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中、高碳钢的微合金化及其应用理论基础
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 孟繁茂 点击:
摘要：文中叙述了Nb、V、Ti在中、高碳钢的应用理论基础。指出微合金化和TMCP（或TSC+AN）相结合是生产优质、高附加值的中、高碳钢的轨、型、管、棒线以及锻件必不可少的技术。铌具有明显改善中、高碳钢的性能，特别和Ti、V复合应用生产非调质占有优越地位。
关键词：中、高碳钢，微合金化，TMCP，二步冷却
中、高碳钢是指碳含量0.4~0.8%的碳素钢和碳锰钢，除锰外不含其它合金元素；为改善性能而加入微合金元素Nb、V、Ti、Al、B 等而不改变钢的基本特性的一些钢。这类钢主要使用其高强度、高硬度、耐磨性、抗疲劳性能等。如轨钢、型钢、硬线、弹簧钢等均属此类。传统的调质钢由于离线热处理和特别加入的合金元素等提高制造成本因素，逐渐被新型的微合金化结合热加工艺而形成起来的热机械处理工艺，在中、高碳钢中的应用而创制的高性能，高附加值的新钢材所代替。
1 中、高碳钢的显微组织与性能
这类钢的性能取决于碳含量或珠光体体积百分数，及其组织的微细结构。除共析钢外，都或多或少的含有一定数量的先共析铁素体。经过了长期的大量研究工作，总结出影响钢的强度和韧性的组织因素有：原始奥氏体晶粒度，相变前的奥氏体晶粒度（d mm）或珠光体团（p mm）、珠光体数量（%）、珠光体片间距（s mm）、渗碳体片的厚度（t mm），珠光体稀释度（D 倍数），先共析铁素体（f %）形貌（多边化或细晶粒铁素体，或粗大网状铁素体）等。 些因素取决于钢的热加工覆历和冷却速度。这方面的知识与经验请查有关专着。本文只摘列公式[1] [2]。供分析使用。
σy = f1/3[35+58.5Mn+17.4d-1/2]+(1-f1/3)×[178+3.85S-1/2]+6.31si+425Nf1/2
(1)
σT=f1/3[246+1143N1/2+18.2d-1/2]+(1-f1/3) ×[719+3.5σs-1/2]+97si(2)
夏比V型50%F.A.T.T
I(℃)=f(-46-11.5d-1/2)+(1-f) ×[-335+5.6S-1/2-13.3p-1/2+3.48×106t]+49Si+762Nf
1/2 (3)
S=Kexp Q/2RT(4)
Q=120Kj/MoL K、α常数
珠光体稀释度D=0.8/C(1-f)(5)
渗碳体片厚度t=0.125/（D-0.12）(6)
元素 MnSiN 含量（%）
上述5个公式基本上反映了中、高碳钢的显微组织对性能的影响以及这些因素之间相互关系。珠光体片间距与强度的关系见照片一。此照片是共析成分碳素钢轨顶面经欠速淬火后的组织。2 中、高碳钢的微合金化
TMCP在板材生产中的应用简称为控制轧制；在棒、型、轨、管、锻件等的应用统称为热机械处理工艺。它是微合金化与热加工的控制热变形与控制冷却相结合的工艺操作。
根据溶度积原理Nb、V、Ti、Al、B等的碳化物，氮化物以及碳氮化物在钢中的溶解度与温度、碳、氮浓度有关。因而它们在钢中的析出—溶解行为，可在温度上分段独立或复合发生。因此可根据微合金元素的特性，分高、中、低、温区分部“微合金化”并施以TMCP处理。得到预期的物理冶金效果。
中、高碳一般指C0.4-0.8%，但也有的文章中扩展为0.30(甚至0.25)-1.2%，这大概是以具有较多的珠光体到100%的珠光体而定界的。
表1列出了常用Ti、Nb、V碳化物、氮化物在奥氏体中的不同温度下的溶度积数值。从表1数据看在TMCP过程中可资利用的只有NbC，TiC和VN。VC在奥氏体区溶解度超出微合金范围；TiN的溶解很低，在液相中就可形成TiN沉淀，因此可利用其细化铸造组织或热影响组织。在低N钢中，T可用于TMCP过程。技术难度较大。
Nb、V在中、高碳钢的奥氏体1200℃的溶度积和溶解度如表2，铌的碳氮化物在950-1200℃溶度积计算值列于表3。计算值和实验值极为相近[1]。
在低N钢中加微量Ti，可在高温熔点附近形成TiN，另外可提高NbC的溶解，有利于固溶铌的利用。可降低连铸坯的700-900间的裂纹产生。
铌在高碳钢中的溶解度虽小，但对细化晶粒已足够了，相变后可得微细的珠光体团。铌在中、高碳钢中铁素体的溶解度可用
lg Ks=-10960/T+5.34 （7）
表示。在600以下溶度积是很小的，可达10-8次方的量级。所以从高温冷下来，总是有一定数的过饱和。所以铌的低温下的沉淀行为很强。这与钒的行为具有相反的倾向。高氮钒钢中的VN的溶解度较大，它即容易得到较多的VN沉淀，但高温回火也容易出现大量的自由Nf。这种情况在一些时候是危险的。
碳化铌或碳氮化铌的溶解就不会出现大量的自由氮Nf。
3 中、高碳钢的热机械处理的特点
中、高碳钢材多为轨、型、管、棒、线、锻件等，实际上是使用时的近终形，或半成品。实施控制轧制不像板带那样容易得到全体一致的开轧、终轧温度。特别是在断面上的温度分布不均一性很强。特别是大型材如H型的钢、轨钢等，在热加工过程中边、角温降不一，从而最终形变时温度也不一致，可能导致奥氏体晶粒不均匀。所以加入Nb Ti等高温再结晶阻制剂是生产这类优质钢材十分必要的。首先得到比普通钢好的、热状态组织，然后加速冷却，抑制晶粒长大。
4 中、高碳钢型轨棒材控制冷却特点
中、高碳钢的轨、型、棒、线生产工艺操作中的（TMCP）冷却控制操作较板带材大为复杂，设备多种多样。因为型钢断面复杂，各部位冷却不均匀，达到全截面均匀冷却技术难度较大。一般要专门设计冷却喷嘴可转动角度，对准冷却部位，喷射冷却水、水蒸汽、高压空气、以达到冷却目的。由于型钢、轨钢、棒线工作的特点，可实行重点部位控制冷却。例如：轨钢的轨面欠速淬火（不发生低温转变组织）就是用水雾喷吹加速冷却，使轨面形成超细珠光体组织。又如增强螺纹钢筋的韧芯回火或轮缘回火等在穿水过程中实现的连续的多次淬火回火和连续淬火回火。高碳钢棒线，实行欠速淬火，得到精细珠光体组织。
5 中、高碳钢的典型产品—轨钢、型钢
中高碳钢几乎专门用于轨钢生产。钢轨的工作要求，第一耐磨损，第二抗疲劳。其寿命达到5×108吨量级。钢轨受力是三次元的，因此要求高强度和高韧性。所以提高组织因素中的珠光体团细化程度和缩小珠光体片间距是主要的技术措施，Nb、V、Ti的微合金化加上TMCP工艺是现代生产轨钢主要举措。Nb、V的沉淀同时还能提高铁素体片的强度。
轨钢特定的形状，使加工变形不均匀，温升、温降不一致，因此导致晶粒度不均匀。Nb、Ti、V微合金化钢实行热机械处理是最好方法。同时赋予钢的强韧性。加拿大，澳大利亚和巴西，日本和我国包钢铌稀土钢轨的化学成分和机械性能列于表4。包钢轨钢加稀土为其特色，稀土的冶金作用很不稳定，主要在于加入方法。如加入方法不当，还会使钢质变坏。美国专利指出，在完全脱氧后，最佳温度为1540-1600℃把稀土包在铁皮内，插入钢水中并加以搅拌，可取得最佳效果。制成包芯线的喂丝法则是近年的最新研究。
高碳钒轨钢，含钒合金轨钢牌号很多。应用也很成熟，但是在1983年11月德克产斯州发生的脱轨翻车并有乘客伤亡事故，正是含钒合金钢轨的破裂造成的。其钢轨成分：C：0.79Mn 1.12Si 0.19Cr 0.87Mo 0.008V 0.058。事故当日上午7时-9时。钢轨曾应急修理，用火焰切割过，火车以每小时120km速度冲击所造成。该事故给以Dr.W.Heller为首的克鲁勃技术部门以致命打击，影响极大，铁道部门至今对钒钢持有强烈的拒绝和否定态度。笔者认为，由于钒化物的完全溶解和形成大量Nf处于高淬火应力状态，在高速冲击下，形成应变时效而破坏。含钒钢（特别是VN沉淀强化钢），高温加热后必须回火，否则是危险的。
高氮钒微合金化钢，在使用时如果存在有（如：焊、补焊、切割、气割等再加热情况时必须挂牌提示注意“严防再加热”。显然这种钢无耐火性。
含铌钢轨的耐磨性、抗疲劳性，均比一般碳素钢轨优越。
轨钢是型钢的一种，其它中、高碳型钢的生产与此类同。
6 中、高碳棒材、硬线
棒线材断面为园对称，容易实现TMCP工艺控制，现代的棒线材厂都有控轧、控冷成套设备。生产优质棒线材、小型材，微合金化必不可少。
铌钒钛在小截面棒线材生产中的应用特点：
1、 钒的应用在于细化珠光体团和铁素体多边化细化晶粒以及强化铁素体和珠光体的铁素体片。这对生产硬线会取得比普通中、高碳钢更优越的组织。
2、铌在高速线材生产中的应用，十分广泛，包括中碳螺纹钢筋，高速轧制几乎是在绝热过程中变形，由于高变形能量的输入，温度可能升高，正是由于固溶铌阻止再结晶或阻止动态再结晶后而阻止晶粒的长大。
另一特点变形温度可比普碳钢高出100℃，允许在更高温度下实行更高速轧制。可以生产利于后续冷加工的基体组织。这样高碳线材有利于后续冷加工。特别硬线加工。
我国高速线材轧机几乎是各厂都有。较先进的棒线材生产线，我国近年先后引进不少。这些厂家几乎还是生产普碳钢。
7 铌在中、高碳钢优越地位
图2锻钢性能的发展表明TiVNb钢全面达到41CrS4调质钢的水平。VN和TiVN的工艺按图1工艺概念。而钢的化学成分如表5。图2影线区为Cr调质钢41CrS4（QT），TT=550-650度。图1二步冷却的工艺程序和变形造温度TD、淬火温度TQ（主要的控制参数）、连续冷却与不同冷却速度的比较。
图1适于中、高碳钢。第一步属于自然冷却到相应钢号的TTT和CCT转变图的淬火温度—时间位置，进行第二步急冷（水冷）得到所要的组织（马氏体，见茵体、细晶珠光体或某种混合组织）。这种工艺过过程称为TSC（Two-step-cooling 缩写）。TSC加上沉淀强化退火（AN：annealing treatment）显著的改善机械性能。
TiVNb 钢微合金化非调质锻钢的屈服强度接近1000MPa，而且兼备良好韧性。
结束语
中、高碳钢主要用于高强度、抗疲劳、耐磨损以及非焊接钢结构。生产高质量、高附加值钢材，TMCP（或TSC+AN）与微合金化元素Nb、V、Ti联合应用是必不可少的。铌在中、高碳钢中的应用，特别是和TiV复合应用具有突出的优点，显著改善钢的强韧性。
参考文献：
[1] The physical metallurgy of microalloyed steels T.GLADMAN1997
[2] 控制轧制.控制冷却(日文)小指军夫1997
[3] 钢的组织与性能 刘嘉禾等译1999 科学出版社
[4] Microalloying in steels, J.M.Rodrigu-Ibabe等,1998(end)
关键词：中、高碳钢，微合金化，TMCP，二步冷却
中、高碳钢是指碳含量0.4~0.8%的碳素钢和碳锰钢，除锰外不含其它合金元素；为改善性能而加入微合金元素Nb、V、Ti、Al、B 等而不改变钢的基本特性的一些钢。这类钢主要使用其高强度、高硬度、耐磨性、抗疲劳性能等。如轨钢、型钢、硬线、弹簧钢等均属此类。传统的调质钢由于离线热处理和特别加入的合金元素等提高制造成本因素，逐渐被新型的微合金化结合热加工艺而形成起来的热机械处理工艺，在中、高碳钢中的应用而创制的高性能，高附加值的新钢材所代替。
1 中、高碳钢的显微组织与性能
这类钢的性能取决于碳含量或珠光体体积百分数，及其组织的微细结构。除共析钢外，都或多或少的含有一定数量的先共析铁素体。经过了长期的大量研究工作，总结出影响钢的强度和韧性的组织因素有：原始奥氏体晶粒度，相变前的奥氏体晶粒度（d mm）或珠光体团（p mm）、珠光体数量（%）、珠光体片间距（s mm）、渗碳体片的厚度（t mm），珠光体稀释度（D 倍数），先共析铁素体（f %）形貌（多边化或细晶粒铁素体，或粗大网状铁素体）等。 些因素取决于钢的热加工覆历和冷却速度。这方面的知识与经验请查有关专着。本文只摘列公式[1] [2]。供分析使用。
σy = f1/3[35+58.5Mn+17.4d-1/2]+(1-f1/3)×[178+3.85S-1/2]+6.31si+425Nf1/2
(1)
σT=f1/3[246+1143N1/2+18.2d-1/2]+(1-f1/3) ×[719+3.5σs-1/2]+97si(2)
夏比V型50%F.A.T.T
I(℃)=f(-46-11.5d-1/2)+(1-f) ×[-335+5.6S-1/2-13.3p-1/2+3.48×106t]+49Si+762Nf
1/2 (3)
S=Kexp Q/2RT(4)
Q=120Kj/MoL K、α常数
珠光体稀释度D=0.8/C(1-f)(5)
渗碳体片厚度t=0.125/（D-0.12）(6)
元素 MnSiN 含量（%）
上述5个公式基本上反映了中、高碳钢的显微组织对性能的影响以及这些因素之间相互关系。珠光体片间距与强度的关系见照片一。此照片是共析成分碳素钢轨顶面经欠速淬火后的组织。2 中、高碳钢的微合金化
TMCP在板材生产中的应用简称为控制轧制；在棒、型、轨、管、锻件等的应用统称为热机械处理工艺。它是微合金化与热加工的控制热变形与控制冷却相结合的工艺操作。
根据溶度积原理Nb、V、Ti、Al、B等的碳化物，氮化物以及碳氮化物在钢中的溶解度与温度、碳、氮浓度有关。因而它们在钢中的析出—溶解行为，可在温度上分段独立或复合发生。因此可根据微合金元素的特性，分高、中、低、温区分部“微合金化”并施以TMCP处理。得到预期的物理冶金效果。
中、高碳一般指C0.4-0.8%，但也有的文章中扩展为0.30(甚至0.25)-1.2%，这大概是以具有较多的珠光体到100%的珠光体而定界的。
表1列出了常用Ti、Nb、V碳化物、氮化物在奥氏体中的不同温度下的溶度积数值。从表1数据看在TMCP过程中可资利用的只有NbC，TiC和VN。VC在奥氏体区溶解度超出微合金范围；TiN的溶解很低，在液相中就可形成TiN沉淀，因此可利用其细化铸造组织或热影响组织。在低N钢中，T可用于TMCP过程。技术难度较大。
Nb、V在中、高碳钢的奥氏体1200℃的溶度积和溶解度如表2，铌的碳氮化物在950-1200℃溶度积计算值列于表3。计算值和实验值极为相近[1]。
在低N钢中加微量Ti，可在高温熔点附近形成TiN，另外可提高NbC的溶解，有利于固溶铌的利用。可降低连铸坯的700-900间的裂纹产生。
铌在高碳钢中的溶解度虽小，但对细化晶粒已足够了，相变后可得微细的珠光体团。铌在中、高碳钢中铁素体的溶解度可用
lg Ks=-10960/T+5.34 （7）
表示。在600以下溶度积是很小的，可达10-8次方的量级。所以从高温冷下来，总是有一定数的过饱和。所以铌的低温下的沉淀行为很强。这与钒的行为具有相反的倾向。高氮钒钢中的VN的溶解度较大，它即容易得到较多的VN沉淀，但高温回火也容易出现大量的自由Nf。这种情况在一些时候是危险的。
碳化铌或碳氮化铌的溶解就不会出现大量的自由氮Nf。
3 中、高碳钢的热机械处理的特点
中、高碳钢材多为轨、型、管、棒、线、锻件等，实际上是使用时的近终形，或半成品。实施控制轧制不像板带那样容易得到全体一致的开轧、终轧温度。特别是在断面上的温度分布不均一性很强。特别是大型材如H型的钢、轨钢等，在热加工过程中边、角温降不一，从而最终形变时温度也不一致，可能导致奥氏体晶粒不均匀。所以加入Nb Ti等高温再结晶阻制剂是生产这类优质钢材十分必要的。首先得到比普通钢好的、热状态组织，然后加速冷却，抑制晶粒长大。
4 中、高碳钢型轨棒材控制冷却特点
中、高碳钢的轨、型、棒、线生产工艺操作中的（TMCP）冷却控制操作较板带材大为复杂，设备多种多样。因为型钢断面复杂，各部位冷却不均匀，达到全截面均匀冷却技术难度较大。一般要专门设计冷却喷嘴可转动角度，对准冷却部位，喷射冷却水、水蒸汽、高压空气、以达到冷却目的。由于型钢、轨钢、棒线工作的特点，可实行重点部位控制冷却。例如：轨钢的轨面欠速淬火（不发生低温转变组织）就是用水雾喷吹加速冷却，使轨面形成超细珠光体组织。又如增强螺纹钢筋的韧芯回火或轮缘回火等在穿水过程中实现的连续的多次淬火回火和连续淬火回火。高碳钢棒线，实行欠速淬火，得到精细珠光体组织。
5 中、高碳钢的典型产品—轨钢、型钢
中高碳钢几乎专门用于轨钢生产。钢轨的工作要求，第一耐磨损，第二抗疲劳。其寿命达到5×108吨量级。钢轨受力是三次元的，因此要求高强度和高韧性。所以提高组织因素中的珠光体团细化程度和缩小珠光体片间距是主要的技术措施，Nb、V、Ti的微合金化加上TMCP工艺是现代生产轨钢主要举措。Nb、V的沉淀同时还能提高铁素体片的强度。
轨钢特定的形状，使加工变形不均匀，温升、温降不一致，因此导致晶粒度不均匀。Nb、Ti、V微合金化钢实行热机械处理是最好方法。同时赋予钢的强韧性。加拿大，澳大利亚和巴西，日本和我国包钢铌稀土钢轨的化学成分和机械性能列于表4。包钢轨钢加稀土为其特色，稀土的冶金作用很不稳定，主要在于加入方法。如加入方法不当，还会使钢质变坏。美国专利指出，在完全脱氧后，最佳温度为1540-1600℃把稀土包在铁皮内，插入钢水中并加以搅拌，可取得最佳效果。制成包芯线的喂丝法则是近年的最新研究。
高碳钒轨钢，含钒合金轨钢牌号很多。应用也很成熟，但是在1983年11月德克产斯州发生的脱轨翻车并有乘客伤亡事故，正是含钒合金钢轨的破裂造成的。其钢轨成分：C：0.79Mn 1.12Si 0.19Cr 0.87Mo 0.008V 0.058。事故当日上午7时-9时。钢轨曾应急修理，用火焰切割过，火车以每小时120km速度冲击所造成。该事故给以Dr.W.Heller为首的克鲁勃技术部门以致命打击，影响极大，铁道部门至今对钒钢持有强烈的拒绝和否定态度。笔者认为，由于钒化物的完全溶解和形成大量Nf处于高淬火应力状态，在高速冲击下，形成应变时效而破坏。含钒钢（特别是VN沉淀强化钢），高温加热后必须回火，否则是危险的。
高氮钒微合金化钢，在使用时如果存在有（如：焊、补焊、切割、气割等再加热情况时必须挂牌提示注意“严防再加热”。显然这种钢无耐火性。
含铌钢轨的耐磨性、抗疲劳性，均比一般碳素钢轨优越。
轨钢是型钢的一种，其它中、高碳型钢的生产与此类同。
6 中、高碳棒材、硬线
棒线材断面为园对称，容易实现TMCP工艺控制，现代的棒线材厂都有控轧、控冷成套设备。生产优质棒线材、小型材，微合金化必不可少。
铌钒钛在小截面棒线材生产中的应用特点：
1、 钒的应用在于细化珠光体团和铁素体多边化细化晶粒以及强化铁素体和珠光体的铁素体片。这对生产硬线会取得比普通中、高碳钢更优越的组织。
2、铌在高速线材生产中的应用，十分广泛，包括中碳螺纹钢筋，高速轧制几乎是在绝热过程中变形，由于高变形能量的输入，温度可能升高，正是由于固溶铌阻止再结晶或阻止动态再结晶后而阻止晶粒的长大。
另一特点变形温度可比普碳钢高出100℃，允许在更高温度下实行更高速轧制。可以生产利于后续冷加工的基体组织。这样高碳线材有利于后续冷加工。特别硬线加工。
我国高速线材轧机几乎是各厂都有。较先进的棒线材生产线，我国近年先后引进不少。这些厂家几乎还是生产普碳钢。
7 铌在中、高碳钢优越地位
图2锻钢性能的发展表明TiVNb钢全面达到41CrS4调质钢的水平。VN和TiVN的工艺按图1工艺概念。而钢的化学成分如表5。图2影线区为Cr调质钢41CrS4（QT），TT=550-650度。图1二步冷却的工艺程序和变形造温度TD、淬火温度TQ（主要的控制参数）、连续冷却与不同冷却速度的比较。
图1适于中、高碳钢。第一步属于自然冷却到相应钢号的TTT和CCT转变图的淬火温度—时间位置，进行第二步急冷（水冷）得到所要的组织（马氏体，见茵体、细晶珠光体或某种混合组织）。这种工艺过过程称为TSC（Two-step-cooling 缩写）。TSC加上沉淀强化退火（AN：annealing treatment）显著的改善机械性能。
TiVNb 钢微合金化非调质锻钢的屈服强度接近1000MPa，而且兼备良好韧性。
结束语
中、高碳钢主要用于高强度、抗疲劳、耐磨损以及非焊接钢结构。生产高质量、高附加值钢材，TMCP（或TSC+AN）与微合金化元素Nb、V、Ti联合应用是必不可少的。铌在中、高碳钢中的应用，特别是和TiV复合应用具有突出的优点，显著改善钢的强韧性。
参考文献：
[1] The physical metallurgy of microalloyed steels T.GLADMAN1997
[2] 控制轧制.控制冷却(日文)小指军夫1997
[3] 钢的组织与性能 刘嘉禾等译1999 科学出版社
[4] Microalloying in steels, J.M.Rodrigu-Ibabe等,1998(end)
