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锻造工艺对微合金非调质钢的影响

更新时间：2015.11.24 新闻来源：

通过V-Ti、V-Nb-Ti非调质钢在锻造过程中所表现出来的不同特性，分析微合金化技术和锻造工艺对动态再结晶过程及晶粒细化的机理。表明Nb的添加可显著提高奥氏体抗粗化温度，促进V-Ti微合金化非调质钢V的析出强化效果。而V-Nb-Ti的复合利用未再结晶区锻造细化再结晶晶粒，促进先共析铁素体的析出和珠光体形态离异。通过控制合适的终锻温度，可提高V-Ti微合金非调质钢的高强韧性。

微合金非调质钢是伴随国际上能源短缺而发展起来的一种高效节能钢，用以替代传统的淬火+高温回火热处理的合金结构钢，具有简化生产工艺流程，提高材料利用率，改善零件质量，降低能耗和制造成本（约25%-35%）等优点，因而获得广泛应用。目前，此类钢种的使用范围已经由最初的汽车行业向建筑、重型机械、高压输送管道、桥梁等领域进行扩展。

微合金非调质钢本质上是一种机械结构用钢，要求具有与调质钢基本相当的良好综合力学性能。对于调质态的机械结构用钢而言，其轧制（锻造）工艺是产品的中间过程，仅对产品性能产生有限的影响。零件的最终力学性能主要依靠调质热处理工艺的控制来保障。而对于非调质钢来说，轧制（锻造）及后续冷却是终态生产工艺，其加热温度、终轧（锻）温度及变形后的冷却制度均对产品的最终力学性能产生直接的影响。微合金化技术和控锻/控冷工艺，是达到高强韧化的有效途径之一。目前市场供应的非调质钢中普遍耐冲击性能不足，本文针对V-Nb复合微合金化非调质钢，在提高强度级别的同时大大提升冲击性能，且围绕其机理进行探索和研究。

1、试验材料及方法

试验用非调质钢的规格为Ø80mm圆棒，属于铁素体-珠光体型热锻用非调质钢，微合金钢的主要化学成分见表1。在锻造车间进行非调质钢的控锻、控冷试验，锻造-控冷工艺为：加热温度1130℃，始锻温度1000℃，终锻温度850℃，锻成Ø25×500mm棒材，锻后1.5℃/s风冷至650℃后空冷至室温。

表1：试验钢V-Ti、V-Ti-Nb的化学成分（Wt，%）

非调质钢	C	Si	Mn	S	P	V	Cr	Ti	Nb	N
V-Ti	0.39	0.60	1.45	≤0.03	≤0.03	0.12	0.3	0.016	--	0.0058
V-Ti-Nb	0.39	0.60	1.45	≤0.03	≤0.03	0.078	0.3	0.016	0.025	0.0092

锻后成品棒材按照GB6397-86、GB/T229-1994加工2个Ø5×65mm拉伸试样和3个10mm×10mm×55mm、U型缺口冲击试样，进行抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2、断后伸长率A、断面收缩率Z和冲击吸收功AKU2测定，并对试验样采取金相、扫描、透射电镜显微组织分析。

2、试验结果及分析

2.1、试验结果

由表2中的力学性能数据可知，采用V-Nb复合达到与V-Ti微合金复合化1100MPa强度级别的同时，也大大提升了非调质钢的冲击韧性。

表2：控锻控冷对非调质钢力学性能的影响

非调质钢	Rm，MPa	Rp0.2，MPa	A，%	Z，%	AKU2，J
V-Ti	1240	695	14	19	25
V-Nb-Ti	1139	655	13.5	31	52

　　2.2、微合金非调质钢组织分析

与V-Ti复合相比，V-Nb微合金化锻后珠光体组织均匀细小，而且铁素体含量达到16%，这是V-Nb复合非调质钢冲击韧性值高的主要原因。因为V-Nb复合通过NbC的析出阻止终轧/锻阶段的奥氏体再结晶，明显提高再结晶终止温度（950℃），提前终止动态再结晶。V-Nb-Ti微合金复合降低了奥氏体向铁素体转变温度，从而达到析出晶粒细化的效果。奥氏体未再结晶区850℃-900℃的低温轧制，形变拉长再结晶后奥氏体晶粒，使其扁平细化。同时低温轧制显著增加非调质钢的位错密度和形变储能，而V-Nb复合促进了V（C，N）粒子沿晶界内外和位错线上的析出，促进先共析铁素体在VN颗粒上的析出、长大。

未再结晶区对V-Nb复合非调质钢进行低温轧制能有效地促进先共析铁素体晶粒分布和细化，因而V-Nb微合金化钢中存在着大量的晶内铁素体，对粗大的珠光体团进行分割、细化。晶内铁素体的充分析出和组织细化是V-Nb复合冲击韧性值高的主要原因。

2.3、微合金非调质钢珠光体片层分布及片层展弦比分析

通过对比锻造工艺对V-Ti、V-Nb-Ti微合金化非调质钢珠光体形貌的影响。发现V-Ti复合后珠光体片层分明平行排列，而V-Nb微合金化后的珠光体短折紊乱拥挤排列，部分呈球状粒化。因为V-Nb-Ti复合降低了铁素体-珠光体相变转变点，低温转变得到的珠光体片层细小，相当于V-Ti渗碳体层平均厚度从42nm减少到27nm，片层间距由110nm细化到85nm，这样细化、钝化、无序分布状态的珠光体既增加V-Nb钢的强度又改善了韧性。

2.4、微合金非调质钢珠光体片形貌分析

由透射电镜下V-Ti、V-Nb-Ti微合金化后的珠光体片层对比可知，由于Nb具有阻止再结晶、晶粒细化、通过控制相变降低珠光体片层间距、沉淀析出强化四重作用，使得V-Ti复合+再结晶控轧控冷转变为V-Nb-Ti再结晶+未再结晶控轧控冷，充分利用了低温未再结晶区轧制细化、拉长、扁平形变等轴再结晶晶粒。微合金V-Nb微合金复合化与控轧控冷工艺的相结合，冷却相变过程中长片状渗碳体一部分出现折断、短片状或变态球化、从有序排列变为无序排列，并且片层间距缩小，使得非调质钢在不损失强度的情况下韧性得到提高。

3、结论

1）V-Nb复合提高了动态再结晶的终止温度，扩大了V-Ti非调质钢的未再结晶区。它是利用动态再结晶细化奥氏体晶粒-未再结晶区低温（850℃）轧制拉长形变奥氏体，增加奥氏体有效晶界总面积，增加形变储能及相变后的铁素体形核位置，促进先共析铁素体的增多和均匀分布，显著细化铁素体-珠光体组织。

2）未再结晶区低温轧制后转变得到的珠光体的形态出现明显变化。珠光体中的渗碳体片并非V-Ti微合金化中那样十分规整地平行排列，而是产生了明显的离异，珠光体片层出现弯折、折断甚至粒化球状的特征，渗碳体展弦比明显减小且球状粒化、钝化的组织特征决定了V-Nb复合的高强韧性。

3）微量的Nb加入V-Ti非调质钢中能促进V的析出，使得V-Ti微合金钢具有晶粒细化、较宽的未再结晶区、析出强化+组织细化三重作用。利用V-Nb微合金化技术与低温未再结晶区的细化轧制相结合，轧后低温转变得到的珠光体片层呈现球状粒化现象。渗碳体展弦比显著减小不仅提高了非调质钢的强度而且提高了冲击韧性值，V-Nb复合优化了V-Ti非调质钢的应用范围，克服了V-Ti系非调质钢强有余而韧不足的缺点。

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