劉 洪

(上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210039)

隨著鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，鈮元素作為重要的合金元素在鋼鐵產(chǎn)品中大量應(yīng)用。由于鈮元素在鋼中產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化作用以及鈮與C、N等元素的結(jié)合能力，使鈮作為一種重要的合金元素，對優(yōu)化鋼鐵材料的性能起到重要作用。鈮元素與C、N等元素具有較強(qiáng)的結(jié)合能力，能夠形成鈮的化合物，鈮在鋼中主要作用有晶粒細(xì)化、延遲再結(jié)晶、沉淀強(qiáng)化等。低碳鋼主要用于鍍錫產(chǎn)品，該產(chǎn)品對鋼板的組織和性能穩(wěn)定性要求較高，一般情況下不需要在鋼中加入鈮元素。某鋼廠低碳鋼T5料生產(chǎn)過程中，時(shí)常發(fā)生由于部分鋼板成分中含有微量鈮元素而導(dǎo)致最終產(chǎn)品性能不合格的情況，造成了一定的質(zhì)量損失。為此，本文通過冷軋退火模擬試驗(yàn)裝置，模擬不同鈮含量低碳鋼在不同溫度條件下的退火過程，研究鈮含量對低碳再結(jié)晶組織和性能的影響，為合理制定含鈮低碳鋼退火工藝提供理論依據(jù)。

1 帶鋼硬度異常分析

某鋼廠連退機(jī)組在生產(chǎn)鍍錫基板T5料的過程中，在同一退火溫度下，有部分鋼卷的硬度異常偏高，表面硬度(以下硬度均為HR30Tm)達(dá)到72以上，而鍍錫基板T5料的表面硬度標(biāo)準(zhǔn)為65±3。將硬度異常鋼板和正常鋼板沿軋制方向截面制成金相試樣，經(jīng)4%硝酸酒精侵蝕后，用Zeiss Axiophot2金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察，二者顯微組織如圖1所示。結(jié)果表明，硬度異常的鋼卷顯微組織為纖維狀鐵素體+鐵素體+游離滲碳體，大部分組織仍為纖維狀鐵素體，未完成再結(jié)晶轉(zhuǎn)變。而硬度正常鋼卷的顯微組織為鐵素體+游離滲碳體，已完成再結(jié)晶轉(zhuǎn)變。

圖1 硬度異常鋼板(a)和正常鋼板(b)的顯微組織Fig.1 Microstructure of abnormal hardness steel plate (a) and normal steel plate (b)

影響鋼板再結(jié)晶狀態(tài)的因素主要有材料的成分、熱軋工藝、冷軋變形量、加熱速度、退火溫度等[1]。通過對硬度異常鋼板和正常鋼板的化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)異常鋼板和正常鋼板熱軋和冷軋均在同一批次生產(chǎn)，熱軋工藝、冷軋變形量、加熱速度和退火溫度并無明顯差異，而二者化學(xué)成分中的鈮含量存在一定的差異，如表1所示，硬度異常鋼板中的鈮含量明顯高于正常鋼板。

由于鈮元素在鋼中與C、N等具有較強(qiáng)的結(jié)合能力，能夠形成鈮的化合物，隨著鈮含量增加，退火后鋼板強(qiáng)度會(huì)顯著升高[2]，因此，鋼板中鈮含量過高是造成同一熱軋和冷軋生產(chǎn)工藝下鋼板硬度異常偏高的主要原因。

表1 鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

為進(jìn)一步研究微量鈮對低碳鋼再結(jié)晶組織和性能的影響，同時(shí)為了降低廠內(nèi)的質(zhì)量損失，選取了不同鈮含量的低碳鋼板，采用冷軋退火模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行不同退火工藝的模擬試驗(yàn)，觀察不同鈮含量鋼板在不同退火溫度下鋼板的組織和性能變化規(guī)律，摸索不同鈮含量鋼卷的生產(chǎn)工藝。

2 試驗(yàn)材料和方法

采用試驗(yàn)材料為3種不同鈮含量的冷軋鋼板，為經(jīng)過酸洗、冷軋后的軋硬鋼帶，厚度0.2 mm，冷軋壓縮比90%，其化學(xué)成分如表2所示。

表2 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

分別選取常規(guī)料、含鈮量0.0012%和含鈮量0.0023%的三種樣品進(jìn)行連續(xù)退火模擬實(shí)驗(yàn)，將三種樣品分別加工成310 mm×260 mm的塊樣，采用冷軋連續(xù)退火模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行模擬連續(xù)退火試驗(yàn)，退火溫度分別為610 ℃、630 ℃、650 ℃，保溫時(shí)間47.6 s，為防止鋼板在加熱過程中發(fā)生表面氧化，連續(xù)退火模擬試驗(yàn)裝置工藝腔內(nèi)采用氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛。模擬連續(xù)退火工藝如表3所示。

表3 模擬連續(xù)退火工藝

將模擬連續(xù)退火后的樣板沿軋制方向截面制成金相試樣，利用FEI Quanta450場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀察；參照GB /T 228．1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，采用拉伸試驗(yàn)機(jī)對試樣力學(xué)性能進(jìn)行檢測；采用洛氏硬度計(jì)對樣板的表面硬度進(jìn)行檢測。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 微量鈮元素對低碳鋼微觀組織的影響

通過對不同鈮含量的鋼板在不同退火溫度下的樣板微觀組織進(jìn)行觀察，分析鈮含量對再結(jié)晶溫度和組織的影響。如圖2所示，常規(guī)料在610 ℃退火時(shí)，組織已完成再結(jié)晶行為，主要為鐵素體和游離滲碳體；隨著退火溫度的升高鐵素體晶粒逐漸長大，游離滲碳體發(fā)生聚集；三個(gè)退火溫度下試樣組織整體變化不大。采用同樣的方法觀察含微量鈮鋼板的再結(jié)晶行為和組織變化。如圖3所示，含鈮0.0012%的鋼板，在610 ℃退火時(shí)，組織依然為纖維狀鐵素體，未發(fā)生再結(jié)晶行為。當(dāng)退火溫度升至630 ℃，約60%的組織發(fā)生再結(jié)晶轉(zhuǎn)變；當(dāng)退火溫度升至650 ℃時(shí)，纖維狀鐵素體已完成再結(jié)晶轉(zhuǎn)變過程，組織為等軸鐵素體和游離滲碳體。如圖4所示，含鈮0.0023%的鋼板，在610 ℃退火時(shí)，組織依然為纖維狀鐵素體，未發(fā)生再結(jié)晶行為。當(dāng)退火溫度升至630 ℃，組織仍為纖維狀鐵素體，只有極少數(shù)晶粒發(fā)生再結(jié)晶轉(zhuǎn)變。當(dāng)退火溫度升至650 ℃，組織才剛剛完成再結(jié)晶轉(zhuǎn)變，晶粒較細(xì)小。

(a)610℃；(b)630℃；(c)650℃圖2 常規(guī)料在不同退火溫度后的微觀組織形貌Fig.2 Microstructure of conventional materials after different annealing temperatures

(a)610℃；(b)630℃；(c)650℃圖3 含鈮0.0012%在不同退火溫度后的微觀組織形貌Fig.3 Microstructure of 0.0012% niobium at different annealing temperatures

當(dāng)鋼中含有微量鈮元素時(shí)，鈮形成的碳氮化物會(huì)釘軋晶界阻礙晶界的遷移，同時(shí)鈮的加入會(huì)延緩碳原子的擴(kuò)散速度，使再結(jié)晶溫度升高，使再結(jié)晶過程進(jìn)行延遲[3]。與常規(guī)不含鈮鋼相比，含鈮0.0012%鋼的再結(jié)晶完成溫度提高到了630℃，而含鈮0.0023%鋼的再結(jié)晶完成溫度提高到了650 ℃。當(dāng)退火溫度均在650 ℃時(shí)，隨著含鈮量的增加，試樣的再結(jié)晶晶粒逐漸細(xì)小，說明鋼中的鈮元素對再結(jié)晶晶粒具有細(xì)化的作用。

(a)610℃；(b)630℃；(c)650℃圖4 含鈮0.0023%在不同退火溫度后的微觀組織形貌Fig.4 Microstructure of 0.0023% niobium at different annealing temperatures

3.2 微量鈮元素對低碳鋼表面硬度的影響

圖5 不同退火溫度下不同鈮含量鋼板的表面硬度Fig.5 Surface hardness of steel plates with different Nb content at different annealing temperatures

圖5顯示了3種不同鈮含量鋼板在不同退火溫度下試樣的表面硬度情況。當(dāng)退火溫度為610 ℃時(shí)，常規(guī)料鋼板的表面硬度為64.8；隨著退火溫度的提高，鋼板表面硬度緩慢下降，當(dāng)退火溫度為650 ℃時(shí)，鋼板表面硬度下降至61.4。說明常規(guī)料在610 ℃退火時(shí)，鋼板組織再結(jié)晶已完成，隨著退火溫度的提高，再結(jié)晶組織晶?；ハ嗤滩⒅饾u長大，此過程中組織性能處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，硬度下降緩慢。含鈮0.0012%的鋼板，當(dāng)退火溫度為610 ℃時(shí)，鋼板的表面硬度為74.1；當(dāng)退火溫度提高到630 ℃時(shí)，鋼板的表面硬度快速下降至69.4；當(dāng)退火溫度進(jìn)一步提高至650 ℃時(shí)，鋼板表面硬度降低至62.1。含鈮0.0023%的鋼板，當(dāng)退火溫度為610 ℃時(shí)，鋼板的表面硬度為77，均高于常規(guī)料和含鈮0.0012%鋼板；當(dāng)退火溫度提高到630 ℃時(shí)，含鈮0.0023%的鋼板的表面硬度下降緩慢，下降至73.8；當(dāng)退火溫度進(jìn)一步提高至650 ℃時(shí)，鋼板表面硬度快速降低至63.4。含鈮0.0012%的鋼板在退火溫度610 ℃時(shí)和含鈮0.0023%的鋼板在退火溫度610 ℃、630 ℃時(shí)，樣板表面硬度較高，與冷軋態(tài)帶鋼表面硬度接近，材料仍處于回復(fù)狀態(tài)，組織大部分仍為冷軋纖維狀鐵素體組織，材料表現(xiàn)為空位的運(yùn)動(dòng)和位錯(cuò)的攀移[2]。當(dāng)組織發(fā)生再結(jié)晶后，鋼板的表面硬度快速下降。

3.3 微量鈮元素對低碳鋼力學(xué)性能的影響

圖6 不同退火溫度下不同鈮含量鋼板的抗拉強(qiáng)度Fig.6 Tensile strength of steel plates with different Nb content at different annealing temperatures

圖6顯示了3種不同鈮含量鋼板在不同退火溫度下抗拉強(qiáng)度的變化。當(dāng)退火溫度為610 ℃時(shí)，常規(guī)料鋼板的抗拉強(qiáng)度為479 MPa；隨著退火溫度的提高，鋼板抗拉強(qiáng)度緩慢下降，當(dāng)退火溫度為650 ℃時(shí)，鋼板抗拉強(qiáng)度下降至443 MPa。說明常規(guī)料鋼板在610 ℃退火時(shí)，鋼板組織再結(jié)晶已完成，隨著退火溫度的提高，再結(jié)晶組織晶?；ハ嗤滩⒅饾u長大，性能處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。含鈮0.0012%的鋼板，當(dāng)退火溫度為610 ℃時(shí)，鋼板的抗拉強(qiáng)度為736 MPa，高于常規(guī)料257 MPa。含鈮0.0023%的鋼板，當(dāng)退火溫度為610 ℃時(shí)，鋼板的抗拉強(qiáng)度為794 MPa，高于常規(guī)料315 MPa。含鈮鋼板表面硬度和強(qiáng)度較高，主要是因?yàn)殇摪褰M織在610 ℃退火時(shí)大部分仍為冷軋纖維狀鐵素體組織。含鈮鋼中鈮含量越高，在同一退火溫度下，組織再結(jié)晶越不充分，未再結(jié)晶鐵素體組織和強(qiáng)度有很強(qiáng)的線性相關(guān)，未再結(jié)晶鐵素體組織越多，鋼板抗拉強(qiáng)度越高[4]。當(dāng)退火溫度提高到630 ℃時(shí)，含鈮0.0012%鋼板的抗拉強(qiáng)度快速下降至490 MPa，說明此時(shí)鋼板大部分組織已經(jīng)掙脫了位錯(cuò)的釘軋作用，開始再結(jié)晶轉(zhuǎn)變，抗拉強(qiáng)度下降明顯。而含鈮0.0023%鋼板的抗拉強(qiáng)度緩慢下降至652 MPa，說明此時(shí)鋼板僅極少數(shù)組織開始再結(jié)晶轉(zhuǎn)變，大部分組織尚未開始再結(jié)晶轉(zhuǎn)變。這是因?yàn)殡S著鈮含量的增加，鋼中鈮的碳氮化物第二相質(zhì)點(diǎn)增加[5]，對位錯(cuò)和晶界釘軋作用增強(qiáng)，鋼的再結(jié)晶激活能逐漸升高，再結(jié)晶開始溫度逐漸提高。

圖7 不同退火溫度下不同鈮含量鋼板的斷后伸長率Fig.7 Elongation of steel plates with different niobium content at different annealing temperatures

比較3種不同鈮含量鋼板不同退火溫度下斷后伸長率的差異性，如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)退火溫度為610 ℃時(shí)，常規(guī)料的斷后伸長率達(dá)到17.9%,而兩種含鈮鋼的斷后伸長率為0。當(dāng)退火溫度升高至630 ℃，常規(guī)料的斷后伸長率提高至26.3%,含鈮0.0012%鋼板的斷后伸長率快速提高至17.7%；而含鈮0.0023%鋼板的斷后伸長率為0.1%。當(dāng)退火溫度提高至650 ℃時(shí)，含鈮0.0012%鋼板的斷后伸長率提高至25.2%，與常規(guī)料的斷后伸長率相當(dāng)；而含鈮0.0023%鋼板的斷后伸長率僅提升至7.2%。

由于常規(guī)T5料產(chǎn)品的性能要求為：表面硬度范圍65±3(HR30Tm)，延伸率≥10%，結(jié)合上述不同鈮含量鋼板在不同退火溫度下的顯微組織和力學(xué)性能情況，同時(shí)考慮到現(xiàn)場連退機(jī)組生產(chǎn)過程中爐內(nèi)溫度場均勻性要優(yōu)于冷軋退火模擬試驗(yàn)裝置，兼顧現(xiàn)場生產(chǎn)穩(wěn)定性，避免頻繁升降溫造成的爐內(nèi)溫度波動(dòng)，因此，含鈮0.0012%和0.0023%的鋼要滿足T5料的性能要求，連退機(jī)組退火溫度應(yīng)提高至650 ℃。

4 結(jié)論

(1)通過對硬度異常鋼板的化學(xué)成分、熱軋工藝、冷軋變形量、加熱速度、退火溫度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，鋼板中鈮含量過高是造成同一熱軋和冷軋生產(chǎn)工藝下鋼板硬度異常偏高的主要原因。

(2)當(dāng)鋼中含有微量鈮元素時(shí)，隨著鈮含量的增加，鋼板再結(jié)晶激活能逐漸升高，鋼板的再結(jié)晶開始溫度和再結(jié)晶完成溫度顯著提升。含鈮0.0023%鋼的再結(jié)晶完成溫度提高到了650 ℃。

(3)為降低含鈮鋼的質(zhì)量損失，同時(shí)兼顧現(xiàn)場生產(chǎn)穩(wěn)定性，含鈮0.0012%和0.0023%的低碳鋼要滿足T5料的性能要求，退火溫度應(yīng)提高至650 ℃。