微合金化技术的开发与应用

微合金化技术的开发与应用 中信微合金化技术中心专家委员会 王祖滨 （2000年11月）

1． 开发微合金化技术的重要意义 在不久前召开的第四届国际低合金高强度钢会议（HSLA Steel '２０００）的一篇特邀报告（W.B.Morrison）中写道，过去半世纪中，钢铁材料最重要的发展无疑要数低合金高强度钢。在１９８４年，有人估计世界低合金高强度钢的产量约为５千万吨，并将以每年５％的速度增长。而目前的估计约为８千万吨，相当于世界钢产量的十分之一，这与当时的预测是很接近的。作者认为，低合金高强度钢普及之快的原因在微合金元素Nb、V、Ti的合理和经济的使用。虽然并不是所有的低合金高强度钢都进行微合金化，但是由于微合金化对提高低碳结构钢强度的显著作用，在不少场合往往把微合金钢和低合金高强度钢等同起来。应该指出，目前微合金化已经不仅用于以板带材为主，以供应状态直接供用户使用的低合金高强度钢，而且在线材、钢筋、钢轨以及锻材方面广泛应用。专家预测，在即将到来的２１世纪中，微合金化的低合金高强度钢不仅在用量上有大幅度增长以及在广阔的用途上取代碳素钢，而且微合金化可以作为一种能降低成本，符合可持续发展要求又能促进技术进步的手段来开发综合性能更好的钢铁产品。 ２. 微合金化技术的原理 众所周知，传统的低合金高强度钢采用固溶强化机制，加入的合金元素Mn、Si、Ni、Cu、Cr等元素大约在百分之一、二的数量级。增加含量不仅不能提高强度，而且使其他性能恶化。根据文献资料，V、Ti等元素在本世纪初即已开始使用，而Nb在本世纪中发现有较大储量后也开始用于钢铁产品。它们的加入量分别在千分之一、二甚至万分之几的数量级。数量虽小，但是由于它们的作用机制不清楚，产品性能不稳定，甚至牺牲塑性、韧性这样一些重要结构材料性能，而未受到重视。这个局面直到进行了大量研究工作，对微合金钢的物理冶金有了深入的理解以后才有根本变化。理解这些问题的关键是Petch发现的晶粒尺寸与强度及断裂性能之间的定量关系。这个关系式能区分微合金化元素的不同作用并加以定量化，而且早期的研究即已表明，主要是碳化物及氮化物的形成而引起晶粒细化和析出强化，这是这些微合金化元素强烈影响性能的原因所在。 用Al来细化钢的晶粒从而改善钢的强、韧性，已有半个多世纪的历史。从广泛意义上讲，微合金元素有七、八种，但是，研究得最多、用得最广的是Nb、V、Ti。微合金元素与钢中的Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓ形成多种化合物，从而对性能产生多种影响。微合金元素能够影响的显微组织参数是晶粒尺寸和形状；各种尺寸的析出物；位错密度；织构演变；非金属夹杂物的尺寸和形状。对微合金钢来说主要是晶粒细化和析出强化。 晶粒细化是不同强化机制中唯一的既能提高强度又能降低脆性韧性温度的方法。微合金元素通过析出质点在从冶炼凝固过程到焊接加热、冷却过程中影响晶粒成核和晶界迁移来影响晶粒尺寸。对在加热过程中抑制奥氏体晶粒长大最为强烈的是Ｔｉ，依次为Nb、Ａｌ和Ｖ。但是从加入量来说，在控轧和正火钢中Ｎｂ用比较低的含量，即现在常用的0.03%左右即能起显著的作用。Nb对晶粒细化的独特影响表现在它对奥氏体再结晶有强烈的延迟作用。用0.03%Nb即可将完全再结晶所需的最低温度提高到９５０℃左右，从而显著降低控轧对轧机负荷的要求。由于Ｔｉ在连铸冷却条件下生成弥散的ＴｉＮ，对阻止奥氏体晶粒细化有很强的效果，８０年代初，开发了一种V-Ti-N微合金钢，适合在高温区细化晶粒的再结晶控轧工艺，为不能进行低温轧制的老式低轧制力的轧机进行控轧开辟了途径。最近的研究表明Nb-Mo系钢也适合此种工艺。近年来，在钢板，特别是厚板的焊接中，为了提高效率，广泛使用大线能量。这种措施对焊接热影响区韧性极为不利。由于ＴｉＮ熔点很高，在焊接热影响区都能抑制晶粒长大，所以加微量Ti0.03％能显著改善热影响区韧性。 微合金元素的另一重要作用是析出强化。这种最有效的强化是由在奥氏体转变成铁素体过程中或转变之后随即生成的碳氮化物引起的，它们在铁的晶格中对位错运动起了阻碍作用。强度的提高与析出质点的体积分数及尺寸大小成比例。在微合金化钢中，由析出引起的强化可能非常显著。这是由于析出质点非常细，通常小于10nm。在多数钢中V比Nb更易溶解。因此加钒由于质点体积分数较大，析出强化作用更为显著。 析出强化与晶粒细化不同，在提高强度的同时也提高脆性转折温度。当两种机制叠加时，在不同钢种中的影响就大不一样。Nb的强度增量主要靠晶粒细化，而且在0.04％以下增加很快，而Ｖ的强度增加主要靠析出强化，强化的分量很小。Ｔｉ的作用居中，特别是0.08％以下靠晶粒细化，超过０.０８％，析出强化起主要作用。由于晶粒细化能降低转折温度，而析出强化提高转折温度，综合影响的结果是，Ｎｂ在0.03-0.04％以下，Ti在0.08％以下降低脆性转折温度，但是Ｖ不论含量多少都将提高脆性转折温度。 还应指出，微合金元素都能收集间隙原子C、N，这个原理已被用于开发无间隙原子（ＩＦ）钢，其中含Ｔｉ或Ｔｉ－Ｎｂ的带钢具有特别好的冲压性能，而且适宜进行连续退火和热镀锌。最近又开发了一种含Ｔｉ＋Ｖ的ＩＦ钢，由于ＶＣ在铁素体中具有高的溶解度，使它具有优良的烘烤硬化性。Ti作为N的收集元素在其他类型钢中也起一定作用。当Ti加入铌处理的HSLA钢中发现有若干益处。轧钢时在奥氏体中富N的NbCN析出要少，使轧制力降低，而且可以提供更多Nb，从而增加析出强化。而另一方面，Ti加入到V处理钢中时，析出强化的份量看来要降低，除非有意地加N以抵消上述作用。 微合金元素的复合加入被证明对性能的影响要比单个元素加入的影响之数学相加要大得多。例如，为了开发屈服强度达到700Mpa的热轧带钢，采用了多种合金元素和微合金元素，集合了晶粒细化、固溶强化、析出强化和位错强化（相变强化）多种强化机制。为了开发现代的高强度钢经常综合多种强化机制以期获得多种性能的最佳配合。 ３．应用微合金化技术要与优化工艺过程相结合 微合金化技术采用千分之几到万分之几的微合金元素就能显著影响钢的性能的事实受到广泛的重视，这是理所当然的。但是要用好微合金化技术必须与优化工艺过程相结合，却往往没有受到应有的重视，这是值得注意的。这里所指优化工艺过程的含意有两个方面。第一，正是由于微合金元素用量相对较少，而且它们影响性能的机制对工艺参数比较敏感，因此，对成分和工艺参数的控制应该有比采用一般合金元素更严格的要求，也就是说控制在比较窄的范围内，并保证在由钢水到钢材的全过程中，尽可能均匀一致。第二，鉴于微合金元素的某些独特作用，只有在一定的工艺条件下才能实现，必须创造必要的工艺条件和研究工艺参数的优化。 １９９０年，Ｊ．Ｍ．Ｇray在北京第二届国际低合金高强度钢会议报告中对１９６０－１９９０年期间钢铁冶金生产工艺技术的变革以及与钢材品种质量有关的特性进行了归纳。笔者对以后的发展又作了相应的补充（见表1）。为了更好发挥微合金化技术的作用，需要不断优化工艺过程，向现代生产工艺靠拢，即高炉 —— 铁水预处理——转炉顶底复合吹炼或超高功率电弧炉冶炼——钢包喷粉、喂丝——真空除气——板坯或方坯连铸。多种多样的钢包冶金工艺的开发为优化生产流程创造了有利条件。

表１ 钢铁冶金生产工艺的变革 生产流程 １９６０年 １９９０年 １９９５年 特性 炼铁 高炉 高炉与铁水预处理 高炉及铁水预处理 去除P、S、Si 炼钢 平炉、电炉、kaldo 顶底复吹转炉 顶底复吹转炉、超高功率 降低C 电弧炉 钢包冶金 无 RHOB、VAD、VOD、 RHOB、LFV、喷粉、 去除S、P、O、 CAB等 喂丝等 N、C 浇注 钢锭 连铸 连铸及薄板坯连铸 控制偏析与显 微组织、弥散 TIN质点 轧钢 重新加热 热装热送，控轧 热装热送、控轧 合金元素充分溶解 轧后处理 空冷或热处理 加速冷却或直接淬火 加速冷却或直接淬火 合金元素充分溶解

对于微合金钢，目前需要对连铸和控轧控冷两个环节给予特别关注。 现在，几乎所有的低合金高强度钢种，包括微合金钢，都可用连铸生产。为了得到无缺陷和化学成分及内部组织均匀的连铸坯，需采用现代工艺技术所能提供的一切可能措施。如采用钢流保护系统，以防止浇注过程中钢水吸氧和氮。采取浸入式水口或氩气保护，有效地防止氧化烧损。必须妥善选择钢包用耐火材料，以保证钢液的纯净度。 微合金钢连铸需注意的主要问题是铸坯表面在弯曲和随后矫直过程中容易产生横裂。这是由于奥氏体中的析出使热塑性低谷的宽度和深度增加所引起的。为防止裂纹，从化学成分上需把铌、铝这样的元素降低到为获得最终性能所需的最低含量，从工艺上需调整二次冷却，使板坯在变曲时的表面和边部的温度避开钢的热塑性低谷区。 近所来，连铸微钛处理钢引起人们的特殊兴趣。由于连铸冷却的特殊条件，能够生成弥散的ＴＩＮ夹杂物，对阻止奥氏体晶粒细化有很强的效果。 薄板坯连铸连轧新工艺正逐渐成熟。快速冷却有诸如减少偏析、改变夹杂物性质及形态和抑制某些析出等特点。有必要针对这些特点开展相应的研究和开发工作。 虽然人们早已看到降低轧制终了温度能够提高钢材强度和改善韧性，但由于低温轧制时轧机需承受较大的载荷，而且冷却到一定的低轧制温度时，需要增加道次间的停留时间，因而这一工艺未获得广泛应用。由于微量铌对奥氏体再结晶有强烈的抑制作用，使含铌钢在相对较高的温度下进行控制轧制，从而使这项工艺得到有效的应用，而且打开了应用铌钢的局面。轧后加速冷却或所谓控制冷却工艺不仅影响转变温度，而且能够抑制转变前的奥氏体晶体粒长大，可以进一步减小晶粒。控制冷却主要是控制析出温度，使其在较低温度进行，因此，终冷温度十分关键。控制冷却速度和终冷温度可以得到不同的显微组织，从而获得不同的强韧性的配合。铌、钒、钛或者复合微合金化的钢都可利用这个原理。 由上所述，微合金钢的生产决不是在碳素钢基础上加点合金就能收到改善质量，提高性能的效果，没有相应的工艺，优化的制度，就不可能收到预期的效果，甚至带来不良的影响。要根据工厂的装备条件，根据微合金化原理，选择并优化工艺制度，这是当前推广微合金化技术过程中需要遵循的原则。