含铌微合金钢碳氮化物析出行为研究的现状及发展*李鸿美,曹建春,孙力军,周晓龙,何 寒,米永峰(昆明理工大学材料科学与工程学院,昆明650093)摘要 综述了含铌微合金钢中铌的固溶与析出行为。着重阐述了控轧控冷过程中各工艺参数对含铌微合金钢中铌的碳氮化物析出行为的影响,涉及形变、温度、冷却速率及合金元素等对铌碳氮化物析出的作用;总结了含Nb微合金钢中碳氮化物的研究现状,并展望了其未来的发展。关键词 微合金钢 铌 固溶 形变 温度 碳氮化物
CurrentSituationandDevelopmentofNbMicroalloyedSteelCarbonitridePrecipitationBehavior
LIHongmei,CAOJianchun,SUNLijun,ZHOUXiaolong,HEHan,MIYongfeng(FacultyofMaterialsScienceandEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650093)Abstract Nbmicroalloyedsteelcarbonitrideofthesolidsolutionandprecipitationisreviewed.TheimpactofcarbonitrideprecipitationinNbmicroalloyedsteelbyvariousfactorsisindicatedinthecontrolledrollingandcontrolledcoolingprocess.Moreover,involvingdeformation,temperature,coolingrateandcarbonitrideprecipitationcontainedNb'seffectbyalloyingelementsarediscussed.CurrentsituationissummarizedanddevelopmentisprospectedaboutmicroalloysteelcontainingNb.Keywords microalloysteel,Nb,soluted,deformation,temperature,carbonitride
*云南省应用基础研究计划项目(2006E0017Q) 李鸿美:女,1984年生,硕士生,研究方向为先进钢铁材料 E-mail:lihongmeigraduate@126.com 曹建春:通讯作者,博士,教授E-mail:nmcjc@163.com
钢铁结构材料中最具活力和创造性、发展最快的是低合金高强度钢,特别是微合金钢[1]。在钢中添加微量(单独或复合加入含量少于0.1%)的合金化元素(钒、铌、钛等),形成相对稳定的碳化物和氮化物,从而在钢中产生晶粒细化和析出强化效果,使屈服强度较碳素钢和碳锰钢提高2~3倍的钢类被称为微合金化钢。在控轧控冷或热处理过程中,微合金元素的溶解与析出对微合金钢组织性能有重要的影响[2,3]。Nb是强的碳化物、氮化物和碳氮化物的形成元素,Nb的化合物可以有效地阻止再结晶、积累应变和保持奥氏体晶粒的变形结构,在相变过程中Nb的析出相能提高铁素体的形核率,对细化晶粒和性能的提高起重要的作用[4]。由于对钢铁材料较强的细晶强化作用和沉淀强化作用,Nb已经成为低合金钢中最典型、应用最广的合金元素之一。为了更好地发挥微合金元素的作用,使钢具有更优异的力学性能,了解微合金元素碳氮化物的溶解与析出温度、一定变形和温度下的析出量与析出相尺寸等是非常必要的。本文详述了各种因素对Nb的碳氮化物析出的影响。以期对含Nb微合金钢的进一步研究有所帮助。1 碳氮化物的固溶与析出行为1.1 碳氮化物的固溶碳氮化物主要在奥氏体化的过程中固溶,其奥氏体化温度取决于Nb(CN)中的Nb、C以及N的加入量。由特定的固溶度积来确定微合金碳氮化物能否在铁基体中处于固溶的状态。当固溶的合金元素很少时,碳氮化物MpCq在固溶体中的固溶度积可用式(1)来描述[5]: logMpCq=A-BT(1)
式中:[]符号表示某元素处于固溶态的质量分数,T为绝对温度,A和B为常数。碳氮化物第二相的平衡固溶度积公式在理论研究及实际生产应用中具有很重要的作用。目前在C铁中固溶度积公式可由硬度法、相分析法、原子探针法、统计分析法、热力学计算、碳分析法等分析方法中得到,常用的是相分析法和热力学计算,但实际应用时应根据实际条件作相应的选择。而由于A铁中的固溶度积非常小,试验难于测定,目前仅有由热力学数据推导而得的平衡固溶度积公式。文献[6]给出了Nb(CN)的碳化铌和氮化铌在C铁和A铁中的固溶度积公式。由文献[7-11]可得到Nb含量为0.035%~0.17%、C含量为0.022%~0.093%时所对应的Nb(CN)全固溶温度为1060~1302e。1.2 碳氮化物的析出行为过饱和基体等温析出时,其相对转变量和时间有如下关系[12]:
#84#材料导报:综述篇 2010年9月(上)第24卷第9期 X=1-exp(-ktn
)(2)式中:X为析出量分数,k是常数,由温度和过饱和度决定;n也是实验常数,与析出物的位置、析出物形状和尺寸以及析出的机制有关。大多数PTT曲线呈/C0形状,表明扩散控制着析出过程。在一定温度下,析出的动力学取决于两个因素:析出元素在奥氏体中的过饱和度;析出元素的扩散能力。碳氮化物可在奥氏体、铁素体中析出,也可在相间析出。大量研究表明[13],Nb(C,N)在奥氏体中析出时,其析出温度曲线的/鼻子点0温度在900~950e范围内。当基体应变量为50%左右时,/鼻子点0温度应趋于上限,且在该温度附近的沉淀开始时间一般仅为数秒。有实验结果表明[14]:各种微合金碳氮化物在铁素体中析出的最大形核率温度约为600e,最快析出温度约为700e。最快析出温度下微合金碳氮化物在铁素体中的析出完成时间约为50s,故析出开始时间约0.5s,在最大形核温度下则分别约为2000s和20s。2 工艺参数对碳氮化物析出行为的影响目前主要利用微合金化和控制轧制技术的有机结合来更好地发挥铌微合金钢中碳氮化物的作用,在控制轧制过程中各工艺参数对碳氮化物的析出行为有很大的影响。2.1 形变对碳氮化物的影响通常认为,形变对析出相的影响主要体现在如下几个方面:(1)导致析出位置的增多,如晶界、亚晶界和位错线等处;(2)析出量的增多,在形变诱导析出的情况下,沉淀析出的微合金碳氮化物量超过平衡固溶度积所预测的量;(3)形变过程显著加速微合金碳氮化物的沉淀析出,使析出开始和结束时间大大缩短;(4)微合金碳氮化物析出相尺寸减小。2.1.1 变形量及变形速率的影响通常在变形温度及其他条件确定的情况下,变形量越大,奥氏体基体的平均形变储存能越高,且微合金溶质原子及其他晶体缺陷处的形变储存能也越高,因而超平衡固溶度沉淀析出效应越大。研究表明[15-19]:(1)形变使析出相的析出时间提前;(2)预变形量会使Nb(C,N)的静态析出速度提高,以不同的变形速率对奥氏体进行预变形会影响Nb(C,N)的析出动力学,奥氏体预变形能大大加速铌的碳氮化物的沉淀析出,使PTT曲线向左上方偏移,变形量越大,析出的二相粒子越小,数量也越多;(3)高温形变促进微合金碳氮化物的析出,使奥氏体内的析出量增多、尺寸细小;(4)钢在一定温度下,采用不同的变形量时,奥氏体中析出物形貌就不同;(5)在形变过程中Nb(CN)的析出同样需要孕育期,但与等温过程相比大大提前;(6)Nb(CN)析出随着应变量的增加而增加,但颗粒长大不明显;(7)随着轧制过程的进行、变形量的增大,NbC的平均半径逐渐增大。2.1.2 变形次数的影响变形次数对碳氮化物的析出有一定的影响,变形次数不同会导致碳氮化物的析出时间、析出量、析出大小等的不同。在研究变形次数对Nb(CN)的颗粒尺寸的影响[20]中发现:单道次变形时,析出相有30nm、70~80nm以及200nm等多个不同尺寸;多道次变形时,析出相数量增加,尺寸与单道次相
比未发生明显改变;两轧程轧制时,析出相尺寸在10~60nm之间。L.Pentti等[21,22]指出,在多道次变形中,应变诱导析出不仅取决于每道次的变形量、变形速率和温度,还与间隔时间和冷却速度有关。2.2 终轧温度对碳氮化物的影响微合金碳氮化物的体积分数取决于微合金化成分设计及使沉淀析出过程完成的足够的保温时间,其平均尺寸则取决于沉淀温度。在相同的变形量及其它条件下,变形温度越低,形变储存能将越高,形变储存能所导致的沉淀析出反应效应越大。但析出温度亦不能过低,一般应在最大形核率温度附近。研究表明[7,18,20,23]:随温度降低,碳化物析出速度减慢,析出量增大,储存能所导致的沉淀析出反应效应增大;对同一实验钢,变形量一定时,变形温度越低,其析出物数量越多,且析出物平均尺寸越小;适当降低变形温度可使Nb(C,N)在铁素体中大量析出,在条件适宜时还可能发生相间析出,不同变形温度下的析出物形貌存在较大差异。研究结果表明[17,23-26]:变形后合理的保温处理可使Nb(C,N)在奥氏体中大量应变诱导析出;Nb(C,N)粒子的平均直径随终轧温度降低而减小;微合金碳氮化物的析出量随终轧温度的降低而增加。2.3 卷取温度对碳氮化物的影响控轧控冷过程中卷取温度也会对碳氮化物的析出有影响。李箭等[26]设制了12个不同的控制轧制,控制冷却及模拟卷取工艺,系统研究了Nb(C,N)的析出行为。结果表明:微合金碳氮化物的析出量随卷取温度的升高而增加;Nb(C,N)粒子的平均尺寸随着卷取温度的下降而减小。卷取温度是Nb(C,N)析出行为最敏感的影响参数,卷取温度在550~750e变化时,铌析出量的差别为总铌含量的38%,几乎掩盖了冷却速率对铌析出量的影响,平均粒子尺寸相差177!。2.4 冷却速率对碳氮化物的影响较高的冷却速度造成了大量的位错,利于碳氮化物在位错线上均匀析出。故随着冷却速率的减小,碳氮化物的析出量增多,析出物尺寸变得细小。研究结果表明[26,27]:微合金碳氮化物的析出量随轧后冷却速率的减小而增加;Nb(C,N)晶粒的平均尺寸随着轧后冷却速率的增大而减小。冷却速率对碳氮化铌的析出及长大有重要影响,随着冷却速率的提高,达到析出量峰值的时间越短,析出量和析出粒子的平均直径均不断减小,直至不再析出。
3 合金元素对碳氮化物析出的影响一般认为Mn、Cr、Ni、Mo阻碍Nb(C,N)的应变诱导析出,而Si、N、B则起促进作用。目前对碳氮化物析出有影响的合金元素主要有Nb、V、Ti、Mn、Mo、Si、B、Cu、N等。文献[28-30]研究结果表明:Mo可提高碳氮化铌在奥氏体中的固溶度,延迟其在奥氏体中的析出,促进铁素体的形成,降低其析出温度并提高沉淀强化作用,增加碳化物的形核位置;钼与铌一起析出可降低析出相与基体的错配度;Mn可使应变诱导析出被延缓,固溶过饱和度增加,析出驱动力增大;