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微合金化高强钢论文

JIANGSUUNIVERSITY

本科毕业论文

Ti微合金化高强钢的析出物和强化机理研究

ResearchonPrecipitatesandStrengtheningMechanismofTiMicro-alloyedhigh-strengthSteel

学院名称：

材料科学与工程学院

专业班级：

冶金工程0602

学生姓名：

指导教师姓名：

指导教师职称：

2010年6月

Ti微合金化高强钢的析出物和强化机理研究

专业班级：

冶金0602学生姓名：

指导教师：

职称：

摘要：

在薄板坯连铸连轧生产线上以普通集装箱钢SPA-H为基础，采用微合金化技术成功开发了钛微合金化高强钢ZJ700W。

本文采用金相电镜、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线能谱分析仪（XEDS）等实验手段研究了SPA-H和ZJ700W的微观组织并测试其力学性能，分析了钛微合金化钢中含钛化合物的析出过程，阐明了钛微合金化高强钢的强化机理。

得到主要结论如下：

（1）SPA-H钢的晶粒尺寸为6.8μm，细晶强化效果为211MPa。

而ZJ700W钢的晶粒尺寸为2.97μm，其细晶强化效果为329MPa。

两种钢细晶强化差值为118MPa。

（2）而SPA-H钢中，MX相的质量分数仅为0.0169%，0～18nm析出物的质量分数仅占MX相8.9%，沉淀强化的效果为42.5MPa。

高强钢ZJ700W中存在大量纳米尺寸的TiC析出物，MX相的质量分数为0.0927%，其中尺寸小于18nm的占33.5%，沉淀强化效果为165.64MPa。

两种钢沉淀强化差值为123.14MPa。

（3）钛微合金化钢中，Ti的化合物的析出顺序依次为：

TiN→Ti4C2S2→Ti（CN）→TiC。

热力学计算表明：

TiN粒子在轧制前已基本析出，而TiC则主要是在层冷后的卷取过程析出。

（4）SPA-H和ZJ700W的屈服强度分别为450MPa和790MPa。

和SPA-H钢相比，ZJ700W钢的细晶强化、沉淀强化、固溶强化和位错强化的增量分别为118MPa，123.14MPa，22.94Mpa和75.92MPa。

因此，同SPA-H相比，Ti微合金化高强钢ZJ700W主要是通过细晶强化和沉淀强化来提高屈服强度。

关键词：

薄板坯连铸连轧，钛微合金化技术，含钛析出物，晶粒细化，沉淀强化

ResearchonprecipitatesandStrengtheningMechanismofTiMicro-alloyedhigh-strengthSteel

Abstract:

BasedonthecommercialweatherresistantsteelSPA-H,Timicro-alloyedhigh-strengthsteelhasbeendevelopedsuccessfullybyusingTimicro-alloyingtechnologyinCSPline.Theexperimentalmethods,suchasmetallographicmicroscope,scanningelectronmicroscope（SEM）andtransmissionelectronmicroscopy（TEM）,X-rayspectrumanalyzer（XEDS）wereusedtoanalyzethemicrostructureandprecipitatesofbothsteels,andtheprecipitationprocessofTicompoundswasalsodiscussed.,themechanicalpropertiesofexperimentalsteelweremeasured..Theresultscanbesummarizedasfollows:

（1）TheaveragegrainsizeofSPA-His6.8µmandtheeffectofgrainrefinementhardeningis211MPa.However,hecorrespondingdataofZJ700Wis2.97µmand329MPa,respectively.Thedifferenceofgrainrefinementhardeningbetweenthemis118MPa..

（2）ThemassfractionofMXphaseinZJ700Wis0.0927%,inwhich,thenano-meterparticlessmallerthan18nmaccountfor33.5%.Largenumbersofnano-meterparticlesexistinZJ700W.However,thecorrespondingdatainSPA-His0.0169%,8.9%.TheprecipitationhardeningeffectofSPA-HandZJ700Wis42.5MPaand165.6MPa,respectively.Thedifferencebetweenthemis118MPa.

（3）TheprecipitatingsequenceoftitaniumcompoundsisTi2O3→TiN→Ti4C2S2→Ti（CN）→TiC.ThethermodynamiccalculationindicatedthatinTimicro-allayedsteel,theprecipitationofTiNfinishbeforehotrolling,andTiCmainlyprecipitatedduringcoolingprocess.

（4）TheyieldstrengthofSPA-HandZJ700Wis450MPa,790MPa,respectively.ComparedwithSPA-H,theincrementofgrainrefinement,precipitationhardening,solutionstrengtheninganddislocationhardeninginZJ700Wis118MPa，123.14MPa，22.94Mpaand75.92MPa,respectively.ItcanbeconcludedthatgrainrefinementhardeningandprecipitationhardeningarethemainreasonforstrengthincreasingofTimicro-alloyedhighstrengthsteelZJ700W,comparedwithSPA-H..

Keywords:

thinslabcastingandrolling,Timicro-alloyedtechnology,titaniumcompounds,grainrefinement,precipitationhardening

目录

引言1

第一章文献综述2

1.1薄板坯连铸连轧技术2

1.1.1薄板坯连铸连轧介绍2

1.1.2薄板坯连铸连轧技术的发展3

1.1.3薄板坯连铸连轧技术的工艺特点4

1.2微合金化技术6

1.2.1微合金化原理6

1.2.2微合金化钢的生产及应用7

1.2.3钛微合金化技术8

1.3钢的强化机制10

1.3.1细晶强化10

1.3.2固溶强化10

1.3.3沉淀强化11

1.3.4位错亚结构强化12

1.4目的、意义和内容13

第二章实验材料及实验方法14

2.1实验材料的制备14

2.2实验方法14

第三章实验结果17

3.1力学性能和组织特征17

3.2析出物的观察18

3.3化学相分析20

第四章分析与讨论22

4.1含钛化合物的析出过程分析22

4.1.1TiN的液态析出22

4.1.2TiN的固态析出23

4.1.3钢中TiCN和TiC的析出24

4.2钛微合金钢强化机理研究25

4.2.1细晶强化25

4.2.2沉淀强化26

4.2.3固溶强化27

4.2.4位错强化27

4.2.5强化机理的综合分析28

结论29

致谢30

参考文献31

本科在读期间发表的学术论文33

引言

薄板坯连铸连轧是近十几年来世界钢铁领域的前沿技术，包括炼钢、精炼、连铸和连轧四个环节，是继氧气转炉炼钢、连续铸钢之后，钢铁行业的又一技术革命。

世界上第一条CSP生产线于1989年在美国纽柯钢铁公司投产。

与传统板带生产相比，该工艺具有投资少、能耗小、生产成本低、生产周期短并且成材率高的特点，因此广泛受到重视。

目前，这项技术在全球范围内已得到推广应用。

至2006年底,全球已建薄板坯连铸连轧生产线54条[1]，年生产能力达9080万t。

近年来，薄板坯连铸连轧技术在中国已得到快速发展。

中国的第一条CSP生产线于1999年8月在广州珠江钢铁有限责任公司建成投产。

到目前为止，中国已有12家钢铁企业，13条薄板坯连铸连轧生产线，年产能约3500万t。

中国已成为全球拥有薄板坯连铸连轧生产线最多、产能最大的国家[1]。

与同成分的传统流程生产的低碳钢相比，同样成分的CSP产品具有组织细、强度高的特点[2]，这一特点有利于开发高强度甚至超高强度钢。

在薄板坯连铸连轧工艺过程中采用微合金化技术不仅有细化晶粒的作用，同时还能提供可观的沉淀强化效果，从而提高钢材的焊接性、冷成形性、耐候性等各方面的性能。

常用的微合金化元素有Nb、V、Ti等。

其中，Nb和V的微合金化技术已广泛使用，Ti的微合金化技术因性能波动的原因有所限制。

利用薄板坯连铸连轧微合金化技术可拓宽钢材的品种，推动相关行业的发展，而且具有较高的学术价值和经济效益。

在传统流程中添加Ti元素可以显著提高钢的强度[3]，并且我国拥有丰富的钛资源，钛铁价格比铌铁、钒铁便宜，因此珠钢尝试采用Ti微合金化的技术路线开发高强钢。

在此过程中，珠钢有效解决了钛铁回收率低的问题；并且保证带钢组织均匀、性能稳定。

目前，珠钢已经在EAF—CSP生产线上批量生产屈服强度700MPa级的Ti微合金高强钢近2万t，但对该钢种的强化机理缺乏系统的认识，本论文利用金相电镜、扫描电镜、透射电镜、X射线能谱仪和晶粒度计算工具软件，针对钛微合金化高强钢和普通集装箱钢的晶粒、析出物和化学相进行对比研究，分析了钛微合金钢中含钛化合物的析出过程，探讨了Ti微合金高强钢和SPA-H钢的四种强化机制的作用，阐明了Ti微合金化高强钢强度提高的主要机理。

项目研究丰富了物理冶金学理论，具有一定的科学意义；研究成果不仅应用于薄板坯连铸连轧生产线，而且可在传统流程上应用，将产生较大的经济效益和社会效益。

第一章文献综述

1.1薄板坯连铸连轧技术

1.1.1薄板坯连铸连轧介绍

薄板坯连铸连轧（ThinSlapCastingandRolling）技术包括冶炼、精炼、连铸、连轧四个主要的工艺环节，是近十几年来钢铁制造领域的前沿技术，早在20世纪60年代就已提出[1]。

世界上第一条薄板坯连铸连轧生产线于1989年6月在美国纽柯公司克劳福兹维尔工厂建成投产。

与传统热轧板的生产工艺相比，薄板坯连铸连轧具有以下几点优势：

①工艺简化，设备减少，生产线短，使吨钢投资下降19%-34%。

②生产周期短，从冶金钢水至钢卷送到运输链，仅需2.5h。

③成材率提高约2%～3%，能耗降低约20%。

④产品的性能更加均匀、稳定。

⑤产品的纵向、横向精度高。

⑥适于生产薄规格热轧板卷，从而提高产品的附加值。

在德国的西马克、德马克，意大利的达涅利，奥地利的奥钢联等多家钢铁企业的技术研发和改进下，目前薄板坯连铸连轧已开发出多种生产线，常用的包括CSP、ISP、FTSCR和CONROLL四种。

CSP工艺为紧凑式热带生产线，1982年开发于西马克公司，后移植纽柯公司。

该生产线的主要设备：

立弯式连铸机，164m长辊底式均热炉，四辊式四机架连铸机，层流冷却系统和地下卷取机。

连铸机的曲率半径小，采用漏斗型结晶器配异性浸入式水口既可防止二次氧化，又可减少坯壳凝固时产生横向应力。

CSP的关键技术有采用漏斗形结晶器、扇形段的改进和液心压下技术的应用、液压振动装置的应用和电磁线圈的应用[7]。

CSP生产出的铸坯与传统连铸坯相比，具有内部质量好，无裂纹，显微偏析小，表层和内部晶粒比较细且分布均匀的优势。

所生产钢种有AISI1005-1030热轧带钢，硅钢，合金钢，含高铜和高硫的易切削钢及微合金化的热轧碳钢。

FTSCR技术的生产流程：

薄板坯连铸机→旋转式除鳞机→辊底式均热炉→二次除鳞机→立辊轧机→粗轧机→保温辊道→三次除鳞装置→精轧机→输出辊道和带钢冷却段→地下卷取机。

采用三点式除鳞（连铸机出口，粗轧和精轧入口）。

结晶器为漏斗型H2结晶器，装有液压振动，可保证铸坯平滑收缩，承受较小坯壳压力。

其动态软压下装置（DSR），可保护结晶器使用较厚断面。

加热炉为辊底式均热炉，可有效控制炉内铸坯表面的氧化，加大了生产线的缓冲能力。

ISP技术是徳马克（MDS）公司1989年开发的在线热带生产线，采用液心铸坯轧制，总长度仅180m。

工艺特点有以下四点：

①采用低熔点，低黏度的粒状保护渣。

②二冷区用气雾冷却或空冷，有助于生产断面较薄和表面质量要求高的的产品。

③采用液心铸轧工艺。

④热损失小，能耗低。

所生产钢种有深冲钢，合金结构钢，管线用钢，高合金奥氏体钢和铁素体钢。

CONROLL技术采用平板型结晶器，生产的铸坯厚度75～125（150）mm。

连铸机采用半径约5m的弧形连铸机，冶金长度为15m，衔接段采用步进梁式加热炉或均热炉。

旋转除鳞机的使用既可清除氧化铁皮，又可以避免温降损失过大。

1.1.2薄板坯连铸连轧技术的发展

目前世界上连铸连轧生产线约40条、60流，年产能6000多万吨。

国外薄板坯连铸连轧产品的开发有较长的历史，已经生产或试产的产品有：

低碳钢、结构钢和HSLA钢（包括耐候钢、特种含磷低合金钢）；管线钢（StE480.7，X70）；可热处理钢（碳钢、碳铬钢、碳锰钢、碳锰硼钢、碳铬钼钢、碳铬钼矾钢）；弹簧钢（非合金弹簧钢、合金弹簧钢）；工具钢（碳素工具钢、合金工具钢）；耐磨钢（90Mn4）；电工钢（无取向硅钢、取向硅钢）；不锈钢（铁素体类、奥氏体类）等[6]。

目前薄板坯连铸连轧技术已进入半无头轧制铁素体轧制为代表的第二代薄板坯连铸连轧技术发展阶段。

半无头轧制工艺是指连续轧制长度相当于普通板坯长度几倍的板坯，得到超长的热轧板。

其主要特点是：

①可以生产超薄超宽板带；②提高金属的收得率、生产率，降低废品率；③产品质量高；④消除了每卷钢均要穿带、用尾的程序。

1999年8月我国第一条薄板坯连铸连轧生产线在广州珠江钢铁有限责任公司（珠钢）投产，随后邯钢、包钢相继引入，经过几年的生产实践，我国薄板坯连铸连轧已取得巨大的成就，已有包括珠钢、邯钢在内的12家钢铁企业的13条薄板坯（包括中薄板坯）连铸连轧线相继投产，年产能约3500万t，详细情况如表1-1所示。

已建成的薄板坯连铸连轧生产线围绕着全流程生产工艺稳定、新产品质量稳定、新产品开发、冷轧基板性能控制和充分发挥流程潜能实现高效化生产等方面展开[4，5，20]。

1.1.3薄板坯连铸连轧技术的工艺特点

薄板坯连铸连轧集中了当代最先进的冶炼、连铸和连轧技术。

薄板坯连铸连轧工艺流程为：

电炉转炉冶炼→精炼→薄板坯连铸→热送热装均热→热连轧→层流冷却→卷取。

该工艺缩短了生产周期，降低了能量消耗，从而大幅度提高经济效益。

表1-1国内新建和在建薄板坯（中薄板坯）连铸连轧生产线

公司

生产线

连铸流数

轧机配置

坯厚/mm

带钢尺寸（厚×宽）/mm

年产量/104t

包钢

CSP

2

F6

50-70

（1.2-20）×（1000-1560）

250

珠钢

CSP

2

F6

50-60

（1.2-12.7）×（1000-1350）

180

邯钢

CSP

2

R1+F6

60-70

（1.0-12.7）×（900-1680）

250

马钢

CSP

2

F7

65-90

（0.8-8.0）×（900-1600）

200

涟钢

CSP

2

F7

55-70

（0.8-8.0）×（900-1600）

240

唐钢

FTSR

2

F2+F5

70-90

（0.8-12.7）×（850-1680）

250

本钢

FTSR

2

F2+F5

70-90

（0.8-12.7）×（850-1750）

280

酒钢

CSP

2

F6

52-70

（0.8-12.7）×（900-1680）

200

通钢

FTSR

2

F2+F5

70-90

（0.8-12.7）×（900-1560）

245

鞍钢

ASP（1700）

2

R1+F6

100-135

（1.6-11.5）×（930-1500）

280

鞍钢

ASP（2150）

4

R1+F6

135-170

（1.5-20.5）×（1000-2000）

550

济钢

ASP（1700）

2

R1+F6

135-150

（3.5-6.0）×（900-1600）

280

国丰

ZSP（1450）

2

R1+F6

130-170

（1.2-12.7）×（700-1350）

200

武钢

CSP

2

F7

50-90

（0.8-12.7）×（900-1600）

250

图1-1示出了不同工艺的温度时间曲线。

曲线1是薄板坯连铸连轧工艺，曲线2是连铸—A3温度以上热装炉方式；曲线3是温度在A1以上的普通热装炉方式之一；曲线4是最容易实现的一种热装方式；曲线5为普通工艺法，即铸坯先冷却至室温，然后再冷装炉升温均热。

由图1-1可以看出，薄板坯连铸连轧工艺有以下特点：

①薄板坯连铸连轧工艺与传统工艺相比，具有不同的热历史及组织转变特征。

传统工艺先发生γ→α相变，在其轧制前的升温过程中发生α→γ的相变，而薄板坯连铸连轧工艺，连铸坯在γ区进入均热炉，在γ区进行轧制，热轧板层流冷却过程中发生γ→α相变，没有再加热过程中的α→γ相变，经卷取直接成材。

②薄板坯厚度较小（一般为50～90mm），一冷、二冷系统的冷却强度大，可控性高。

例如，从测定铸坯一次和二次枝晶间距计算出的厚度为50mm的CSP薄板坯的凝固速度为200～400mm/s，温度梯度为50～150℃/mm,激冷层厚度为8mm左右。

③轧制和冷却工艺可控性好。

在各道次之间及层流冷却过程中，冷却速度可在一定范围内精密控制，各道次压下量可调。

④薄板坯连铸钢水的纯净度较高。

图1-1连铸连轧方式示意图

表1-2传统冷装工艺和薄板坯连铸连轧工艺对比

工艺

传统板坯（250mm）

薄板坯（50mm）

完全凝固时间（min）

10-15

1

冷却速度（1560－1400℃）

0.15℃/s

2℃/s

轧制前是否发生相变

是

否

总变形（％）

99

95

总应变量

4.6

3.0

最大轧制速度（m/s）

20

10

表1-2将薄板坯连铸连轧工艺与传统冷装工艺相比较，从中可以看出薄板坯连铸连轧工艺具有冷却速度快，凝固时间短的特点。

1.2微合金化技术

1.2.1微合金化原理

合金钢的定义最早是由瑞典人Noren于1963年提出的“微合金钢的化学成分类同于合金化的结构钢，在很多情况下它是一种含锰合金钢或低合金钢，其中添加了少量合金元素……这种元素对钢的一种或几种性能具有很强的或者显著的影响，而添加的量比钢中传统的合金元素含量小1～2个数量级”，自此，微合金钢的定义在世界范围内广泛使用[8]。

在钢中质量分数低于0.11%左右，而对钢的性能和微观组织有显著或特殊影响的合金添加元素，称为微合金元素，常用的有钛、钒、铌、硼（硼为0．001％左右）等。

微合金化高强度低合金钢简称微合金钢，是近30年来在普碳软钢和普通低合金高强度钢的基础上迅速发展起来的工程结构用钢[9]。

微合金钢的严格定义是：

“微合金钢是在普通低碳钢或普通高强度低合金钢化学成分的基础上添加了微量合金元素（一般为强碳氮化合物形成元素且所添加的量比钢中传统意义的合金元素的含量小1～2个数量级）而使其一种或多种使用性能产生明显有利变化的工程结构用钢”。

微合金钢有以下三方面的特点：

①在低含碳量和超低含碳量下，具有良好的冷热成型性和焊接性。

②介于合金钢和非合金钢之间，添加少量（一般含量≤0.01%）的碳、氮化合物形成元素铌、钒、钛、铝、硼等，并以晶粒细化和析出强化为钢的主要强韧化机制。

③钢的屈服强度不低于275MPa。

微合金化元素在钢中以固溶于铁基和形成微合金碳氮化物的形式存在。

固溶于钢中的微合金元素会造成晶格的点阵畸变，从而起到固溶强化作用。

由于加入量极少的原因，固溶强化效果比较弱。

Nb、V、Ti等微合金元素与C、N形成碳化物和氮化物并析出，对奥氏体晶粒粗化和再结晶行为以及γ→α相变行为产生影响。

一方面因析出物熔点很高，沉淀在奥氏体晶界上，加热时不易溶入奥氏体，可阻止奥氏体晶粒的长大，从而大大细化晶粒。

另一方面，固溶于奥氏体中的Nb、V、Ti的碳化物和氮化物也可以在奥氏体转变成铁素体过程中或转变之后析出，在铁的晶格中会阻碍位错运动，使合金的强度得到提高。

通过采取控制轧制技术调节奥氏体，以获得细小铁素体组织，同时微合金元素析出物的沉淀强化作用可进一步改善性能。

通过添加少量合金元素引起晶粒细化和析出强化，是微合金化技术强烈影响性能的原因所在。

1.2.2微合金化钢的生产及应用

微合金化元素对性能的影响机制对工艺参数比较敏感，某些独特作用只有在一定的工艺条件下才能实现，因此必须优化工艺参数，尽可能采用铁水预处理、喷吹技术、炉外精炼、无缺陷连铸坯生产技术、控冷控轧技术等[10]。

控制轧制的主要目的是细化晶粒，从而提高热轧钢材的强韧性。

控制轧制主要由以下三个阶段组成：

①高温下的再结晶区变形；②在紧靠Ar3以上的低温无再结晶区变形；③在奥氏体—铁素体两相区变形。

由于Nb、V、Ti的碳氮化物的溶解—析出的不同特性，决定了不同微合金化钢所采取的控轧和控冷工艺：

在完全再结晶区，适合采取V、Ti微合金化的再结晶控轧（RCR）工艺；在不发生再结晶区则适合应用Nb微合金化的传统控轧（CCR）工艺。

控制冷却工艺或所谓轧后加速冷却不仅对转变温度有影响，而且会抑制转变前的奥氏体晶粒长大，进一步减小晶粒尺寸。

控制冷却主要是控制碳化物和氮化物的析出温度，使其在较低温度下进行，因此终冷温度十分关键。

控制冷却速度和终冷温度可以得到不同的显微组织，从而得到不同的