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微合金化钢的控制简述

2019-01-23 09:47:00     作者:陈定乾

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  传统上,钢中微合金化元素的作用是细化晶粒,以此来提高钢的强度和韧性,同时依靠微合金化元素的析出来进一步提高强度。钢中常用的微合金化元素有Ti、Nb、V和Al,它们在钢中的作用一般是通过析出强化来提高钢的强度,固溶强化作用对钢的强度贡献则要低得多,因此这些元素在工业生产中的奥氏体化过程中的固溶度则要给以足够的考虑。相对于低碳含量的扁平材,中碳特钢往往含有高的氮含量,这样在钢中就会不可避免地形成大尺寸的TiN,因为TiN的溶度积很小,这些大尺寸的TiN析出物以及钢在凝固过程中所产生的一次析出物对材料的疲劳性能和韧性非常有害,所以要限定微合金化元素的上限含量。

  对于含Cr、Mo的钢,当Nb含量为0.09%、碳含量超过0.6%时,即便是在平衡条件下仍然会有一次析出物产生。在材料进行锻造加工前,通常会采用较高的加热和保温温度,以便使钢水在连铸过程中所形成的Nb的碳化物和碳氮化物充分固溶。对于0.5%C和0.06%Nb的锻钢,Nb的化合物在1250℃的常规加热温度下不会完全固溶。当钢中碳含量越低时,则在同样的温度下固溶的Nb含量越高。微合金化元素在钢中的溶解度不但受碳含量的影响,而且还受氮含量的影响,但对高碳钢中微合金化元素的溶解度影响不大。

  此外,在锻钢中,在平衡条件下,几乎所有的析出发生在奥氏体温度范围内,而低碳含量的HSLA钢(高强度低合金钢)的析出则大量发生在900℃以下的铁素体温度区域,铁素体中的析出物尺寸细小,通常小于10nm,这对于利用其析出强化作用来提高钢的强度是有利的。而在奥氏体中形成的析出物则尺寸相对粗大一些(20-50nm),这对于控制晶粒尺寸是有利的。

  对于合金元素含量比较高的钢来说,合金元素的偏析情况需要给予考虑,特别是当采用模铸来生产原材料时,因为钢锭内部凝固速率很低,更容易导致宏观偏析的产生。利用可移动边界模型对连铸坯中Nb的偏析情况进行了计算,凝固过程中连铸坯的冷却速率是0.2K/s,偏析系数S*=Cmax/Cmin,其中Cmax和Cmin为凝固组织中不同部位固溶的Nb的最大和最小含量,以析出物形式存在的Nb忽略不计。计算结果表明,Nb的偏析程度随钢中碳含量的增加而增加,在碳含量为0.2%-0.5%时达到最大。根据文献提供的经验公式,钢中碳含量还会改变二次枝晶间距,并在0.15% C时具有最小的值。除了碳含量,钢中Nb的偏析系数S*还受其他合金元素的影响,促进铁素体形成的Si和Mo会减小S*,而N和Ni则会增强Nb的偏析趋势。

编辑:陈曦     来源:中国冶金报-中国钢铁新闻网
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