硼在低碳贝氏体钢中作用的实验研究

刘艳玲 孔德南 高建舟 邓杭州 尚继方

(安阳钢铁股份有限公司)

0 前言

控轧控冷技术的高度发展在一定程度上节约了合金元素的添加量，对于低碳高强度钢来说，添加B既可以保证钢的低碳当量，又可以提高钢的淬透性从而满足钢板的高强韧性。这主要是利用固溶硼在奥氏体晶界偏析，抑制晶界中铁素体相变核的生成来提高淬透性。笔者通过实验，就不同成分设计的低碳贝氏体钢中硼对组织性能、CCT曲线及焊接性能的影响进行了分析研究，并就冷却速率对含硼低碳贝氏体钢的影响进行了分析讨论。

1 试验

1.1 试验材料

由于B易与N结合并以BN形式析出，因此，为确保固溶B，通常添加与N化合力强的Al或Ti来固定N，本次试验采用微Ti处理方式进行固N。为充分研究硼在低碳贝氏体钢中的作用，本次试验采用Nb-B-Ti、Nb-Cr-Mo成分体系设计的级钢进行研究。试验钢化学成分详见表1。

表1 试验材料的化学成分(质量分数)%

1.2 试验方法

试验材料采用铁水预处理→复吹转炉→LF炉→VD→板坯连铸→3500 mm炉卷轧机工艺流程。试验坯采用安钢1#宽板连铸机的150 mm连铸板坯，将不同成分的试验钢通过再结晶区+未再结晶区两阶段控制轧制，并进行控制冷却，然后分别进行力学性能、金相组织检验及连续冷却试验。试验钢采用的控轧控冷工艺见表2。

2 试验结果与分析

2.1 硼对低碳贝氏体钢强韧性的影响

试验钢控轧控冷后对1#～3#加取试样进行拉伸试验和夏比V型冲击试验，试验钢强塑性能、韧脆转变温度分别如图1、图2所示。

表2 试验材料所采用的控制轧制控制冷却工艺

图1 1#～3#试验钢强塑性能

图2 1#～3#试验钢韧脆转变温度

由图1可以看出，通过1#～3#强塑性对比可知，在充分固N的情况下，硼可以在低碳贝氏体钢中发挥相当强的淬透作用，但其在显著提高强度的同时，塑性却受到不利影响，从某种程度上表现出塑性随强度的升高而降低的趋势。试验钢通过控制轧制控制冷却，硼对于强度的贡献远远强于Mo、Cr等贵重合金元素，并且添加10×10-6左右的硼即可发挥作用，即使是淬透性能很低的1#试验钢，通过添加微量B元素，也可以大大提高其强度。固溶硼在奥氏体晶界偏聚，可以抑制晶界中铁素体相变核的生成，从而提高了淬透性［1］。另外，硼不仅加强了铌的析出效果，而且可以形成Nb(C，N，B)化合物，此类化合物在热变形后，在奥氏体中会通过应变诱导在位错线上析出，从而明显阻碍变形后晶界的运动，强化了奥氏体晶粒。

由图2可以看出，1#、2#试验钢在Cev设计差异很大的情况下，经过严格的控轧控冷工艺，其韧性并没有显现太大差异，但相比3#试验钢其韧脆转变温度有所升高。综合分析，B的添加，在对塑性和韧性稍有影响的同时，大大提高了钢板的强度指标;在降低合金成本的同时，保证了钢板的综合性能。

2.2 硼对低碳贝氏体钢CCT曲线的影响

低碳贝氏体钢是一类高强度、高韧性的钢种，因其低碳设计消除了碳对贝氏体组织韧性的不利影响，这类钢的强度不再依靠钢中碳含量而主要通过组织强化控制，因此，对2#、3#试验钢取样委托哈尔滨焊接研究所进行连续冷却，其CCT曲线如图3所示。

图3 试验钢CCT曲线

由图3可知，硼的添加使低碳贝氏体钢铁素体、珠光体、贝氏体曲线右移，并且铁素体、珠光体转变温度下移，推迟了铁素体、珠光体的转变。2#试验钢以10℃/s的冷却速率冷至560℃即可获得100%贝氏体组织;3#试验钢以13℃/s的冷却速率冷至530℃获得贝氏体组织。在低碳贝氏体钢变形后的冷却过程中，硼原子在晶界的偏聚会极大地阻碍新相在晶界处形核，从而使先共析铁素体生成区明显右移，扩大了此钢种获得均匀贝氏体组织的冷速范围。

2.3 硼对低碳贝氏体钢显微组织的影响

为进一步了解硼对低碳贝氏体钢性能的影响，利用ZEISS Observer A1m金相显微镜对试验钢进行显微组织观察，显微组织如图4所示。

图4 不同回火温度下的显微组织

由图4可以看出，1#试验钢主要是粒状贝氏体和多边形铁素体组成的混合组织;2#试验钢主要是粒状贝氏体和少量多边形铁素体;3#试验钢主要是针状铁素体和少量粒状贝氏体的混合组织。在显微组织图像中原压扁奥氏体晶界清晰可见，这些未再结晶奥氏体区进行了充分累计变形的压扁奥氏体变形带，可作为晶粒内相变驱动质点，从而有利于控冷阶段试验钢的相变控制。在低碳贝氏体钢中添加硼，使铁素体、珠光体、贝氏体曲线右移，硼抑制了铁素体、珠光体形核。另外，低碳贝氏体钢基体中固溶的铌、硼原子在冷却及相转变后，将在贝氏体内析出Nb(C，N，B)化合物，进一步强化贝氏体组织。

2.4 硼对低碳贝氏体钢焊接性能的影响

低碳贝氏体钢由于其碳含量很低，因此焊接冷裂纹敏感性很小，另一方面这类钢在焊接过程中晶粒长大倾向性很小，因此具有优良的焊接性能［4］。由表1中1#～3#试验钢Pcm值分析，2#含硼试验钢焊接性能理论上和3#试验钢焊接冷裂纹敏感性应该相当，为进一步探讨硼对低碳贝氏体钢工程应用的焊接性能，对2#钢取样委托哈尔滨焊接研究所进行焊接实验，见表3。

表3 2#试验钢焊接性能试验

通过对2#试验钢进行插销冷裂纹试验、斜Y坡口焊接裂纹进行试验，并对焊接热影响区进行最高硬度试验，结果表明，试验钢热影响区淬硬倾向较小，对氢致开裂敏感性很低;中等约束条件下室温不预热焊接不会产生冷裂纹。

利用ZEISS Observer A1m金相显微镜对对焊接试验钢热影响区进行显微组织观察，显微组织照片如图5所示。

图5 2#试验钢焊接热影响区显微组织

由图5可以看出，在铌、硼综合作用下，这类钢的焊接热影响区显微组织仍然为高强韧的贝氏体组织。这种贝氏体组织内部的位错密度很高;另一种原因是在焊接快速冷却过程中，硼和铌原子会偏聚在新形成并正在移动中的奥氏体晶界上，从而明显地减缓了这些新晶粒长大，在加热时钢板中存在的Nb(C，N)析出除了阻止新晶界移动外，还要经过一个自身的溶解过程，从而在奥氏体晶粒的长大过程中也起到一定的限制作用。

3 讨论

硼的添加有利于在低碳高强钢设计生产过程中得到贝氏体组织，但在冷却过程中形成Fe23(C，B)6类型的硼化物，在TMCP状态下，由于硼的作用导致晶界处位错密度较高且处于混乱状态，应力也会相应较大，对冲击韧性不利，容易出现冲击性能波动问题。在有些资料中显示［3］，Fe23(C，B)6大约在970℃以上不稳定而消失，在600℃以下也因不稳定而无法存在;但Cr元素的加入具有稳定Fe2B相的作用，并随着Cr含量的增加，950℃时Fe23(C，B)6相的存在区域也随着扩大，且在600℃以下也能稳定存在。

另外，含硼钢淬透性对冷却速率比较敏感，硼的淬透性主要是由于硼的晶界偏聚、硼化物晶界析出造成的，随着冷却速率的的增加，硼在晶界的非平衡偏聚物增多，并且冷却到一定温度后出现硼析出物。在快速冷却阶段由于奥氏体过冷度增大，促进了贝氏体铁素体向细板条束发展。在含硼低碳贝氏体钢的生产过程中，冷却速率的控制对组织、性能的控制至关重要。

4 结论

通过Nb-B-Ti、Nb-Cr-Mo不同成分体系试验钢的组织、性能、冷却曲线的研究，得出：

1)低碳贝氏体钢中硼的加入使铁素体、珠光体转变点下降，使CCT冷却曲线右移，扩大了贝氏体组织的冷却速率范围。

2)硼的添加强化了钢的显微组织，对低碳贝氏体钢的强度贡献很大，并且强度随着冷却速率的增大而升高;Nb-B-Ti钢相对于Nb-Cr-Mo钢韧脆转变温度升高。

3)含硼低碳贝氏体钢在中等约束条件下，室温不预热焊接不产生冷裂纹。

［1］ 贺信莱，诸幼义，柯俊.硼向奥氏体晶界的非平衡偏聚［J］.金属学报，1982，18(1)：5-10.

［2］ 梁晓军，焦四海，王聪，姜洪生.冷却速率对直接淬火钢组织和性能的影响［J］.机械工程材料，2007，31(2)：16-18.

［3］ 符寒光，宋绪丁，刘海明，雷永平，成小乐，邢建东.热处理对Fe-B-C合金显微组织的影响［J］.稀有金属材料与工程，2010，39(6)：1125-1128.

［4］ 翁宇庆，等.超细晶钢［M］.北京：冶金工业出版社，2003：279-288.