晶内铁素体型高强韧性微合金非调质钢的进展

晶内铁素体型高强韧性微合金非调质钢的进展 晶内铁素体型高强韧性微合金非调质钢的 进展 第26卷第3期 2005年5月 特殊钢 SPECLALSD~EI, V01.26.No.3 May2005?35? 晶内铁素体型高强韧性微合金非调质钢的进展 陈思联林军 (北京科技大学,北京100083)(宝钢阿赛洛激光拼焊有限公司,上海201805) 戴观文 (石家庄钢铁有限责任公司,石家庄050031) 摘要晶内铁素体型微合金非调质钢成分一般为(%):0.2—0.4C,0.2,0.8Si,1.0,1.7Mn,0.05, 0.15V,采用再结晶锻造或轧制,控制相变区间冷却速率以促进形成细小弥散的晶内铁素体组织是提高铁素体 . 珠光体型微合金非调质钢强韧性的重要手段.选择合适的脱氧工艺,获得一定组成的细小,弥散的氧化物, 使之成为MnS,VN和V4G等的析出核心,利于晶内铁素体析出的氧化物冶金是近来提高该钢强韧性的重要 进展.介绍了国内外晶内铁素体型微合金非调质钢的化学成分和生产工艺,并分析了晶内铁素体形成机理. 关键词晶内铁素体微合金非调质钢高强韧性进展 DevelopmentofMicroalloyedIntragranularFerriteSteelWithHigh StrengthandToughness ChenSilian (CentralIronandSteelResearchInstitute,Beijing100081) LinJun (AreelorTailotMetalCohd,Baosteel,Shangha~201805) DajGuanwen (ShijiazhuangIronandSteelCoLtd,Shljiazhua~g050031) AbstractThegeneralchemicalcompositionsofmicroalloyedintragranularferritesteelsale0.2,0.4C,0.2,0.8Si, 1.0—1.7Mn.0.05— 0.15V.Itisamainmeas1M'etoincreasethestrengthandtoughnessofferrite-pearlitemicroalloyed steelusirIgrearystnlli7~5,dforgingandroilingtocontrolcoolingrateinphase. transformationrangeinordertopromoteformation offinedispersedintragranularferritestructure.Recentlyanimportantadvancet0increasestrengthandtoughn~softhissteel istoselectsuitabledeoxidizingprocess,getfine,dispersedoxideswithdefiniteingredientwhichbecomeprecipitatednucle? usofMIlS,VNandV4G.Thechemicalcompositionsandproductionofmicroalloyedintragranularferritesteelsathomeand abroadarepresentedandtheformationmechanismofintragranularferriteisanalyzedinthispaper. MaterialIndexIntragranularFerrite,MicroaUoyedSteel,HighStrengthandToughness,Development 微合金非调质钢的组织演变经历了铁素体一 珠光体,贝氏体,马氏体几个阶段,早期开发的微 合金非调质钢具有铁素体和珠光体的混合组织, 微合金元素在奥氏体,铁素体和珠光体铁素体片 中析出产生晶粒细化和析出强化效果?』,铁素 体.珠光体型微合金非调质钢的强度和硬度可以 达到相应调质钢水平.但是,微合金非调质钢中 先共析铁素体易沿原奥氏体晶界析出,得到粗大 的铁素体一珠光体组织,韧性较差.为了提高铁素 体.珠光体型微合金非调质钢的韧性,可以降低碳 含量,以增加铁素体体积百分数,减少珠光体百分 数.碳含量减少引起的强度降低可以通过添加合 金元素来弥补.然而,降低碳含量和添加合金元 素的方法有一定局限性,因为空冷条件下会导致 贝氏体和马氏体组织的出现,微合金非调质钢性 能不稳定,且成本增加. 基于"氧化物冶金"发展起来的晶内铁素体技 术,是近年来在改善铁素体一珠光体型微合金非调 质钢强韧性方面最为突出的进展.本文就国内外 晶内铁素体型高强高韧微合金非调质钢的研究开 发进展进行简要综述. 1晶内铁素体形成机理 在不明显改变化学成分条件下,组织细化是 同时提高铁素体一珠光体型微合金非调质钢强度 和韧性的唯一途径.通过优化化学成分和变形工 ? 36?特殊钢第26卷 艺,可使组织细化,进而提高强度和韧性(图1). 低温变形是细化组织的有效方法,但由于变形抗 力增加而使工件寿命缩短,在实际生产中难以深 入发挥作用. 晶内铁素体的形成过程为L4引:(1)脱氧过 程中,钢中弥散形成强脱氧元素氧化物(A1O,, l同时提高强度和韧性I 厂星]一田一]厂星]L一田一] 控制变形条件}卜相螽夜体—利用沉淀物 竺堡通过氧化物冶金促进晶内铁素体转变 图1铁素体一珠光体型微合金非调质钢的强韧化 Fig.1Strength-toughnessofferrite—pearlitemicroalloyed steels TiO]等); (2)弱脱氧元素的氧化物(MnO,FeO等)在强 脱氧元素氧化物上析出,形成复合氧化物; (3)复合氧化物作为依附点,MnS析出; (4)MnS上析出VN,v4C3; (5)VN和晶内铁素体两者的(001)晶面具有 Baker-Nutting位向关系,错配率很小(不超过 2.1%),晶格的共格性高,因而铁素体形核的自由 能变低.也就是说,在MnS上析出的VN成了晶 内铁素体的相变形核区.晶内铁素体在VN和 v4G上析出. 2国外晶内铁素体型微合金非调质钢的进展 日本,欧洲等国家均开发出抗拉强度高达 900,1000MPa的晶内铁素体型高强高韧微合金 非调质钢,并已成功应用于汽车和建筑机械等行 业,包括锻造用曲轴,连杆,传动轴,转向节,轮毂, 前臂,弯臂,螺栓和直接切削用齿条拉杆,轴,销等 零部件】引.表1列出了国外典型晶内铁素体 表1国外晶内铁素体型微合金非调质钢的化学成分和力学性能 Table1Chemicalcompositionsandmechanicalpropertiesofmicroalloyedintragranular 国家 德国 英国 瑞典 法国 芬兰 日本: 爱知制钢 川崎制铁 神户 制钢所 山阳特殊 制钢 新日铁 住友金属 东亚制钢 NKK 三菱制钢 .化学成分/%力学性能 "CSiMnCrVSMPaUE耵/JR%日/% 38MIlSiVS60.35,0.4o0.5,0.81.2O,1.5O—O.O8,O.13O.O3,0.065820,925一?25?12 80.32,0.400.15,0.351.20.50—0.08,0.13(O.05770~1o0o一一1O8 V29o5O.35,0.400.15,0.400.60,1.2o—O.o7,O.1O0.04,O.06750,95O一一?12 o.25,0.40o.10,0.401.2070一o.08,0.20o.02,0.048oo,1o0o一一一 0VAK0O.3O,0.40—0.50,1.5OO.5O.O5,O.15O.O5,O.10770,1O0o一一一 SVmOO.27,O.32O.15,O.351.18,1.32一一O.o4,O.o7?68070,9o35,40?20 NH3OMVO.27,O.32O.15,O.351.oo,1.60<0.350.05,0.20—84o,1O0o42,72—19,23 23MO.23O.251.5O一一一8101oo5824 KNF33MO.33O.251.2O一一一910505022 SMnV3叽TIJO.3O一1.3O一一O.1735一一一 1L?O.35—1.5O一一O.3980一一一 NQ~50-300XMO.25,O.3OO.5O1.6oO.34O.12O.06810,90o98一一 NQF33TiN0.320.301.52O.05O.O5O.o2760137一一 U忸C90F一一一一一一880一一一 TOB一一一一一一84o1045623 NC4oHFG0.40—1.69一O.10—98537一一 VMC30O.3OO.251.7O0.400.20—96o5O一一 型微合金非调质钢的化学成分和力学性能. 与传统铁素体一珠光体型微合金非调质钢相 比,晶内铁素体型微合金非调质钢的先共析铁素 体不仅分布于原奥氏体晶界,而且还在原奥氏体 晶粒内部大量,细小的析出,起到分割原奥氏体晶 粒,细化组织的有效作用,具有铁素体一珠光体细 晶组织.由于晶内铁素体在破坏过程中阻碍裂纹 扩展,细化解理单元,因此晶内铁素体型微合金非 调质钢比传统铁素体一珠光体型微合金非调质钢 有更高的韧性.晶内铁素体型微合金非调质钢还 第3期陈思联等:晶内铁素体型高强韧性微合金非调质钢的进展 具有比相同强度级别下调质钢更高的疲劳性能. 晶内铁素体型微合金非调质钢的切削性能也 比调质钢优良.这是由于晶内铁素体型微合金非 调质钢具有铁素体一珠光体的双相组织,切削过程 中的切削力小于回火马氏体组织. 3我国晶内铁素体型微合金非调质钢的进展 3.1化学成分 降低碳含量,可以增加铁素体一珠光体组织中 铁素体体积百分数,提高珠光体片的退化程度和 细化珠光体片,明显提高韧性,但碳含量太低无法 保证一定的强度要求.硅和锰可以改变铁素体的 形核和长大,稀释珠光体片,在保持强度的同时, 提高韧性.晶内铁素体型微合金非调质钢为了同 时获得高强度和高韧性,碳含量控制在0.20%, 0.40%,硅含量控制在0.20%,0.80%,锰1.oo% , 1.70%,钒0.o5%,0.15%. 硫对0.3%C一1.5%Mn一0.1%V微合金非调质 钢先共析铁素体析出行为影响的研究结果表明, 在较高的热加工温度(1423,1523K)下,韧性较 高,并且硫含量在0.06%,0.08%时韧性出现峰 值.0.3%C一1.5%Mn一0.1%V一0.010%S和0.3% C.1.5%Mn.0.1%V一0.068%S两种微合金非调质 在冷却相变过程中,硫含 钢于1473K奥氏体化, 量0.068%钢的先共析铁素体形核速率较高,而 长大速率较小,并且相同条件下的铁素体晶粒数 目多,粒径小,铁素体体积百分数大.0.3%C一 1.5%Mn.0.1%V.0.068%S微合金非调质钢组织 中有大量的晶内铁素体析出,没有网状铁素体出 现,得到的是铁素体弥散分布的铁素体一珠光体细 晶组织.0.3%C一1.5%Mn一0.1%V一0.068%S钢的 相变温度高,其奥氏体状态易于促进铁素体相变. 中碳微合金非调质钢中添加0.02%左右的 钛对钢的韧性较为有利_1.铝,氮对0.3%C. 1.5%Mn一0.1%V一0.068%S-0.02%Ti微合金非调 质钢冲击韧性的影响如图2所示.当钛含量为 0.018%,0.024%,铝,氮含量分别在0.o2%, 0.03%和0.11%,0.13%时,0.3%C一1.5%Mn. 0.1%V一0.068%S微合金非调质钢可以形成铁素 体一珠光体细晶组织,强度和韧性分别达到800, 950MPa和50,100J/cm2. 3.2生产工艺 晶内铁素体型微合金非调质钢要求对锰,硅, 图2铝,氮含量对微合金晶内非调质钢冲击韧性的 影响 Fig.2EffectofA1uminiumandnitrogencontentonimpact toughnessofmicroalloyedintragranularferritesteel 钒,硫,铝,钛和氮等元素精确控制.在冶炼过程 中,既要保证合金元素的收得率,满足化学成分要 求,又要在高硫,氮等含量情况下,进行变性处理, 使其化合物作为晶内铁素体形核核心细小弥散析 出,而不是作为有害夹杂物大块析出.由于铁水 预处理和二次精炼技术的发展,晶内铁素体型微 合金非调质钢也可以采用转炉生产.晶内铁素体 型微合金非调质钢的冶炼工艺与常用结构钢类 似,可以大规模,工业化生产. 奥氏体化温度升高有利于碳氮化钒的溶解, 加大相变冷却过程中的析出强化效果.但钢的共 析碳浓度降低,在碳含量一定的情况下,增加珠光 体量,减少先共析铁素体量.降低变形温度,再结 晶驱动力变小,产生形变诱导析出,晶粒细化,能 够获得铁索体一珠光体细晶组织,提高韧性,但由 于生产设备能力等的制约,变形温度的降低幅度 有限.奥氏体化温度越高,晶粒越粗大,韧性降 低.研究奥氏体化温度和相变区间冷却速率对 0.36%C一0.56%Si一1.38Mn一0.11%V一0.06%S微合 金非调质钢组织和性能影响的结果表明,冷却速 率改变了相变过程中新相形核和长大(图3).冷 却速率增加,铁素体晶粒数增多,并且变得更加细 小,细化铁素体效果明显;同时钢中铁素体减少, 珠光体增多,导致强度的增加和韧性的略微降低. 3.3我国晶内铁素体型微合金非调质钢的开发 我国已成功开发出晶内铁素体型高强高韧微 合金非调质钢,并且得到成功应用.30MnVS已经 通过法国雪铁龙公司认可,在富康轿车轮毂,连杆 上得到应用.38MnVS5作为2000型桑塔纳轿车 曲轴材料,也得到了德国大众汽车公司2VQS曲 ? 38?特殊钢第26卷 l 量 妊 ?墨 榀 冷却速率/K.min—l 图3热变形冷却速率对微合金非调质钢铁素体析出和硬度的影响,奥氏体温度 1423,1543K Fig.3Effectofhotdeformingc00ngrateOilprecipitationofferriteandkmsofmicroalloyedst ee],austenitictemperaturebe— tweenl423Kandl543K 表230MnVS和38M_nV~钢的化学成分和力学性能 Ie2Choamcalc0IIandmechanicalpropertiesofSteel30MnVSand38MnVS5 轴用材认可,并且准备替代公司所有的49NnVS3 材料.疲劳试验,台架试验和跑车试验表明,两种 微合金非调质钢达到了国外同类水平.30NnVS 和38NnVS5的化学成分和力学性能见表2. 4结语 我国具有丰富的钒,钛等资源,近年来随着冶 参考文献 1野村一行,胁门惠洋.总论:非调质钢现状匕动向.特殊钢 (日),1993,42(5):9 2Gladm~T.PhysicalMetallurgyofNicroalloyedMediumCarbonEn西一 neeringSteels.Imnn~kingandSteelmoking,1989.16(4):241 3ThompsonSWandK1~1188G.PrecipitationandFineStructureinMe- dium-~rbonVanadiumandVo~adium/NiobiumMicroalloyedSteels. MetallurgicalTransactionA,1989,20A(11):2279 4为宏博,值森龙治.钢中非金属介在物聋利用L把粒内变态7 工c=土为组织制御.C.AMP-ISIJ,2000(13):756 5ge出Ogibayashi.AdvancesinTechnology0fOxideMetallurgy, NipponSteelTechnicalReport,1994,61(4):70 等.低硫钢NnS析出汇及6 6若生昌光,泽井隆,沟口庄三, 寸钢中酸化物影响.铁匕钢,1992,78(11):1697 7高田启督,石川房男,等.7工,,一型热间锻造 用非调质钢强韧性化研究.CAMP-ISIJ,]992(5):777 8ZhongtilagMa,DieterPeiskerandDieterJanke.GrainRefiningof StructuralSteelsbyDispersionofFineOxidePanicles.SteelRe— search,1999,7O(4):178 9KatsunariOikawa,KiyohitoIshidaandTaijiNishizawa.EffectofTita- niumontheForm,~onandDistributionofMIInclusionsinSteeldur- ingSolidification.ISIJInten~tional,1997,37(4):332 1O及川腾成,大谷博司,石田清仁.TiN添加c=上为NnS形态制 御.e/~lP-ISlJ,]992(5):2000 金和钢材加工企业的装备及工艺技术不断进步, 晶内铁索体型高强高韧微合金非调质钢的生产已 经完全成为现实.晶内铁索体型高强高韧微合金 非调质钢以其优异的性能,必将替代相当大一部 分结构钢,降低制造成本,增加企业效益. "十五"国家科技攻关项目 11小山德寿,AlexeiV.DUB,月桥文孝,佐野信雄,等.Fe饱和一 FeS-NnS7,y夕叉中Al2o3,Sio2,cr2O3及NnO—Sio27 ,y夕叉中Mr溶解度.CAMP-ISIJ,]992(5):997 12一/,濑威,冈口秀治.粒内Ferrite组织生成c二对寸为S添加 效果.C,A]~IP-ISIJ,]992(5):533 13FusaoIshikawaandTo6hihlkoTakahashi.TheForrn~onofInm~;ran— ularFerritePlatesinMedium—CarbonSteelsforHot—forgingandIts EffectOiltheToughness,ISUlntemational,1995,35(9):1128 14武田滋,日幕正厚.非调质钢选方?使0,方.特殊钢(日), 1993,42(5):15 森永次郎,永田英树,等.最近非调质钢适用 15谷口庸一, 例.特殊钢(日),1993,42(5):24 16岩间直树,小野秋男,等.会员一力一非调质钢.特殊钢 (日),1993,42(5):41 17赵量.高韧性非调质钢的研究和进展.国外金属材料,1985 (12):1 陈思联(1974-),男,工程师.1997年毕业于东北大学金 属物理专业,从事合金结构钢研究开发. 收稿日期:2004-12—06