钛处理对S355J2G3+B钢锻件的影响研究

刘继红

(中冶京诚(营口)装备技术有限公司，辽宁115004)

硼钢具有较高的淬透性且成本低廉，因此发展较快。基于钛和氮的亲和力大于硼和氮的亲和力，在硼钢的冶炼过程中，通常引入钛元素以“固氮护硼”，避免形成BN而降低硼对钢淬透性的有效性[1,2]。公司最近生产的一批S355J2G3+B钢锻件经钛处理后发现-20℃低温冲击不合格，通过研究发现TiN复相夹杂物的存在是导致低温冲击不合格的原因。进一步的试验研究表明，通过改变热处理工艺进而优化组织状态是解决该类钢低温冲击韧性偏低的一个有效途径。

1 生产过程

1.1 冶炼

采用电炉冶炼(EAF)、炉外精炼(LF)、真空脱气(VD)和真空浇注(VC)工艺生产钢锭。严控有害元素含量，LF工序采用铝脱氧，VD工序控制钛线喂入量为0.04%进行固氮，硼加入量为0.001 6%。

1.2 锻造

钢锭脱模后热送至锻造厂，采用拔长工艺一火次出成品，总锻比4.5。钢锭冒口及水口端均有足够的切除量，以减少产品的非金属夹杂物含量。

1.3 锻后热处理

根据技术协议性能指标要求，我们采用了正火工艺进行最终处理，正火温度为880℃，鼓风空冷。

2 检验结果及试验研究

2.1 化学成分分析、组织及力学性能检验

化学成分要求及分析结果如表1所示，符合技术协议要求。非金属夹杂物检验结果如表2所示。锻件正火后毛坯取样，取样位置为表面40 mm以下，纵向试样。力学性能要求及检验结果如表3所示，结果表明-20℃冲击性能指标不符合技术条件的要求。为探明导致低温冲击值偏低的原因，我们对试样进行了冲击断口检验，在断口处发现存在点状夹杂物，其扫描电镜照片如图1所示。EDS分析表明，该夹杂物为TiN复相夹杂物，检验结果如表4所示。

表1 钢锻件的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of the steel forging(mass fraction, %)

图1 断口扫描电镜观察Figure 1 The SEM image of the fracture

A(硫化物类)B(氧化铝类)C(硅酸盐类)D(球状氧化物类)细 系0粗 系0细 系0粗 系0细 系0粗 系0细 系0.5粗 系0.5

表3 钢锻件正火态下的力学性能Table 3 Mechanical properties of the steel forging under normalizing

表4 区域EDS分析结果(质量分数，%)Table 4 The analysis results of zones by EDS(mass fraction, %)

表5 钢锻件调质态下的力学性能Table 5 Mechanical properties of the steel forging under quenching and tempering

2.2 调质热处理试验

TiN复相夹杂物不易受力变形，极大的降低了材料的低温冲击韧性，因此我们寻求通过改变其组织状态来提高材料基体的低温冲击韧性，从而弥补由TiN复相夹杂物带来的不利影响。我们选取淬火加热温度为900℃，水淬后620℃回火。检验结果如表5所示，可见-20℃低温冲击功获得了较大的提升，同时抗拉强度和屈服强度也得到了极大地提高。进一步的金相检验结果表明，组织状态由正火态下的珠光体和铁素体混合组织转变为索氏体组织是力学性能获得优化的主要原因。钢锻件正火态和调质态下的金相组织如图2和图3所示。

3 分析讨论

在硼钢的生产过程中，Ti元素的引入对其后续的热处理低温冲击韧性有着较大的影响，一方面细小的TiN能够对晶粒产生明显的细化效果，而另一方面大颗粒的TiN夹杂物晶粒细化作用减弱且过剩的Ti在晶界的富集对低温冲击韧性十分不利[3]。相关研究也表明在冶炼过程中对Ti含量的控制十分必要[4]。针对已经出现的TiN复相夹杂物所引起的低温冲击韧性偏低问题，通过调质处理优化组织状态，进而改善材料整体的低温冲击韧性是其中一个有效解决途径。另外，在后续的S355J2G3+B钢锻件的试生产中，我公司为避免Ti元素对低温冲击韧性产生的不利影响，没有在冶炼过程中引入钛元素进行固硼，转而通过增加真空脱气时间来降低N含量及适当增加VD工序中B元素的加入量来控制B元素的最终收得率。试制的两支锻件均获得了较好的效果，化学成分和正火条件下的-20℃低温冲击功均达到了技术条件要求，其中-20℃低温冲击功分别达到了51 J和50 J。

图2 钢锻件正火态下的金相组织Figure 2 Microstructure of the steel forging under normalizing

图3 钢锻件调质态下的金相组织Figure 3 Microstructure of the steel forging under quenching and tempering

4 结论

(1)通过扫描电镜和能谱分析表明TiN复相夹杂物是造成S355J2G3+B钢锻件正火态低温冲击韧性不合格的原因。

(2)通过调质处理将正火态下的珠光体和铁素体混合组织转变为调质索氏体组织是提高低温冲击韧性的有效途径。

(3)为避免Ti元素对低温冲击韧性产生的不利影响，在冶炼过程中不引入钛元素而通过降低氮含量和适当增加B元素的加入量来控制B元素的最终收得率亦能达到技术条件要求。

[1] 胡开华， 任美康. 含B中碳低合金铸钢及B、Al、Ti的相互作用和对冲击韧度的影响[J]. 铸造技术， 2005,26(9):767-769.

[2] 翟克勇， 马幼平. 钛含量对0.20C-1.1Mn-0.1V-0.004B低碳硼钢组织和韧性的影响[J]. 特殊钢， 2003,24(1):15-17.

[3] 李惊鸿， 雷洪波， 许刚，等. 钛处理对钢中夹杂物形态和分布影响的实验研究[J]. 冶金丛刊， 2010, (5): 5-7.

[4] 李国忠，曹红福， 惠荣，等. 钛铝含量对低合金高强度钢Q345D低温冲击韧性的影响[J]. 特殊钢， 2002, 23(1): 53-54.