N含量對(duì)移動(dòng)容器用正火鋼組織及性能的影響

劉春明

(1.東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110004；2.寶山鋼鐵股份有限公司 中央研究院，上海 201900)

0 引言

目前，用于儲(chǔ)運(yùn)制冷劑、液化石油氣的-40 ℃低溫移動(dòng)罐車，基本采用抗拉強(qiáng)度為470～600 MPa的16MnDR正火鋼板制造。由于16MnDR鋼板強(qiáng)度級(jí)別低，致使罐車的設(shè)計(jì)壁厚較厚。國(guó)外已采用抗拉強(qiáng)度600 MPa以上的低溫移動(dòng)容器鋼，尤其是P460NL1鋼種的應(yīng)用，顯著降低了移動(dòng)罐車罐體壁厚和總質(zhì)量，提高了其裝載能力[1-2]。P460NL1是EN 10028-3中的鋼種，其板厚≤20 mm時(shí)，屈服強(qiáng)度≥460 MPa，抗拉強(qiáng)度630～725 MPa[3]。為減小國(guó)產(chǎn)移動(dòng)罐車罐體的壁厚、提高移動(dòng)罐車的容重比和運(yùn)載效率，開發(fā)抗拉強(qiáng)度≥600 MPa,-40 ℃沖擊吸收能量?jī)?yōu)良的正火型低溫移動(dòng)容器用鋼板，顯得十分必要和迫切，其研發(fā)成功將具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

大量研究[4-7]表明，采用V-N微合金化技術(shù)可提高正火鋼板的強(qiáng)度。強(qiáng)化機(jī)理是：通過添加一定量的V，并匹配相應(yīng)數(shù)量的N，利用析出強(qiáng)化機(jī)制提高鋼板強(qiáng)度；同時(shí)，通過細(xì)化正火后組織的晶粒來保證鋼板獲得優(yōu)良的低溫韌性[8-10]。本文基于以上思路，以-40 ℃低溫壓力容器用16MnDR鋼的成分為基礎(chǔ)，添加適量的Ni,并利用V-N微合金化技術(shù)，研發(fā)抗拉強(qiáng)度≥600 MPa級(jí)別的高強(qiáng)度低溫移動(dòng)容器鋼，并對(duì)其強(qiáng)度、-40 ℃低溫沖擊吸收能量以及鋼板熱成型溫度的適應(yīng)性進(jìn)行研究。為研究高強(qiáng)度移動(dòng)容器用正火鋼以及該類鋼的熱加工性能提供準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用50 kg真空冶煉爐，在16MnDR鋼的成分基礎(chǔ)上，添加適量的Ni,V，N元素，冶煉的3爐試驗(yàn)鋼，保持C，Si，Mn，Ni,V元素的含量基本不變，N含量分別為0.094‰，0.129‰，0.198‰，各元素化學(xué)成分如表1所示。冶煉的鋼水直接澆鑄成125 mm(厚)×180 mm(寬)×235 mm(長(zhǎng))的鋼錠，將鋼錠在電阻爐中加熱至1 200 ℃，保溫2 h，利用?370 mm熱軋?jiān)囼?yàn)機(jī)，將鋼錠軋制成20 mm 厚鋼板，軋后空冷至室溫，隨后在箱式電阻爐中加熱至910 ℃，保溫30 min，進(jìn)行正火處理，出爐后空冷至室溫。

表1 不同N含量試驗(yàn)用鋼的熔煉化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

(1)顯微組織分析。

從不同N含量鋼板上取樣，利用金相顯微鏡MEF4A觀察金相組織并對(duì)其進(jìn)行評(píng)級(jí)。為了統(tǒng)計(jì)晶粒尺寸，采用10%高氯酸醋酸溶液對(duì)試樣進(jìn)行電解拋光，利用OXFORD公司的電子背散射衍射(EBSD)系統(tǒng)進(jìn)行分析，并用CHANNEL5軟件進(jìn)行了晶粒尺寸的統(tǒng)計(jì)。

(2)力學(xué)性能測(cè)試。

沿鋼板的橫向取樣，分別在電子拉伸試驗(yàn)機(jī)Zwick Z100和儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)RKP450上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)及-40 ℃沖擊試驗(yàn)，拉伸試樣為?10 mm的圓棒拉伸試樣，沖擊試樣為10 mm×10 mm×55 mm夏比缺口試樣。

(3)斷口及組織分析。

對(duì)沖擊試樣斷口，利用掃描電鏡EVO MA25進(jìn)行斷口形貌觀察分析，在沖擊試樣斷口附近，通過線切割截取透射電鏡試樣，并采用10%高氯酸醋酸溶液對(duì)試樣進(jìn)行電解雙噴減薄，減薄后的試樣在透射電鏡JEM-2100上進(jìn)行觀察成像。

(4)熱加工工藝。

沿鋼板的橫向取尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的熱模擬試樣，采用Gleeble 3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行模擬熱加工及淬火試驗(yàn)，將試樣以0.6 ℃/s的升溫速率，分別升至870，910，950 ℃，并保溫5 min，隨后通氦氣以最大的冷卻速度將試樣冷卻至200 ℃以下。試樣研磨拋光后經(jīng)飽和苦味酸腐蝕，在金相顯微鏡下觀察晶粒度并進(jìn)行評(píng)級(jí)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同N含量鋼板的金相組織

910 ℃正火處理后的金相組織見圖1。可看出，不同N含量的鋼板金相組織均為鐵素體+珠光體+少量的貝氏體，而且鐵素體帶及珠光體帶交替分布，帶狀組織形貌非常明顯。隨N含量提高，鋼的晶粒逐漸細(xì)化。按照GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評(píng)定方法》中的規(guī)定，采用與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖比較的方法，對(duì)帶狀組織進(jìn)行評(píng)級(jí)，3個(gè)試驗(yàn)鋼的帶狀組織均為C系列4級(jí)。通過電子背散射衍射(EBSD)，對(duì)晶粒尺寸進(jìn)行了測(cè)量統(tǒng)計(jì)，如圖2，3所示。與光學(xué)顯微鏡觀察的一致，隨著N含量提高，鋼的晶粒得到細(xì)化，尤其當(dāng)N含量提高至0.198‰時(shí)，最大晶粒直徑由16.82 μm左右，細(xì)化至14.30 μm，平均晶粒尺寸由3.31 μm細(xì)化至1.96 μm，晶粒細(xì)化效果顯著。

圖1 正火態(tài)鋼板金相組織

圖2 EBSD測(cè)量的正火態(tài)鋼板的晶粒組織

圖3 不同N含量鋼板正火態(tài)晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)

2.2 TEM觀察組織形貌及析出相

采用JEM-2100型透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)試驗(yàn)鋼的組織形貌及析出物尺寸和分布進(jìn)行觀察，其結(jié)果見圖4。組織為鐵素體和珠光體，3種N含量下鋼中珠光體片層均較細(xì)小，鐵素體內(nèi)可見大量細(xì)小且彌散分布V(C,N)析出顆粒，這些細(xì)小且彌散析出的V(C,N)顆粒在鋼中起到析出強(qiáng)化的作用。高倍下觀察10個(gè)視場(chǎng)，統(tǒng)計(jì)得到析出物尺寸見表2，可看出，V(C,N)顆粒尺寸以10～20 nm為主；N含量0.094‰和0.129‰時(shí)析出物尺寸及分布差異不大，但N含量0.198‰鋼中析出物更多且更彌散、細(xì)小。蘇航等[11]研究表明，V-N鋼在熱軋后空冷過程中析出的V(C,N)顆粒，在隨后正火保溫過程中，部分溶解，而未溶解的V(C,N)析出相能夠釘扎奧氏體晶界，同時(shí)這些粒子發(fā)生粗化，在正火后的冷卻過程中，這些粗化的粒子成為晶內(nèi)鐵素體形核的異質(zhì)核心，從而細(xì)化了鐵素體晶粒。N含量0.198‰的鋼，正火后V(C,N)析出相數(shù)量更多、尺寸更細(xì)小、分布更彌散，因此對(duì)鐵素體晶粒細(xì)化的效果更好，與金相組織圖和晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果相吻合。

(a)N含量0.094‰

(b)N含量0.129‰

(c)N含量0.198‰

表2 不同N含量析出相尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.3 力學(xué)性能隨N含量的變化

910 ℃正火處理后，鋼的室溫拉伸試驗(yàn)及-40 ℃低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。通過V-N微合金化，鋼板正火后屈服強(qiáng)度大于480 MPa，抗拉強(qiáng)度大于600 MPa，鋼板強(qiáng)度級(jí)別達(dá)到了60 kg級(jí)。

(a)強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率

(b)-40 ℃沖擊吸收能量

隨著N含量的提高，鋼板的屈服強(qiáng)度上升，但抗拉強(qiáng)度下降。當(dāng)N含量由0.094‰提高至0.198‰時(shí)，屈服強(qiáng)度提高了37 MPa，而抗拉強(qiáng)度下降了27 MPa，但塑性明顯改善。N含量由0.094‰提高至0.129‰時(shí)，鋼板-40 ℃低溫沖擊吸收能量略有改善，當(dāng)N含量提高至0.198‰時(shí)，鋼板-40 ℃低溫沖擊吸收能量顯著提升，平均值達(dá)到146 J，相較于N含量0.094‰時(shí)的63 J，提高了83 J。

低碳鋼屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系，通常用霍爾-配奇公式[12]來表示:

σs=σ0+Kd-1/2

(1)

式中σs——屈服強(qiáng)度，MPa;

σ0——常數(shù)，相當(dāng)于單晶體金屬的屈服強(qiáng)度,MPa；

K——表征晶界對(duì)強(qiáng)度影響程度的常數(shù),MPa·mm1/2；

d——多晶體中各晶粒的平均直徑,mm。

可知，N含量增高，晶粒尺寸變細(xì)小，晶界數(shù)量增多，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大，抵抗裂紋擴(kuò)展的能力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致鋼板屈服強(qiáng)度提高，同時(shí)-40 ℃低溫沖擊吸收能量顯著提升。在本研究中，隨著N含量的增加，晶粒細(xì)化，因此，細(xì)化晶粒是提高屈服強(qiáng)度和低溫韌性的主要因素。

圖4所示的不同N含量的鐵素體內(nèi)存在大量細(xì)小且彌散析出的V(C,N)顆粒，確保了鋼板獲得足夠的抗拉強(qiáng)度。但是，已有研究證實(shí)[13]，由于N含量的增加，作為鐵素體形核的異質(zhì)核心V(C,N)析出相也隨之增多，促進(jìn)了鐵素體體積分?jǐn)?shù)的增加，導(dǎo)致珠光體體積分?jǐn)?shù)減少。對(duì)鐵素體-珠光體型鋼而言，珠光體為抗拉強(qiáng)度的主要貢獻(xiàn)者，因此，隨著N含量的提高，抗拉強(qiáng)度有所下降。

2.4 沖擊試樣斷口形貌

不同N含量的正火態(tài)鋼板沖擊試樣斷口的宏觀形貌如圖6所示。

圖6 不同N含量正火態(tài)鋼板沖擊試樣的斷口宏觀形貌

N含量0.094‰和0.129‰試樣的沖擊斷口均以脆性斷裂為主，纖維斷面率僅為10%～20%，整個(gè)斷口幾乎都為放射區(qū)，剪切唇的面積也很小。而N含量0.198‰鋼的沖擊試樣斷口以韌性斷裂為主，纖維斷面率達(dá)到80%左右。對(duì)塑韌性較好的材料，斷裂時(shí)裂紋沿兩側(cè)和深度方向穩(wěn)定擴(kuò)展，形成中部突進(jìn)式的纖維區(qū)，然后失穩(wěn)擴(kuò)展成放射區(qū)，最后形成剪切唇[14]。N含量0.198‰鋼的沖擊試樣斷口宏觀形貌就具有這樣的特征，而且其剪切唇的面積較大。在掃描電鏡下進(jìn)行觀察(如圖7所示)，N含量0.198‰試驗(yàn)鋼沖擊試樣斷口遍布韌窩，N含量0.094‰和0.129‰鋼基本上都是準(zhǔn)解理斷口，區(qū)別僅在于二次裂紋及撕裂棱的數(shù)量上。沖擊試樣斷口宏觀和微觀形貌的觀察結(jié)果與其所對(duì)應(yīng)的-40 ℃低溫吸收能量的大小相一致。

圖7 不同N含量正火態(tài)鋼板沖擊試樣的斷口微觀形貌

2.5 鋼板熱成型工藝適應(yīng)性

熱成型是壓力容器制造過程中常采用的工藝，較高的熱成型溫度會(huì)造成鋼板組織粗化，從而惡化鋼板的出廠性能。采用熱模擬方法，研究試驗(yàn)鋼的熱成型溫度的適應(yīng)性。

不同保溫溫度下的試樣，經(jīng)研磨拋光、浸蝕，其結(jié)果如圖8所示。可以看出，在870 ℃的熱加工溫度下，不同N含量試樣的晶粒均很細(xì)小；隨著熱加工溫度的上升，N含量0.094‰及0.129‰鋼板的晶粒明顯粗大，N含量0.198‰鋼板隨熱加工溫度升高，晶粒尺寸雖然有所粗化，但粗化程度小，在溫度達(dá)到950 ℃時(shí)，其晶粒度仍然較細(xì)小，大于10級(jí)。這是因?yàn)?，鋼板再加熱至奧氏體化溫度后，之前在正火后析出的V(C,N)，隨著再加熱溫度的提高，溶解量逐漸增加，奧氏體晶界的阻礙減少，導(dǎo)致奧氏體晶粒逐漸長(zhǎng)大，而N含量0.198‰的鋼析出的V(C,N)的量較多，盡管溫度上升至950 ℃，仍然有部分未溶解，而未溶解的V(C,N)析出相能夠繼續(xù)釘扎奧氏體晶界，起到減緩?qiáng)W氏體晶粒長(zhǎng)大的作用。

(a)N含量0.094‰

(b)N含量0.129‰

(c) N含量0.198‰

3 結(jié)論

(1)在16MnDR鋼成分基礎(chǔ)上，添加適量的Ni、合理的V，N元素配比，利用V-N微合金化技術(shù)，鋼板經(jīng)正火處理后抗拉強(qiáng)度達(dá)到60 kg級(jí)水平，并且可以獲得優(yōu)良的強(qiáng)韌性匹配。

(2)抗拉強(qiáng)度為60 kg級(jí)的V-N微合金化正火鋼，V含量穩(wěn)定在0.14%～0.20%時(shí)，隨著N含量的提高，屈服強(qiáng)度上升，抗拉強(qiáng)度下降。N含量由0.094‰提高至0.129‰時(shí)，鋼板-40 ℃低溫沖擊吸收能量略有改善，當(dāng)N含量提高至0.198‰時(shí)，鋼板的組織及低溫沖擊吸收能量改善明顯，組織更加細(xì)小，平均晶粒直徑細(xì)化至1.962 μm，-40 ℃低溫沖擊吸收能量顯著提升，平均值達(dá)到146 J，與N含量0.094‰時(shí)的63 J相比，提高了83 J。

(3)模擬熱成型試驗(yàn)表明，隨著熱加工溫度的提高，不同N含量的鋼板晶粒都有所粗化，但是N含量0.198‰的鋼板晶粒粗化程度小，其對(duì)用戶熱加工溫度的適應(yīng)性好，可以適用于用戶的高溫?zé)岢尚凸に嚒?/p>