徐 志 范植金 黃 靜

（武漢鋼鐵（集團）公司研究院 湖北 武漢：430080）

0 引 言

鈮是一種微合金元素，常應用在低合金高強度鋼中。采用TMCP技術生產(chǎn)含鈮鋼，鋼中析出的微小鈮的碳（氮）化物，可細化鋼的組織，獲得強度高韌性好的鋼材。但在連鑄過程中，由于鋼中細小的碳氮化物析出，使鋼的高溫塑性發(fā)生很大的變化，可能導致鑄坯表面的裂紋缺陷，尤其是橫裂紋、角橫裂極易發(fā)生，嚴重影響鑄坯的表面質量。

有研究［1］指出，含鈮鋼在連鑄過程中，0.01%的鈮就會誘發(fā)裂紋的出現(xiàn)。在連鑄過程中，NbN、Nb（C，N）的析出引起鋼組織的脆化，是鑄坯易產(chǎn)生裂紋的內在原因，而在鋼的脆性溫度區(qū)間對鑄坯進行矯直是造成裂紋的直接原因。

本文進一步研究了鈮微合金化低合金高強度鋼中的碳（氮）化物析出與高溫塑性的關系。

1 實驗室試驗及結果

1.1 拉伸試驗

在Thermecmastor－Z熱模擬試驗機上進行拉伸試驗。試樣取自方坯，化學成分見表1，試樣規(guī)格Φ6mm×140mm。首先將試樣加熱到1300℃保溫5min，然后每間隔50℃冷卻到不同的溫度、并以0.01／s變形速率進行拉伸，直到將試樣拉斷。拉伸完成后將試樣冷卻至室溫，然后觀察試樣斷口并計算斷裂后的橫截面積和斷面收縮率。

表1 試樣化學成分（wt%）

圖1 高溫拉伸變形面縮率

1.2 加熱溫度對鈮析出物的影響

對表1成分的鋼試樣進行奧氏體化，先將試樣加熱到1300℃保溫5分鐘，然后以5℃／s的冷卻速度分別冷卻到900℃、1000℃、1100℃、1200℃，保溫5min后水淬。然后采用二次復型法，在JEM－2000FXⅡ型透射電鏡觀察析出相，分析結果見表2和圖2。

表2 鈮的析出物

圖2 析出物電鏡照片

2 分析與討論

（1）從圖1曲線看到，在1050～1200℃溫度范圍內，鈮鋼的拉伸性能曲線呈現(xiàn)為一個平臺，面縮率數(shù)值大于90%，塑性值很高。當溫度區(qū)間向兩邊擴展到950℃和1250℃時，面縮率稍有降低（到80%）仍然良好。當溫度繼續(xù)下降t＜950℃時，面縮率曲線加速下降，在t＜900℃時曲線呈現(xiàn)一個75°的陡峭坡度。在800℃時面縮率下降到最低20%。在高溫端，當加熱溫度大于1250℃時，含鈮鋼的面縮率開始下降，1300℃時面縮率下降到45%。

這種情形與一些學者的研究［1］（見圖3）是一致的。與C－Mn鋼相比，含鈮鋼的延展槽形狀加寬加深，即塑性（面縮率）降低，延展槽的位置向高溫端擴展。

圖3 鈮鋼熱塑性曲線

（2）電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，溫度從高到低（1300℃降至900℃），Nb的析出物從無到有，逐漸長大，數(shù)量逐漸增多（見表2）。采用INCA能譜儀對析出相進行分析發(fā)現(xiàn)，在1250℃時析出的為TiNb（CN）細小顆粒物（見圖4）。它的形狀為方形，數(shù)量很少，尺寸小于50nm。在溫度t≤1150℃時析出的是NbC（見圖5）。從1150℃降至900℃，NbC析出物顆粒逐漸長大，尺寸從40nm長大到200nm以上，顆粒形狀呈球狀。

觀察發(fā)現(xiàn)，當溫度從1100℃升至1250℃，析出物分布在晶粒內部。當降低到1000℃以后，析出物有少量沿晶界分布。900℃時，析出物大量沿晶界均勻分布。

由于Ti在鋼中的固溶度最小，通常在較高溫度率先析出。實驗中在1250℃觀察有TiNb（CN）的析出，形狀呈立方形。這種析出物，應是在早先析出的TiN立方體的核心顆粒表面上，附著析出NbC形成的。由于鋼中Ti的含量極少，因此它的析出物很少。當溫度繼續(xù)下降，隨后析出的是呈球狀的NbC，數(shù)量大幅增加。這種情形與文獻［2］的介紹是一致，溫度低于950℃時，有大量的Nb（CN）析出，900℃時析出量達到最大，析出物的形貌為點狀或球狀。

（3）鋼的高溫塑性，與組織的特征有關［3］。當加熱溫度t≥1300℃時，鋼中的鈮幾乎全部固溶在奧氏體中。這時奧氏體晶界處低熔點組元偏析大，奧氏體晶粒粗大，晶界應力集中，使鋼的變形能力降低。在1250℃～1000℃區(qū)間，鈮在奧氏體中的析出逐漸增加，析出物尺寸?。ㄐ∮?00nm）且分布在晶粒內部，這時鋼的塑性良好。當溫度下降低于1000℃后，析出物沿奧氏體晶界分布，尺寸長大最大可達到300nm。它削弱了晶粒之間的聯(lián)系，形成了薄弱的沿晶低強度相，降低了鋼的塑性。

圖6是鋼中鈮的析出物尺寸與高溫性能的關系。

圖6 析出物尺寸與高溫性能

3 結 論

（1）在950℃～1250℃溫度范圍，含鈮鋼的面縮率高，塑性很好。當溫度降低到950℃以下，含鈮鋼面縮率開始下降，到800℃時面縮率下降到20%，塑性很差。在高溫端，當加熱溫度大于1250℃時，含鈮鋼面縮率開始下降，在1300℃時面縮率下降到＜50%。

（2）溫度為1300℃時，鋼中的鈮全部固溶在奧氏體中，沒有鈮的析出。當溫度下降到1250℃時，鋼中開始有鈮的析出，析出物尺寸20nm。隨著溫度的下降，鋼中鈮的析出物不斷增加，顆粒尺寸逐漸長大。當溫度下降到900℃時，析出物數(shù)量最多，粗大顆粒尺寸可達到300nm。

（3）在1000℃～1250℃溫度范圍，鈮的析出物分布主要在晶粒內部，它對鋼的組織沒有損害，這時鋼的塑性很好。當溫度降低到1000℃后，有少量析出物沿晶界分布，塑性略有下降。在900℃時鈮的析出物沿晶界大量分布，這時鋼的塑性顯著下降。

［1］宋海武，艾星輝，齊長發(fā)，等.20MnSiNb鋼高溫塑性及其與Nb（C，N）析出的關系［J］.熱加工工藝，2007，36（20）：27－31.

［2］付俊巖，C.I.Garcia，A.J.DeArdo.連鑄低碳微合金化鋼熱塑性的研究［J］.微合金化技術，2003，（1）.

［3］付俊巖，尚成嘉編譯.如何用鈮改善鋼的性能——含鈮鋼生產(chǎn)技術［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.