微合金化钢技术基础 - 文章

微合金化钢技术基础

作者：东涛孟繁茂傅俊岩

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1 钢的微合金化，微合金化钢和微处理钢

我们已介绍过，合金钢范畴区分为低合金钢，中合金钢和高合金钢几个钢种类别。从20世纪60年代起，出现了钢的微合金化（Microalloying of steel），慢慢地认同了这个提法。微合金化是一个笼统的概念，通常指在原有主加合金元素的基础上再添加微量的Nb、V、Ti等碳氮物形成元素，或对力学性能有影响、或对耐蚀性、耐热性起有利作用、添加量随微合金化的钢类及品种的不同而异，相对于主加合金元素是微量范围的，如非调质结构钢中一般加入量在0.02—0.06%，在耐热钢和不锈钢中加入量在0.5%左右，而在高温合金中加入量高达1—3%。先有钢的微合金化，那么微合金（化）钢又如何定义呢？微合金化钢首先限定在热轧低碳和超低碳的圈子里，此外还有几个公认的基本属性：

① 添加的碳氮化物形成元素，在钢的加热和冷却过程中通过溶解一析出行为对钢的力学性能发挥作用。
② 这些元素加入量很少，钢的强化机制主要是细化晶粒和沉淀硬化。
③ 钢的控轧控冷工艺对微合金化钢有重要意义，也是微合金化钢叫做新型低合金高强度的依据。钢的微合金化和控轧控冷技术相辅相成，是微合金化钢设计和生产的重要前提。

微合金化钢是指化学成分规范上明确列入需加入一种或几种碳氮化物形成元素，如GB/T1591—94中Q295—Q460的钢，规定：

Nb 0.015～0.06%
V 0.02～0.15%（0.20）%
Ti 0.02～0.20%

有时为了弥补生产厂在装备和工艺技术方面的不完善，在冶炼时添加＜0.015%Nb或＜0.05%V，＜0.02%Ti的非合金钢和低合金钢，称为微处理钢，依加入碳氮化物形成元素种类，习惯上叫作微Nb处理、微Ti处理等等，交货时不要求作该成分的检验。

微处理可有效地提高16Mn原规格钢板、20MnSi大规格螺纹钢筋的屈服强度约10—20Mpa，改善A、B级一般强度板和X42—X46级管线钢的低温韧性，还可使16Mnq、15MnVNq桥梁钢板的时效敏感比降低或消除。据不完全统计，1998年我国微合金化钢的产量为346万吨，占年全低合金高强度钢总产量55.1%。微处理钢（主要是Nb处理和Ti处理，还包括稀土处理钢在内）产量大致也在300万吨左右。

近20年来，世界钢铁工业最富活力和创造性进展，莫过于低合金高强度钢生产装备和工艺技术前所未有的变革，几乎使低合金高强度钢的所有品种领域更新了一代，甚至两代。微合金化钢属于低合金高强度钢范畴，或者说是新型的低合金高强度钢。

我国80年代以来的钢材生产及近年的钢材品种结构调整同样表明了：

① 低合金高强度钢的新发展，借助了钢铁生产工艺技术的一切进步和最新成就。
② 低合金高强度钢的产量大，使用面广，适应了方方面面特殊性能要求，支持了各行各业产品的升级，增加了我国的机电产品和成套装备生产的竞争力。
③ 微合金化带动了我国富有合金资源的生产和综合利用，微合金化钢生产促进了钢铁企业结构调整和流程优化。

所以，形成了一个崭新的观点，发展微合金化钢就是抓住了基础原材料工业发展的关键，通过变资源优势为产品优势，是实现钢铁强国目标的重要一环。

2 我国微合金化钢发展方向

首先看看市场对微合金钢提出了什么样的要求，在“九五”期初根据对石油天然气、铁道、交通、船舶、建设、电力、煤炭、石化及机械制造等9个行业的需求的调查，17个主要钢材品种2000年的需求量为2276万吨，国内有能力提供约2000万吨，各品种的市场占有率在50～100%，平均为88%，因此提出以产顶进，每年减少进口200万吨的目标。从这一统计得知，主要微合金化钢基本上靠自给，微合金化钢根据市场需求，不断开发、不断进取，可以满足日益增长的需求。

我国钢铁工业发展很快，我国已成国世界最大的钢铁生产国和最大的钢材消费国，每年还进口大量钢材，见表1。

表1 历年进口钢材统计（万吨）

进口钢材中1999年棒材154万吨，同上年比降低44.2%，板带材1220万吨，同上年比提高46.3%。在进口板带材中，热轧薄板（<3mm）280万吨，冷轧薄带460万吨，涂镀板223万吨及不锈板109万吨，占总量的72%，中板的进口仅40.9万吨，主要是高强度船板、容器板和高层建筑用钢板。从这部分统计中可以看出，进口钢材主要是非合金钢的薄规格板带，国产钢材的质量有了很大改善，进口板带对国产低合金钢及微合金化钢的自主发展的影响不大，这是十分有利的形势。

今后发展方向：

① 中低强度等级是工程结构用钢的主体

在现行标准的非合金钢7个品种，低合金钢8个品种和合金钢14个品种，合计29个品种的247个钢材牌号中，型钢、薄钢板、中厚板、无缝管和线材的201个品种的838个钢种牌号中，约有87.5%属于中低强度范围。再如近30年用于工程结构的低合金钢专用钢新开发的108个牌号中有74个抗拉强度等级等于600Mpa。

② 发展通用性钢材

钢材品种的普遍要求是通用性。钢材品种的多样化，反映了不同用途对钢材性能要求的差异，但钢的化学成分、生产流程、供应与验收又是大同小异的，通过制备过程对钢板表面和内在质量的控制，以保证性能上各不相同的需求。我国16Mn钢及其派生的16Mn专用钢系列就是一个通用性的例子。再如近20年来开发的微合金钢，用途不一，但采用的合金系列是相近的，见表2。

表2 近年开发的微合金化钢

③ 质量定位在经济性上

钢铁业工艺技术的进步，尤其是冶炼条件的改善，可使钢的洁净度达到较高的水平，不论是传统的联合企业流程还是电炉的短流程，都可以有效控制杂质元素残量，现代钢的化学冶金水平控制见表3。

表3 现代钢的化学冶金水平控制

新一代微合金钢的开发，追求高洁净度，超细晶粒，高均匀性的材质目标，反映了一个新时代的科学技术水准，但焊接工程结构需求钢材质量的主体，应定位在经济档次上。

3 发展微合金化钢的资源优势

在增强市场竞争力的方针指导下，大力开发低合金钢及微合金化钢，也就是要变我国的资源优势为产品优势。

① 铌（Nb）

1801年由英国人哈契特发现了Nb，1802年瑞典人爱克柏格发现了Ta，在64年后的1865年证明了Nb和Ta是两种性质相似的元素，又经常伴生于一体。Nb是一种银白色金属，原子序数41，相对原子量92.9，体心立方晶体结构，熔点2468℃，熔化热27.2KJ/mol。

据1995年统计在《矿产品概要》中的世界Nb资源，储量为1150万吨，另外已知矿床中含有1980万吨。巴西是储量最多的国家，占世界总储量的94%，加拿大储量为4%，其他国家有托伊尔和尼日利亚。烧绿石是Nb的重要工业矿物，其次是铁矿和含Nb的砂矿。阿拉沙是巴西矿冶公司（CBMM）主要矿区，具有150年历史，1999年的报导称按目前世界年消费24000吨Nb2O5的水平，CBMM的矿区可供全世界使用500年，钢铁业是Nb资源的最大消费者，北美西欧和日本主要用于热轧冷轧低合金高强度钢，大口径钢管、不锈钢的生产，约占冶金产品的65—75%。

1996年北美消费Nb-Fe7675吨，西欧消费8405吨，日本消费4700吨，消费强度分别为62、51、48gNb-Fe/每吨粗钢。

我国1981年已查明的Nb资源以Nb2O5计算为163万吨，主要集中在内蒙的白云鄂博和都拉哈拉，工业储量仅5万呢，还有两个不利的特点：铌矿石品位偏低、共生矿物复杂。我国Nb-Fe年生产能力仅40—60吨。其他Nb制品合计也只在50吨左右。在钢铁业的消费主要靠进口，1999年总消费Nb-Fe750吨，消费强度为66%gNb-Fe6.5克/每吨粗钢，按目前低合金钢及微合金化钢发展的趋势2000年、2005年和2010年我国 Nb-Fe消费量分别约为1105吨、2850和4156吨，消费强度将增长到9.2、22、30gNb-Fe/每吨粗钢。

② 钒（V）

1801年由西班牙人矿物学家里奥（A，H，del Rio）发现，元素符号V，银白色金属，在元素周期表中属VB族，原子序数23，原子量50.9414，为体心主方晶体结构，熔点为1902℃。常与Nb、Ta、W、Mo及Ti等并称为难熔金属。

V广泛分布于地壳中，已知含V矿物超过65种，储量在1578万吨。世界V资源主要来源是绿硫钒矿、钾钒铀矿和钒云母，世界主要产钒国是南非和俄罗斯，控制了世界上的钒市场。

中国是世界第三大产钒国，1940年由当时的北洋大学刘际年发现了攀枝花大型铁矿石，矿石含有Fe、V、Ti外，还含有Ni、Cr、Co、Cu、Mo等多种元素，为V-Ti铁磁矿，钒的储量非常丰富，目前已探明的V-Ti磁铁矿近100亿吨，约占全国各类铁矿总储量1/5，占世界V-Ti磁铁矿储量的1/4。含V2O52000万吨，占钒储量58%。1998年攀钢的铁水提钒率达82.39%，生产钒渣12万余吨，V2O5 2082吨，V2O3 412吨，高钒铁1628.75吨。

③ 钛（Ti）

1791年英国格雷戈尔（W·Gregor）在研究某种铁矿时发现其中含有一种新的金属元素，1795年奥地利克拉普罗特（M·H·Klaproth）在研究红宝石时也发现了这种元素，以希腊神话人物Titan命名。地壳中分布极广，金属储量居第9位，含Ti 大于1%的矿物有80余种，钛铁矿储量丰富，是钛工业的主要原料，岩矿主要产于中国，加拿大和美国，砂矿主要产于澳大利亚，南非和印度。

Ti也是银白色金属，元素周期表中属ⅣB族，原子序数22，原子量47.9，a-Ti为密排六方晶体，Ti的熔点1667℃。

我国的岩矿主要分布于四川攀枝花地区，V-Ti磁铁矿中含TiO2约87000万吨，占全国储量90.53%，占世界储量的35.17%。砂矿主要在海南、广东、广西和福建的海滨。

4 铌、钒、钛微合金化元素的特性

钢的焊接性、成型性和断裂韧性要求钢中有较少的非金属夹杂物，控制低氧含量和低硫含量是生产高质量低合金钢的必要条件。为此，首先是铝，有效地脱氧和形成AlN对细化晶粒起作用，已被利用达半个多世纪。Ca和稀土也被广泛应用，对硫化物形态控制十分有效。但真正意义的碳氮化物形成元素，则是Nb、V、Ti。

Nb、V、Ti与Er、Hf、Ta、Cr、Mo、W等元素均为难熔金属，分属于元素周期表的ⅣB 、ⅤB和ⅥB族，均具有形成氮化物和碳化物的能力。Nb、V、Ti与Fe原子的半径差很小，且氮化物和碳化物面心立方结构和钢的面心立方、体心立方基体有共格性，在一定的条件下既可以溶入又可以析出。

① 形成氮化物和碳化物可能性比较

Ti的氮化物是在钢水凝固阶段形成的，实际上不溶于奥氐体，因此能在钢的热加工加热过程和焊接时的焊缝中控制晶粒尺寸，另外由于形成TiN，可以消除钢中自由氮，对抗时效有好处。V的氮化物和碳化物在奥氐体内几乎完全溶解，对控制奥氐体晶粒不起作用。V的化合物仅在g/a相变过程中或相变之后析出，析出物非常细小，有十分显著的析出强化效果。Ti的碳化物和Nb氮化物、碳化物可在高温奥氐体区内溶解，又在低温奥氐体区内析出。Nb、Vi、Ti对奥氐体晶界的钉扎作用使相变后铁素体晶粒得到细化，可以用溶解度积［%M］·［%C·N］表征氮化物或碳化物在不同温度下的可能性大小，如表4。

表4 典型温度下氮化物，碳化物固溶度积

② 对形变再结晶影响的比较

固溶的溶质原子对扩散控制的反应或相变有拖曳作用，从而使再结晶过程推向较高的温度，而碳氮化物的析出既促进相变的生核，又阻滞二次晶粒的长大。从这个角度上衡量，含Nb、Ti的微合金化钢再结晶温度较高，具有较细的奥氐体晶粒。V微合金化钢再结晶温度较低，V—Ti复合又可充分发挥对多次再结晶新晶界的阻滞作用。

③ 对析出强化效果的比较

析出强化的强度增量取决于析出物数量和粒子尺寸，也取决于共格质点的铁原子之间晶格常数的差别。在～0.14%C的碳含量范围内，析出强度产生的屈服强度增量Nb＞Ti＞V。和V相比，要达到相同的弥散强化效果，用1/2的Nb就可以。强化效果又受到在奥氐体中形成析出物倾向的制约，形变促进这种倾向，所以NbC具有的强化效果只是在较低碳含量的钢之中。

5 微合金化钢冶炼

在这里我们只介绍微合金化钢冶炼时一般特点，各种专用钢冶炼的特殊性在相应钢的生产技术部分中将一一说明。

首先我们交代几个基本点：

微合金化钢是一种特殊质量的钢，要求严格控制杂质元素含量，降低非金属夹杂物数量，调整硫化物的形态和分布。

微合金化钢冶炼类同于低碳钢，所不同的是更要注意钢的脱氧和脱硫，研究合金料的加入顺序，以提高收得率。

微合金化钢的精炼工序是不可缺少的，根据不同的成分规范和钢材品种，选用合适的精炼条件的组合，尤要防止钢水二次氧化和连铸过程产生各种缺陷。

根据国内外微合金化钢生产的实践，合金化的一些问题要加以注意：

① Nb微合金化钢

采用普通级Nb铁冶炼Nb微合金化钢

Nb铁的熔点在1580—1630℃，但Nb铁在钢水中不是熔化过程，而是溶解过程，1600℃时的溶解速度大致为20mg/Cm2·秒，所以要根据炼钢炉型和钢包公称容量选择Nb铁的块度，例如：

＞300t大型钢包 Nb-Fe块度20—80mm
最常用钢包 Nb-Fe块度5—50mm
＜50t小型钢包 Nb-Fe块度5—30mm
结晶器添加 Nb-Fe块度2—8mm
包装线喂丝 Nb-Fe块度＜2mm

Nb对氧的亲和力要比V、Ti、Mn低，加入镇静钢中的收得率高达95%以上，

在钢包精炼期加入Nb铁是普遍采用的工艺，Nb铁常在Si、Al和Mn铁之后加入。

钢包吹氩有利于Nb在钢水中的均匀分布，尤其是对于Nb含量较低的钢。

在现代化的冶炼条件下，能达到Nb的标准偏差小于0.0015%。

根据国内研究结果，Nb的合金化也可以采用加入Nb渣的方法或在长枪中喷射Nb精矿的方式。

② V微合金化钢

V对氧的亲合力比Nb强，所以要充分预脱氧，并且要确保在Si、Al加入之后添加。

由于V在钢中的溶解度高于Nb和Ti，尤其是在较高的C和N含量的钢中，但即使在铁素体中，V的析出也仅在40—50%。

为了发挥V在钢中的析出强化作用，使钢中V和N的化学比接近3.6，以V—N合金的形式进行V微合金化，采用Nit rovan12 合金，每加0.01%V可以带入离子态0.001%N。增加钢中氮含量，在相同的析出强化效果下，可以节约合金元素V 20～33%。

③ Ti微合金化钢

Ti在钢中与O、N的亲合力远比Nb、V强，Ti在钢中一般以Ti、TiN、TiS、Ti4C2S2及TiC的化合物形式存在，在60年代以前，普遍认为含Ti的钢是不洁净的，含有大量的O、N、S的夹杂物。只是在精炼技术用于生产之后，Ti微合金化钢得到了肯定。

Ti微金合化趋向于低Ti（0.02—0.03%）或微Ti（＜0.015%），还必须选择适宜的连铸保护渣，以防止结瘤和改善连铸坯表面质量。

6 微合金化钢精炼特点

由转炉或电弧炉冶炼的钢水再在钢包中进行以调温、脱气、去夹杂、变性处理、成分微调及均匀化为目的第二次冶炼，称为精炼，或叫二次冶金。随着钢铁生产装备的科技进步，提供了生产洁净钢的可能性，也使我国微合金化钢生产真正意义上摆脱了“普通”低合金钢的观念束缚。

降低钢中夹杂物含量，减少有害元素的含量，有利于钢的性能潜力的挖掘。洁净钢在理论上是存在的，实际上是有限度的，也就是说，满足钢材品种的性能要求，可以生产又用得起。所以说“超洁净钢”的提法只存在导向上的意义。1992年时曾有人预测在世纪末，钢中C、P、S、N、O、H各元素的纯度可达到±0.2ppm，但实际上2000年的洁净钢的极限水平：

C P S N O H (ppm)
5 10 10 20 5 0.5
∑(C、P、S、N、O、H)＜50ppm

对于不同用途的钢材品种，应当针对性选择有效的精炼制度，例如深冲钢，选用强脱碳的工艺；钢中的P、S从实际钢材的安全使用，≤0.03%也可以满足，但精炼水平可轻易使P、S降到100ppm以下，市场竞争则迫使生产＜10pp的P、S的钢；再如耐蚀钢要求较高P含量、易切钢还需补充添加S含量。钢坯的表面缺陷不仅影响成材表面质量，在使用中可能作为裂纹源引发材料的失效；内部夹杂不只是影响钢的延展性和韧性，影响力学性能的各自异性。在外力作用下，夹杂周围是微空洞有可能合并、长大、以至断裂。所以，钢水的洁净化、夹杂物的形态控制，偏析控制的最优化、以及微合金化和成分微调，都是精炼工序的任务。

为了实现无缺陷、改善加工性能，提高钢的质量，控制某些工艺因素，达到洁净的目的，某些用途的钢材品种对有害元素的控制见表5。

表5 满足优质管线钢质量要求的钢中有害元素含量

目前主要存在两条炉外精炼的技术路线，

① 高炉—铁水预处理—转炉—精炼—连铸
② 海绵铁或预热废钢—超高功率电炉—精炼—连铸

这两种流程在前期由于炉料的不同而有很大区别，而在精炼阶段都是要脱氧、脱硫、脱气、去夹杂及夹杂变性处理。

某些高质量微合金化钢通过某些装备的组合，可以生产出某目标的钢，见表6。

表6 高质量钢的生产工艺

7 防止微合金化钢的连铸裂纹

① 影响连铸坯表面质量的因素

连铸可以实现高产量和高收得率，微合金化钢几乎全部采用连铸生产。连铸不同于模铸，不仅冶炼工艺因素影响铸坯表面质量，连铸期间铸坯表面极易产生种种缺陷，如角裂、星形裂纹、横向裂纹、纵向裂纹以及结疤、气泡等等。影响因素主要是化学成分、过热度、保护渣、拉速和二次冷却、矫直温度，见表7。

表7 影响表面裂纹的因素

② 塑性低谷区是裂纹的根源

大力开发和生产微合金化钢，最大的技术障碍是连铸裂纹倾向，以表面横裂纹为主。原因已弄清，塑性低谷区是裂纹的根源。连铸操作的可靠性、适宜的浇铸速度和浇铸温度、矫直位置、二冷制度可以使钢在低塑性区不产生表面裂纹，通常使矫直时的表面温度在塑性低谷区之外。

③ 防止微合金化钢连铸裂纹技术措施

钢的微合金化可以使低塑区上移或下移，主要原因是AlN、Nb（CN）在奥氐体晶界的析出，增大钢的脆性，裂纹与振痕一致，增加了产生横裂纹的危险性。也有许多研究指出，包晶反应区后的组织应力、Nb （CN）在铁素体基体上的沉淀、以及杂质在晶界的富集也促进裂纹的形成。国外的经验还表明，裂纹的形成率与钢中［%Al］·［%N］乘积有密切关系，对于电炉钢和转炉钢的防止铸坯表面裂纹形成的酸溶铝极限列于表8。在Nb钢中添加V或Ti，可以降低低塑性区的开始温度，尤其是Nb—Ti复合微合金化钢几乎无裂纹敏感性。

表8 铸坯无裂纹的Al酸溶含量极限（%）

8 微合金化钢不宜采取常规轧制

近20多年的冶金科技进步表明，常规轧制并不能使含Nb、V、Ti的低合金钢获得满意的综合性能，而钢的微合金化与控制轧制技术的结合，形成了一代新型的微合金化钢。

常规轧制的形变过程，仅以达到规定的尺寸精度为目的，而控制轧制工艺侧重点在实现细晶化和组织控制，微合金元素的加入的目的在于：

① 细化组织
② 影响相变
③ 沉淀强化
④ 改变夹杂物性质
⑤ 热轧状态达到热处理性能水平

所以，调整轧制参数，优化工艺流程，逐渐建立了控制轧制的理论基础，在60年代末至90年代中期这段时间内，各国创立和开发许多控轧方式，如二阶段控轧。两相区控轧、SHT轧制，控轧+控冷、控轧+直接淬火、等等。研究了加热温度、轧制温度和变形量、中间传搁期，道次间隙时间，终轧温度、冷却速度、卷取温度对钢的组织和性能的影响规律，提出了形变再结晶、应变诱导相变和析出、铁素体轧制等钢的强韧化机制、最后使控制轧制向形变热处理靠拢，形成了热机械处理的工艺（TMCP）。

新的发展是微合金化与TMCP的融合，产生了微合金化钢合金设计的新概念，基本上把控轧分为两大类型：

① 再结晶控轧（RCR）
② 正常化控轧（CCR）

成为高性能钢生产的依据。

9 微合金钢再结晶控轧

1995年微合金化国际会议提出了微合金化钢合金设计的新概念，其核心是奥氐体晶粒的调节，由细小奥氐体转变得到细小的铁素体晶粒，要求高的铁素体形核速率和低的晶粒长大倾向。

再结晶控轧是指在奥氐体再结晶区完成钢的轧制过程，再结晶控轧的温度范围大体上正是常规轧制的温度范围，每道次的压下量也在常规道次压下量的上限附近，无需很大地变动轧钢装备和轧制工艺，就能显著地再结晶细化，因为这种工艺适合我国多数轧钢厂的现状，值得推广采用。

但同常现轧制还是有许多不同：

① 必须对轧制过程实行全面的控制
② 均热温度不能太高，以避免奥氐体晶粒显著长大
③ 有一个较大的再结晶温度区间
④ 动态再结晶细化效果随温度下降而增大
⑤ 保证产生再结晶的道次变形量

实际再结晶控轧微合金化钢的成分要求：

① 由于微小的第二相析出质点强烈阻止再结晶，所以再结晶控轧钢中不能含有在再结晶温度范围内显著脱熔的合金成分，排除Nb（C、N）、TiC、AlN的可能性，也不能形成VN。
② 固溶状态的溶质原子也会阻止再结晶，所以避免采用Nb、Mo、Ti等元素。
③ TiN是高温相当稳定的第二相，抑制液相形成奥氐体的长大。只有适量的Ti（0.01～0.02%）才能形成细小的TiN，又能有效阻止晶粒粗化。
④ 氮含量以形成TiN为限，超过理想化学比，可能增大VN的应变诱导析出倾向，又会缩小钢的再结晶轧制窗口。

因此，目前广泛采用的再结晶控轧钢主要是Ti处理的V—N钢。

10 微合金化钢正常化控轧

正常化控轧，又叫做正火区控轧。

这类控轧要点：

① 根据钢中微合金元素及C、N的含量、按固溶度积公式计算出全固溶温度，轧制的均热温度应略高于全固溶温度。

② 钢的控轧又区分为两种情况，一种有粗轧段，要保证不出现混晶，切忌粗轧在部分再结晶区进行，并在非结晶区留下足够的变形量，以快速冷却进入正常化控轧。另一种是单相奥氐体在非再结晶温度下轧制，形变晶粒细化效果将取决于晶粒碎化程度，终轧温度应高于Ar3。两相区轧制既受到轧机负载能力的限制，而且两相区变形虽有助于强度的提高，但也有损于钢的韧性。

正常化控轧钢的合金设计，主要应满足阻止奥氐体再结晶，使钢的再结晶温度区的下限温度尽量提高，以形成足够的非再结晶区控轧的空间，最基本的添加扩大奥氐体区的合金元素Mn和形成有效阻止晶粒长大的元素Ti和N。从表9所见，Nb对提高再结晶温度最有效，V的作用很微小。作为第二相质点AlN，能产生显著的质点钉扎作用，却不能产生有效的溶质拖曳作用，总的结果对阻止再结晶作用并不很大。所以，正常化控轧微合金化钢设计的思路是在低碳、锰钢基础上，Nb+Ti微合金化，根据强度级别的要求添加少量的Mo、B。

表9 某些低碳钢的100秒无再结晶温度

11 微合金化钢薄板坯连铸连轧的优势

比较生产热轧薄规格板带的常规轧制、薄板坯连铸连轧和带钢连铸三种方式，唯有薄板坯连铸连轧流程可以取得投资少，建厂周期短，高效率和低成本的好处，见表10。而且适用于生产包括油气输送管线钢、滚型车轮用钢、深冲冷轧板原带在内的10多个品种。

表10 连铸、薄板坯连铸、带钢连铸的比较如下

当前市场需抓的热轧板带的品种

1. 通用建筑焊管用钢厚度 d ＜6.0mm
2. 中低压锅炉焊管用钢＜6.0
3. 油气集输管线用钢＜6.0
4. 轻型汽车、农用车用大梁钢板＜4.5
5. 滚型车轮（轮幅、轮辋）用钢板＜5.0
6. 深冲冷轧板原带＜2.0
7. 轻工家电用钢 0.5～1.5
8. 集装箱用钢 0.8～1.6
9. 车辆用薄规格板 0.8～2.0
10. 搪瓷产品用板 1.0～1.5
11. 一般强度造船板（上层建筑）＜2.5
12. 小型水面舰艇用高强度板 2.5～5.0
13. 潜艇用非耐压壳钢板 2.5～6.0
14. 非调质薄装甲板 3.0～6.0

每个品种的用途都有相应的技术要求，因而有不同的冶金质量要求，不同生产流程和工艺特点，薄板坯连铸连轧产品的适用范围见表11。

表11 产品的适用范围

12 微合金化钢的铁素体区轧制

热机械处理是实现钢的细晶化的有效方式之一，几十年的技术开发对热加工四阶段的划分和作用已取得共识，再结晶区形变、非再结晶区轧制、两相区轧制及轧后冷却都可使钢有效地细晶化。

近几年提出铁素体轧制的工艺技术，包含着一些问题的思考：

① 较低温度下轧制对进一步强化是有效的，但同时也带来一些弊端，如较大的变形抗力。组织上的混晶结构，提高韧一脆转变温度、性能的各向异性以及称之为分离（Sapration）的出现等。

② 热机械处理可以使低碳钢得到3—5mm的晶粒尺寸，如果要继续细化，则常通过增加变形道次。薄板坯连铸连轧解决了生产高效率，但要突破压下比的障凝，唯有向中厚度铸坯发展。

③ 市场对热轧超薄规格板带的需求十分迫切，如果能生产出0.8～1.2mm的热轧带，将产生极大的经济效益。至少可以为冷轧提供较薄的原带。

④ 提供了以热轧板替代冷轧板使用的可能性。铁素体轧制工艺的实践表现了这些考虑的正确性，在全世界得到推广应用。工艺上有几个特征：

首先这种轧制工艺适用于低碳钢和超低碳钢，工艺的顺利实施要求（Ar3—Ar1）的窄温差，易于从非再结晶区轧制跨越到铁素体区轧制。

其次，利用了铁素体形变再结晶的轧制实现进一步的细晶化。

第三，这类钢的铁素体轧制温度区一般在900℃左右，不会造成轧制力的超载及低温轧制的一些材质上的缺陷。

微合金化钢，尤其是IF钢一类的产品，碳含量仅20ppm，Nb和Ti可以固定钢中的间隙原子，形成了TiN、Nb（C、N）既可以富化γ→α生核，α—再结晶细化，又有沉淀强化的作用。高强冲压用钢、冷镀热轧薄板及气瓶用钢板等都可采用铁素体轧制工艺。

13 固溶强化不是微合金钢主要强化手段

微合金化钢的基本概念和产品定位已十分明确，加入微合金元素的钢，只有能形成碳、氮化物、并通过细化组织和沉淀强化对力学性能有显著影响的低碳钢。固溶强化并不作为微合金化钢的主要强化手段，

① 固溶强化

低碳钢在常温状态属于体心立方晶格结构的材料，较小原子半径的元素如C、N，通常以间隙的形式固溶在铁的晶格之中，多数合金元素的原子如Nb、V、Ti、Mo、Al等等都置换晶格某个铁原子的位置的形式。固溶造成晶格的畸变，使钢的屈服强度提高。

② 固溶强化受固溶度的限制

溶质原子并不能无限地固溶入铁的晶格，这个限度称为固溶度，在近平衡的状态下，如热轧或正火、回火的钢中，α-Fe中固溶C、N很少，不随有强化作用。

③ 固溶强化是可以估算的。

置换式固溶强化效果远低于间隙式固溶，置换固溶强化效果大的元素又对韧性的危害也较大，所以一般微合金化钢中并不有意地采用置换固溶强化方式。

各合金元素：固溶强化效果通常用公式来计算，如：

σy=∑KMi·［%Mi］=4570［C］+3750［Mn］+83［Si］ + 470［P］+38［Cu］+10［Mo］+80.5［Ti］+113［Sn］+30［Cr］

(注)：式中各元素为固溶态的重量百分数。

14 微合金钢晶粒细化的强韧化机制

低碳钢在常规热轧状态，铁素体晶粒尺寸在14—20μm，屈服强度的增量约在131—148Mpa，正火状态铁素体晶粒尺寸为8—14μm，屈服强度增量提高到240Mpa，控轧控冷后的铁素体晶粒尺寸可达到2—5μm，对强度的贡献为350Mpa，如果铁素体晶粒实现了1μm目标，钢的屈服强度增量有可能达435Mpa，由此可见晶粒细化与钢的强化的关系，屈服强度的增值用下式表达：

△σy=Ky·d^-1/2

式中
Ky为晶粒细化强化系数，
d 为铁素体晶粒尺寸。

晶粒细化对强度有贡献，亚晶和胞壁结构对强度也有作用、有人认为，尺寸在0.4μm以下胞壁结构的强化是主要的。0.4mm以上则是晶界和亚晶界对强化起主导作用。

这里还有一些问题需说明：

① 晶粒细化强化的本质是晶粒间界的位错塞积，凡是影响晶粒间界的因素，自然也影响晶粒细化的强化效果。
② 晶粒细化可以指铁素体，也可以指珠光体，奥氐体、马氐体等。晶粒尺寸是个广义的名称。
③ 在所有强韧化机制中，仅有晶粒细化既提高强度，又能改善韧性，所以它是钢中最重要的强化方式。
④ 到目前为止，韧化理论的发展滞后于强化理论，这与韧性指标的不确定性和韧化原理的复杂性有关。

15 微合金钢析出强化的机制

微合金元素在钢中能形成碳化物、氮化物或复合的碳氮化物，微合金化钢的特点之一就是利用碳、氮化物的溶解一析出行为。微合金化钢的析出强化指在钢的基体内分布的碳、氮化物，还有金属间化合物、亚稳中间相等第二相质点的析出在间界、运动位错之间产生的相互作用，导致钢的流变应力和屈服强度的提高。

第二相质点有两种强化

① 奥洛旺机制（Orowan），因为位错不进入质点，也叫做绕越机制。
② 切过机制，位错穿越质点，造成共格应变、以及对层错、有序化以及弹性模量的种种影响。

但析出能产生强化作用还是有条件的，最重要是析出物颗粒的尺寸和析出物的体积分数。析出物越细小，析出物析出数量越多，强化效果越大。在Nb、V、Ti三种微合金元素中，Nb、 V和Ti的微细析出相才能起这种作用，所以钢的热机械处理（或控轧控冷）要力图实现细小的析出，然而0.003～0.1mm颗粒度的析出都能产生一定的效果。

研究工作的新进展认为，钢的强化（还有韧化）起主导作用的是微合金元素的析出，晶粒细化作用是第二位的，从属的。

16 微合金化钢的相变强化

微合金化钢多数是屈服强度在490Mpa以下，由热机械处理后使用的低碳钢。在这个前提下，简要介绍什么是相变强化。

我们知道，钢的性能取决于钢的组织结构（或称为钢的组织及微观精细结构），而组织结构的主导是由相变决定的。最简单的例子是低碳钢在轧后随冷却条件的变化，有铁素体+珠光体、铁素体+贝氐体、马氐体等几种结构。钢的力学性能也随之有很大的变化，从而可以生产出不同强度等级的钢材品种，用于各种不同的用途。这种情况就归属于相变强化。

相变强度有什么特征

① 钢的化学成分决定要有结构变化的原相（母相），这是前提。

② 发生相变有一个形核和长大的过程，例如随冷却条件的变化，相变有扩散与无扩散之别，在较高温度下的相变过程由扩散控制，低温下的相变为切变控制机制。

③ 应变和冷却是两个重要的驱动条件，在外力的作用下，如热加工或冷变形；在冷却或在加热的情况下，状态失去了平衡，由高能量状态向低能量状态转变。

微合金化钢合金设计的主线是添加的Nb、V、Ti及钢中的C、N等元素的调整，微合金化钢的生产工艺是导演这些元素的行为来表现钢的特性，所以微合金元素及其析出受扩散控制，从而它们影响新相的形核和长大过程。也由于微合金元素对钢的再结晶温度，相变点的影响，并籍助于不同的轧制规范，例如微合金化的管线钢，就有铁素体—珠光体、少珠光体、无珠光体、针状铁素体、超低碳贝氐体等几种组织结构，从而可获得X52—X70不同强度级别的材料。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (6/21/2005)


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