超低碳贝氏体钢的合金化与生产概述

超低碳贝氏体钢的合金化与生产概述超低碳贝氏体钢(ＵＬＣＢ)是近2Ｏ年来新研制的高强度、高韧性，并具有优良焊接性能的新钢系，被世界各国称为面向21世纪的新一代钢铁材料。ＵＬＣＢ是当代先进冶金技术与物理冶金研究成果相结合的产物。这类钢运用转炉或电炉冶炼，钢水通过炉外精炼处理，钢中加入可提高淬透性的元素如Ｍｎ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｂ等，通过控轧控冷，使奥氏体转变成极为细小的各种形态的贝氏体板条组织，并通过Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｕ等元素的析出强化，钢材的屈服强度得以大幅度提高，最高可达1000ＭＰａ左右，钢的韧脆转变温度低于-8Ｏ℃，-20℃Ｖ型缺口冲击功大于400Ｊ。ＵＬＣＢ的碳含量一般小于005%，因此碳的危害、碳化物析出的影响等问题基本消除，故其具有良好的焊接性能，可以实现焊前不预热、焊后不进行热处理。目前，ＵＬＣＢ钢在美国、英国、日本、德国等发达国家得到了广泛的应用，已被用在石油天然气管线、工程机械、海洋设施、汽车、桥梁、造船、海军军舰、压力容器等领域。ＵＬＣＢ钢的合金化Ｃ是钢中最基本的强化元素，溶入钢中起固溶强化的作用，碳含量增加会促进碳化物及马氏体的形成，但对钢的焊接性及低温韧性不利，为此，ＵＬＣＢ钢要求具有极低的碳含量，一般小于0.05%，接近于铁素体中碳的溶解度，但是，碳含量也不能够无限制的减小，碳含量应该能够在确保不会由于贝氏体相变不完全而形成马氏体的前提下，又足以与微合金元素Ｎｂ发生反应形成ＮｂＣ，否则，钢中缺少足够的ＮｂＣ，韧性显著下降，一般认为，碳含量不应低于0.01%。Ｍｎ是钢中重要的强韧化元素，提高钢中的锰含量，能扩大γ区，降低转变温度，扩大轧制范围，促进晶粒细化，从而增加了钢的强韧性，冲击转变温度几乎不发生变化，在ＵＬＣＢ钢中，根据板厚及强度要求，Ｍｎ的加入量一般为1.5%～2.0%。Ｍｏ可以降低Ｂｓ转变温度，Ｍｏ和Ｂ的共同作用能够使铁素体析出线明显右移，强烈推迟铁素体转变，但对贝氏体转变影响较小，从而在较宽的冷却速度范围内都能够得到完全的贝氏体组织。提高钢中的Ｍｏ含量，钢的强度明显提高，但是，随着Ｍｏ含量的增加，钢的韧性显著恶化。Ｎｉ的强化效果虽然不如Ｍｏ和Ｍｎ，但它能明显改善钢的韧性，特别是用Ｃｕ时效强化的ＵＬＣＢ钢中，必须同时加入05～2倍的Ｎｉ，以降低铜的热脆性。ＵＬＣＢ钢中通常还加入Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ等合金元素进行微合金化。微量Ｎｂ在超低碳贝氏体钢中，起着极为重要的作用：首先，在贝氏体钢中，微量元素Ｎｂ与Ｂ的共同作用，能够显著地提高钢的再结晶终止温度，在热机械轧制工艺(ＴＭＣＰ)过程中，Ｎｂ应变诱导析出于奥氏体晶界，因而强烈地延迟了奥氏体的再结晶，使未再结晶区的控制轧制更易于实现，从而保证了奥氏体基体中的畸变积累，导致贝氏体转变的形核数量大幅度增加，细化了晶粒，改善了贝氏体钢的综合性能；第二，微量Ｎｂ的析出物强烈阻止贝氏体组织中高密度位错的移动，从而保证了超低碳贝氏体钢组织及性能回火的稳定性；第三，贝氏体钢中微量Ｎｂ与Ｃｕ、Ｂ等元素的相互作用，大大降低了相变温度，使贝氏体相变能够在较低的温度下进行转变，相变后的贝氏体板条细小，从而促进了超细组织的形成；第四，微量Ｎｂ与Ｃｕ、Ｂ等元素的综合加入，加速了高温变形后的应变诱导Ｎｂ(Ｃ、Ｎ)的析出，明显地稳定了奥氏体中的位错结构，阻止了新相组织的进一步长大，在贝氏体相变过程中大幅度提高了贝氏体中的位错密度，从而使贝氏体钢具有高的强韧性；第五，在超低碳贝氏体钢的焊接过程中，钢中Ｎｂ、Ｂ原子的偏聚及析出阻止了加热过程中奥氏体晶粒的进一步粗化，保证了焊接后热影响区组织的性能。Ｔｉ在ＵＬＣＢ钢中的作用是固定钢中溶解的Ｎ，否则Ｎ将与Ｂ结合，降低Ｂ的作用，一般来说，要固定钢中的Ｎ，Ｔｉ的浓度应是Ｎ浓度的3倍以上，但是过量的Ｔｉ会损害钢的韧性。生产实例1舞钢超低碳贝氏体钢ＷＨ70舞钢采用电炉及炉外精炼、4200ｍｍ轧机控轧、控冷工艺，经过优化合金设计方案，严格控制加热、轧制及冷却参数，钢板经适当的时效处理，成功研制出超低碳贝氏体钢ＷＨ70，钢板的最大厚度达到了50ｍｍ。合金设计：舞钢开发超低碳贝氏体钢ＷＨ70钢种的合金系列采用Ｍｎ-Ｎｂ-Ｃｕ-Ｂ型，为了改善钢的低温韧性，将钢中Ｃ含量控制在0.05%以下，为了能够在40ｍｍ以上规格的厚板中获得更多的贝氏体组织，将钢中Ｍｏ的加入量控制在0.35%左右。工艺控制：(1)冶炼经过90ｔＵＨＰ+ＬＦ/ＶＤ真空精炼，钢液在真空下进行残氧脱碳反应，以控制较低的碳含量。并进行Ｃａ处理以控制钢中的Ｓ含量及对硫化物形态进行控制，采用氩封保护浇注。(2)控轧工艺采用Ⅲ型控轧技术。与Ⅱ型控轧相比，Ⅲ型控轧可以充分发挥大轧机的能力，实现再结晶区-未再结晶区-两相区三个阶段的控制轧制。近年来的研究发现，经微Ｔｉ处理的含Ｎｂ钢最适合于Ⅲ型控轧工艺：采用210ｍｍ连铸坯轧制≤30ｍｍ钢板，30ｍｍ厚板则用钢锭开坯(坯厚300ｍｍ)，二次成材。钢坯加热温度1180～1220℃，加热时间10ｍｉｎ/ｃｍ。在此温度范围内加热，Ｎｂ与Ｖ的碳化物均可完全固溶，有利于其在冷却时的再析出。而由于ＴｉＮ颗粒仍未溶解，因此不会造成晶粒过分粗大。第Ⅰ阶段控轧道次变形率≥10%，最大道次变形率必须大于20%，第Ⅰ阶段终轧温度控制在1000℃左右，累计变形量应60%。道次间隙利用立辊高压水辅助进行轧件降温，轧制过程中可用四辊高压水降温，这样做的目的是为了缩短第Ⅱ阶段开轧前的待温时间，以避免出现粗大晶粒(混晶)。第Ⅱ阶段控轧开轧温度：930～950℃，道次变形率≥10%，累计变形率50%。终轧温度控制在880～900℃。由于形变诱导沉淀作用，Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ等元素的碳、氮化物在晶粒内的变形带析出，这些析出物将进一步阻止铁素体晶粒长大，随着变形量的加大，变形带数量也增加，其分布更均匀，这些变形带也提供了相变时的形核地点，因而，相变后的铁素体晶粒也更加均匀细小。第Ⅲ阶段控轧在Ａｒ3以下温度进行。开轧温度控制在820℃以下，终轧温度控制在760～730℃。在此温度区内进行轧制，可在铁素体析出之后予以变形，并在其晶粒内部形成大量位错，进而形成亚结构，亚结构可使钢的强度升高、脆性转变温度降低，这是引起强度迅速增加的主要原因。一般来说，两相区轧制温度越低，越有利于提高钢板强度。但是，许多研究者指出，终轧温度太低，会造成钢的韧性恶化。(3)钢板水冷提高轧后水冷速度，将会使组织相对细化，有利于减轻贝氏体的脆性。另外，随冷速的提高，粒状组织量减少，贝氏体量增加。粒状组织形成温度较贝氏体高，它是块状铁素体与Ｍ/Ａ岛的混合组织，粒状组织量的减少将会使钢的韧性得到改善。根据舞钢4200ｍｍ轧机的生产状况，水冷速度控制在4～8℃/ｓ，水冷终止温度控制在560～620℃。(4)时效工艺运用Ｃｕ的时效析出物ε-Ｃｕ微粒对钢进行沉淀强化，是近几年来广泛运用的一种工艺方法。美国、加拿大等国对这一领域进行了深入的研究，其Ｃｕ-Ｎｂ-Ｂ系ＵＬＣＢ钢被广泛地应用于高强度油气管线、海洋设施及军用舰船等方面。ε-Ｃｕ的沉淀作用的强弱取决于Ｃｕ的加入量及时效处理的温度，其时效强化的峰值温度约为550℃，此时ε-Ｃｕ微粒析出数量最大，且尺寸最细小，但是，在该温度下，钢的韧性指标所受到的影响也达到极大值，因此，一般工业应用中，均在高于该温度区进行过时效处理，使其析出物适当长大，以减轻对钢韧性的损害。从舞钢生产的超低碳贝氏体钢ＷＨ70钢板的力学性能试验结果看，舞钢生产的超低碳贝氏体钢ＷＨ70钢板的屈服强度在590～775ＭＰａ，抗拉强度在70Ｏ～830ＭＰａ，-20℃冲击功在176～276Ｊ，各项性能指标达到了技术条件要求，且有较大富裕量。2鞍钢超低碳贝氏体钢ＨＱ590ＤＢ鞍钢开发超低碳贝氏体钢ＨＱ590ＤＢ钢种的合金系列采用Ｍｎ-Ｎｂ-Ｂ型，为了改善钢的低温韧性，将钢中Ｃ含量控制在0.03%以下。其生产工艺路线为：铁水预脱硫-转炉冶炼-ＲＨ处理-Ｃａ处理-连铸-板坯加热-粗轧-精轧-层流冷却-卷取。采用的钢坯规格200×1300×6000ｍｍ。(1)加热温度不同的加热制度影响奥氏体原始晶粒度，而奥氏体原始晶粒度又影响再结果后的晶粒大小。ＨＱ59ＯＤＢ钢中含有005%左右的Ｎｂ，此类钢加热到1150℃以上时，奥氏体晶粒开始长大，而该钢中又含有0.02%的Ｔｉ，奥氏体晶粒开始快速长大的温度为1200℃以上，考虑希望能有相当数量的Ｎｂ溶入奥氏体中，因此，加热温度设定为1150～1200℃。(2)变形量在控制轧制过程中，道次变形量和总变形对钢材性能影响很大。一般情况下，在高温再结晶区轧制时，道次变形量应满足再结晶所需的应变，以避免混晶，因此，为了获得完全的再结晶，道次变形量应≥15%，总变形量为40%～50%。在未再结晶区轧制时，通过施以较大的变形量，使奥氏体晶粒变薄，拉长，增大有效晶界面积，使轧后冷却时获得细小的相变组织，这样，未再结晶区的道次变形量应≥10%，总变形量应为50%～75%。依据上述变形量分配原则，控制轧制后的钢材其强度提高，脆性转变温度降低，低温韧性得到明显改善。(3)终轧温度终轧温度影响轧后冷却速度和卷取温度，如果终轧温度明显高于相变点Ａｒ3，产品的最终组织不能充分地细化，将导致钢板韧性劣化，终轧温度确定为Ａｒ3+(50～100)℃，大约为750～850℃。(4)加速冷却对于超低碳贝氏体钢来说，随着轧后冷却速度增加，贝氏体中板条结构比例也增加，最终可得到细小的铁素体和贝氏体混合显微组织，因此，ＨＱ590ＤＢ钢的冷却速度要比传统的控制冷却速度快一些，以获得完全贝氏体组织。(5)卷取温度对卷板的性能也有很大影响。降低卷取温度，使钢的屈服强度稍稍提高，但导致伸长率降低，这其中原因是由于随着终冷温度降低，卷取温度也降低，晶粒细化明显，位错密度增加，引起了屈服强度增加，伸长率降低。另外，在生产ＨＱ590ＤＢ过程中，考虑了热轧带钢厂的卷取能力，设定的卷取温度为(580±20)℃。经对厚度为6ｍｍ的卷板进行力学性能试验，鞍钢生产的超低碳贝氏体钢强度高、低温韧性好、冷弯成型性能优良，在使用过程中，焊接前不需要预热，改善了工作条件，缩短了生产工艺流程，降低了生产成本，提高了工作效率。结语随着能源的日益紧张以及制造工业的发展，对钢铁材料提出了更高的要求，迫使各钢铁企业不断加大高附加值优质品种钢的生产研究，为了提高产品的市场竞争力和追求效益的最大化，超低碳贝氏体钢便应运而生。近年来，由于计算机模拟技术的开发应用，为成分设计、制造技术与工艺改进提供了有效的手段，使材料的性能预报成为可能，超低碳贝氏体钢的研究成果不断涌现，从而使这一具有优良综合性能的新材料得到越来越广泛的应用，可以断言，超低碳贝氏体钢的研究与应用必将成为21世纪钢铁材料的主流。