Mn含量及卷取溫度對TSCR流程生產(chǎn)Ti微合金高強鋼組織與力學性能的影響

陳麒琳，孫新軍

(1. 武漢科技大學材料與冶金學院，湖北 武漢，430081；2. 鋼鐵研究總院工程用鋼研究所，北京，100081)

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Mn含量及卷取溫度對TSCR流程生產(chǎn)Ti微合金高強鋼組織與力學性能的影響

陳麒琳1，孫新軍2

(1. 武漢科技大學材料與冶金學院，湖北 武漢，430081；2. 鋼鐵研究總院工程用鋼研究所，北京，100081)

摘要：在TSCR流程上研究Mn含量和卷取溫度對Ti微合金高強度鋼組織與力學性能的影響。結(jié)果表明，隨著鋼中Mn含量的升高，鑄坯與熱軋成品板組織細化，其強度顯著提高；而卷取溫度的降低雖使熱軋板組織得到細化，但抑制了納米尺寸含Ti相的充分析出，熱軋板強度降低。由此可見，在細化組織的同時提高納米尺寸析出物數(shù)量是生產(chǎn)Ti微合金化高強鋼的關(guān)鍵所在。

關(guān)鍵詞：薄板坯連鑄連軋；Ti微合金鋼；Mn；卷取溫度；微觀組織；力學性能

基于薄板坯連鑄連軋(TSCR)流程，采用單一Ti微合金化技術(shù)生產(chǎn)屈服強度為700 MPa級超高強度熱軋鋼板已實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用[1-3]。國內(nèi)學者已對基于該流程生產(chǎn)的Ti微合金鋼物理冶金學特征及強化機理做了較為系統(tǒng)的研究[4]，且注意到Mn元素對Ti元素在鋼中沉淀析出規(guī)律產(chǎn)生一定影響[5]。另一方面，TSCR流程中的過程參數(shù)包括軋制變形量、卷取溫度與冷卻速度等也通過沉淀強化、細晶強化等方式影響Ti微合金高強鋼的強度?；诖?，本文結(jié)合在TSCR流程上研發(fā)Ti微合金化高強鋼的實踐，重點考察鋼中Mn含量和卷取溫度對其組織及力學性能的影響，以期為Ti微合金化高強鋼生產(chǎn)技術(shù)的制定和優(yōu)化提供依據(jù)。

1試驗材料與方法

本試驗基于廣州珠江鋼鐵有限責任公司采用TSCR流程生產(chǎn)Ti微合金化高強鋼，其工藝流程為：原料→電爐煉鋼→鋼包精煉→薄板坯連鑄→均熱→熱連軋→層流冷卻→卷取。精煉過程中，鋼水用鋁充分脫氧后加入Ti鐵，采用控制軋制和控制冷卻工藝的方式來生產(chǎn)超高強鋼。其中，鑄坯厚度為55 mm，鑄坯拉速為4～5 m/min，均熱溫度為1150 ℃，時間為20 min，鑄坯出爐溫度為1140 ℃，終軋溫度為900 ℃。為考察Mn含量及卷取溫度對鑄坯及熱軋成品板組織與力學性能的影響，采用試驗鋼的化學成分及卷取溫度如表1所示。

表1　試驗鋼的化學成分及卷取溫度

連鑄坯試樣取自TSCR生產(chǎn)現(xiàn)場均熱完成并水淬至室溫后連鑄坯表面處、距表面1/4厚度處、距表面1/2厚度處鋼樣，方向為軋向；成品板試樣取自鋼卷開卷8 m后，距離邊部1/4處。將連鑄坯及熱軋板試樣沿橫斷面磨平、機械拋光，用4%的硝酸酒精溶液侵蝕后，在光學顯微鏡(OM)及7001F場發(fā)射掃描電鏡(SEM)下觀察組織及析出物形貌，并用能譜儀(EDS)對鋼中析出物成分進行分析；在熱軋成品板上切取薄片，磨至50～80 μm，沖成直徑為3 mm的試樣，經(jīng)離子減薄后在JEOL-2010型透射電鏡(TEM)觀察其微觀結(jié)構(gòu)；采用Image Tool 圖像分析軟件測量鐵素體晶粒的平均尺寸；根據(jù)GB/T 228—2002測試熱軋成品板試樣的室溫拉伸性能。

2結(jié)果與分析

2.1Mn含量的影響分析

2.1.1鑄坯組織

(a)0.4%Mn(b)1.4%Mn

圖1不同Mn含量鑄坯芯部組織的OM照片

Fig.1 OM images showing core structures of casting slabs with different Mn contents

圖1為不同Mn含量鋼樣均熱淬火后鑄坯芯部組織的OM照片。由圖1可見，0.4%Mn鋼樣的淬火組織為貝氏體+少量鐵素體，1.4%Mn鋼樣的淬火組織為馬氏體。此現(xiàn)象表明1.4%Mn鋼樣的淬透性較好，可歸因于該鋼樣中Mn元素含量較高。

(a)0.4%Mn(b)1.4%Mn

圖2不同Mn含量鑄坯中原始奧氏體晶粒的OM照片

Fig.2 OM images showing initial austenite grains in casting slabs with different Mn contents

圖2為不同Mn含量試驗鋼鑄坯中原始奧氏體晶粒組織的OM照片(取樣位置為鑄坯厚度的1/4處)，其中L表示長度方向，T表示厚度方向。由圖2可見，兩種試驗鋼鑄坯的奧氏體晶粒在長度方向均有拉長，表明結(jié)晶方向是沿鑄坯長度方向；此外，1.4%Mn鋼鑄坯的奧氏體晶粒尺寸比0.4%Mn鋼鑄坯細小，利用截線法測量得知，0.4%Mn鋼鑄坯沿厚度方向的奧氏體晶粒厚度約為500 μm，而1.4%Mn鋼鑄坯的晶粒厚度則為200 μm。

2.1.2熱軋成品板組織

(a)0.4%Mn(b)1.4%Mn

圖3不同Mn含量熱軋成品板的SEM照片

Fig.3 SEM images of hot strips with different Mn contents

圖板的組織為準多邊形鐵素體和少量珠光體，鐵素體平均晶粒尺寸約為7 μm，而1.4Mn%鋼熱軋成品板組織為針狀鐵素體和一定量的貝氏體，且鐵素體平均晶粒尺寸約為3 μm，組織細化效果顯著。這是由于Mn元素可在Fe-C相圖上擴大奧氏體相區(qū)，降低奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變溫度，進而推遲γ→α相變；另一方面，Mn能顯著增加鋼的淬透性，當鋼中Mn含量超過一定值時，可使過冷奧氏體冷卻過程中的高溫轉(zhuǎn)變孕育期明顯長于中溫轉(zhuǎn)變孕育期，導致其等溫轉(zhuǎn)變C曲線上下分離，存在著明顯的河灣形狀。由此可見，Mn元素的加入抑制了高溫先共析鐵素體相變，降低γ→α相變溫度，細化鐵素體晶粒并且出現(xiàn)了明顯貝氏體的形貌特征。

2.1.3力學性能

不同Mn含量鋼樣的力學性能參數(shù)如表2所示。由表2可見，當試驗鋼的Mn含量由0.4%提高至1.4%時，其屈服強度和抗拉強度分別提升了130 MPa和140 MPa，延伸率降低了11.5%，這表明Mn做為固溶強化元素，隨著固溶量的提高，沉淀強化作用提升；此外，根據(jù)Hall-Petch公式[6]可知，當鐵素體晶粒由5～7 μm細化至3 μm，屈服強度可提升50～100 MPa。因此，在Mn元素的固溶強化作用以及鐵素體晶粒細化的共同作用下，試驗鋼的強度顯著提升。

表2不同Mn含量熱軋成品板的力學性能

Table 2 Mechanical properties of hot strips with different Mn contents

w(Mn)/%Rp0.2/MPaRm/MPaA/%0.4615685261.474582523

2.2卷取溫度的影響分析

2.2.1微觀組織

不同卷取溫度下熱軋鋼板的OM及TEM照片分別如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可見，當卷取溫度較低時，鋼樣晶粒(或亞晶)的尺寸更為細小，位錯密度較高，且出現(xiàn)明顯的貝氏體組織的形貌，數(shù)量也相較更多。帶鋼組織隨卷取溫度降低而細化的現(xiàn)象可通過γ→α相變的過冷度來解釋，即同樣的終軋溫度，若卷取溫度更低，則層流冷卻過程中要求更快的冷卻速度，增加了γ→α相變的過冷度，而過冷度的增加會降低新相形核功、減小臨界形核半徑及增大鐵素體形核率；同時，較低的相變溫度也會減緩形核后鐵素體的長大速度。由此可知，卷取溫度的降低可起到細化帶鋼組織的作用。

(a) 580 ℃(b) 620 ℃

圖4不同卷取溫度下熱軋鋼板的OM照片

Fig.4 OM images of hot strips coiled at different temperatures

(a) 580 ℃(b) 620 ℃

圖5不同卷取溫度下熱軋鋼板的TEM照片

Fig.5 TEM images of hot strips coiled at different temperatures

2.2.2析出物形貌及成分分析

(a) 580 ℃(b) 620 ℃

圖6不同卷取溫度下熱軋鋼板中析出物的SEM照片

Fig.6 SEM images of precipitates in hot strips coiled at different temperatures

不同卷取溫度下熱軋鋼板中析出物的SEM及TEM照片分別如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可見，當卷曲溫度較低時，在鋼樣基體上尤其是鐵素體晶界上均勻分布著白色顆粒，結(jié)合析出物的EDS分析可知(見圖8)，這些顆粒為幾百nm數(shù)量級的滲碳體(Fe3C)粒子。當卷取溫度較高時，鋼樣的晶界較為干凈，基本為鐵素體的單一相組織，而基體中彌散分布著大量的納米級的析出物粒子，這些細小析出物粒子分布在位錯線上，可起到釘扎位錯的作用。相關(guān)研究結(jié)果表明，這類析出物應(yīng)為TiC或者Ti(CN)等含Ti析出相[3,7-8]。從析出動力學考慮，由于Ti原子的擴散激活能比碳原子高，因此TiC析出過程受鈦長程擴散的控制，需要足夠的時間才能充分析出。如果冷卻速率較快，將抑制TiC的析出過程；同時，Ti的固溶量也將提高，對析出過程不利，導致析出量減少。如果卷取溫度較高，又會發(fā)生TiC析出物長大的現(xiàn)象。由此可見，卷取溫度的合理選擇與控制十分重要。

(a) 580 ℃(b) 620 ℃

圖7不同卷取溫度下熱軋鋼板中析出物的TEM照片

Fig.7 TEM images of precipitates in hot strips coiled at different temperatures

圖8　卷取溫度為580 ℃時熱軋鋼板中析出物的SEM照片及EDS能譜

2.2.3力學性能

不同卷取溫度下鋼樣的力學性能參數(shù)如表3所示。由表3可見，當卷取溫度由620 ℃降低至580 ℃時，試樣的室溫屈服強度和拉伸強度分別降低了205 MPa和100 MPa，延伸率提高了6.4%，這表明降低卷曲溫度雖有助于細化組織，但由于抑制了含Ti析出物的析出，因而降低了其沉淀強化效果，導致熱軋成品板強度大幅降低。

表3不同卷取溫度下熱軋試樣的力學性能

Table 3 Mechanical properties of hot strips coiled at different temperatures

卷取溫度/℃Rp0.2/MPaRm/MPaA/%5805907302562079583023.5

3結(jié)論

(1)當Mn含量由0.4%提高至1.4%時，Ti微合金鋼鑄坯淬透性增強，鑄坯與熱軋板組織細化效果顯著，屈服強度和抗拉強度分別提高了130 MPa和140 MPa，這表明增加Mn含量可通過固溶強化和細晶強化的方式提高Ti微合金鋼的強度。

(2)當卷取溫度由620 ℃降低至580 ℃時，熱軋板組織明顯細化，位錯密度提高，出現(xiàn)了貝氏體形貌特征，而納米尺寸含Ti析出物粒子數(shù)量減少，幾百nm的滲碳體粒子數(shù)量增多，屈服強度和抗拉強度分別降低了205 MPa和100 MPa，這表明卷曲溫度降低雖然能細化組織，但由于抑制了納米尺寸含Ti相的充分析出，因而降低了其沉淀強化效果，導致成品板強度降低。

參考文獻

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[責任編輯董貞]

Effect of Mn content and coiling temperature on themicrostructure and mechanical properties ofTi-microalloyed high-strength steel produced by TSCR process

ChenQilin1,SunXinjun2

(1. College of Materials Science and Metallurgical Engineering, Wuhan University ofScience and Technology, Wuhan 430081, China; 2. Division of Engineering Steel,Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China)

Abstract:The effects of Mn content and coiling temperature on the microstructures and mechanical properties of Ti-microalloyed high strength steel produced by TSCR process were investigated. The results show that higher Mn content causes finer microstructures for the continuous casting slab and hot-rolled plate, and raises the strength of Ti-microalloyed steel dramatically. On the other hand, lower coiling temperature causes finer microstructure for the hot-rolled plate; however, the full precipitation of nanometer-sized Ti-contained phases will be inhibited, and the overall strength of steel is decreased as a result. Hence, both the grain refinement and the increase of the amount of nanosized precipitates are crucial to the production of Ti-microalloyed high strength steel.

Key words：TSCR; Ti-microalloyed steel; Mn; coiling temperature; microstructure; mechanical property

收稿日期：2015-11-09

基金項目：中國博士后科學基金資助項目(2014M562072)．

作者簡介：陳麒琳(1980-)，男，武漢科技大學博士生．E-mail: chenqilin2@gaei.cn

中圖分類號：TG113.25

文獻標志碼：A

文章編號：1674-3644(2016)03-0161-05