高强度船板钢奥氏体晶粒长大的规律
第44卷 第2期 2009年2月
钢铁
Vol. 44, No. 2
February 2009
Iron and Steel
高强度船板钢奥氏体晶粒长大的规律
彭 晟, 朱松鹤, 张恒华, 邵光杰, 许珞萍
(上海大学材料科学与工程学院, 上海200072)
摘 要:利用光学显微镜和H 2800透射电镜研究了不同加热温度和不同保温时间下高强度船板钢奥氏体晶粒长大规律。结果表明, 该钢在高温加热时具有较好的抗晶粒粗化能力, 奥氏体晶粒粗化温度在1250℃左右; 在1100℃和1200℃保温时, 奥氏体晶粒等温长大规律较好地服从抛物线型经验表达式; 随着温度的升高, 钢中的第二相质点逐渐减少, 当加热至1250℃时, 钢中仅存TiN 颗粒。关键词:高强度船板钢; 奥氏体晶粒长大; 抗粗化能力; 析出相
中图分类号:T G14214 文献标识码:A 文章编号:04492749X (2009) 0220072203
Study on Austenite G rain G row th B High 2Strength PEN G Sheng , ZHU Song 2he , ZHAN G 2jie , XU L uo 2ping
(School of Materials Science and , , Shanghai 200072, China )
Abstract :Austenite grain shipbuilding steel at various temperatures and hold 2ing for different by microscope and TEM. The results show that the steel has good anti 2coarsening , the austenite grain coarsening temperature was about 1250℃, the iso 2thermal of austenite grains obeyed the parabolic expression at 1100℃and 1200℃,and with the in 2crease of heating temperatures the precipitates were dissolved ,only TiN was observed at 1250℃. K ey w ords :high 2strength shipbuilding steel ; austenite grain growth ; anti 2coarsen ability ; precipitate
随着国内造船业的迅速发展, 高强度船板钢的应用比例正在不断提高[1]。船板钢连铸板坯控轧控冷过程中的加热工艺控制是否合理, 将影响到钢的初始奥氏体晶粒尺寸和微合金元素的固溶程度, 从而直接影响到轧制过程中奥氏体再结晶过程, 为此分析其长大规律, 研究生产过程中材料的组织演变, 并依此合理控制工艺参数来保证产品性能, 是当前微合金钢研究的要点之一[2～4]。本文系统研究了高强度船板钢奥氏体晶粒长大规律, 为实际生产中微合金元素的合理使用和热加工参数的确定提供了科学依据。
从铸造板坯取样加工成12mm ×12mm ×12mm 的方形试样, 采用到温入炉的方式将一部分试
样分别加热至1050、1100、1150、1200、1250、1300℃, 保温20min 后水淬; 将另一部分试样分别在1100、1200℃分别保温10、20、40、60min 后淬火。
将淬火后的试样进行研磨、抛光, 经饱和苦味酸+适量海鸥洗发膏腐蚀出原奥氏体晶界, 利用金相显微镜进行观察; 利用透射电子显微镜对1100、1200和1250℃淬火后的试样进行分析。
2 试验结果与分析
2. 1 加热温度对奥氏体晶粒的影响
1 试验方法
试验材料取自钢厂试制的高强度船板铸坯, 其
化学成分(质量分数) 如表1所示。
表1 试验钢化学成分
T able 1 Chemical composition of experimental steel
%
C
Mn
P
S
Si
Cr
N
Al t
Nb +Ti C eq
0. 081. 510. 0080. 0040. 200. 1490×10-60. 036
利用定量金相法对不同淬火温度的平均奥氏体晶粒尺寸进行统计, 绘制出加热温度2奥氏体晶粒尺寸的曲线, 如图1所示。
如图1所示, 当加热温度从1050℃提高至1250℃时, 奥氏体晶粒尺寸没有发生急剧的长大, 说明该微合金钢在这一温度区间有较好的抗晶粒粗化能力; 当加热温度升高至1300℃时, 晶粒粗化明显。在高温加热时奥氏体粗化温度在1250～1300℃之间。
作者简介:彭 晟(19832) , 男; E 2m ail :pengs_0@shu1edu 1cn ; 修订日期:2008207218
第2期彭 晟等:
高强度船板钢奥氏体晶粒长大的规律
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根据微合金元素的碳氮化物的溶度积公式:
(1) lg K s =A -B/T
计算得出, 此钢中NbC 固溶温度1109℃, TiC 固溶温度1168℃,NbN 固溶温度1243℃, TiN 固溶温度406℃。
当加热至1200℃左右时, TiC 、NbC 基本已经完全固溶于基体, 只有稳定的NbN 、TiN 未溶而起到钉轧晶界、控制奥氏体晶粒长大的作用; 在进一步的加热过程中, 随温度的升高第二相继续溶解, 导致第二相质点的体积分数将减小; 由于第二相质点的Oswald 熟化(聚集长大) , 增大。因此, 1℃时,NbN 开始, , 平均颗粒尺[5]。TEM 分析
图1 加热温度对奥氏体晶粒尺寸的影响
Fig 11 Austenite grain size of steel after holding
at different temperatures
、Ti 等, 此类元素与钢中的C , 温时难溶, 利用透射电镜对1100、1200和1250℃淬火试
样进行分析, 如图2所示
。
(a ) 1100℃淬火试样; (b ) 1200℃淬火试样; (c ) 1250℃淬火试样; (d ) TiN 颗粒的衍射花样
图2 不同温度淬火试样中TiN 颗粒形貌及衍射斑点
Fig. 2 Morphology and SAD pattern of TiN at different temperature
1100℃淬火试样中, 有较多圆形或类似方形颗
粒, 根据试验钢成分可知, 主要为(Nb 、Ti ) (C 、N ) 和TiN , 第二相颗粒平均粒径约为48nm ;1200℃淬火
试样中第二相颗粒明显有所减少, 发现有少量方形
颗粒, 平均尺寸大约为65nm , 经过衍射花样的标定, 为TiN 。尺寸细小的TiN 颗粒稳定性好, 在
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1100℃与1200℃等温时基本不发生粗化, 能有效
阻止奥氏体晶粒的长大;1250℃淬火试样中析出相
为TiN , 颗粒有所长大, 平均粒径为100nm 左右。
微合金钢在加热过程中是否发生奥氏体晶粒的长大可根据Gladman [5]提出的公式进行判断:
(2) -D c =
z 6f 2式中, D c 为奥氏体晶粒尺寸阈值; d 为球形第二相
质点的直径; f 为球形第二相质点体积分数; z 为晶粒不均匀系数。
当实际晶粒平均尺寸大于D c 时, 晶粒长大阻力大于其长大驱动力, 晶界将被第二相粒子所钉扎, 微合金元素的碳氮化物将起到很好阻碍晶粒长大的作用。否则, 奥氏体晶粒发生长大。
由式(2) 可知, 第二相粒子的体积分数、、小, , 相应奥氏体根据透射电镜的结果可知,1100℃淬火试样中第二相颗粒的平均直径约为48nm , 晶粒较为均匀, z 约为1;1200℃淬火试样中析出相粒径为68nm 左右, 晶粒尺寸较为均匀, z 约为1. 1;1250℃淬火试样中析出相粒径为100nm 左右, 晶粒不均匀系数z 为1. 3。
用Thermo 2Calc 软件计算不同加热温度时钢中未溶第二相质点的体积分数, 当加热温度为1100℃, 钢中球形第二相质点的体积分数f 为3. 034×10-4; 当加热温度为1200℃, 钢中球形第二相质点的体积分数f 为2. 69×10-4; 当加热温度为1250℃, 钢中球形第二相质点的体积分数f 为2. 42×10-4。
根据以上数据, 应用公式(2) 可算出1100℃淬火试样奥氏体晶粒尺寸阈值D c =60μm , 试验所测晶粒尺寸为63μm , 1200℃淬火试样奥氏体晶粒尺寸阈值D c =78μm , 试验所测晶粒尺寸为86μm , 微合金元素的碳氮化物均起到很好阻碍晶粒长大的作用,1250℃淬火试样奥氏体晶粒尺寸阈值D c =128μm , 试验所测1250℃淬火试样奥氏体晶粒尺寸为102μm , 实际晶粒平均尺寸小于D c , 说明晶粒长大驱动力大于晶粒长大阻力, 奥氏体晶粒将长大。
当加热温度超过1250℃后, 钢中Ti 和Nb 已基本上达到其固溶度积平衡要求, 继续升温将不会导致其固溶率发生明显的变化; 在1250℃的均热过
程中, 小于该温度下临界晶核尺寸较小的MC 相颗
粒发生溶解, 超过该温度下临界晶核的尺寸较大的MC 相颗粒未达到平衡固溶度要求的颗粒将继续长大, 因此随着温度的升高,MC 相中较小尺寸的颗粒比例将会降低, 较大尺寸的颗粒比例将增加, 结果使得MC 相颗粒的平均尺寸随着均热时间的延长而增加, 对晶粒长大的阻力将急剧减弱, 原始奥氏体晶粒将迅速长大, 这与试验所得数据相符。2. 3 奥氏体晶粒等温长大规律的研究
利用定量金相法统计1100℃和1200℃保温10、20、40、
60min , 绘出两种加热
, 如图3所示。
图3 加热温度和保温时间对奥氏体晶粒尺寸的影响
Fig 13 Austenite grain grow th at tw o heating
temperature for different holding time
随着保温时间的延长, 奥氏体晶粒长大趋势基本相似, 并没有呈现异常长大, 具有明显的抗晶粒粗化能力; 1100、1200℃保温时, 奥氏体晶粒尺寸呈抛物线关系变化[6]:
n
(3) D =Kt
经回归分析,1100、1200℃等温时奥氏体平均
0. 11晶粒尺寸经验表达式为D =55. 6t 0. 03、D =59. 9t ,
μm ) , t 为保温时间(min ) 。式中, D 为平均晶粒尺寸(
n 值表示晶粒的长大动力, 影响n 值的主要因素是钢中第二相质点的尺寸和体积分数; 当钢中的析出物全部溶解时, 碳氮化物对奥氏体晶界的钉轧
作用减弱; n 值越小说明钢中有很多稳定的微合金元素的化合物存在, 有效钉轧晶界, 阻止奥氏体晶粒长大。铸坯中TiC 的固溶温度为1168℃, NbC 固溶温度为1109℃,1200℃保温时已基本溶解, 阻止奥氏体晶界移动的作用减弱了, 因此晶粒长大。
(下转第82页)
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和处理。
通过化学成分对比分析, 将含钒转炉渣浸泡于钛白废酸中, 大量的游离酸溶解钒酸钙, 起到钒的溶解和富集作用, 从而降低废酸浓度, 并使酸浸液保持一定的酸浓度, 以利于后步提钒应用, 同时实现废酸的中和。
为了进一步验证中和效果, 投入2200g 转炉渣, 按前面浸出条件试验所取得的最佳工艺参数, 进行了扩大型试验, 试验中物料投入和产出见表3。 从表3可知, 从转炉渣到含钒溶液的浸出率达到了71. 16%(液计为77. 31%, 渣计为65%, 平均71. 16%) , 取得了较为理想的试验结果。
表3 扩大型试验物料投入与产出
T able 3 I nput and output of pilot experiment
工序浸出
投入
物料名
转炉渣废酸
总量
2200g 11000mL
TV 0. 648%
-V 总量/g 14. 26-
产出
物料名浸出液残渣
总量
11750mL 2342. 54g
TV 0. 938g/L 0. 213V 总量/g 11. 024. 99
2. 2 废渣2) 本工艺的废渣主要是浸出后的残渣, 转炉渣浸出后产生的残渣主要由硫酸钙组成, 后, 基本呈中性, 颗粒较细, 品用, , 产硫酸, 。
(3) 中和反应产生的酸浸渣主要为硫酸钙成分, 通过除渣工艺可作为石膏替代品。
参考文献:
[1] 许 惠, 傅 敏. 钛白废液的治理与综合利用研究进展[J].矿
3 结论
(1) 提出了一种“以废治废”的方法, 实现了含
产综合利用,2006, (4) :34.(XU Hui ,FU Ming. Reserch Pro 2
gress in Comprehensive Utilization of Spent Acid and Waste Water in Titanium Dioxide Production[J].Multipurpose Uti 2lization of Mineral Resources ,2006, (4) :34.)
钒转炉渣和钛白废酸的综合治理, 可最大程度地为
企业减轻负担。
(上接第74页)
3 结论
(1) 由于微合金元素的作用, 高强度船板钢在
究[J].材料开发与应用,2004,19(5) :1.
[2] Garcia C ,Bartolome M J , Capdevila C , et al. Metallo 2Graph 2
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t he Presence of Growing Particles in t he Weld HAZ of Ti 2Mi 2croalloyed Steel [J ].Materials Science and Engineering , 2007, 459:40.
[4] 陈 永, 汪喜和, 刘胜新, 等. 微合金钢中奥氏体晶粒长大规律
高温加热的条件下有较好的抗晶粒粗化能力, 其奥氏体晶粒粗化温度在1250～1300℃。
(2) 当加热温度超过1250℃后, 钢中Ti 和Nb 已基本上达到其固溶度积平衡要求, 继续升温将不会导致其固溶率发生明显的变化; 第二相颗粒对晶粒长大的阻力将急剧减弱, 原始奥氏体晶粒将迅速长大。
(3) 1100、1200℃等温长大时, 奥氏体晶粒长大规律较好地服从抛物线型经验表达式(D =
0. 11
5516t 0. 03、D =59. 9t ) ,1200℃等温较1100℃等温时奥氏体晶粒长大的倾向更大。
参考文献:
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研究[J].材料热处理,2007,36(16) :4.
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