Nb元素对微合金钢热处理组织和性能的影响

王子瑜

摘 要： 本文设计了三种含铌量不同的微合金试验钢，采用热处理模拟方法研究了900 ℃奥氏体化550 ℃等温处理后试验钢的组织与性能，结果表明：低铌钢热处理后组织为多边形铁素体加少量板条贝氏体铁素体，随着铌含量增加，试验钢组织中板条贝氏体铁素体含量明显增加，且组织细化，同时随着铌含量的增加强度提高，中高铌试验钢的屈服强度可达到400MPa水平，且屈强比较小。

关键词： 铌微合金钢 热处理 板条贝氏体铁素体

低碳微合金高强度钢是目前高强度钢材研究的热点之一。通过单独或复合加入微量合金化元素Nb、V或Ti，达到晶粒细化、提高力学性能的目的。其中Nb在钢中能显著提高奥氏体的粗化温度和再结晶温度，具有细化晶粒和弥散强化的作用，是提高材料强韧性最为有效的合金元素之一[1，2]。同时，Nb的加入能使钢实现高温轧制，并且Nb的价格相对稳定和相对于V与Ti的低廉，让Nb更具有经济性和竞争力[3]。因此，铌微合金化钢的研究具有重要意义。

本文设计了三种含铌量不同的微合金试验钢，并参照实际轧制过程中高温固溶、终轧温度及卷曲温度这个关键温度参数，采用了热处理模拟方法研究试验钢组织与性能。

1.实验材料及方法

表1为三种含铌试验钢的实际成分，三种试验钢由低铌到高铌的顺序标定为Nb1、Nb2、Nb3。

表1 试验用钢的实际成分（质量分数，%）

将试验钢圆柱锭在箱式炉中加热，加热温度为1150 ℃～1250 ℃，在560 kg的空气锤上进行锻压变形，锻成宽120 mm×厚8 mm的试验钢钢板。将锻压后的钢板试样加热至1230 ℃保温25 min，盐水淬火进行固溶处理。然后将试样加热至900 ℃奥氏体化5 min，迅速分别放入550 ℃硝盐浴保温10 min，空冷。

在热处理后的钢板割取金相试样，经研磨、抛光、腐蚀，利用光学显微镜对试样显微组织进行观察。另取试样，经研磨、冲片、减薄制取透射试样，利用透射电镜观察试样的精细组织与粒子析出情况。

利用网格法[4]对试样进行组织中铁素体含量的测定。

为了对比分析，将SPHC钢放在相同条件下进行试验，其成分为0.05%C、0.02%Si、0.22%Mn。

2.实验结果与分析

图1所示为SPHC钢和三种含铌试验钢热处理后的金相组织。如图1（a）所示，SPHC钢的组织为多边形铁素体加极少量珠光体。如图1（b）所示，Nb1的组织为多边形铁素体加少量板条状组织。Nb2的组织为多边形铁素体加板条状组织加少量粒状组织，但板条状组织的含量明显增多，如图1（c）所示。Nb3的组织为板条状组织加粒状组织加少量多边形铁素体，板条状组织的含量大大增多且出现不少的粒状组织（如图1（d）所示）。

图1 SPHC钢与三种含铌试验钢热处理后的金相组织

（a） SPHC；（b） Nb1；（c） Nb2；（d） Nb3

利用网格法对试样进行组织中铁素体含量的测定，结果如图2，可见随着铌含量的增加铁素体含量减少。

图2 SPHC钢与三种含铌试验钢铁素体的体积分数

（a） Nb1；（b）Nb2；（c） Nb3

表2所示的是热处理后三种含铌试验钢的力学性能结果。可以看出，三种含铌试验钢在550 ℃等温温度条件下，随着含铌量增加，强度提高，而延伸率有所下降，但下降不大。中高铌钢σs>400 MPa，且三种含铌试验钢均有较低的屈强比（<0.8）。

表2 热处理工艺下三种试验钢的力学性能

对比含铌钢和SPHC表明铌可以明显促进贝氏体铁素体的转变，而对比含铌钢随含铌量的增加贝氏体铁素体明显增加。由于贝氏体铁素体相对于铁素体有更高的强度，贝氏体铁素体含量的增加，使含铌钢随着含铌量增加强度提高而延伸率下降不大，加上贝氏体铁素体与铁素体双相共存，使含铌钢有较低的屈强比（<0.8）。在转变温度下，当在奥氏体中有大量的Nb固溶，固溶铌通常对连续冷却过程中的CCT曲线与随后的相变有重要的影响。微量铌与碳、氮形成铌的碳氮析出物，在奥氏体化中，原先固溶铌形成的这类化合物在奥氏体内和晶界析出，这些铌的碳氮析出物会推迟铁素体相转变，促进贝氏体铁素体形成。结果是转变开始温度降低，获得非多边形铁素体组织的可能性更高，在高的冷速下更是如此。已有的研究表明，溶质Nb改变的不仅是转变温度，淬透性的提高也意味着，对相同的一般性条件，尤其在高的冷速下，Nb钢将有更多量的低温转变产物，如针状铁素体、Widmanstatten铁素体和贝氏体型铁素体[5]。在较高铌含量的条件下，铌更有效地阻止铁素体相转变和促进形成更高体积分数贝氏体铁素体的形成及在铁素体中铌的碳氮化物析出，从而进一步提高了钢的强度[6]。从表2可以看出，Nb3中高铌含量并没有带来高的性能，这是因为Nb3中的C含量为0.095%。高的C含量使Nb在固溶阶段固溶不完全。由于C含量高，使奥氏体中铌的溶解度下降，无法更有效地促进铁素体中铌的碳氮化物析出。这是Nb2和Nb3的力学性能相近的原因。

3.结语

（1）试验钢在550 ℃等温后，含铌试验钢与SPHC钢组织有明显变化，低铌钢热处理后组织为多边形铁素体加少量贝氏体铁素体，随着铌含量增加试验钢组织中贝氏体铁素体含量明显增加，且组织细化。

（2）含铌试验钢在550 ℃等温后，含铌钢中随着铌含量增加强度提高而延伸率却有所下降，中高铌试验钢的屈服强度可达到400MPa水平，且屈强比小于0.8。

参考文献：

[1]蔡爱国. 铌钒微合金中碳钢的微观组织与强度的关系[J]. 钢铁研究学报，1996，8（2）：35-39.

[2]陈国安，杨王明，郭守真，等. 低碳微量铌钢形变强化相变的组织演变[J]. 金属学报，2004，40（10）： 1076-1084.

[3]东涛，付俊岩. 铌/钒微合金化400 MPa Ⅲ级钢筋的生产技术[J]. 中国冶金，2004，（5）： 1-5.

[4]孙业英. 光学显微分析[M]. 北京： 清华大学出版社，2003： 78-79.

[5]Anthony J. DeArdo. 铌在钢中物理冶金基本原理.

[6]付俊岩. Nb微合金化和含铌钢的发展及技术进步[J]. 钢铁，2005，40（8）： 1-6.