铌在钢的控轧控冷工艺中微合金化的作用[摘要]本文主要介绍铌的强化原理、铌在钢中微合金化中应用，通过控轧控冷工艺改善铌在钢中的分布来提高铌的性能，以及当今世界铌钢的情况及生产铌钢应用的新工艺。

[关键词]控轧控冷；铌钢；强化；工艺；1.前言目前我国热轧钢筋的消费量已达5000余万吨，相对于发达国家钢筋以400n／mm2以上强度级别应用为主的局面，我国仍以335n／mm2级别的热轧钢筋为主。

近年来，随着建筑结构施工规范gb50010的修订执行hrb400热轧钢筋将逐步成为我国钢筋混凝土结构用主导钢铁材料，该级别钢筋使用比例是逐年上升的趋势。

建设部2002年4月正式发布新的《混凝土结构设计规范》后，建筑用钢的产品升级换代不断加快，hrb400热轧钢筋的主导钢种20mnsiv 的必需原料v-fe，vn合金价格大幅上涨，导致生产成本显著升高，急需开发新的生产工艺和替代钢种。

世界范围内的钢筋标准中，iso标准、西欧等国钢筋标准是以轧后余热处理工艺为基础的，而在我国，轧后余热处理钢筋的生产使用受到各种限制，因此高强度级别钢筋生产基本以微合金化为主，在所有的微合金化方式中，以v微合金化最适合长型材生产工艺要求。

微合金化元素的应用较多地集中在nb、v、ti三大主要微合金元素，其中对nb元素的研究应用较多地集中在扁平材上。

与v元素相比nb析出物的溶入温度较高，因此要求相对高的工艺加热温度，同时nb微合金化技术的应用在于nb的碳氮化物对再结晶的阻滞作用，以此来实现非再结晶轧制，而长型材生产本身具有的高温快轧的特点在现有生产线上较难实现非再结晶轧制。

虽然nb的碳氮化物的析出强化作用较v的沉淀强化弱，但是利用nh的沉淀强化和组织强化作用，也可作为hrb400热轧钢筋生产的微合金化方式。

上世纪末，国内开始超细晶碳素钢筋的研究工作。

通过在临界奥氏体区终轧诱发铁素体相变和铁素体动态再结晶，将晶粒细化至微米尺度，实现用普碳钢生产hrb400钢筋，材料成本低，具有经济效益显著和广阔的发展前景。

该工艺的实现要求机组间、道次间及轧后具有控冷手段。

由于终轧温度低，变形抗力大，需提高精轧机组尤其是成品轧机、电机能力，改造工作较大。

产品缺少相应的技术标准和规范，推广条件欠成熟。

近两年，“863”项目500mpa碳素钢筋课题组提出了复合强化和适宜晶粒度的技术思路，利用现代轧机高应变速率下的累积变形，结合轧后控制冷却，开发了用20mnsi生产hrb400的新工艺，在萍乡等企业等到应用。

不同于余热处理工艺，该工艺钢筋返红温度在再结晶温度以上，晶粒等级约10级，据报道无时效倾向、焊接性能良好。

由于该技术要求成分范围窄，冶炼难度增加。

上世纪八十年代，国内发展了nb微合金化技术，开发了桥梁用钢、管线钢、压力容器、工程机械用钢等产品。

nb微合金化技术要求严格的控轧控冷制度，集中应用在扁平材尖端产品，在长型材上应用起步较晚。

近年来，国内冶金企业相继开始开发生产nb微合金化hrb400热轧钢筋，展示了nb微合金化钢筋的优异性能和巨大的经济效益，积累了生产经验，但普遍存在性能不稳定的生产实际。

试验研究证实nb微合金化钢筋无时效、应变时效倾向，焊接性能满足现场焊接工艺要求。

钢筋的组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体，铁素体晶粒度等级8.5-9.5级，较20mnsi略高，表明强化以沉淀强化为主，未能发挥nb细晶强化作用。

nb的细晶强化需采用非再结晶轧制，由于棒材机组通常不具备机组间冷却手段，无法控制终轧温度，不能实现非再结晶轧制。

首钢在含nb钢筋的生产中采用轧后水冷，获得了10级铁素体晶粒，成分设计较其它厂家nb 含量低，显示了控轧控冷技术的经济效益和技术优势，nb在钢筋中的应用将推动长型材产品控轧控冷技术的发展，由于国际市场fe-nb合金供货渠道稳定，在长期时间内，fe-nb 价格相对较为稳定，这就为铌微合金化钢筋的研制开发创造了市场条件。

2.研究内容（1）利用光学显微镜、透射电镜等手段，分析含nb钢筋的热轧组织、nb（cn）沉淀的数量、形貌及分布，认真分析、研究了铌强化机理机制，微合金化工艺技术方案，连铸坯冷却制度、方坯加热制度、轧制制度和冷却制度等轧制工艺制度，制定合理可行的试验工艺方案。

在试生产中不断优化工艺，生产出满足标准要求的产品。

（2）在分析nb的强韧化机理、含nb钢的生产技术以及hrb335热轧钢筋性能状况的基础上，采用适当控制c、mn含量和nb微合金化技术，利用c、mn的固溶强化和nh的沉淀强化，开发了nb微合金化热轧钢筋生产技术。

针对含铌钢铸坯横裂倾向大、屈服点不明显等特点，通过优化工艺，保证工艺稳定。

产品无时效倾向，应变时效倾向小于hrb335，焊接性能优异，力学完全符合gb1499-1998抗震钢筋标准要求。

3.铌在钢材微合金化中作用ti、v、nb处在元素周期表中4-5周期的iv-v族，其中铌与其它元素的区别在于：（1）与碳、氮的高亲和力。

（2）在奥氏体中充分溶解。

（3）在奥氏体和铁素体中的析出能力。

（4）在铁素体中的沉淀强化。

（5）与氧无不利作用。

nb的化学性质非常稳定，常温下在空气中都不与氧发生作用，且具有耐高温、耐酸蚀、抗疲劳等性能，有钢铁维生素之美称。

nb 是强碳化物形成元素，其形成的nbc，nb4c3高温稳定性虽不及碳化钦，但对钢的蠕变极限、持久强度、冲击韧性、脆性、临界转变温度、焊接性能等均有良好影响。

nb的良好作用来自三方面因素：（1）碳化铌沉淀强化作用：稳定的碳化铌在晶粒细化的基体上的均匀分布，起了沉淀强化作用。

（2）nb直接强化固溶体：nb在钢中除以碳化铌形式存在外，剩余铌进入固溶体，强化固溶体，使晶格原子键显著增加，使再结晶温度提高。

（3）nb间接强化固溶体：铌与碳的结合，促使钨、铝进入固溶体，使固溶体受到间接强化作用。

nb本身特点决定了它比其他元素更适合作为微合金化元素，特别是在晶粒细化、延迟再结晶、析出强化及净化基体方面。

nb的作用是如此巨大，以至于1／10000的浓度就能达到性能的预期改善。

nb作为微合金化元素在钢的物理冶金、钢材新品种以及应用技术方面取得了重大进展，由于微合金化与控制轧制相结合，生产了优质钢材，此后由于微合金化技术进步和更大的市场份额，以控轧控冷几乎全面代替了传统的正火等热处理。

4.控轧、控冷的基本原理最近，已从几个方面对强化提出不同的看法。

不同的铁素体状态，强化机制不一样。

当我们得到的组织为多边形铁素体时，强化作用主要为细晶强化、位错强化和析出强化。

随着相变温度的降低，铁素体晶粒尺寸减小，类型和晶界也有细微变化，晶粒细化强化作用减小。

当组织为非多边形铁素体，主要是位错强化和固溶强化对强度的贡献：而对针状铁素体，细晶强化作用非常小，主要为位错强化和固溶强化。

在这些对强度贡献的项中，其他几种强化机制会降低钢的韧性，只有晶粒细化既能提高强度又能改善韧性。

而其中，铌是最有效的晶粒细化元素。

（1）铌（nb）在控轧控冷中的作用铌在控制轧制和热机械处理时，会产生显著的晶粒细化和中等的沉淀强化。

铌含量小至万分之几就很有效；增大其含量不会引起任何重大的改进。

当铌与相结合时，可以获得特别高的位错强化，但通常各向异性很显著。

lnik在研究微合金钢的热机械处理时指出：铌是在控制轧制中最有利的元素，因为它能够阻止奥氏体再结晶，因而在高温时也很容易得到在再结晶温度以下变形而导致的晶粒细化，但是对固溶体中阻止再结晶的铌的作用机理却还没有完全清楚。

大多数研究者认为是由变形诱发铌的碳氮化物的沉淀和变形的亚结构相互作用而引起的。

自从人们在八十年代发现应用应变诱导相变可以细化晶粒以来，到现在微合金元素在对应变诱导铁素体相变的规律仍不太明了。

yada等人认为微合金元素铌对晶粒细化作用不大。

hickson和hodgson的研究认为铌降低了钢的相变温度，增加了形核驱动力。

lee等人认为添加铌可以细化应变诱导铁素体晶粒。

关于铌在诱导相变获得超细晶粒铁素体中的作用，radkokaspar 经过研究，认为微合金元素nb有利于诱导相变获得细晶铁素体组织。

这是由于应变储能使铁素体能够在高于平衡温度发生。

诱导相变铁素体形核于变形晶界和形变带，可能是由晶界扩故和界面反应共同控制的。

微合金元素nh提高了钢的应变储能能力，促进了诱导相变热力学：提高c-mn钢的非再结晶区温度，使变形晶界和变形带等有利形核位置得到保留，促进了诱导相变形核动力学；nb的细小碳氮化物在品界析出以及固溶nb的溶质拖曳有效地阻止了细晶铁素体的长大，抑制了铁素体长大动力学，因而添加nb后有利于钢中诱导相变的发生。

nb提高了诱导相变临界温度，降低了诱导相变临界变形量，并对诱导相变细晶铁素体的长大有抑制作用，因此拓宽了利用临界轧制工艺获得细晶组织的控轧控冷工艺窗口。

他们通过采用含铌的低碳低合金钢和相应成分的普通c-mn钢对比得出了以下结果：（1）形变提高的含铌钢的相变温度要比c-mn钢高很多；（2）含铌钢发生诱导相变所需的最小变形量要低于不含铌的钢；（3）相对于不含铌钢，含铌钢中变形速率对促进诱导相变的影响要大；（4）利用诱导相变获得超细铁素体，需要在非再结品区轧制才能得到大量的细晶铁素体组织，铌提高了奥氏体的再结品温度，从而扩大了奥氏体的非再结品区，扩展了诱导相变控轧工艺窗口。

5.结论nb微合金化hrb400生产技术的特点是采用nb、ti复合微合金化，利用ti的固n作用，减小铸坯横裂倾向，增加有效nb含量，保证nb的沉淀强化作用，减少贝氏体含量，改善焊接性能，使产品力学性能稳定，屈服点明显，焊接性能优异。

性能符合gb1499-98抗震钢筋标准要求。

nb在钢筋中的主要强化机制为沉淀强化，其贡献约为30-40mpa。

细晶强化的贡献约为20-30mpao nb的细化晶粒作用主要是偏聚在奥氏体晶界的nb原子的拖曳和未溶nb（c，n）钉扎奥氏体晶界阻碍奥氏体晶粒长大，奥氏体转变成铁素体时使铁素体晶粒度细化约一级。

由于组织中贝氏体含量很少，对强度的贡献不大。