铌合金在微合金钢中的溶解析出研究

吴国玺 陈韧 李晓亮 孙野 刘承军 姜茂发

【摘 要】本文采用理论分析的方法计算了不同铌、碳含量条件下，铌微合金在管线钢中的溶解析出温度，结合理论计算结果，采用实验室冶炼不同成分管线钢并进行试验检测，确定了不同铌微合金在管线钢中的赋存形式，结果表明，铌微合金溶解析出行为与钢种碳含量和铌含量关系密切，管线钢中添加过多的碳和铌，将导致加热过程中铌不能充分溶解，最终严重影响管线钢的韧性。最终，提出管线钢中合理的碳含量和铌含量设计方案。

【关键词】管线钢 铌微合金 溶解析出

1 引言

钢中微合金的概念早在20世纪60年代就已经提出，通常认为在原有铁基金属基础上添加微量的Nb、V、Ti等碳氮物形成元素，从而对组织和力学性能起有利作用的一类钢材。其中，Nb微合金的使用最为广泛，是最重要的微合金。其中最具代表性的微合金即高钢级管线钢，Nb是其中不可或缺的元素[1，2]。

高钢级管线钢对综合力学性能要求很高，同时要求兼顾高强度、高韧性、良好的焊接性能、一定的耐腐蚀性能等，其中对韧性的要求尤为突出，通常需要低温条件下，进行全尺寸断裂测试（DWTT），因此，高钢级管线钢组织应满足两个条件，一方面，组织均匀细小，另一方面，具有良好止裂性能组织，通常为针状铁素体为主的混合组织。为了获得细小均匀的组织，需要依据Nb在不同温度的溶解和析出行为，采用TMCP轧制工艺[3]。因此，Nb在管线钢中的溶解析出行为显得非常重要，本文对此进行深入研究。

2 铌赋存形式的理论计算

众所周知，Nb在钢中主要以Nb（C，N）形式存在，因此，Nb在钢中的赋存形式主要与Nb、C、N合金含量有关，管线钢中N含量相对稳定，因此，合金设计时主要考虑C和Nb的含量变化即可。

采用理论分析的方法对管线钢中不同Nb和C含量条件下Nb的溶解析出温度进行计算，依据溶度积公式进行计算，结果如图1所示。

图1 不同Nb和C条件下Nb的溶解析出温度

理论分析结果表明，随着钢中Nb和C含量的增加，Nb的溶解温度不断提高，当C含量增加至0.05%，而Nb含量增加至0.09%时，钢中Nb的溶解温度已经提高至1100℃以上，正常情况下，管线钢的加热温度在1150℃～1200℃之间，很难实现Nb的充分溶解。

3 中试试验结果与分析

为了进一步验证Nb在钢中的溶解析出温度，采用实验室小炉冶炼的方法制备不同Nb和C含量管线钢试样，成分如表1所示。

表1试制钢板的化学成分

NO.

C

Si

Mn

Mo+Cr

Nb

Ti

1

0.05

0.23

1.76

0.45

0.081

0.015

2

0.05

0.24

1.75

0.41

0.095

0.016

将不同成分实验钢分别加热到900℃～1250℃保温1小时，淬火，然后重新加热到575℃保温1小时，空冷到室温，对得到的组织显微硬度进行分析测试表征Nb的溶解行为[4]，结果如图2所示。

图2测试结果表明，当钢中Nb含量达到0.095%而C含量0.05%以后，加热温度在1150℃以上Nb才能完全溶解。而Nb含量为0.081%的试样，则加热温度1100℃以上，即可满足Nb溶解条件。

图2 不同成分试样热处理后显微硬度

上述两成分试样经过再加热，并采用TMCP轧制以后，制备成18mm厚DWTT试样，测试结果表明，2号试样，即Nb含量较高试样韧性指标反而很低，但Nb含量0.081%的样品，DWTT结果相对较好。

分析认为，炉膛温度与铸坯温度存在一定温度差，尽管设定加热温度在1150℃，但若铸坯心部也满足Nb溶解要求，则需要提高加热温度并延长保温时间，可是，随着加热温度的进一步提高，管线钢组织将严重粗化，对最终管线钢综合性能影响明显。因此，实际工业生产过程中，建议Nb含量应适当降低，不宜采用0.095%的设计方案。本研究中采用的C含量0.05%，Nb含量0.08%的合金设计更趋合理。

4 结语

管线钢中Nb的溶解析出温度不仅与钢中Nb含量有关，与C含量也有密切关系。理论分析结果表明，随着钢中Nb和C含量的增加，Nb的溶解析出温度呈现增加趋势。

当C含量为0.05%，Nb含量0.095%时，铸坯心部温度大于1150℃才可实现Nb的溶解，中试试验结果也表明，该成分制备的管线钢DWTT性能不合格。

建议研发管线钢时，采用C含量0.05%，Nb含量0.08%的成分设计方案。

参考文献：

[1]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.

[2]郑中，刘宏亮，黄健 等.22mm厚X80管线钢试制1[J].中国科技纵横，2014，（4）：103-103.

[3]董毅，许云波， 肖宝亮 等.含Nb微合金钢动态再结晶行为[J].东北大学学报自然科学版，2008， 29（10）：1431-1434.

[4]刘宏亮，刘承军，王云盛 等.稀土对X80管线钢中铌元素赋存状态的影响[J].稀土，2011，32（5）：6-11.

通讯作者：陈韧（1970-），工学博士，教授，研究方向：冶金反应工程及冶金资源综合利用。E-Mail：toughold@163.com。