N含量对低成本Q345B组织和性能的影响规律

2020-07-27叶强

商品与质量 2020年17期

叶强

攀钢集团攀枝花钢钒有限公司四川攀枝花 617000

近年来，由于钢铁行业形势严峻，攀钢充分利用钒钛资源的优势，探索了低成本中钛Q345B的生产工艺。采用Ti微合金化的工艺路线，通过降低Mn含量达到降本的效果，通过Ti的析出强化作用，同时保证了低成本Q345B的强度要求。

由于Ti的性质活泼，易与钢中的0、S、N等杂质元素结合形成尺寸较大的化合物，它们既不能细化晶粒，也起不到沉淀强化的作用，因此钢中0、S、N等元素含量的波动会导致产品性能的波动[1]。在生产研发过程中，N含量过高会降低Ti收得率，因此分析了N含量对Ti收得率的影响规律，确定中钛低成本Q345B的最佳N含量，并研究了N含量对中钛Q345B组织性能的影响。

1 N含量对Ti析出的影响

含Ti钢铸坯中主要存在液析TiN、固析TiN、固析Ti4S2C2及MnS等析出物，其中TiN为主要析出相[2]。经Thermo-ca1c计算可知，低成本Q345的液相线温度1514-1522℃。TiN在液钢中固溶度积公式（1）和TiN理想化学配比（2）如下：

（其中，[Ti]和[N]分别为固溶Ti和N的量，T为绝对温度）

如图1，可以得到1500oC下液析TiN的体积分数随着Ti含量的变化关系。设定钢中N含量分别为10ppm、30ppm、50ppm、80ppm和100ppm。可以看出，对于给定的N含量，存在一个临界的Ti含量，高于此值，液析TiN即会产生。对于含有80ppm的N的钢来说，临界Ti含量为0.04%，对于含有50ppm的N的钢来说，临界Ti含量为0.07%。

针对中Ti微合金化低成本Q345，其Ti含量控制在≤0.080，当N含量控制在50PPM以内时，可以避免液析TiN的产生，且按照理想化学配比N最多固定0.0171% Ti，Ti主要还是在更低温度下通过形变诱导析出、相间析出和铁素体过饱和析出TiC的形式产生显著的沉淀强化效果。

2 试验材料和方法

为验证中钛低成本Q345B的最佳N含量，分析N含量对中钛Q345B组织性能的影响，进行了两种不同N含量的含钛Q345B的小批量工业试制。化学成分见表2，1#钢和2#钢的N含量分别为66ppm和30ppm。通过板坯加热-粗轧-6机架热连轧-层流冷却-卷取等流程，制得中钛Q345B钢卷。

轧制冷却后，对两种不同N含量的含钛Q345B钢卷进行取样，分别检测室温拉伸性能和金相组织；拉伸试样为30mm×230mm板状样，金相和扫描电镜试样用3%硝酸酒精溶液侵蚀。扫描电镜实验在日立S4300场发射扫描电镜上进行，扫描电压15kV，并利用配备的EDAX-Genesis6.0能谱仪进行能谱分析。

3 试验结果

3.1 力学性能

采用SANS WE600微机液压万能试验机进行室温拉伸试验，力学性能结果见表3。可见：①两种试验钢力学性能均满足试验要求，且强度富余量较大；②1#钢N含量大于2#钢，相比之下，1#钢延伸率小于2#钢。

3.2 金相组织

表1 N含量对液析TiN消耗Ti含量的影响（Ti含量为0.1%）

表2 两种不同N含量的中钛Q345B化学成分/%

表3 两种不同N含量的含钛Q345B的力学性能

表4 金相组织检验结果

表5 1#钢析出物能谱结果

采用德国ZEISS MEF3金相显微镜进行金相组织分析，检验结果见表4，金相组织照片见图2。可见，①1#钢组织为铁素体+珠光体+微量贝氏体，由于层流冷却时卷取温度偏低，1#钢中形成微量贝氏体组织，并造成其延伸率偏于下限。②2#钢为铁素体+珠光体正常组织，晶粒度为10.5级，且由于钢卷表面层流冷却强度大于心部，故边部组织晶粒尺寸明显小于心部。

3.3 析出相分析

取延伸率21.0%的1#钢和延伸率27.0%的2#钢拉伸余样，进行断口形貌观测和能谱分析。分析结果见图3和表5。可见，延伸率较低的试样含有大量圆形或方形的颗粒，经能谱分析含有大量的Ti。由于Ti在钢中的存在形式包括TiN、TiC、Ti4C2S2等析出物，其中100nm以上的粒子一般是液析TiN，固析的TiN其尺寸在100nm以下，TiC尺寸更小。很明显，图3 所示析出物为液析TiN，且相比于2#钢，延伸率低的1#钢中液析TiN尺寸更大，数量更多。

4 分析与讨论

对于30ppm和66ppm两种N含量钢板的析出物，可得出以下规律：两种成分的钢板中均存在粗大的方形液析TiN，尺寸在3～8μm，从图3和图4可看出，N含量为66ppm的钢板中液析TiN数量更多，尺寸更大。

影响钢板屈服强度的主要原因有以下几种[3]：粗大析出物、夹杂物、带状组织、珠光体含量、晶粒大小及其均匀性、钢材表面状态等。钢板中形成的粗大液析TiN，会造成局部应力集中，成为微裂纹的形核源，可能会导致力学性能下降。

控制TiN析出物细小弥散，其冶炼工艺的关键首先是钢液浇注时过热度要小；此外，应控制N、Ti的浓度积低于钢固相温度下的平衡浓度积，以及控制O、S、N等元素的稳定性；另外，增加浇钢冷却速度也有利于晶粒细化和减小TiN对钢材性能的不利影响[4-6]。为了降低钢中N含量，必须减少精炼、连铸过程中N2溶解，主要措施有强化精炼工序、大包保护浇注等。