直接軋制工藝對中厚板組織與性能的影響

曾智炎

華菱湘潭鋼鐵集團有限公司 湖南湘潭 411101

軋制：將金屬坯料通過一對旋轉軋輥的間隙（各種形狀），因受軋輥的壓縮使材料截面減小，長度增加的壓力加工方法，這是生產鋼材最常用的生產方式，主要用來生產型材、板材、管材。

1 試驗材料與方法

試驗選用Nb-Ti微合金鋼為研究對象，試驗設備主要包括真空感應爐、立式連鑄試驗機、箱式加熱爐及二輥熱軋試驗機等。首先按表中成分進行合金的熔煉，并通過立式連鑄試驗機澆鑄成135mm×135mm的連鑄坯，澆注溫度約為1550℃，過熱度約為30℃，連鑄機拉速為1.0m/min。連鑄后直接火焰切取長度約為500mm的坯料，其中一塊坯料快速運送至軋機進行直接軋制，經過六道次的軋制軋制成厚度為40mm的鋼板，開軋時坯料表面溫度為1050℃，終軋溫度為950℃；另一塊坯料連鑄后空冷至室溫，然后重新加熱至1250℃保溫2h，出爐后同樣經六道次軋制軋制成40mm厚的鋼板，開軋時坯料表面溫度為1100℃，終軋溫度為950℃。兩種工藝采用相同的軋制壓下規程：135mm→100mm→73mm→57mm→48mm→43mm→40mm，軋制完成后空冷至室溫，6個軋制道次的壓下率依次約為26%、27%、22%、16%、10%及7%。

在軋后鋼板的橫截面中心線的表層、1/4厚度處和芯部切取尺寸為5mm×5mm×8mm的金相試樣，試樣經過研磨拋光后，使用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕，腐蝕時間約為12s，然后采用光學顯微鏡觀察室溫下的顯微組織形貌；從1/4厚度處的金相試樣上切取500μm厚的薄試樣，機械減薄至50μm后沖成φ3mm的圓盤，采用體積分數為10%高氯酸乙醇溶液進行電解雙噴減薄，制成TEM薄膜試樣，利用TecnaiG2F20場發射透射電鏡觀測析出的第二相粒子形貌，并結合Image-ProPlus（IPP）軟件測量微合金第二相粒子尺寸。沿垂直于軋制方向在鋼板上切取并加工制備φ5mm×25mm標準拉伸試樣，利用CMT-5105-SANS微機控制電子萬能試驗機進行拉伸試驗，測定試驗鋼的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率，拉伸速率恒定為1.0mm/min。沿軋制方向切取并加工成尺寸為10mm×10mm×55mm的標準沖擊試樣，試驗溫度為-20℃，利用9250HV落錘沖擊試驗機進行低溫沖擊試驗，測量試驗鋼低溫V型缺口夏氏沖擊功。拉伸平行試樣和沖擊平行試樣均為3個。

2 試驗結果與討論

2.1 不同工藝下的熱軋鋼板顯微組織

兩種工藝軋制的鋼板在室溫下的顯微組織均由多邊形鐵素體和粒狀貝氏體及少量的珠光體組成。常規熱軋工藝下從鋼板表層至芯部，鐵素體晶粒尺寸逐漸增大，芯表顯微組織的差異主要由兩方面的原因導致：一方面是因為微合金鋼連鑄坯在連鑄后的空冷過程中，由于連鑄坯表層的冷卻速率高于芯部，而高的冷卻速率有利于鐵素體相變形核，因此冷卻至室溫后，連鑄坯表層組織明顯要比芯部的組織更加細小；再加熱階段，連鑄坯表層初始組織細小，導致晶界增多，有助于奧氏體的形核，因此再加熱后奧氏體化后會依然保持表層晶粒比較細小而芯部晶粒比較粗大的組織分布特征；另一方面，軋制過程中變形主要集中在表層及次表層，同樣有利于表層及次表層晶粒的細化。

2.2 不同工藝下的熱軋鋼板第二相粒子析出形貌

在常規熱軋工藝下的熱軋鋼板基體中同時觀察到大尺寸的析出粒子和細小的析出粒子。尺寸大于35nm的粗大析出粒子體積分數為10%，尺寸為20～35nm的析出粒子體積分數為35%，尺寸小于20nm的細小析出粒子體積分數為55%；在直接軋制工藝下的熱軋鋼板中，微合金析出粒子彌散均勻地分布于鐵素體基體中。其中尺寸大于35nm的粗大析出粒子體積分數為4%，尺寸為20～35nm的析出粒子體積分數為51%，尺寸小于20nm的析出粒子體積分數為45%。

與常規熱軋工藝相比，直接軋制工藝下，尺寸大于35nm以及小于20nm的析出粒子體積分數均有所降低，而尺寸為20～35nm的析出粒子體積分數從35%增加到51%。在常規熱軋工藝下，再加熱時未能完全溶解的第二相粒子在長時間的保溫條件下聚集長大，發生Ostwald熟化，這些不規則的大尺寸粒子主要為TiN和（Nb，Ti）（C，N），因此常規熱軋工藝析出的大尺寸粒子的數量要高于直接軋制工藝。直接軋制工藝初始幾個道次的變形溫度低于常規熱軋工藝，隨著溫度的下降，析出的化學驅動力增加，僅需較小的形變儲存能，就能促進更多的第二相粒子在奧氏體中應變誘導析出，且來不及長大，這些析出粒子的尺寸主要集中20～35nm的范圍內；由于軋制變形階段奧氏體中大量第二相粒子的析出，相變后的鐵素體中微合金含量減少，析出的化學驅動力下降，導致鐵素體中析出的細小粒子的數量減少。

3 結語

①兩種工藝軋制的鋼板在室溫下的顯微組織均由多邊形鐵素體和粒狀貝氏體及少量的珠光體組成。常規熱軋工藝下從鋼板表層至芯部，鐵素體晶粒尺寸逐漸增大。直接軋制工藝下，坯料芯表溫差大，有利于變形向芯部滲透，提高厚度方向的組織均勻性。②直接軋制工藝初始幾個道次的變形溫度低于常規熱軋工藝，溫度降低，第二相粒子析出的化學驅動力增大，應變誘導析出所需的形變儲存能減少。與常規熱軋工藝相比，直接軋制工藝下尺寸為20～35nm的析出粒子體積分數從35%增加到了51%。③盡管沒有經歷常規軋制工藝的γ-α-γ往復相變過程，直接軋制工藝仍獲得了與常規軋制工藝的組織和性能相近甚至更優的熱軋中厚板產品。