微钛固氮降低含铌钢皮下裂纹敏感性的机理
郑万1,2，寇锦荣1,2，李烈军3，王冠4，万翔4，刘辰生4
(1. 武汉科技大学耐火材料与冶金国家重点实验室， 湖北 武汉 430081；2. 武汉科技大学钢铁冶金新工艺湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430081；3. 华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术研究中心， 广东 广州 510000；4. 广东韶钢松山股份有限公司， 广东 韶关 512000)
摘要：降低含铌低合金钢铸坯的裂纹敏感性，是实现热装热送工艺的必要条件，采用超高温激光共聚焦显微镜(HT-CLSM)、透射电镜(TEM)等手段研究了钛含量不同的含铌低合金钢(Q390、Q390GJD)高温铸坯的晶粒度及析出物特征，旨在揭示微钛固氮降低含铌钢皮下裂纹敏感性的机理。热力学计算与TEM检测结果表明，增加钢中钛质量分数(由0.010%上升到0.023%)提高了氮化钛粒子的析出温度(大于1 400 ℃)，高温析出细小弥散的氮化钛粒子可钉扎奥氏体晶界，细化高温铸坯的晶粒度(由4级变成6.5级)，晶粒尺寸降低了约44%，使高温铸坯的裂纹敏感性明显降低；氮化钛粒子优先析出固氮降低了铌碳氮化物、氮化铝的开始析出温度，并作为异质形核核心，抑制了铌、铝析出物在晶界析出概率，降低了析出物脆化晶界的危害。通过微钛固氮调控氮化物的析出温度、析出位置及细化晶粒的作用，有效降低了含铌钢第三脆性温度槽的宽度和深度，同时，高温抗拉强度提高了21.3%~27.5%，铸坯皮下裂纹发生率降低了80%以上。为了避免析出物的晶界链状析出导致含铌钢铸坯热装轧制裂纹，应将其钛质量分数控制在0.015%~0.020%的合理范围。
关键词：含铌低合金钢； 裂纹敏感性； 氮化钛； 钉扎作用； 析出行为调控
1 引言
采用普通C-Mn钢中添加微量Nb、V、Ti等合金化技术和TMCP控轧控冷先进工艺制备的低合金钢，具有低成本、高性能(强韧性、焊接性及抗腐蚀性等)特点，已广泛应用于机械、建筑、桥梁、军工、船舶及海洋工程等结构材料。铌合金化可显著提高钢的再结晶温度、降低奥氏体晶粒粗化趋势，有效发挥细晶作用，提高钢的强韧性，已成为大多数高强结构钢的首选。但含铌低合金钢连铸坯裂纹敏感性强、易发生热装轧材裂纹，严重影响了热送热装工艺的实施和成材率，是各大钢厂亟待解决的生产难点。
优化连铸二次冷却、铸坯矫直温度，避免第Ⅲ脆性区间的矫直裂纹是降低含铌低合金钢连铸坯裂纹的主要手段。高温拉伸试验表明，含铌低合金钢中Nb(C，N)的晶界析出(900 ℃左右)降低了钢的临界抗拉强度，导致含铌钢第Ⅲ脆性温度槽更宽更深，因此，连铸工艺参数(拉速、二次冷却水压)的波动很容易造成铸坯的矫直温度控制不当，铸坯矫直裂纹敏感性强。调控析出物的析出行为，避免其在铸坯矫直前析出，也是降低铸坯裂纹敏感性的有效措施。如严格控制含铌低合金钢的氮质量分数(小于0.005 0%)，避免Nb(C，N)在矫直前析出，已成为钢厂生产含铌钢实践的共识，但钢中氮含量控制影响因素多，涉及转炉终点控制、钢包炉精炼及连铸保护浇注水平，特别是在大废钢比转炉冶炼条件下，控制钢中氮质量分数(小于0.005 0%)更加困难。因此，采用钛合金化工艺，发挥氮化钛高温优先析出的固氮作用，降低Nb(C，N)等的析出温度及其危害，已成为控制含铌钢铸坯裂纹的有效手段。
此外，细化晶粒也是降低铸坯裂纹敏感性的有效方法，杨柳研究发现，钛铌微合金钢铸坯角部振痕谷底处易形成粗大的奥氏体晶粒，在第Ⅲ脆性温度区间的矫直力作用下，导致了铸坯角部横裂纹的产生，而细化晶粒可提高金属的强韧性，避免角部裂纹的发生。此外，氮化钛粒子细化铸态组织晶粒的作用已在焊接冶金中得到广泛应用，钛合金化可望细化含铌钢铸坯晶粒，降低其裂纹敏感性。
某钢厂生产含铌低合金钢Q390连铸坯的皮下裂纹发生率较高，采用增钛降铝的合金化工艺生产(钢种名为Q390GJD)，皮下裂纹发生率明显下降，其降低铸坯裂纹敏感性的机制有待进一步研究。本文采用Q390、Q390GJD铸坯试样，通过超高温激光共聚焦显微镜(HT-CLSM)、透射电镜(TEM)等手段，研究合金化成分微调对含铌低合金钢晶粒度等微观组织以及析出物行为的影响，以揭示微钛固氮降低含铌低合金钢裂纹敏感性的机理，为含铌低合金钢的成分与工艺优化提供理论参考。
2 精选图表
3 结论
(1)增加含铌低合金钢中钛质量分数(由0.010%提高到0.023%)，可有效提高氮化钛粒子的析出温度(大于1 400 ℃)，钉扎高温奥氏体晶界迁移，实现晶粒细化，铸坯晶粒度由粗晶粒的4级上升到细晶粒的6.5级，高温抗拉强度增加了21.3%~27.5%，提高了高温铸坯的强韧性。
(2)氮化钛优先析出的固氮作用降低了铌碳氮化物、氮化铝的析出温度，并作为异质形核核心，抑制了铌、铝析出物在晶界析出概率，结合TiN钉扎奥氏体的晶粒细化作用，有效降低含铌低合金钢的第三脆性温度槽的宽度和深度，裂纹敏感性明显降低。
(3)增钛降铝含铌钢铸坯的皮下裂纹发生率降低了80%以上，为了避免析出物的晶界链状析出导致铸坯热装轧制裂纹，含铌钢中钛质量分数的合理范围为0.015%~0.020%。
