一種鈦微合金鋼納米析出物的控制方法
【專利摘要】一種鈦微合金鋼納米析出物的控制方法，屬于軋鋼【技術領域】，按以下步驟進行：（1）按設定成分澆鑄成鑄坯，其成分按重量百分比含C0.06±0.01%，Si0.20±0.01%，Mn1.40±0.01%，Ti0.10±0.01%，P＜0.012%，S＜0.01%，余量為Fe；（2）將鑄坯進行熱軋，開軋溫度為1245~1250℃，終軋溫度為900±15℃，總壓下量為85~97%；以100~120℃/s的冷卻速率冷卻至650~700℃，保溫30~60min進行等溫處理，空冷至室溫，獲得的熱軋鋼板中的納米析出物顆粒尺寸在4~5nm。本發(fā)明在不改變現有鈦微合金鋼化學成分的前提下，充分利用快冷工藝，并對軋制與冷卻工藝進行了調整，使納米級析出物的顆粒尺寸由常規(guī)工藝下的10nm左右細化至5nm以下，可最大程度發(fā)揮析出強化作用。
【專利說明】一種鈦微合金鋼納米析出物的控制方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于軋鋼【技術領域】，特別涉及一種鈦微合金鋼納米析出物的控制方法。

【背景技術】
[0002]材料通過基體中分布有細小彌散的第二相顆粒而產生強化的方法稱為第二相強化或分散強化。第二相強化機制根據第二相尺寸可分為切過機制和Orowan機制，第二相強化的效果在切過機制起作用時與第二相顆粒尺寸的二分之一次方成正比，顆粒尺寸越大，強化效果越大；而在Orowan機制起作用時大致與第二相顆粒的尺寸成反比,顆粒尺寸越小，強化效果越大。因此，就存在臨界轉換尺寸d。在此尺寸時第二相強化機制在Orowan機制和切過機制之間轉換，在此尺寸附近可獲得最大的第二相強化效果。針對鈦微合金鋼來說，其第二相的尺寸均大于臨界轉換尺寸，因而其強化機制主要為Orowan機制，這時細化第二相顆粒的尺寸對強化效果提高的作用十分顯著，尺寸細化一個數量級的作用大致相當于提高體積分數兩個數量級的作用；因此，研究鈦微合金鋼納米析出物的控制方法具有重要意義。
[0003]目前，對鈦微合金鋼來說，在奧氏體中析出的析出物主要通過抑制再結晶和晶粒長大起到細晶強化作用，尺寸大多在2(T50nm，對基體的析出強化作用很小，在鐵素體中析出的碳化物尺寸一般在1nm左右，析出強化效果非常顯著。楊哲人等學者針對T1、T1-Mo,T1-Nb的析出物析出行為進行了細致研究，獲得了大量細小的5?10nm的析出物?？涤懒值葘W者對用常規(guī)控制冷卻方式生產的Nb-Ti微合金鋼中析出行為的研究表明，避開90(T95(TC碳氮化物的快速析出溫度區(qū)間，并適當增加冷卻速度可以有效提高20nm以下的析出物的體積分數，顯著細化析出物尺寸，從而提高析出強化對屈服強度的貢獻。針對單獨的鈦微合金鋼來說，目前析出物粒子尺寸多集中5?10nm，因此，為了進一步提高其析出強化量，設計一種簡單有效的控制工藝進而獲得大量5nm以下的析出物，對發(fā)展鈦微合金化高強鋼是十分必要的。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種鈦微合金鋼納米析出物的控制方法，通過設計合金成分，軋制后進行超快了，控制冷卻溫度，降低納米析出物的晶粒尺寸，提高鈦微合金鋼的性倉泛。
[0005]本發(fā)明的鈦微合金鋼納米析出物的控制方法按以下步驟進行:
1、按設定成分澆鑄成鑄坯，其成分按重量百分比含C0.06±0.01%，Si 0.20±0.01%，Mn 1.40±0.01%, Ti 0.10±0.01%, P < 0.012%, S < 0.01%，余量為 Fe ；
2、將鑄坯進行熱軋，開軋溫度為1245?1250°C，終軋溫度為900±15°C，總壓下量為85?97%，然后以10(Tl20°C /s的冷卻速率冷卻至65(T700°C，并在65(T700°C保溫3(T60min進行等溫處理，最后空冷至室溫，獲得的熱軋鋼板中的納米析出物顆粒尺寸在Γ5ηπι。
[0006]上述方法中，獲得的熱軋鋼板的屈服強度67(T750MPa，抗拉強度為75(T810MPa。
[0007]上述的納米析出物為TiC，其析出強化量為25(T350MPa。
[0008]對微合金鋼中第二相尺寸的控制主要包括兩個方面，一是沉淀析出過程中第二相尺寸的控制，一是高溫保持一定時間Ostwald熟化過程中第二相尺寸的控制；沉淀析出過程中第二相尺寸的控制比較復雜，必須綜合考慮第二相沉淀析出相變的熱力學和動力學問題。第二相形核析出時的臨界核心尺寸反比于相變的化學驅動力而正比于第二相與基體之間的界面能。第二相非均勻形核析出時，由于可依托原有界面，某種程度上相當于減小了界面能，因而將增大臨界核心尺寸；同時由于溶質原子沿晶界的擴散比在基體中的體擴散要快得多，因而核心的長大速率較大；由此，非均勻形核所得到的第二相的尺寸較為粗大，一般情況下應該盡量避免第二相的非均勻形核析出；第二相在基體內均勻形核析出(包括在基體中均勻分布的位錯線上形核析出)時，由于第二相沉淀析出相變的化學驅動力隨沉淀溫度的降低而不斷增大，而溶質元素的擴散系數隨溫度的降低而不斷降低，因而第二相沉淀析出相變的PTT (Precipitat1n-Temperature-Time)曲線將呈C曲線形式,在該曲線的鼻子點溫度保溫沉淀將可最快實現第二相的平衡沉淀析出，因此，工藝上可采用在該溫度附近使第二相沉淀析出。但第二相沉淀析出相變形核率變化的NrTT (Nucleat1nrate-Temperature-Time)曲線呈反C曲線的形式,在NrTT曲線的鼻子點溫度保溫,沉淀將得到最大的形核率，因而得到最為細小的第二相顆粒尺寸。
[0009]針對鈦微合金鋼的析出過程，高溫階段的析出物尺寸較為粗大，而在此溫度區(qū)間進行超快速冷卻后可有效抑制微合金元素的析出，這樣，微合金元素的沉淀析出很大程度上發(fā)生在奧氏體向鐵素體轉變的過程中；在這種條件下，由于過冷度增大且微合金元素含量處于過飽和狀態(tài)，析出相的形核點會大大增加而其長大過程會被抑制，微合金元素在鐵素體中形成的析出相的尺寸通常在5?10nm，從而大大提高沉淀強化效果，超快速冷卻技術為獲得超細化的第二相粒子提供了有利的工藝手段。
[0010]對于鈦微合金鋼的析出強化來說，除了考慮析出物尺寸外，還需要考慮析出物的實際分布情況，因此，Ashby考慮了實際析出物分布和顆粒尺寸，提出了相應的Orowan-Ashby公式,具體如下:
, ΛGbf1 2.D
Aanr, = 0,^04---廠「In-
p./ f f2 2.451?



1.tr I




\ 'Ir /
公式中f為析出物體積分數，D為析出物平均尺寸，b為伯格斯矢量，G為材料的剪切模量;
由于析出物在基體中的分布情況大致分為彌散析出及相間析出，其中相間析出除了析出物顆粒尺寸影響其析出強化量外，其界面析出物顆粒間距及界面析出物層間距均會影響其析出強化量。對于相間析出來說，其析出過程發(fā)生在奧氏體/鐵素體相變過程，其析出物較為細小，
通過控制相間析出，相間析出強化量將明顯大于彌散析出強化量；因此，通過快冷至鐵素體相變區(qū)，生產大量的相間析出，對細化最終析出物的粒子及提高析出強化量將具有重要的作用。
[0011]綜上所述，對于鈦微合金鋼來說，為了更好的控制其納米析出物，除了優(yōu)化加熱溫度、軋制及冷卻溫度外，還應該結合快速冷卻工藝，抑制高溫階段的粗大析出過程，促進低溫區(qū)納米級析出物的析出，進而更好的發(fā)揮其析出強化作用。
[0012]本發(fā)明采用該控制方法的依據是:對于鈦微合金鋼來說，當加熱溫度在118(Tl250°C時，其奧氏體晶粒尺寸變化較小，但隨著奧氏體化溫度的升高，其固溶量逐漸增加，有利于后續(xù)的析出強化，但加熱溫度高于1250°C時，其奧氏體晶粒會發(fā)生粗化，不利于后續(xù)的組織控制及析出行為；采用較高的變形溫度避免了在變形過程中的誘導析出，而這些析出物會在后續(xù)的冷卻及保溫過程中迅速長大及粗大，因此，變形溫度應適當提高；利用快速冷卻抑制高溫階段粗大析出物，促進低溫區(qū)細小析出物的析出。
[0013]為了有效控制析出物的分布及尺寸，使其析出過程發(fā)生在奧氏體/鐵素體相變溫度區(qū)間，測定了 C 0.06±0.01%，Si 0.20±0.01%，Mn 1.40±0.01%，Ti 0.10±0.01%，P< 0.012%, S < 0.01%，余量為Fe的實驗鋼的奧氏體/鐵素體相變溫度區(qū)間為65(T700°C，因此，快冷終止溫度選定在此溫度區(qū)間。
[0014]為了更好的形成析出物，需要在奧氏體/鐵素體相變溫度區(qū)間進行等溫處理，這主要是為了充分的進行第二相粒子的沉淀析出，而第二相在基體中沉淀析出的相對時間的公式如下:



I (I + β)" ~ Λ.(1τ +.—■ Cp
1a= — 1.2S994 — 2 1srf； +---
‘―r0da、 " IulOkl'
其中Vo5A)為沉淀開始的相對時間，針對C 0.06 ± 0.01%, Si 0.20 ± 0.01%, Mn
1.40±0.01%, Ti 0.10±0.01%, P < 0.012%, S < 0.01%，余量為 Fe 的實驗鋼，可以計算出沉淀開始時間隨沉淀溫度T變化的曲線，即沉淀PTT曲線的開始曲線，而將此開始曲線平行右移1.76644/η (η為與形核率有關的常數)個時間數量級即可得到沉淀完成時間ta95隨沉淀溫度T變化的曲線，即沉淀PTT曲線的完成曲線，結合實驗及上述公式測定了實驗鋼的PTT曲線，對應于奧氏體/鐵素體相變區(qū)，其析出結束時間在3(T60min，而后隨著保溫時間的增加，析出物會發(fā)生明顯的長大或粗大，因此，在奧氏體/鐵素體相區(qū)的等溫時間控制在30?60mino
[0015]本發(fā)明在不改變現有鈦微合金鋼化學成分的前提下，充分利用快冷工藝，并對軋制與冷卻工藝進行了調整，使納米級析出物的顆粒尺寸由常規(guī)工藝下的1nm左右細化至5nm以下，可最大程度發(fā)揮析出強化作用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明實施例1的熱軋鋼板的電子顯微(TEM)圖。

【具體實施方式】
[0017]本發(fā)明實施例中測試熱軋鋼板的強度是按GBT228-2002進行測試。
[0018]本發(fā)明實施例中電子顯微圖采用FEI Tecnai G2 F20場發(fā)射透射電子顯微鏡觀察獲得。
[0019]實施例1 按設定成分澆鑄成鑄坯，其成分按重量百分比含C 0.05%, Si 0.21%, Mn 1.40%, Ti0.09%, P 0.010%, S 0.009%，余量為 Fe ；
將鑄還進行熱軋，開軋溫度為1250°C,終軋溫度為900°C,總壓下量為85%,然后以1200C /s的冷卻速率冷卻至650°C，并在650°C保溫60min進行等溫處理，最后空冷至室溫，獲得的熱軋鋼板中的納米析出物顆粒尺寸在Γ5ηπι，納米析出物為TiC，其析出強化量為350MPa ;熱軋鋼板的屈服強度750MPa，抗拉強度為810MPa，電子顯微圖如圖1所示。
[0020]實施例2
按設定成分澆鑄成鑄坯，其成分按重量百分比含C 0.06%, Si 0.20%, Mn 1.41%，Ti0.09%, P 0.012%, S < 0.009%，余量為 Fe ；
將鑄還進行熱軋，開軋溫度為1250°C,終軋溫度為900°C,總壓下量為92%,然后以100C /s的冷卻速率冷卻至700°C，并在700°C保溫30min進行等溫處理，最后空冷至室溫，獲得的熱軋鋼板中的納米析出物顆粒尺寸在Γ5ηπι，納米析出物為TiC，其析出強化量為250MPa ;熱軋鋼板的屈服強度670MPa，抗拉強度為750MPa。
[0021]實施例3
按設定成分澆鑄成鑄坯，其成分按重量百分比含C 0.07%, Si 0.19%, Mn 1.39%，Ti
0.10%, P 0.011%, S 0.008%，余量為 Fe ；
將鑄還進行熱軋，開軋溫度為1250°C,終軋溫度為900°C,總壓下量為97%,然后以100C /s的冷卻速率冷卻至680°C，并在680°C保溫40min進行等溫處理，最后空冷至室溫，獲得的熱軋鋼板中的納米析出物顆粒尺寸在Γ5ηπι，納米析出物為TiC，其析出強化量為280MPa ;熱軋鋼板的屈服強度700MPa，抗拉強度為780MPa。
[0022]實施例4
按設定成分澆鑄成鑄坯，其成分按重量百分比含C 0.05%, Si 0.20%, Mn 1.41%，Ti0.11%, P 0.011%, S 0.01%，余量為 Fe ；
將鑄還進行熱軋，開軋溫度為1245°C,終軋溫度為915°C,總壓下量為85%,然后以IlO0C /s的冷卻速率冷卻至650°C，并在650°C保溫40min進行等溫處理，最后空冷至室溫，獲得的熱軋鋼板中的納米析出物顆粒尺寸在Γ5ηπι，納米析出物為TiC，其析出強化量為300MPa ;熱軋鋼板的屈服強度710MPa，抗拉強度為790MPa。
[0023]實施例5
按設定成分澆鑄成鑄坯，其成分按重量百分比含C 0.06%, Si 0.19%, Mn 1.40%, Ti0.11%, P 0.012%, S 0.009%，余量為 Fe ；
將鑄還進行熱軋，開軋溫度為1245°C,終軋溫度為885°C,總壓下量為97%,然后以1200C /s的冷卻速率冷卻至700°C，并在680°C保溫30min進行等溫處理，最后空冷至室溫，獲得的熱軋鋼板中的納米析出物顆粒尺寸在Γ5ηπι，納米析出物為TiC，其析出強化量為330MPa ;熱軋鋼板的屈服強度730MPa，抗拉強度為780MPa。
【權利要求】
1.一種鈦微合金鋼納米析出物的控制方法，其特征在于按以下步驟進行: (1)按設定成分澆鑄成鑄坯，其成分按重量百分比含C0.06 ±0.01%，Si 0.20 ±0.01%，Mn 1.40±0.01%, Ti 0.10±0.01%, P < 0.012%, S < 0.01%，余量為 Fe ； (2)將鑄坯進行熱軋，開軋溫度為1245?1250°C，終軋溫度為900±15°C，總壓下量為85?97%，然后以10(Tl20°C /s的冷卻速率冷卻至65(T700°C，并在65(T700°C保溫3(T60min進行等溫處理，最后空冷至室溫，獲得的熱軋鋼板中的納米析出物顆粒尺寸在Γ5ηπι。
2.根據權利要求1所述的一種鈦微合金鋼納米析出物的控制方法，其特征在于所述的熱軋鋼板的屈服強度67(T750MPa，抗拉強度為75(T810MPa。
3.根據權利要求1所述的一種鈦微合金鋼納米析出物的控制方法，其特征在于所述的納米析出物為TiC，其析出強化量為25(T350MPa。
【文檔編號】C22C38/14GK104148410SQ201410367193
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月30日 優(yōu)先權日:2014年7月30日
【發(fā)明者】衣海龍, 劉振宇, 田勇, 吳迪, 王國棟 申請人:東北大學