鉬含量對(duì)含鈮微合金鋼組織的影響

程 漢 熊輝輝 張恒華

(上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

微合金鋼是含微量合金元素的普通低碳鋼，具有良好的成形性能和焊接性能，多應(yīng)用于汽車、建筑等行業(yè)[1-3]。鈮、鈦和釩是應(yīng)用較多的微合金化元素，不僅可以細(xì)化晶粒，延緩再結(jié)晶，還能細(xì)化碳化物、碳氮化物等析出相，從而改善鋼的力學(xué)性能[4-5]。

目前，主要通過細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化來提高微合金鋼的強(qiáng)度[6]。為達(dá)到這一目的，國內(nèi)外研究者常采用微合金化的方法并結(jié)合熱處理工藝來細(xì)化晶粒和獲得納米級(jí)碳化物。鈮是最重要的微合金化元素之一，其高溫下未溶的碳化物可明顯阻止奧氏體晶粒長大，而固溶的鈮及形變誘導(dǎo)析出的細(xì)小碳化物可顯著阻止形變奧氏體的再結(jié)晶，從而確保未再結(jié)晶控制軋制工藝的實(shí)施，以及在γ→α相變中析出微細(xì)碳化物顆粒而產(chǎn)生顯著的沉淀強(qiáng)化效果。然而，NbC在鐵素體中的固溶度略小[7]，它們的析出難以精確控制，且得到的細(xì)晶強(qiáng)化與沉淀強(qiáng)化效果很有限，因而鈮的沉淀強(qiáng)化作用并未得到充分的利用。

有研究表明[8]，在含鈮微合金鋼中添加鉬能降低NbC與鐵素體基體間的界面能，使NbC更易形核析出。在鋼中添加適量的鉬可與鈮形成復(fù)合碳化物，其分布更加彌散，進(jìn)而改善力學(xué)性能，可充分發(fā)揮鈮的強(qiáng)化作用。如張正延等[9]研究了鈮、鉬復(fù)合添加對(duì)碳化物析出與組織的影響，發(fā)現(xiàn)鈮鉬鋼具有更好的析出強(qiáng)化效果；Pan等[10]研究了鈮和鈮鉬微合金化對(duì)溫軋中錳鋼組織的影響，發(fā)現(xiàn)鉬的添加可在不降低延展性的情況下提高鋼的強(qiáng)度。但上述均是在熱變形的條件下研究了鈮鉬復(fù)合添加對(duì)鋼組織的影響，而在未變形情況下的相關(guān)研究較少。本文研究了鉬的添加對(duì)含鈮微合金鋼等溫退火組織的影響及其機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為高真空電弧爐熔煉的紐扣型鑄錠(簡(jiǎn)稱紐扣錠)，紐扣錠質(zhì)量約80 g。為了研究鉬含量對(duì)鈮微合金化鋼的組織及碳化物析出的影響，設(shè)計(jì)了2種不同鉬含量(0.15%、0.25%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的試驗(yàn)鋼，并用移動(dòng)式直讀光譜儀PMI-MASTER PRO對(duì)紐扣錠進(jìn)行了成分分析，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

熔煉后分別對(duì)以上3種不同成分的紐扣錠試樣進(jìn)行如圖1所示的熱處理，先將試樣加熱至1 200 ℃保溫60 min，以完全固溶鈮、鉬等微合金元素，然后再空冷至700 ℃，并分別保溫不同的時(shí)間(5、60和120 min)使鋼中碳化物析出以及鐵素體轉(zhuǎn)變，最后空冷至室溫。

圖1 等溫退火工藝

在經(jīng)不同熱處理的紐扣錠上截取金相試樣，尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，試樣磨制后用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在尼康LV150光學(xué)顯微鏡和JSM-6700F型掃描電鏡下觀察。

采用Zeiss Sigma500熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行電子背散射衍射(EBSD)分析，空間分辨率0.05 μm，掃描區(qū)域?yàn)?00 μm×200 μm，步長0.8 μm。試樣尺寸12 mm×12 mm×12 mm，先經(jīng)機(jī)械拋光，然后進(jìn)行電解拋光。電解拋光液成分為70%酒精+20%高氯酸+10%甘油(體積分?jǐn)?shù))，電壓13 eV，電流2 A，電拋光時(shí)間30 s。

采用經(jīng)700 ℃等溫退火60 min的3種含Nb微合金鋼金相試樣制備碳膜復(fù)型試樣，用TecnaiFF20型場(chǎng)發(fā)射高分辨透射電子顯微鏡檢測(cè)碳膜復(fù)型試樣的析出相形貌，并用附帶的能譜儀測(cè)定析出相粒子的成分。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

2.1.1 光學(xué)顯微組織

圖2為試驗(yàn)鋼的光學(xué)顯微組織。可見，所有鋼的組織均為大量的鐵素體和少量珠光體。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Nb-15Mo鋼和Nb-22Mo鋼的晶粒均較鈮鋼的細(xì)小，隨著退火時(shí)間的延長，3種鋼的晶粒均發(fā)生一定的粗化。另外，隨著鉬含量的升高，鋼中珠光體含量也明顯增加，且更加細(xì)小。其原因是，鉬能抑制先共析鐵素體轉(zhuǎn)變，從而使更多的原奧氏體向硬度更高的珠光體轉(zhuǎn)變，同時(shí)鉬細(xì)化碳化物的作用導(dǎo)致珠光體更加細(xì)小。

為了定量地比較3種鋼等溫退火不同時(shí)間后的晶粒大小，采用面積法統(tǒng)計(jì)鐵素體晶粒尺寸，分別統(tǒng)計(jì)8幅照片后取平均值，結(jié)果如圖3所示。

圖2 700 ℃等溫退火不同時(shí)間的未添加和添加不同量鉬的含鈮微合金鋼的顯微組織

圖3 700 ℃等溫退火不同時(shí)間的未添加和添加不同量鉬的含鈮微合金鋼的鐵素體晶粒尺寸

圖3表明，與Nb鋼相比，兩種鈮鉬復(fù)合微合金化鋼的鐵素體晶粒更加細(xì)小。對(duì)于Nb鋼，隨著退火時(shí)間的延長，組織發(fā)生不同程度的粗化。然而添加鉬的鋼組織的粗化沒有未添加鉬的鋼明顯，這與上述光學(xué)顯微鏡觀察的結(jié)果比較一致。

2.1.2 掃描電鏡分析

圖4為3種鋼的SEM圖，其中深色區(qū)域是鐵素體，白色區(qū)域是珠光體?？梢钥闯?，3種鋼的組織均由鐵素體和珠光體組成，且鐵素體的晶粒大小變化趨勢(shì)與光學(xué)顯微鏡分析的結(jié)果基本一致，即鐵素體晶粒尺寸隨著鉬含量的增加而減小，但隨著等溫退火時(shí)間的延長發(fā)生一定的粗化。

2.1.3 電子背散射衍射分析

圖5為3種試驗(yàn)鋼經(jīng)等溫退火5 min后的EBSD圖。通過EBSD統(tǒng)計(jì)得出Nb鋼、Nb-15Mo鋼、Nb-22Mo鋼退火5 min后的有效晶粒尺寸分別為13.18、11.72和11.17 μm。可見，隨著鉬含量的增多，鐵素體晶粒更加細(xì)小。

圖4 700 ℃等溫退火不同時(shí)間的未添加和添加不同量鉬的含鈮微合金鋼的SEM圖像

圖5 700 ℃等溫退火5 min的3種試驗(yàn)鋼的EBSD圖

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，鉬的添加可使含鈮微合金鋼的鐵素體晶粒明顯細(xì)化。原因是，鉬能細(xì)化碳化物，在奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的過程中及退火過程中析出的含鈮碳化物能有效釘扎鐵素體晶界，阻礙晶粒長大。有關(guān)研究表明[11-12]，鉬的碳化物在基體中的固溶度較高，一般不單獨(dú)形成碳化鉬，而是伴隨鈮的碳化物一同析出，形成復(fù)合碳化物，析出的碳化物比碳化鈮更加細(xì)小、彌散；此外，鉬的添加還可降低鐵素體與NbC的界面能，增大鐵素體的形核率，因此鈮鉬鋼的鐵素體晶粒更加細(xì)小。

2.2 析出相分析

圖6為等溫退火60 min的3種試驗(yàn)鋼中析出相形貌及其EDS能譜分析。圖6表明，鉬的添加使鋼中析出的第二相尺寸更加細(xì)小，且鈮鉬鋼中析出相的數(shù)量和分布較鈮鋼更多、更彌散。當(dāng)鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.151%增加到0.223%時(shí)，析出相更為細(xì)小和彌散。

析出相的EDS分析表明，Nb鋼中析出相主要含鈮和碳，而Nb-15Mo鋼和Nb-22Mo鋼中析出相除含有鈮、碳外，還含有鉬，故Nb鋼中析出相應(yīng)為鈮的碳化物，而Nb-15Mo鋼和Nb-22Mo鋼中的析出相應(yīng)為鈮鉬復(fù)合碳化物。因此，鉬進(jìn)入鈮碳化物后，導(dǎo)致第二相尺寸更加細(xì)小，分布也更彌散，在鐵素體相變過程中能更有效地釘扎晶界，導(dǎo)致鐵素體晶粒更加細(xì)小，這與上述分析結(jié)果比較一致。

圖6 700 ℃等溫退火60 min的未添加和添加不同量鉬的含鈮微合金鋼的析出相形貌和EDS分析

4 結(jié)論

(1)與鈮鋼相比，鈮鉬鋼的鐵素體晶粒更加細(xì)小。隨著等溫退火時(shí)間從5 min延長至120 min，鈮鋼和鈮鉬鋼的晶粒均發(fā)生了一定程度的粗化，但鉬的添加能抑制鐵素體的粗化。

(2)鈮鋼中加鉬后，鋼中析出的第二相明顯細(xì)化，且鈮鉬鋼中析出相的數(shù)量和分布較鈮鋼更多、更彌散。當(dāng)鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.151%增加到0.223%時(shí)，析出相更為細(xì)小和彌散。