鈮合金在微合金鋼中的溶解析出研究

吳國璽 陳韌 李曉亮 孫野 劉承軍 姜茂發

【摘 要】本文采用理論分析的方法計算了不同鈮、碳含量條件下，鈮微合金在管線鋼中的溶解析出溫度，結合理論計算結果，采用實驗室冶煉不同成分管線鋼并進行試驗檢測，確定了不同鈮微合金在管線鋼中的賦存形式，結果表明，鈮微合金溶解析出行為與鋼種碳含量和鈮含量關系密切，管線鋼中添加過多的碳和鈮，將導致加熱過程中鈮不能充分溶解，最終嚴重影響管線鋼的韌性。最終，提出管線鋼中合理的碳含量和鈮含量設計方案。

【關鍵詞】管線鋼 鈮微合金 溶解析出

1 引言

鋼中微合金的概念早在20世紀60年代就已經提出，通常認為在原有鐵基金屬基礎上添加微量的Nb、V、Ti等碳氮物形成元素，從而對組織和力學性能起有利作用的一類鋼材。其中，Nb微合金的使用最為廣泛，是最重要的微合金。其中最具代表性的微合金即高鋼級管線鋼，Nb是其中不可或缺的元素[1，2]。

高鋼級管線鋼對綜合力學性能要求很高，同時要求兼顧高強度、高韌性、良好的焊接性能、一定的耐腐蝕性能等，其中對韌性的要求尤為突出，通常需要低溫條件下，進行全尺寸斷裂測試（DWTT），因此，高鋼級管線鋼組織應滿足兩個條件，一方面，組織均勻細小，另一方面，具有良好止裂性能組織，通常為針狀鐵素體為主的混合組織。為了獲得細小均勻的組織，需要依據Nb在不同溫度的溶解和析出行為，采用TMCP軋制工藝[3]。因此，Nb在管線鋼中的溶解析出行為顯得非常重要，本文對此進行深入研究。

2 鈮賦存形式的理論計算

眾所周知，Nb在鋼中主要以Nb（C，N）形式存在，因此，Nb在鋼中的賦存形式主要與Nb、C、N合金含量有關，管線鋼中N含量相對穩定，因此，合金設計時主要考慮C和Nb的含量變化即可。

采用理論分析的方法對管線鋼中不同Nb和C含量條件下Nb的溶解析出溫度進行計算，依據溶度積公式進行計算，結果如圖1所示。

圖1 不同Nb和C條件下Nb的溶解析出溫度

理論分析結果表明，隨著鋼中Nb和C含量的增加，Nb的溶解溫度不斷提高，當C含量增加至0.05%，而Nb含量增加至0.09%時，鋼中Nb的溶解溫度已經提高至1100℃以上，正常情況下，管線鋼的加熱溫度在1150℃～1200℃之間，很難實現Nb的充分溶解。

3 中試試驗結果與分析

為了進一步驗證Nb在鋼中的溶解析出溫度，采用實驗室小爐冶煉的方法制備不同Nb和C含量管線鋼試樣，成分如表1所示。

表1試制鋼板的化學成分

NO.

C

Si

Mn

Mo+Cr

Nb

Ti

1

0.05

0.23

1.76

0.45

0.081

0.015

2

0.05

0.24

1.75

0.41

0.095

0.016

將不同成分實驗鋼分別加熱到900℃～1250℃保溫1小時，淬火，然后重新加熱到575℃保溫1小時，空冷到室溫，對得到的組織顯微硬度進行分析測試表征Nb的溶解行為[4]，結果如圖2所示。

圖2測試結果表明，當鋼中Nb含量達到0.095%而C含量0.05%以后，加熱溫度在1150℃以上Nb才能完全溶解。而Nb含量為0.081%的試樣，則加熱溫度1100℃以上，即可滿足Nb溶解條件。

圖2 不同成分試樣熱處理后顯微硬度

上述兩成分試樣經過再加熱，并采用TMCP軋制以后，制備成18mm厚DWTT試樣，測試結果表明，2號試樣，即Nb含量較高試樣韌性指標反而很低，但Nb含量0.081%的樣品，DWTT結果相對較好。

分析認為，爐膛溫度與鑄坯溫度存在一定溫度差，盡管設定加熱溫度在1150℃，但若鑄坯心部也滿足Nb溶解要求，則需要提高加熱溫度并延長保溫時間，可是，隨著加熱溫度的進一步提高，管線鋼組織將嚴重粗化，對最終管線鋼綜合性能影響明顯。因此，實際工業生產過程中，建議Nb含量應適當降低，不宜采用0.095%的設計方案。本研究中采用的C含量0.05%，Nb含量0.08%的合金設計更趨合理。

4 結語

管線鋼中Nb的溶解析出溫度不僅與鋼中Nb含量有關，與C含量也有密切關系。理論分析結果表明，隨著鋼中Nb和C含量的增加，Nb的溶解析出溫度呈現增加趨勢。

當C含量為0.05%，Nb含量0.095%時，鑄坯心部溫度大于1150℃才可實現Nb的溶解，中試試驗結果也表明，該成分制備的管線鋼DWTT性能不合格。

建議研發管線鋼時，采用C含量0.05%，Nb含量0.08%的成分設計方案。

參考文獻：

[1]付俊巖.Nb微合金化和含鈮鋼的發展及技術進步[J].鋼鐵，2005，40（8）：1-6.

[2]鄭中，劉宏亮，黃健 等.22mm厚X80管線鋼試制1[J].中國科技縱橫，2014，（4）：103-103.

[3]董毅，許云波， 肖寶亮 等.含Nb微合金鋼動態再結晶行為[J].東北大學學報自然科學版，2008， 29（10）：1431-1434.

[4]劉宏亮，劉承軍，王云盛 等.稀土對X80管線鋼中鈮元素賦存狀態的影響[J].稀土，2011，32（5）：6-11.

通訊作者：陳韌（1970-），工學博士，教授，研究方向：冶金反應工程及冶金資源綜合利用。E-Mail：toughold@163.com。