低合金鋼的高溫控制軋制探討

徐 鋆

（靖江特殊鋼有限公司，江蘇 泰州 214500）

在進行型材和異型材生產(chǎn)的過程中制造煤氣管道鋼板確定的合金化工藝并不完全適用。型材的應(yīng)用主要是保障其具備良好的韌性和焊接性能，因此通常情況下需要將其含碳量控制在0.1%以下。這種鋼材在控制軋制生產(chǎn)過程中，如果實際總變形量能夠達到60%~70%的情況下，終軋溫度通常情況下出在再結(jié)晶終了溫度以下。另外，由于型材需要充分保障及焊接性能，因此含氮量也應(yīng)該嚴(yán)格控制在0.004%以下。上述這些規(guī)則已經(jīng)得到了行業(yè)專家的充分認(rèn)可，這也充分表明鋼微合金化已經(jīng)具備了充足條件。

1 型材的微合金化

通常情況下型材含碳量會在0.04%~0.8%的范圍內(nèi)出現(xiàn)波動，因此通常情況下會選擇生產(chǎn)效率較高的軋機在超過1000℃終軋溫度條件差軋制，也會選擇生產(chǎn)效率較高的軋機進行軋制。在此情況下低溫控制軋制難度非常大，一般情況下不可能實現(xiàn)[1]。大多數(shù)的型材使用的都是經(jīng)過電弧爐冶煉的鋼進行軋制，氮含量相對較高是其主要特點。鑒于此，生產(chǎn)煤氣管道的型材等在工藝參數(shù)和化學(xué)成分方面顯然存在較大差異，也就表示其微合金化利用途徑也會存在差別。

而如何才能夠生產(chǎn)出滿足要求的微合金化棒材屬于關(guān)鍵問題，進行高溫軋制的過程中需要充分保障能夠最終獲取細(xì)晶粒組織。對于平軋來說該問題的有效解決非常重要，這主要是因為在這種溫度條件的軋機上開展軋制很難實現(xiàn)。另外，隨著冶金行業(yè)中控制軋制逐步推廣和實行，很可能會導(dǎo)致的出現(xiàn)軋制間隙或大負(fù)荷現(xiàn)象，在此情況下會導(dǎo)致生產(chǎn)率出現(xiàn)損失，軋材也很可能會出現(xiàn)不均勻微觀組織[2]。

2 低合金鋼熱變形中的奧氏體

2.1 奧氏體對鐵素體晶粒的影響

在傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝模式下，熱處理僅僅是在再結(jié)晶終止溫度以下的溫度條件下產(chǎn)生變形，高于再結(jié)晶終止溫度的情況下可以達到不結(jié)晶奧氏體超過60%的要求。在加熱過程中上部溫度區(qū)域會首先產(chǎn)生粗變形，隨后將奧氏體在低于再結(jié)晶溫度的情況下將其晶粒軋平。奧氏體在反復(fù)細(xì)化和變形的過程中可以最終得到單相微粒鐵素體。根據(jù)相關(guān)專家研究發(fā)現(xiàn)，鐵素體晶粒尺寸這大小會受到奧氏體晶粒尺寸和界限表面的影響，因此在熱軋制的過程中應(yīng)該盡可能將奧氏體的晶粒軋平，在這種情況下才能夠保障鐵素體的晶粒要比奧氏體晶粒更細(xì)，這也是傳統(tǒng)低溫控制軋制的基本原理[2]。但是目前仍然有很多方法可以獲得鐵素體細(xì)化組織。與此同時也需要注意到如果奧氏體的晶粒小于20μm的情況下，其分界面不斷增加本身對鐵素體晶粒細(xì)化較大影響。根據(jù)上述表述可以知道，充分利用重復(fù)再結(jié)晶的方式可以這種獲取小于20μm的奧氏體晶粒，而且在一定情況下即使不利用低溫軋制獲得的鐵素體晶粒更細(xì)，這種方法完全可以應(yīng)用在不適合采用低溫控制軋制的型材生產(chǎn)中。

2.2 釩、鈦、鈮氧化物和碳化物含量對鋼材的影響

而且對于在結(jié)晶溫度區(qū)域來說在進行熱軋的過程中要盡可能將其控制在低溫終止再結(jié)晶，合金化處理選擇會受到這種設(shè)想的一定影響。在高溫區(qū)進行熱軋的過程中為了能夠讓完全再結(jié)晶得到進一步簡化，應(yīng)該盡可能降低再結(jié)晶終止溫度。奧氏體在熱軋過程中產(chǎn)生的變化程度可以綜合合金析出的結(jié)果來進行評價。雖然在溶解過程中再接近變化會相應(yīng)減慢，但奧氏體的變化效果可以通過固溶體析出合金來實現(xiàn)[3]。在詳細(xì)對比釩、鈦、鈮的氧化物和碳化物溶解度特征之后可以發(fā)現(xiàn)，溶解度最高的屬于碳化釩，碳化釩通常情況下是在溫度相對較高的情況下析出，碳化鈮和碳化鈦溶解度等屬于中間溶解度的化合物能夠在變化后產(chǎn)生分散硬化的作用。由于碳化釩本身具有較高的溶解度，不管鋼材中的碳含量多少，都可以在低碳鋼和共析體鋼中應(yīng)用。另外，氮化鈦的硬度最大，通常情況下是在非常接近于固相溫度或熔化態(tài)溫度的情況下析出。氮化鈦如果能夠保證穩(wěn)定析出就能夠成為一種最理想的化合物。在所有中等溶解度的析出物中，與碳化釩相比較，氮化釩具有更高的析出潛能，在鋼材中只有保證氮充足的情況下釩才能夠完全實現(xiàn)合金化。此外需要注意的是，氮會對鈮產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，與碳化鈮相比較氮化鈮的溶解度更低，因此往往是在奧氏體中才具有析出趨勢。

根據(jù)上述的表述可以知道如果鋼材中含有鈮的情況下要盡可能將其氮含量控制在最低。雖然氮對鈮會產(chǎn)生負(fù)面影響，但是對礬有積極作用，因此在合金元素選擇了鈮礬的過程中必須要體現(xiàn)出原則性的差別。由于鈮本身的溶解度相對較低，因此它在中、高碳當(dāng)中的利用也受到了限制。如果鋼材中的含碳量超過0.2%、加熱溫度處在1150℃的情況下，很有可能會出現(xiàn)大部分的鈮不溶解的現(xiàn)象，在這種情況下奧氏體的細(xì)化必然會受到影響[4]。通常情況下型材和異型材是以1150℃作為典型的加熱溫度，利用低溫加熱不僅能夠?qū)崿F(xiàn)燃料消耗的有效控制，也能夠讓鋼的性能得到有效改善，由于氧化礬的溶解度完全符合要求，因此釩合金化效果不會降低。在進行低合金鋼高溫控制軋制的過程中合理的利用礬來促進氮化物形成非常重要。

微粒的最初大小以及穩(wěn)定性等都會對最終析出結(jié)果產(chǎn)生影響。而且在細(xì)散微粒析出的過程中最能體現(xiàn)出其硬化效果，與氮化釩相比較，碳化釩的粗化速度更快，因此鋼材中含有釩的情況下氮能夠表現(xiàn)出正面的促進作用。為了能夠充分保障最終硬化效果達到標(biāo)準(zhǔn)要求，只要存在氮情況下必須要對礬的含量進行有效控制。

在進行高溫軋制的過程中細(xì)小再結(jié)晶奧氏體晶粒的獲取方法有很多，其中一種是對其析出微粒變形。在相同的軋制條件下再結(jié)晶晶粒在合金用量不斷提升的情況下會更小，但與之相比較，最為有效的方法是在軋制過程中為獲取細(xì)小氮化鈦創(chuàng)造有利條件。在近幾十年的研究過程中細(xì)小氮化鈦已經(jīng)成為一項重點的研究項目。其具有有效緩沖連續(xù)鑄造過程中鋼中產(chǎn)生的細(xì)小裂紋的作用；同時也能夠在高溫軋制過程中實現(xiàn)晶粒大小的有效控制，也能夠讓焊接后熱工影響區(qū)域的性能得到有效改善，在這種情況下鋼的淬透性也能得到進一步改善[5]。高溫軋制過程中的奧氏體晶粒大小會受到氮化鈦的較大影響，圖1為加熱溫度對奧氏體晶粒大小的影響。

圖1 加熱溫度對奧氏體晶粒大小的影響

對原始尺寸粗大的奧氏體晶粒非和凈化碳鋼以及原始晶粒較小的釩鈦鋼進行11道次的軋制之后最終獲取的晶粒尺寸大小基本相同，都處在20~30μm范圍內(nèi)。由此可以知道，奧氏體的初始結(jié)構(gòu)并不會決定奧氏體晶粒最終的平均大小。大部分的非合金化碳鋼經(jīng)過多道次軋制后形成的再結(jié)晶晶粒會繼續(xù)擴大，與此同時，經(jīng)過再結(jié)晶之后，晶界氮化鈦微粒會得到進一步加固，在這種情況下其晶粒并不會繼續(xù)增長，因此利用高溫軋制方法也能夠最終獲得大小處在20μm范圍內(nèi)的奧氏體晶粒，而在獲取氮化鈦晶粒之后就能夠?qū)崿F(xiàn)再結(jié)晶控制軋制的順利應(yīng)用。為了能夠?qū)崿F(xiàn)熱軋工藝的最優(yōu)化，可以充分借助于計算機技術(shù)來進行模型模擬，計算機模型模擬方法具有極高的可靠性，整體的試驗成本相對較低[6]。根據(jù)模擬模型試驗可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在氮化鈦微粒的情況下奧氏體的變化率會隨著溫度增加而不斷減小。此外，不管終軋溫度具有多大差別，最終都能夠獲取尺寸基本一致的奧氏體晶粒，都處在20μm范圍內(nèi)。由此也可以充分證明鋼中含有氮化鈦的情況下要想獲取微合金化金屬軋材高溫再結(jié)晶控制軋制屬于最為有效的一種方法，類似的軋材很難通過低溫環(huán)境軋制獲取[7]。另外，目前有很多方法可以提升奧氏體的變化率，例如可以利用快速冷卻或者是微合金化的方法來實現(xiàn)。在進一步分析碳鋼和分散析出氮化釩硬化鋼關(guān)系之后可以知道，與碳鋼相比較，含有釩的鋼的奧氏體晶粒尺寸要大得多，這很可能是因為奧氏體在產(chǎn)生變化的過程中出現(xiàn)了微粒析出，在這種情況下鐵素體晶粒的增長速度受到限制，同時也對其細(xì)化產(chǎn)生影響。

2.3 氮化鈦微粒對鋼材的影響

根據(jù)氮和鈦的可溶性關(guān)系可以知道，當(dāng)鈦添加量增加的情況下，例如實際添加量超過0.04%時，在融化開始的階段就會析出氮化鈦。這也充分證明當(dāng)處于高溫狀態(tài)下時，氮和鈦的融合速度非?？?，此時通過控制顯微組織的方法失效。為了能有效提升氮化鈦微粒的細(xì)分散性，也就使得將氮化鈦的析出起始溫度的降低，必須要將鈦的添加量嚴(yán)格控制在0.01%-0.015%的范圍內(nèi)。另外，還要充分保障其具有較高的硬化和冷卻速度。如果采取連續(xù)澆鑄方式成產(chǎn)鋼錠的情況下都可以滿足該條件。在針對最佳鈦氮比進行確定的過程中必須要對細(xì)分散量以及微粒的穩(wěn)定性進行充分考慮。

根據(jù)碳鋼的晶粒生長動力學(xué)可以知道，當(dāng)鋼中的鈦含量達到0.01%的情況下，氮的含量為0.011%-0.016%范圍內(nèi)時，會明顯對奧氏體晶粒的增長形成抑制效果。

如果適當(dāng)減小鈦氮比的情況下，氮化鈦微粒會出現(xiàn)明顯的增大效果。其中鈦：氮=1或者更小的情況下為最佳鈦氮比。氮含量持續(xù)增加的情況下，氮化鈦微粒效果更好，這主要是因為氮含量的增加使得微粒的穩(wěn)定性更高。

奧氏體溶體內(nèi)部取代元素的實際含量與析出微粒的穩(wěn)定性存在之間關(guān)系；隨著奧氏體內(nèi)部取代元素含量不斷下降微粒的穩(wěn)定性會不斷增加。氮含量增加的情況下，鋼中能在奧氏體中溶解的鈦含量就會相應(yīng)減少。根據(jù)聚集理論可以知道，有氮化鈦的增長相對比較緩慢，因此微粒的穩(wěn)定性也會相對較高。

對于電爐鋼來說其氮含量通常為0.01%，因此非常以后利于氮化物的析出。合金化鋼中通常奧氏體晶粒尺寸都相對較小，因此合金化鋼的韌性往往更好。在1200℃溫度條件下時，微合金化鋼的韌性完全能夠等同經(jīng)過淬火或和回火處理后鋼的韌性。

如果鋼中存在一種以上的微合金化元素額，那么礬和鈦是否會產(chǎn)生負(fù)面的相互作用呢？一些專家曾今針對存在一種以上合金化元素鋼的分散微粒成分計算方法開展研究，該計算過程的主要依據(jù)并不是此處微粒的穩(wěn)定性，而是微粒的組成成分。分析鈦礬鋼經(jīng)過鍛造后的各項數(shù)據(jù)指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，在鋼中添加鈦后能發(fā)揮出明顯效果，從另一個角度來看，含鈮鋼中如果存在氮化鈦的情況下就可能是另外一種情況。而且根據(jù)相關(guān)文獻表明，鈦鈮氮化物的融合程度很小。

為了能夠從高溫區(qū)獲取顆粒直徑較小的奧氏體晶粒，也就是在超過再結(jié)晶終了溫度軋制的情況下或顆粒直徑較小的奧氏體晶?？梢酝ㄟ^快速冷卻的方式來實現(xiàn)，在此過程中可以將鐵素體晶粒進一步細(xì)化到5-6微米。但需要注意的是，這些理論已經(jīng)在實踐中被證實，不是未來研究的重點領(lǐng)域。如果將終軋溫度超過1000℃的25m厚鋼板，采取快速空冷的方法可以保障其強度達到550N/mm2，而且也能充分保障軋制后板材保持良好的韌性。

3 結(jié)束語

在大量實踐中發(fā)現(xiàn)，在超過1000℃的終軋溫度條件下軋制成的直徑達到40mm棒材經(jīng)過快速冷卻后，強度能夠達到550N/mm2，而且棒材具有良好韌性。由此可以充分說明，在進行冶金產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中針對不能利用低溫控制軋制方法獲取的產(chǎn)品，完全可以利用微合金化方法進行高溫控制軋制。不斷加大對再結(jié)晶控制軋制理論的研究具有重要的實踐意義，充分利用該理論能夠讓型材以及棒材的軋制更加體現(xiàn)出經(jīng)濟性，在此基礎(chǔ)上冶金企業(yè)就能夠進一步提升產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益。