C-Mn鋼晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)的影響因素分析

曾勇剛

(攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司科技規(guī)劃部)

C-Mn鋼晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)的影響因素分析

曾勇剛

(攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司科技規(guī)劃部)

選取轉(zhuǎn)爐、電弧爐生產(chǎn)的C-Mn石油套管鋼軋成的管材試樣,進(jìn)行了成分檢測(cè)、不同加熱溫度和不同保溫時(shí)間的熱處理及金相檢驗(yàn),分析了不同合金元素、加熱溫度及鋼中氣體含量對(duì)其本質(zhì)晶粒度的影響。結(jié)果表明,控制C含量、降低鋼中P含量、實(shí)施微鈦處理、適當(dāng)增加鋼中的N含量,可以起到細(xì)化C-Mn石油套管鋼奧氏體晶粒度的作用。

C-Mn鋼;晶粒長(zhǎng)大;影響因素

1 引言

由于煉鋼所用原材料及煉鋼方式的不同,操作控制水平的差異,生產(chǎn)出鋼坯的化學(xué)成分、殘余元素及鋼中氣體含量也會(huì)不同,它將導(dǎo)致鋼坯軋制后力學(xué)性能上的差異。

我公司在生產(chǎn)C-Mn石油套管的過(guò)程中,在主要化學(xué)成分基本相當(dāng)?shù)那闆r下,出現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐鋼軋成管材的性能一次合格率低于電弧爐鋼的現(xiàn)象。金相檢驗(yàn)表明,晶粒度大小是影響管材性能差異的主要原因。

晶粒度大小及其長(zhǎng)大趨勢(shì)主要表現(xiàn)為晶界的移動(dòng)。它不僅受鋼本質(zhì)晶粒度的影響,還受加熱溫度、加熱時(shí)間、化學(xué)成分、殘余元素含量、氣體含量及組織的影響。

根據(jù)從大生產(chǎn)中兩種冶煉方式生產(chǎn)的同一鋼種軋出的管材上取樣所作的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)討論合金元素、加熱溫度及鋼中氣體含量對(duì)C-Mn石油套管鋼本質(zhì)晶粒度的影響,并提出細(xì)化晶粒的建議。

2 試驗(yàn)程序

(1)采用電弧爐、轉(zhuǎn)爐方式冶煉的鋼坯軋制成鋼管后,各選取同規(guī)格同鋼種C-Mn石油套管管材鋼4個(gè)爐號(hào),按要求加工成化學(xué)成分分析試樣、氣體分析試樣和金相分析試樣。

(2)為了便于比較,對(duì)所取試樣在不同加熱溫度和不同保溫時(shí)間下進(jìn)行熱處理,然后對(duì)金相試樣作奧氏體晶粒度比例的測(cè)定及評(píng)級(jí)、本質(zhì)晶粒度和實(shí)際晶粒度的判定并照相。

(3)試樣的熱處理制度見(jiàn)表1。

表1 試樣熱處理制度

3 檢驗(yàn)結(jié)果

3.1 化學(xué)成分分析

3.1.1 化學(xué)成分

同鋼種C-Mn管鋼電弧爐與轉(zhuǎn)爐鋼生產(chǎn)的化學(xué)成分含量比較值見(jiàn)表2所示。

3.1.2 鋼中氣體含量分析

同鋼種C-Mn管鋼電弧爐與轉(zhuǎn)爐鋼生產(chǎn)的鋼材氣體含量比較值見(jiàn)表3所示。

3.2 金相檢驗(yàn)結(jié)果

同鋼種C-Mn管鋼不同煉鋼方式按照表1所示的熱處理制度進(jìn)行熱處理,金相檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4所示,其金相照片見(jiàn)相應(yīng)照片編號(hào)。

表2 電弧爐鋼與轉(zhuǎn)爐鋼化學(xué)成分含量比較值

表3 電弧爐鋼與轉(zhuǎn)爐鋼鋼材氣體含量比較值

4 分析與討論

本質(zhì)晶粒度是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法,在930℃保溫3h～8h后測(cè)定的奧氏體晶粒度大小。它表示鋼在一定條件下奧氏體晶粒的長(zhǎng)大傾向。不同鋼種和不同冶煉方法煉制的同一鋼種,在同一加熱條件下,可能表現(xiàn)出不同的晶粒長(zhǎng)大傾向。一般定義1～4級(jí)為本質(zhì)粗晶粒鋼,5級(jí)以上為本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。

實(shí)際晶粒度是指在某一具體加熱或熱加工條體下所得到的奧氏體晶粒度大小。實(shí)際晶粒度基本上決定了鋼在室溫時(shí)的晶粒大小,除與鋼的本質(zhì)晶粒長(zhǎng)大傾向有關(guān)外,還與實(shí)際加熱溫度和保溫時(shí)間有關(guān)。

表4 金相檢驗(yàn)結(jié)果

圖1 21—1樣奧氏體晶粒度評(píng)級(jí)圖

圖2 38—1樣奧氏體晶粒度評(píng)級(jí)圖

圖3 38—2樣奧氏體晶粒度評(píng)級(jí)圖

圖4 38—3樣奧氏體晶粒度評(píng)級(jí)圖

圖5 38—4樣奧氏體晶粒度評(píng)級(jí)圖

圖6 38—5樣奧氏體晶粒度評(píng)級(jí)圖

圖7 38—6樣奧氏體晶粒度評(píng)級(jí)圖

圖8 493—1樣奧氏體晶粒度評(píng)級(jí)圖

圖9 496—1樣奧氏體晶粒度評(píng)級(jí)圖

圖10 496—2樣奧氏體晶粒度評(píng)級(jí)圖

圖11 496—3樣奧氏體晶粒度評(píng)級(jí)圖

圖12 496—4樣奧氏體晶粒度評(píng)級(jí)圖

圖13 496—5樣奧氏體晶粒度評(píng)級(jí)圖

圖14 496—6樣奧氏體晶粒度評(píng)級(jí)圖

4.1 合金元素影響

合金元素易與C、O、N形成高熔點(diǎn)的碳化物、氧化物、氮化物,有較強(qiáng)的穩(wěn)定性且不易聚集長(zhǎng)大,鋼水凝固時(shí)起著結(jié)晶核的作用,使鋼的晶粒細(xì)化。然而,由于合金元素與C、O、N生成化合物的熱力學(xué)條件不一樣,化合物的穩(wěn)定性不同,使得合金元素對(duì)奧氏體晶粒度的影響不同,甚至有些合金元素還有增大晶粒長(zhǎng)大的趨勢(shì)。因此,鋼中合金元素對(duì)奧氏體晶粒度的影響是不同的。

4.1.1 C、Si、Mn、P元素含量的影響

C、Si、Mn、P元素是鋼中主要化學(xué)成分控制元素,均要求控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范內(nèi),以保證產(chǎn)品組織和性能。從對(duì)晶粒長(zhǎng)大的趨勢(shì)影響來(lái)看,C、Mn、P元素為增大晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)的元素,Si為微弱抑制晶粒長(zhǎng)大的元素[1]。從表2可知,轉(zhuǎn)爐鋼的C、P含量均比電弧爐鋼高0.02%、0.003%,Si、Mn含量低0.01%、0.04%,而Si僅為微弱抑制晶粒長(zhǎng)大的元素。因此,本試驗(yàn)的轉(zhuǎn)爐鋼較電弧爐鋼的晶粒易于長(zhǎng)大。

4.1.2 AlS的影響

從對(duì)晶粒長(zhǎng)大的趨勢(shì)影響來(lái)看,Al是強(qiáng)烈抑制晶粒長(zhǎng)大的元素[1]。采用Al進(jìn)行鋼液沉淀脫氧,Al在鋼中有三種不同的結(jié)合狀態(tài),即Al2O3、Al N和固溶Al,其中對(duì)細(xì)化晶粒起主要作用的是難熔的六方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的Al N,由于在晶界上彌散析出而阻礙了晶界移動(dòng),防止了晶粒的長(zhǎng)大,當(dāng)殘余Al含量在0.009%～0.06%范圍內(nèi)時(shí),容易得到本質(zhì)細(xì)晶粒鋼,但當(dāng)超過(guò)一定數(shù)量時(shí),奧氏體晶粒容易粗化[2]。因此,采用Al脫氧具有阻止晶粒長(zhǎng)大的作用,奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向較小,屬于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。

本次試驗(yàn)的電弧爐鋼及轉(zhuǎn)爐鋼均采用鋁脫氧方式,AlS分析結(jié)果表明在上述殘Al范圍內(nèi),從表2可知兩種冶煉方式的酸溶鋁含量差別不大,因此,Al元素含量在本次試驗(yàn)中對(duì)晶粒度影響不大。

4.1.3 Ti、V、Nb、Mo、W、Cr、Ni含量的影響

從對(duì)晶粒長(zhǎng)大的趨勢(shì)影響來(lái)看,Ti、V、Nb是強(qiáng)烈抑制晶粒長(zhǎng)大的元素,Mo、W、Cr是中等抑制晶粒長(zhǎng)大的元素,Ni是微弱抑制晶粒長(zhǎng)大元素[1],這些元素是殘余元素含量,與煉鋼使用的原材料條件有關(guān)。

從表2中可知,電弧爐鋼及轉(zhuǎn)爐鋼的殘余元素V、Nb、Mo、W含量微量,對(duì)晶粒度影響不大。轉(zhuǎn)爐鋼的殘余Ti、Ni含量較電弧爐鋼低0.01%、0.02%,而轉(zhuǎn)爐鋼的殘余Cr含量較電弧爐鋼高0.02%,由于在本試驗(yàn)中轉(zhuǎn)爐鋼抑制晶粒長(zhǎng)大的殘余元素含量少于電弧爐鋼,因此,轉(zhuǎn)爐鋼較電弧爐鋼的晶粒易于長(zhǎng)大。

4.2 鋼中N、O氣體含量的影響

鋼中氣體含量對(duì)晶粒長(zhǎng)大有直接影響,這是因?yàn)楹辖鹪匾着cN、O形成高熔點(diǎn)的穩(wěn)定的氧化物、氮化物,降低了鋼的晶粒長(zhǎng)大傾向,起著細(xì)化晶粒的作用,是抑制晶粒長(zhǎng)大的元素[1]。從表2中可知,轉(zhuǎn)爐鋼的N含量低于電弧爐鋼21.1ppm,O含量高于5 ppm,因此轉(zhuǎn)爐鋼較電弧爐鋼的晶粒易于長(zhǎng)大。

綜上分析,在本次C-Mn管鋼對(duì)比試驗(yàn)中,轉(zhuǎn)爐鋼的增大晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)元素C、P含量高,強(qiáng)烈抑制晶粒長(zhǎng)大元素Ti、Ni含量及鋼中N含量低,是轉(zhuǎn)爐鋼較電弧爐鋼的晶粒易于長(zhǎng)大的主要原因。需說(shuō)明的是合金元素對(duì)鋼在加熱時(shí)晶粒度的影響是各個(gè)合金元素影響的綜合疊加結(jié)果。

4.3 加熱溫度影響

加熱溫度對(duì)C-Mn管鋼實(shí)際奧氏體晶粒度的影響見(jiàn)圖1所示。

由圖1可知,無(wú)論是電弧爐鋼還是轉(zhuǎn)爐鋼,隨著加熱溫度的升高,實(shí)際奧氏體晶粒度呈長(zhǎng)大趨勢(shì),轉(zhuǎn)爐鋼奧氏體晶粒度長(zhǎng)大趨勢(shì)明顯大于電弧爐鋼。另一方面,當(dāng)加熱溫度在950℃～1 000℃時(shí)晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)加快,之后趨于平緩。

圖1 加熱溫度對(duì)晶粒度的影響

4.4 同一冶煉方式的比較

同一電弧爐生產(chǎn)C-Mn鋼的合金元素及氣體含量比較值見(jiàn)表5。

表5 同一冶煉方式的合金元素及氣體含量比較值

由表5分析可知,電弧爐鋼38號(hào)試樣與21號(hào)試樣相比,P、AlS、N、Si元素含量高, Ni、O元素含量低,抑制晶粒長(zhǎng)大元素多,因此,38號(hào)試樣的晶粒度要細(xì)些。由表4可知,在同等熱處理?xiàng)l件下均存在混晶組織,但38號(hào)試樣本質(zhì)晶粒度的評(píng)級(jí)級(jí)別為6.5級(jí),高于21號(hào)試樣的5.5級(jí)的本質(zhì)晶粒度。由此可見(jiàn),不同的合金元素及氣體含量對(duì)C-Mn鋼本質(zhì)晶粒度有不同的影響。

5 建議及實(shí)施效果

由于合金元素對(duì)鋼在加熱時(shí)晶粒度的影響是一個(gè)綜合疊加的結(jié)果,因此建議:

(1)C-Mn石油套管鋼的C含量應(yīng)控制在規(guī)范的下限,降低鋼中P含量。

(2)適量加入強(qiáng)烈抑制晶粒長(zhǎng)大的V、Nb、Ti微合金元素。鈦鐵合金價(jià)格相對(duì)便宜,因此可對(duì)C-Mn石油套管鋼進(jìn)行微鈦處理,以細(xì)化晶粒。

(3)由于電弧爐煉鋼高溫電弧離解空氣使得鋼中N含量明顯高于轉(zhuǎn)爐鋼,因此對(duì)轉(zhuǎn)爐鋼可采取如底吹N2進(jìn)行鋼液攪拌的措施,以適當(dāng)增加C-Mn石油套管鋼中的N含量。

通過(guò)采取上述措施,C-Mn石油套管轉(zhuǎn)爐鋼軋制后的管材檢測(cè)結(jié)果表明,奧氏體晶粒度平均達(dá)到6.0級(jí),性能檢測(cè)一次合格率提高到100%。

6 結(jié)論

(1)合金元素對(duì)鋼在加熱時(shí)晶粒度的影響是一個(gè)綜合疊加的結(jié)果。本次C-Mn石油套管鋼對(duì)比試驗(yàn)中,轉(zhuǎn)爐鋼的增大晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)元素C、P含量高、強(qiáng)烈抑制晶粒長(zhǎng)大元素Ti含量及鋼中N含量低,是轉(zhuǎn)爐鋼較電弧爐鋼的晶粒易于長(zhǎng)大的主要原因。

(2)實(shí)際奧氏體晶粒度隨加熱溫度的升高呈長(zhǎng)大趨勢(shì),轉(zhuǎn)爐鋼奧氏體晶粒度長(zhǎng)大趨勢(shì)明顯大于電弧爐鋼。在950℃～1 000℃溫度區(qū)間晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)加快,之后趨于平緩。

(3)采取控制C含量,降低鋼中P含量,實(shí)施微鈦處理,適當(dāng)增加鋼中的N含量,可以起到細(xì)化C-Mn石油套管鋼的奧氏體晶粒度的作用,從而提高管材軋制性能檢測(cè)的一次合格率。

[1] 陳德和.鋼的缺陷[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1977:80.

[2] 趙堅(jiān).優(yōu)質(zhì)鋼缺陷[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1991:293—295.

Analysis of Influence Factors for Grain Growth of C-Mn Steel

ZENG Yong-gang

(Technology Planning Dept.,Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.,Ltd.)

Analyzed here are pipe samples rolled from C-Mn oil casing steel produced by converter and EAF.Composition analysis,heat treatment and metallographic examination at different heating temperatures and holding time are conduced on the samples.And influence of alloy elements, heating temperature and gas content on grain size is analyzed.The test results show that austenitic grain size can be refined through controlling of carbon content,reduction of P content,micro-ti treatment and adding N appropriately in steel.

C-Mn steel;grain growth;influence factor

1001—5108(2016)03—0052—07

TG113.1

A

曾勇剛,工程師,金屬材料及熱處理專業(yè),現(xiàn)任攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司科技規(guī)劃部部長(zhǎng)。