但導(dǎo)致了塑性韌性下降，原因是它的終軋溫度較高，達到1 050 ℃且冷卻速度較大，因此其沖擊韌性較低.因為作為汽車用鋼低溫一般在-40～0 ℃之間，因此初步選擇1?；?＃試樣的成分及工藝，由于1＃試樣強度很低，故最終選擇4＃試樣的軋制工藝.

圖4 4 個試樣的沖擊溫度和沖擊功的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between impact energy and impact temperature of four samples

3 結(jié)論

1）降低終軋溫度可提高實驗鋼強度值，一般控制在800～850 ℃左右，其強度的提高主要以沉淀強化為主.在實驗條件下，增加軋后冷卻速度（控制在5～10 ℃／s），可進一步細化晶粒，提高屈服強度.

2）終軋溫度800±20 ℃，終冷溫度550±10 ℃，實驗鋼具有貝氏體組織，抗拉強度可以提高到690MPa以上.

3）高溫加熱+兩階段再結(jié)晶軋智（低溫終軋830 ℃）+軋后空冷的加工方式，使材料的沖擊韌性和塑性提高，但強度下降；高溫再結(jié)晶終軋（1 000 ℃）+快速水冷，使得材料碳氮化物析出最多，性能最好，可獲得優(yōu)良的強度和韌性.

4）熱軋態(tài)試驗鋼的顯微組織特征為：它是由先析鐵素體、珠光體組織或者鐵素體+珠光體+少量貝氏體組成.在透射電鏡下還觀察到孿晶馬氏體及板條馬氏體以及其中的高密度位錯.

［1］藍慧芳，杜林秀，劉彥春，等.控軋控冷工藝對高強度結(jié)構(gòu)鋼組織及力學(xué)性能的影響［J］.東北大學(xué)學(xué)報（自熱科學(xué)版），2009，30（2）：200-204.Lan Huifang，Du Linxiu，Liu Yanchun，et al.Effect of TMCP parameters on microstructure and mechanical properties of high-strength structural steel［J］.Journal of Northeastem University（Natural Science Edition），2009，30（2）：200-204.（in Chinese）

［2］陳紅桔，劉清友，韓力，等.控軋控冷工藝對鈮鈦微合金鋼組織和性能的影響［J］.鋼鐵研究學(xué)報，1999，11（3）：38-39.Chen Hongju，Liu Qingyou，Hanli，et al.Effect of controlled rolling and controlled cooling schedule on microstructures and mechanical properties of Nb+Ti microalloyed strip steel［J］.Journal of Iron and Steel Research，1999，11（3）：38-39.（in Chinese）

［3］薛春芳，王新華，胡貽蘇.控軋控冷工藝對含鈮微合金鋼組織性能的影響［J］.熱加工工藝，2003（3）：25-27.Xue Chunfong，Wang Xinhuo，Hu Yisu.Effect of controlled rolling and controlled cooling on organizing and capability of Nb Microalloyed steel［J］.Hot Working Terhnolog，2003（3）：25-27.（in Chinese）

［4］崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1988：248.

［5］李龍，丁樺，楊春征，等.控軋控冷工藝對低碳鈮微合金鋼組織和性能的影響［J］.鋼鐵研究學(xué)報，2006，18（7）：47-49.Li Long，Ding Hua，Yang Chunzheng，et al.Effect of controlled rolling and controlled cooling on microstructures and mechanical properties of low carbon steel microalloyed with Nb.［J］.Journal of Iron and Steel Research，2006，18（7）：47-49.（in Chinese）

［6］完衛(wèi)國，王瑩，吳結(jié)才.釩氮微合金化技術(shù)的研究與應(yīng)用綜述［J］.江西冶金，2004，24（5）：26-30.Wan Weiguo，Wang Ying，Wu Jiecai.The preview of researches and application of V-N microalloying technology［J］.Jiangxi Metallurgy，2004，24（5）：26-30.（in Chinese）