含微量钛低合金结构钢的热轧工艺优化

杨 浩，李玉藏，曲锦波

（1.江苏省（沙钢）钢铁研究院，张家港215625；2.江苏沙钢集团有限公司，张家港215625）

0 引 言

钛作为廉价的微合金强化元素，在钢中具有细晶强化、析出强化的作用，已被广泛地应用在低合金结构钢中。为充分利用钛的析出强化作用，含微量钛低合金结构钢在轧制完成后通常需要进行时效处理。由于卷板是在轧制完成后进行卷取的，这为钛的析出创造了良好的条件，因此钛的析出强化作用在卷板生产领域得到广泛应用［1-2］。而在含微量钛低合金结构钢的宽厚板生产过程中，为充分利用钛的析出强化作用往往还需要在热轧后再进行离线的回火，这势必影响生产效率并增加生产成本，因此钛的析出强化作用在宽厚钢板中的应用受到限制。目前，含微量钛低合金结构钢宽厚板中的钛添加量大多低于0.02%（质量分数，下同），其主要作用为固定钢中自由氮，并利用所形成的TiN颗粒抑制高温奥氏体长大。

为了充分利用钛的析出强化和细晶强化作用，作者针对含微量钛低合金结构钢宽厚板的生产过程，通过研究TiC在奥氏体及铁素体中的析出规律，对轧制工艺进行优化，使TiC在轧制过程中得到充分析出，在不进行回火的情况下，达到最佳的析出强化效果，并对轧后钢板的显微组织与性能进行了分析。

1 试样制备与试验方法

试验用钢采用工业纯铁为原料在150kg真空感应熔炼炉中冶炼，浇铸出150mm×150mm×420 mm的钢锭，熔炼温度为1 610℃，浇铸温度为1 570℃，试验钢的化学成分如表1所示。

表1 试验钢化学成分 （质量分数）Tab.1 Chemical composition of the test steel（mass） %

将铸坯轧制成尺寸为φ10mm×16mm圆柱试样，在Gleeble-3800型热模拟试验机上进行热模拟试验。（1）先以10℃·s-1速率将试样加热至1 200℃保温5min，然后以10℃·s-1的速率分别冷至1 050，950，850℃后保温10s，再进行变形量为40%的压缩变形，变形应变速率为1s-1，变形后保温30s（奥氏体温度区），最后以100℃·s-1冷速冷至200℃以下。（2）先以10℃·s-1速率将试样加热至1 200℃，保温5min，然后以10℃·s-1的速率冷至950℃并保温10s，再以1s-1应变速率变形40%，变形后立即以15℃·s-1的冷速分别冷至700，650，600℃保温，对应的保温时间分别为30，300s（铁素体温度区），保温完成后以100℃·s-1冷速冷至200℃以下。随后用线切割方法在试样焊接热电偶处取样，制作双喷减薄透射电镜试样，在JEM2100F型透射电镜上观察TiC析出物。

轧制试验在φ750mm二辊可逆式试验轧机上进行，经9道次轧制后，试验钢从150mm厚板坯变成15mm钢板。根据TiC在奥氏体和铁素体中的析出情况，设计两种轧制工艺，如表2所示。工艺A为常规轧制工艺，采用再结晶区一阶段控轧，轧后控冷至600℃后缓冷至室温；工艺B为优化的控制轧制工艺，采用再结晶区和未再结晶区两阶段控轧，且适当降低再结晶区轧制温度，轧后控冷至650℃后缓冷至室温。

表2 两种轧制试验工艺参数Tab.2 The two Parameters of the pilot rolling trials

在箱式电阻炉中对热轧态钢板进行600℃×1h的时效处理。随后沿钢板的横向取样，拉伸试验按照 GB／T 228.1-2010在Instron 5585型材料拉伸试验机上完成，拉伸试样标距为φ8mm×40mm，拉伸速率采用GB／T 228.1-2010中方法B进行，即弹性段至上屈服拉伸速率为30MPa·s-1，屈服段为2mm·min-1，屈服后为12mm·min-1。

2 试验结果与讨论

2.1 奥氏体区保温温度对TiC析出的影响

由固溶度积公式可知，TiC在奥氏体中析出比较困难，但在某些温度区间，通过形变诱导可大大地促进其析出［3］。由图1可知，试验钢在奥氏体区1 050℃保温时，由于温度较高，钛在奥氏体中的固溶度较大，虽然试验钢发生了变形，但仍不足以诱导TiC的析出，因此并未见大量TiC析出相；在950℃保温时，由于奥氏体温度的降低，钛在奥氏体中的固溶度下降，同时伴随着形变诱导作用，在试验钢中观察到尺寸在10～20nm弥散析出的TiC；在850℃保温时，钛在奥氏体中的固溶度进一步下降，更多的TiC发生形核，但因奥氏体温度较低，TiC析出物的长大过程受到抑制，因此最终试验钢中TiC析出物数量更多、尺寸更小，尺寸多在10nm以下。

2.2 铁素体区保温温度对TiC析出的影响

弥散析出和相间析出是TiC在铁素体中的常见析出方式，析出方式常因析出温度不同而不同［4］。一般来说，在铁素体区的高温区TiC以相间析出为主；在低温区以弥散析出为主；而在中间温度区间则两种析出方式兼有。从图2中可以看出，600℃保温时，大量细小的TiC颗粒弥散分布在铁素体晶粒内部，即以弥散析出为主，析出物尺寸多在10μm左右；而在700℃保温时，铁素体晶粒内部不但观察到弥散分布的TiC析出物，还观察到平行排列的TiC析出物，说明在700℃下TiC的析出方式既有弥散析出又有相间析出，尺寸多在10～20μm。

图1 不同奥氏体区保温条件下TiC析出物的TEM形貌Fig.1 TEM morphology of TiC precipitates in austenite under different conditions of heat preservation

铁素体区保温除影响TiC在铁素体中的析出方式外，还对TiC析出物的尺寸和数量有影响。从图3可知，在600℃保温30s时，由于温度低，TiC在铁素体中需要孕育较长时间，铁素体内未发现大量的TiC析出；在650℃保温30s时，随着保温温度的升高，TiC的孕育期缩短，经过30s保温，观察到大量TiC析出物在铁素体内弥散析出，且由于保温时间较短，TiC析出物来不及长大，因此尺寸十分细小；在700℃保温30s时，由于保温温度较高，铁素体内可见弥散析出的TiC析出物，且较650℃时数量减少但尺寸增大。

图2 不同铁素体区保温条件下TiC析出物的析出方式与形貌Fig.2 Precipitation modes and morphology of TiC precipitates in ferrite under different conditions of heat preservation：（a）600℃×300s，dispersive precipitation；（b）700℃×300s，dispersive precipitation and（c）700℃×300s，alternative precipitation

图3 在铁素体区不同保温条件下TiC析出物的尺寸与数量Fig.3 Sizes and quantities of TiC precipitates in ferrite under different conditions of heat preservation

2.3 轧制工艺确定

从热模拟试验结果可以看出，在奥氏体和铁素体的不同温度区域TiC的析出行为有很大的不同。为使TiC在轧制过程中得到充分析出，需制定合理的轧制工艺。

从奥氏体形变保温温度对TiC析出的影响来看，变形温度越低，析出物的数量越多，尺寸越小，因此适当降低轧制温度对促进TiC的析出是有利的。为保证奥氏体晶粒的细化，必须进行再结晶区的轧制，但温度过高时不利于TiC的析出且再结晶晶粒容易长大，因此应适当降低开轧温度，即在奥氏体再结晶区的较低温度区间。同时，应给予未再结晶区尽量多的变形，例如使终轧温度选在对TiC析出最为有利的850℃附近。

从TiC在铁素体中的析出方式来看，较高温区既有弥散析出又有相间析出，较低温区以弥散析出为主。文献［5］表明，铁素体中弥散析出方式由于析出物细小、分布均匀，对材料的性能更为有利，因此应选择在以弥散析出为主的区间缓冷。从析出物的数量及尺寸来看，过低的温度虽然可使TiC弥散析出，但析出物的数量和尺寸受到严重影响。因为过低的温度使TiC析出的孕育时间增长，短时间内无法大量析出。在650℃保温时析出物数量多、尺寸小、分布弥散，对性能最为有利，因此应选择650℃作为轧后控冷的终止温度。

2.4 不同轧制工艺下的组织与性能

从图4可以看到，试验钢经轧制及时效处理后组织类型相同，均为带状的铁素体＋珠光体组织；但采用优化工艺B试验钢的晶粒尺寸要略小于用工艺A的，这是因为工艺B中采用了较低的再结晶轧制温度，抑制了奥氏体再结晶晶粒长大。

图4 试验钢不同工艺轧态及时效处理态的显微组织Fig.4 Microstructure of the test steel after rolling and aging in processe A （a，b）and process B （c，d）

从力学性能结果来看，工艺A轧态试验钢的屈服强度仅为512MPa，明显低于工艺B轧态试验钢的598MPa（差80MPa左右）；但经时效处理后工艺A试验钢屈服强度获得明显提升（ΔRel＝69MPa），而工艺B试验钢屈服强度仅有小幅提升（ΔRel＝15MPa），两者的塑性相差不大。这说明采用常规工艺轧制的试验钢在轧制完成后，需进行时效处理以充分发挥TiC的析出强化作用，进而提高强度；而采用优化工艺轧制的试验钢在轧制过程中TiC已得到充分析出，再经过后续时效处理后屈服强度变化并不明显。

表3 不同工艺轧态与时效态试验钢的力学性能Tab.3 Mechanical properties of the test steel after rolling and aging in different processes

3 结 论

（1）在奥氏体区变形保温过程中，850℃左右变形时最有利于TiC的析出；变形温度升高时，析出物数量减少，尺寸增大，在1 050℃时已无大量的TiC析出。

（2）在铁素体温区的650℃保温时，TiC析出数量最多，尺寸最小，且分布弥散，对材料性能最为有利；温度过低时，TiC析出所需孕育时间长，短时间内无法大量析出；温度过高时，TiC出现相间析出，且弥散析出物尺寸增大，数量减少。

（3）优化后的轧制温度及终冷温度分别为830℃和650℃，TiC在中厚板轧制过程中可充分析出，试验钢轧态屈服强度比采用常规工艺的屈服强度高约80MPa。

［1］张秀芳，马成甫，钟定钟，等.汽车用含钛T52（L）钢板控轧控冷工艺研究与应用［J］.钢铁研究，1994，81（6）：14-22.

［2］张魁，殷颖，王恩涛.低碳低锰含钛热轧汽车板［J］.鞍钢技术，1987（3）：27-33.

［3］MEDINA S F.Determination of precipitation-timetemperature（PPT）diagrams for Nb，Ti or V microalloyed steels［J］.Journal of Materials Science，1997，32：1487-1492.

［4］杨才福，张永权，王瑞珍.钒钢冶金原理与应用［M］.北京：冶金工业出版社，2012：57.

［5］刘嘉禾.钒钛铌等微合金元素在低合金钢中应用基础的研究［M］.北京：北京科学技术出版社，1992：81.