Q420C角鋼釩鈦微合金化工藝研究

韓 伏， 文 輝， 朱守欣， 王得炯， 鄧 偉

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035）

引 言

角鋼廣泛地用于各種建筑結(jié)構(gòu)和工程結(jié)構(gòu)，如房梁、橋梁、輸電塔、起重運(yùn)輸機(jī)械、船舶等。隨著全球雙碳目標(biāo)的提出及能源需求日益增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)角鋼的節(jié)材節(jié)能與低成本化成為角鋼產(chǎn)業(yè)一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)［1-3］。因此，開(kāi)發(fā)成本低廉但綜合性能優(yōu)異的角鋼具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

通常在C-Mn鋼中添加適量的V，Nb，Ti等微合金元素，通過(guò)第二相粒子的析出強(qiáng)化及細(xì)晶強(qiáng)化來(lái)改善材料的組織狀態(tài)，從而改善角鋼的綜合性能［4-8］。V以細(xì)小而彌散的碳化物和氮化物形式存在，抑制晶粒長(zhǎng)大，并通過(guò)析出強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度；Nb在奧氏體區(qū)具有細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化作用，能有效地提高鋼的強(qiáng)度和韌性；Ti與N有很好的親和力，在鋼中有固氮和高溫阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用。因此，鋼中的多元納米相（V，Nb，Ti的碳氮化合物）具有細(xì)化晶粒的效果，并使得晶體界面中雜質(zhì)元素含量降低從而提高其韌性，同時(shí)基體中大量彌散著均勻分布的多元納米相也可起到一定的析出強(qiáng)化作用。目前，目前研究最多、應(yīng)用最廣泛的微合金元素是V，但V的價(jià)格昂貴，為了降低成本，可適當(dāng)減少釩的用量，用低成本的合金元素來(lái)替代，通過(guò)合理的系統(tǒng)合金成分設(shè)計(jì)、加熱制度優(yōu)化與軋制工藝研究，開(kāi)發(fā)低成本高性能的角鋼產(chǎn)品。

本文采用熱軋生產(chǎn)的Q420C電力鐵塔專(zhuān)用∠200 mm×200 mm×24 mm規(guī)格角鋼為研究對(duì)象，主要研究角鋼中釩鈦微合金化強(qiáng)化機(jī)制對(duì)強(qiáng)度的量化貢獻(xiàn)；通過(guò)JMatPro以及電解化學(xué)相分析研究V系、V-Ti系微合金角鋼的熱力學(xué)分析以及第二相析出分析，研究和構(gòu)建角鋼多元納米相的層次化析出與競(jìng)爭(zhēng)析出理論基礎(chǔ)，為成分設(shè)計(jì)及工藝控制提供理論依據(jù)，并為構(gòu)建組織均勻化、性能穩(wěn)定化生產(chǎn)工藝規(guī)范提供科學(xué)的建議。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

Q420C級(jí)電力角鋼試制在南鋼型鋼生產(chǎn)線進(jìn)行，規(guī)格為∠200 mm×200 mm×24 mm，主要化學(xué)成分如表1所示。其生產(chǎn)工藝為：采用250 mm×300 mm的連鑄坯堆冷后加熱，均熱溫度1290±5 ℃，開(kāi)軋溫度1130±5 ℃，終軋溫度895±5 ℃，軋后空冷。

表1 Q420C級(jí)電力角鋼試驗(yàn)鋼化學(xué)成分/%

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)軋制角鋼采用德國(guó)Zwick公司Z600E、RKP450分別進(jìn)行拉伸、沖擊性能測(cè)試，采用德國(guó)蔡司Imager.M1m金相顯微鏡觀察了試驗(yàn)鋼的金相顯微組織，采用Tecnai G2 F30 S-TWIN透射電子顯微鏡對(duì)鋼中第二相析出粒子進(jìn)行了深入觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能及金相組織

為分析角鋼組織的均勻性以及了解帶狀組織的情況，進(jìn)行了金相實(shí)驗(yàn)觀察。金相實(shí)驗(yàn)試樣主要選取了表1所示的7V角鋼、5V2Ti角鋼以及3V2Ti角鋼，其規(guī)格均為∠200 mm×200 mm×24 mm，力學(xué)性能如表2所示。

表2 Q420C級(jí)電力角鋼試驗(yàn)鋼力學(xué)性能

通過(guò)上表可知，V-Ti復(fù)合的角鋼其屈服強(qiáng)度均在420 MPa以下，為研究組織對(duì)屈服強(qiáng)度的影響，分別對(duì)三種成分角鋼的軋制方向以及垂直軋制方向進(jìn)行金相觀察，實(shí)驗(yàn)所獲得的金相顯微圖如圖1所示。

圖1 角鋼金相組織（TD—垂直軋制方向；RD—平行軋制方向）

對(duì)比上述三種成分角鋼的金相組織可以發(fā)現(xiàn)，三種成分的角鋼組織主要由先共析鐵素體和珠光體組成，鐵素體晶粒多為不規(guī)則形狀，在角鋼的軋制方向和垂直軋制方向均可以發(fā)現(xiàn)明顯的帶狀組織，3V2Ti的鐵素體帶要寬于7V和5V2Ti角鋼中的鐵素體帶，帶狀組織對(duì)于角鋼性能有著重要影響，特別是對(duì)沖擊功波動(dòng)的影響。

2.2 V，V-Ti系熱力學(xué)分析計(jì)算

為進(jìn)一步了解析出物的析出順序以及析出溫度，對(duì)三種角鋼進(jìn)行析出熱力學(xué)分析，采用Jmatpro軟件制作鋼中MN與M（C，N）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度的變化曲線。其結(jié)果如圖2所示。

從圖2（a）可以看出7V鋼中VN的析出溫度為933℃，V（C，N）開(kāi)始析出的溫度為817℃；從圖2（b）可以看出5V2Ti鋼中TiN的析出溫度為1495 ℃，V（C，N）開(kāi)始析出的溫度為782 ℃；從圖2（c）可以看出3V2Ti鋼中TiN的析出溫度為1494 ℃，V（C，N）開(kāi)始析出的溫度為761 ℃。在低于1545 K反應(yīng)的臨界溫度，釩的氮化物與碳化物都能夠穩(wěn)定存在，但氮化物比碳化物更穩(wěn)定［9-10］，同時(shí)由于鋼中碳含量較低，且V先與N結(jié)合，消耗掉了V，所以只能析出VN，而VC很難析出；而對(duì)于V-Ti微合金系，Ti的析出消耗了大量的N，降低了V的析出驅(qū)動(dòng)力。

圖2 鋼中MN與M（C，N）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度的變化曲線

2.3 電解化學(xué)相分析

為了進(jìn)一步了解角鋼中析出物的成分、尺寸分布等情況，對(duì)上述三種成分角鋼進(jìn)行電解化學(xué)相分析。電解化學(xué)相分析發(fā)現(xiàn)，7V角鋼中主要發(fā)現(xiàn)了M3C和M（C，N）兩種析出相，在7V鋼中V元素析出了38%左右，自由N含量為14×10-6；在5V2Ti鋼中Ti元素全部析出，V元素析出了30%左右，自由N含量為36×10-6；在3V2Ti鋼中Ti元素全部析出，V元素析出了33%左右，自由N含量為36×10-6。

為保證鋼中V的析出，通過(guò)加入釩氮合金提高鋼中的N含量，N含量增加可有效促進(jìn)V的析出［11-12］，根據(jù)文獻(xiàn)［13］，在釩鋼中V的析出相含量隨著N含量的增加而增加（N含量達(dá)到理想的配比之前），析出物尺寸及間距明顯減小，析出強(qiáng)化效果更優(yōu)異。有研究表明［14］，降低終軋溫度可顯著提升角鋼的性能。降低軋制溫度，變形滲透更大，易產(chǎn)生更多的界面，增加第二相的析出率，提升強(qiáng)化效果。

對(duì)上述三種角鋼的析出物尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖3所示。

圖3 析出物尺寸統(tǒng)計(jì)

由于高溫階段形成的析出物數(shù)量較少且尺寸大，而低溫階段形成的析出物數(shù)量多尺寸小。因此析出相的中位數(shù)尺寸更能代表析出物的整體尺寸。7V鋼析出物的中位數(shù)尺寸為17.2 nm，5V2Ti鋼析出物的中位數(shù)尺寸為56.7 nm，3V2Ti鋼析出物的中位數(shù)尺寸為84.3 nm。

隨著V元素的降低與Ti元素的加入，析出物的中位數(shù)尺寸越來(lái)越大，主要原因有兩個(gè)：一方面隨著Ti元素的加入，固定了一部分N元素，使得可與V結(jié)合析出的N元素含量大大減少，從而減少細(xì)小析出物的析出數(shù)量；另一方面，N元素與Ti元素結(jié)合形成大尺寸的TiN，增加了析出物的整體尺寸。一般情況下，認(rèn)為析出物尺寸超過(guò)20 nm基本上不會(huì)產(chǎn)生析出強(qiáng)化作用。因此，根據(jù)電解化學(xué)相結(jié)果，5V2Ti與3V2Ti鋼中的析出物基本上不起析出強(qiáng)化作用。

2.4 第二相析出形貌分析

選取7V和5V2Ti鋼為研究對(duì)象，通過(guò)透射電鏡研究鋼內(nèi)析出相的形貌以及位相關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

圖4 鋼中析出相透射分析

通過(guò)透射電子顯微鏡對(duì)兩種微合金鋼中V，Ti納米沉淀物的形貌，位置和分布進(jìn)行了進(jìn)一步的表征和分析。圖4（a）與（b），（c）與（d）分別顯示了7V與5V2Ti鋼中鐵素體基體中和位錯(cuò)線上的納米析出顆粒。兩種成分微合金鋼納米顆粒均以在鐵素體基體中的隨機(jī)析出為主，隨機(jī)析出主要是碳氮化物的均勻成核和生長(zhǎng)，在較低的轉(zhuǎn)變溫度下隨機(jī)出現(xiàn)在鐵素體基體中。特別值得注意的是，只有過(guò)飽和鐵素體基體中的α/γ界面沉淀和隨機(jī)均勻沉淀才能產(chǎn)生優(yōu)異的沉淀硬化效果，提高鋼材的屈服強(qiáng)度。由于位錯(cuò)線位置成核能量相對(duì)較低，碳氮化物在位錯(cuò)線上成核的臨界尺寸明顯減小，納米級(jí)顆粒的沉淀在位錯(cuò)上優(yōu)先成核，析出沉淀在位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生相互作用，釘扎位錯(cuò)，產(chǎn)生強(qiáng)化效果。透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)兩種熱軋微合金鋼中位錯(cuò)線密度小，數(shù)量少，如圖4（a）和圖4（c）所示。圖4（e）為釩微合金鋼中HR-TEM圖像，圖4（f）為經(jīng)過(guò)傅里葉變換獲得的析出相與基體組織衍射斑點(diǎn)圖像標(biāo)定結(jié)果，分析結(jié)果表明V（C，N）析出相與BCC-鐵素體結(jié)構(gòu)基體組織呈現(xiàn)典型的B-N取向關(guān)系，即 ［110］ V（C，N）∥［001］α，（1-1-1）V（C，N）∥（100）α，表明V（C，N）粒子主要在鐵素體中析出，因?yàn)樵趭W氏體中析出的V（C，N）與基體的取向關(guān)系為K-S關(guān)系。

通過(guò)線掃對(duì)兩種微合金鋼中V，Ti微合金元素在析出相中的分布進(jìn)行了進(jìn)一步研究。V，Ti微合金元素在兩種微合金鋼的納米沉淀物中均呈現(xiàn)析出中心含量多，邊緣含量少的分布趨勢(shì)，如圖5（c），（d）所示。不同的是，在釩鈦微合金鋼中發(fā)現(xiàn)的圓角矩形的帽子型納米析出相（圖5（b）所示），其中微合金元素V在析出相中的分布存在三個(gè)峰值，在兩端邊緣處出現(xiàn)了富釩現(xiàn)象，帽狀部分主要是V的富集。該類(lèi)沉淀尺寸在100 nm左右，帽層中富集了大量的釩，這些釩進(jìn)一步增加了析出相的尺寸，同時(shí)也削弱了V的析出強(qiáng)化效果。

圖5 鋼中析出相線掃分析

2.5 強(qiáng)度理論分析

常見(jiàn)的強(qiáng)化機(jī)制主要有晶界強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化（析出強(qiáng)化）以及固溶強(qiáng)化，為確定幾種強(qiáng)化機(jī)制對(duì)角鋼屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)量，結(jié)合南鋼角鋼生產(chǎn)實(shí)際，測(cè)得其晶粒尺寸，方便計(jì)算其細(xì)晶強(qiáng)化的貢獻(xiàn)。圖1可以發(fā)現(xiàn)顯微組織均由鐵素體和珠光體組成，珠光體在熱軋過(guò)程中沿軋制方向被拉長(zhǎng)形成帶狀組織，整個(gè)視野內(nèi)呈現(xiàn)鐵素體帶與珠光體帶的相互交替，隨著鈦的加入，加重了帶狀組織的程度，主要是微合金鋼中V（C，N）型納米粒子沉淀主要分布在鐵素體中，有利于帶狀組織的破壞。

對(duì)于角鋼中的細(xì)晶強(qiáng)化，可以根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得：

上述金相實(shí)驗(yàn)已經(jīng)測(cè)得5V2Ti角鋼的平均晶粒尺寸在10.8 μm左右，7V的平均晶粒尺寸在12.5 μm左右，將兩者帶入公式，可以求得該晶粒尺寸所對(duì)應(yīng)的細(xì)晶強(qiáng)化值分別為167 MPa和155 MPa。

位錯(cuò)強(qiáng)化可以用Bailey-Hirsch關(guān)系方程估算：

式中M為泰勒因子，M=2.75；α為常數(shù)，α=0.43；μ為剪切模量，μ=80.3 GPa；b為柏式矢量值（0.248 nm）。因?yàn)閮煞N微合金鋼工藝基本相同，視其中的位錯(cuò)密度為定值：2.5×1013m-2，計(jì)算得到的位錯(cuò)強(qiáng)化貢獻(xiàn)為119 MPa。細(xì)晶強(qiáng)化與位錯(cuò)強(qiáng)化采用均方根疊加后綜合貢獻(xiàn)分別為195，205 MPa。

沉淀強(qiáng)化可以采用Ashby-Orowan模型進(jìn)行計(jì)算。其模型顯示，第二相析出物的強(qiáng)度增量與其體積分?jǐn)?shù)的半次方成正比，與其粒度成反比。本文選用下列公式計(jì)算兩種熱軋微合金鋼第二相的析出強(qiáng)化值：

式中σp為沉淀強(qiáng)化貢獻(xiàn)；f為體積分?jǐn)?shù)；d為第二相粒子的尺寸。根據(jù)電解化學(xué)相計(jì)算得到的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行各個(gè)尺寸析出物的強(qiáng)化貢獻(xiàn)（如表3所示），其差異主要在釩鈦微合金化的析出物數(shù)量減少，尺寸增加。

表3 沉淀（析出）強(qiáng)化計(jì)算

固溶體硬化可以表示如下：

電解化學(xué)相分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在釩鈦微合金鋼中溶液中的Ti較少，96%的Ti以碳氮化物的形式沉淀下來(lái)，故釩鈦微合金鋼中Ti的固溶強(qiáng)化可忽略不計(jì)。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從Thermo-Calc軟件中的計(jì)算中獲得，釩微合金鋼和釩鈦微合金鋼的鐵素體基體中平衡質(zhì)量分?jǐn)?shù)被確定為重量的0.005%。其余的化學(xué)成分基本相同，故視為一致，計(jì)算出的固溶強(qiáng)化效果基本相同，均為104 MPa。

綜上，屈服強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

釩鈦微合金鋼中各種強(qiáng)化機(jī)制的強(qiáng)化貢獻(xiàn)如表4所示：

表4 強(qiáng)度貢獻(xiàn)計(jì)算

由表4和表1可知，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，釩系、釩鈦系兩種微合金化試驗(yàn)鋼強(qiáng)度差異的主要是沉淀強(qiáng)化所致。

3 結(jié) 論

（1）V-Ti微合金系，Ti元素全部析出，Ti先與N結(jié)合生成TiN，當(dāng)Ti析出后，鋼中剩余的N含量較少，降低了V的析出驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致V元素析出率較低，析出率僅約30%。

（2）Ti的加入改變了V的析出形式，部分V在TiN上形核長(zhǎng)大，粗化了析出相尺寸，析出物尺寸大于20 nm，釩鈦微合金化鋼中的析出物基本上不起析出強(qiáng)化作用。

（3）各種強(qiáng)化機(jī)制貢獻(xiàn)估算發(fā)現(xiàn)，釩系、釩鈦系兩種微合金化鋼強(qiáng)度差異主要在于沉淀強(qiáng)化（析出強(qiáng)化）。

（4）Q420C級(jí)電力角鋼生產(chǎn)，建議采用釩氮合金進(jìn)行釩微合金化（無(wú)Ti化處理），可適當(dāng)降低軋制溫度以產(chǎn)生更多的界面，從而增加第二相的析出率，提升析出強(qiáng)化效果。