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Nb含量对20CrMnTiH钢奥氏体晶粒长大行为的影响
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Nb含量对20CrMnTiH钢奥氏体晶粒长大行为的影响
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新日铁住金精密加工用奥氏体不锈钢钢板的开发（下）
来自： 冶金信息网
&　　3、细晶化技术
　　3.1、细晶化技术
　　普通不锈钢的晶粒直径约为20-30&m。在进行微米级精度加工时，晶粒直径对加工精度有影响。晶粒越小，刻蚀制品边缘的直线性和加工面的平滑性越好。在激光加工时，晶界熔点低于晶内，晶界优先融化，因此晶粒细化会使激光加工面的粗糙度变小。也就是说，对于光刻加工和激光加工，钢板晶粒微细化是提高加工面平滑性的有效方法。此外，晶粒细化对提高钢板强韧性以及钢板弯曲部的平滑性都是有效的。因此，在精密加工用不锈钢钢板的开发中，晶粒细化是关键技术。
　　在精密加工用不锈钢钢板301L SE1开发之前，新日铁住金开发出晶粒细化提高疲劳强度的奥氏体不锈钢NSSMC-NAR-301 HS1。该材料作为发动机汽缸盖密封垫片材料被许多汽车制造厂采用，并受到好评。
　　如图3所示，由于从成分设计到冷轧、热处理等制造条件进行一系列的优化和控制，并融合了SUS301L HS1的细晶技术和SUS304 H-SR的T/L处理、S/R处理、特殊洗净工艺等独有技术，开发出高平坦度、低残余应力、光刻边缘高锐度和加工面平滑的精密加工用不锈钢钢板301L SE1。
　　图3：细晶化材的制造思想
　　3.2、晶粒微细化机制
　　SUS304、SUS301L 等亚稳定奥氏体不锈钢，通过热处理使冷轧产生的应变诱发马氏体(&&)发生转变为&的逆相变，获得微细化晶粒组织。但如果热处理温度过低，会形成未再结晶组织大量存在的不均匀组织。若热处理温度过高会导致晶粒粗化。因此，不能在实机生产线上稳定地批量生产微细晶粒不锈钢。新日铁住金为了能够稳定批量生产微细晶粒不锈钢，在利用应变诱发&&的逆相变的基础上，利用热处理析出的微细碳氮化物抑制晶粒长大，实现了微细晶粒不锈钢的稳定批量生产。
　　在利用微细碳氮化物抑制晶粒长大时，利用了热力学计算的方法。图4是利用热力学计算软件Thermo-calc计算出的含Nb的SUS301L 的相图。例如，在SUS301L 钢中添加0.05%Nb时，Nb在1100℃以上的高温固溶到&，在低温时以Nb(C、N)的形式析出。因此，对钢进行固溶处理，使Nb固溶后，在低于固溶处理温度下进行退火，就会析出微细的Nb(C、N)，这些析出物成为晶界移动的障碍(钉扎效应)抑制晶粒长大。
　　图4：添加Nb的SUS301L的计算相图
　　图5和图6是分别从传统的SUS301L 和添加0.1%Nb的SUS301L 制取的薄膜和萃取的复型的图像。试样的制备方法是，对小型钢锭制造的冷轧钢板进行1150℃固溶处理后，进行厚度减薄率为67%的冷轧，然后再分别进行1000℃(a)和850℃退火(b、c)。1000℃退火的未添加Nb的SUS301L 钢板的平均晶粒直径是10&m，而850℃退火的未添加Nb的SUS301L 钢板的平均晶粒直径是4&m。这种晶粒细化的原因是，低温退火使晶粒长大驱动力下降。如果退火温度过度下降，钢的组织就会成为有大量未再结晶组分存在的不均匀组织，钢板的性能会有很大波动。在SUS301L 钢中添加微量Nb，在退火中会析出20nm左右的微细Nb(C、N)，这些Nb(C、N)发挥钉扎作用，抑制晶粒长大，钢板退火后的平均晶粒直径约1&m，是微细化的晶粒组织。
　　图5：退火材的TEM薄膜图像
　　图6：退火材的TEM萃取复型图像
　　3.3、晶粒微细化对提高精密加工性的作用
　　以SUS304为基钢，通过对成分和热处理条件的控制获得不同晶粒直径的材料。研究了材料的平均直径与光刻加工后材料的表面粗度的关系，使用的光刻溶液是氯化亚铁溶液。研究发现，材料的晶粒直径越小，光刻面的平滑性越好。原因是光刻速度因晶粒取向的不同而不同，晶粒越细小，光刻的程度越均匀化。
　　用光刻法在301L SE1钢板和对比材SUS304钢板上开出的研钵形孔穴，观察孔穴壁面的电子显微镜图像可以看出，301L SE1钢板的孔穴壁面比通用材孔穴壁面光滑。光刻加工平面平滑性的提高，对提高加工精度十分有利。使用301L SE1钢板，可省略光刻加工后的电解研磨。
　　晶粒细化也有利于激光加工制品表面平滑性的提高。观察301L SE1钢板和通用材SUS304钢板激光加工面的照片发现，和光刻加工面同样，钢板晶粒的微细化，减轻了激光加工面的凸凹程度。加工面的高平滑性，提高了加工的尺寸精度，并且减少了加工面上异物的附着量，用作金属掩膜时，提高了操作的稳定性。由于激光加工时熔融金属飞溅量减少，可省略之后的化学研磨和电解研磨，使总成本下降。
　　钢板晶粒的微细化对钢板的弯曲加工也十分有利。观察晶粒直径不同的3种奥氏体不锈钢(301L SE1、304H-SR2、304H-SR)钢板弯曲90&时弯曲部位的外表面形貌发现，3种钢试样弯曲前的表面粗度相同。常规晶粒尺寸的SUS304 H-SR钢板弯曲后出现晶粒浮凸的桔皮状表面，而晶粒微细化的SUS304 H-SR2和301L SE1钢板弯曲面的平滑性大大提高。
　　晶粒细化是钢材强化方法中延性损失较小的方法，有利于强度、延性综合性能的提高。研究冷轧压下率和晶粒直径对SUS301L 钢0.2%屈服强度和伸长率的影响发现，平均晶粒直径为10&m的退火SUS301L 钢(基钢)随冷轧压下率的增加，0.2%屈服强度升高、伸长率下降。但由于低温退火和Nb的添加，使基钢晶粒微细化，0.2%屈服强度升高、伸长率略有下降。相对于强度的增加，伸长率的下降很小。因此在强度相同情况下，细晶粒钢的伸长率大于冷轧提高强度的钢。细晶粒钢可获得良好的强度-延性综合性能。上述的弯曲加工部位良好的平滑性和良好的强度-延性综合性能，可以提高光刻制品的冲压成形性和弯曲成形性，在用做金属掩膜时，可提高墨辊的耐久性。
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文档介绍：
铌、钒、钛在微合金钢中的作用.pdf第l2卷第1期 Z006年2月宽厚板 WlDEANDHEAVYPLATE Vo1.12.No.1 February2006 ‘39‘铌、钒、钛在微合金钢中的作用韩孝永(宝钢集团梅山公司技术中心) 摘要微合金化元素Nb、V、Ti在钢中的作用,主要表现在在热加工过程中抑制奥氏体的形变再结晶并阻止其晶粒的长大.并通过它们的碳氮化合物的应变诱导析出,对钢进行沉淀强化这3个元素虽然都是通过细化晶粒和沉淀强化来提高强度,但它们在钢中的作用机理及强化程度并不同,Nb在钢中具有最强的晶粒细化强化效果,而V在钢中具有最强的沉淀强化效果,Ti则介于Nb和V两者之间。关键词微合金化细化晶粒沉淀强化 FunctionsofNb,VandTiinMicro--alloyedSteel HanXiaoyong (panyTechnicalCentre) Abstract Thefunctionsofmicro—alloyingelementsNb,VandTiinsteelaremainlymanifestedinthe factsthatduringhotprocessing,deformingrecrystallizationofausteniteisinhibitedanditsgrainsarestopped fromgrowing,andprecipitateasaresultofstraininductionbytheircarbonitrides.thusstrengtheningthesteel byprecipitation.Althoughthesethreeelementsenhancethestrengthbygrainrefinementandprecipitation strengthening,yettheirfunctioningmechanismandstrengtheninNbhasthemosteffec— tlvegrainrefiningstrengtheningeffect.Vhasthestrongestprecipitationstrengtheningeffect,whileTistands betweenNbandV Keywords MiCro--alloying,Grainrefinement,Precipitationstrengthening 1概述钢中铌、钒、钛的微合金化技术起源于2O世纪6O年代,因加入微量铌、钒、钛后可以显著改善钢的性能,并具有巨大的经济优势,目前在世界范围内得到了广泛的应用。经过冶金工作者4O多年的生产研究,微合金化技术在合金设计原理、生产工艺、具体应用领域等方面,得到了巨大的发展和完善,大大推动了钢铁工业的技术进步,可以说, 微合金化技术是2O世纪钢铁工业领域摄突出的物理冶金成就之一。目前在冷轧和热轧薄板、IF 钢、棒、线材、钢筋以及中厚板生产中均成功运用了微合金化技术,与控轧工艺相结合,使钢材的综合性能得到了显著改善,无论是强度、韧性、韧脆转变温度,还是钢的工艺成型性、焊接性能、耐腐蚀性能以及抗致裂性等都有显著的改善,钢的屈服强度达到了1000MPa以上,FATT达到了 100C,产品广泛应用于油气管线、车辆、建筑结构、采油平台、压力容器、船舶壳体等众多领域。微合金化钢是在普通低合金钢的基础上添加少量合金元素(如铌、钒、钛等)形成的,通过微合金元素与板材控轧、控冷技术的有机结合,控制微合金元素的析出行为,如控制其沉淀析出量,沉淀析出相的形貌、大小及分布,以细化晶粒、提高钢的强韧性和获得良好的成型性及焊接性,并在保证良好综合性能的同时,进一步降低生产成本。微合金化钢属于低合金高强度钢的范畴,也可以叫做微合金化低合金高强度钢,是近来发展起来的新型低合金高强度钢。微合金钢具有以下特性: 1)在低含C量和超低含C量的情况下,具有良好的冷热成型性和焊接性 2)介于合金钢和非合金钢之间,通过添加少量的(:、N化合物形成元素Nb、V、Ti等,以晶粒细化和析出强化为主对钢进行强韧化处理。 3)钢的屈服强度不低于275MPa。维普资讯
·4O· 宽厚板第l2卷 4)可以较好地在非热处理状态(控轧、控冷等)下使用。微合金元素的主要作用是:在钢中形成细小的碳化物和氮化物或碳氮化合物,其质点钉扎在晶界处,在再加热过程中阻止奥氏体晶粒的长大, 在再结晶控轧过程中阻止形变奥氏体的再结晶, 延缓再结晶奥氏体晶粒的长大,在焊接过程中阻止焊接热影响区晶粒的粗化,从而显著地改善微合金化钢的综合性能。Nb、Ti、V是最常用的微合金化元素,以上3种元素对晶界的钉扎作用是依次降低的。在低合金高强度钢中,复合微合金化的作用大于单独加入某种元素的总和。Nb、Ti、V这 3种元素都可以在奥氏体或铁素体中沉淀,因为在奥氏体中溶解度大而扩散率小,故在奥氏体中沉淀比在铁素体中缓慢,形变可以加速沉淀过程, 般地,应使在奥氏体中沉淀减至最小,在固溶体中保持较多的合金元素而留待在铁素体中沉淀, 这可依靠合金化增加微合金元素在奥氏体中的溶解度,例如在含Nb钢中加入Mn或Mo来实现。 2Nb在钢中的作用 Nb在钢中以置换溶质原子存在,Nb原子比铁原子尺寸大,易在位错线上偏聚,对位错攀移产生强烈的拖曳作用,使再结晶形核受到抑制,因而对再结晶具有强烈的阻止作用,Nb的这种作用高于Ti和V。 Nb在钢中可以形成NbC或NbN等间隙中间相。在再结晶过程中,因NbC、NbN对位错的钉扎及对亚晶界的迁移进行阻止等作用,从而大大增加了再结晶的时问。在高于临界温度时,Nb元素对再结晶的作用表现为溶质拖曳机制,而在低于临界温度时,则表现为析出钉扎机制。Nb的完全固溶温度较高,在均热温度不是很高时Nb不宜单独加入,可以和V一起进行复合添加,这样既能提高钢的强度又能改善钢的韧性,主要因为 V的固溶温度低,可以起到沉淀强化作用,而Nb 在较低的均热温度下大部分还没有溶解,可以起到细化晶粒的作用。 Nb在钢中的特点就是提高奥氏体的再结晶温度,从而达到细化奥氏体晶粒的目的。一般钢中 Nb的加入量在0.05以下,高于0.05的Nb 对强韧化的贡献将不再明显微量的Nb足可使钢得到极好的综合性能,因为在低Nb浓度下,钢的屈服强度增长较快,并且和浓度成正比,但当 Nb含量大于0.03时,强化效果就开始降低,有研究表明,当Nb含量大于0.06时,多余的Nb 对钢将不再有强化作用。另外,值得一提的是,微量Nb在近年来发展起来的新型超低碳贝氏体钢中,起着极为重要的作用。首先,在贝氏体钢中,微量元素Nb与B共同作用,能够显著地提高钢的再结晶终止温度,在热机械轧制(TMCP)过程中,Nb应变诱导析出于奥氏体晶界,因而强烈延迟了奥氏体的再结晶,使未再结晶区的控制轧制更易于实现,从而保证了奥氏体基体中的畸变积累,导致贝氏体转变的形核数量大幅度增加,细化了晶粒,改善了贝氏体钢的综合性能;第二,微量Nb的析出物钉扎贝氏体组织中的高密度1
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