Mn含量及卷取温度对TSCR流程生产Ti微合金高强钢组织与力学性能的影响

陈麒琳，孙新军

(1. 武汉科技大学材料与冶金学院，湖北 武汉，430081；2. 钢铁研究总院工程用钢研究所，北京，100081)



Mn含量及卷取温度对TSCR流程生产Ti微合金高强钢组织与力学性能的影响

陈麒琳1，孙新军2

(1. 武汉科技大学材料与冶金学院，湖北 武汉，430081；2. 钢铁研究总院工程用钢研究所，北京，100081)

摘要：在TSCR流程上研究Mn含量和卷取温度对Ti微合金高强度钢组织与力学性能的影响。结果表明，随着钢中Mn含量的升高，铸坯与热轧成品板组织细化，其强度显著提高；而卷取温度的降低虽使热轧板组织得到细化，但抑制了纳米尺寸含Ti相的充分析出，热轧板强度降低。由此可见，在细化组织的同时提高纳米尺寸析出物数量是生产Ti微合金化高强钢的关键所在。

关键词：薄板坯连铸连轧；Ti微合金钢；Mn；卷取温度；微观组织；力学性能

基于薄板坯连铸连轧(TSCR)流程，采用单一Ti微合金化技术生产屈服强度为700 MPa级超高强度热轧钢板已实现工业化应用[1-3]。国内学者已对基于该流程生产的Ti微合金钢物理冶金学特征及强化机理做了较为系统的研究[4]，且注意到Mn元素对Ti元素在钢中沉淀析出规律产生一定影响[5]。另一方面，TSCR流程中的过程参数包括轧制变形量、卷取温度与冷却速度等也通过沉淀强化、细晶强化等方式影响Ti微合金高强钢的强度。基于此，本文结合在TSCR流程上研发Ti微合金化高强钢的实践，重点考察钢中Mn含量和卷取温度对其组织及力学性能的影响，以期为Ti微合金化高强钢生产技术的制定和优化提供依据。

1试验材料与方法

本试验基于广州珠江钢铁有限责任公司采用TSCR流程生产Ti微合金化高强钢，其工艺流程为：原料→电炉炼钢→钢包精炼→薄板坯连铸→均热→热连轧→层流冷却→卷取。精炼过程中，钢水用铝充分脱氧后加入Ti铁，采用控制轧制和控制冷却工艺的方式来生产超高强钢。其中，铸坯厚度为55 mm，铸坯拉速为4～5 m/min，均热温度为1150 ℃，时间为20 min，铸坯出炉温度为1140 ℃，终轧温度为900 ℃。为考察Mn含量及卷取温度对铸坯及热轧成品板组织与力学性能的影响，采用试验钢的化学成分及卷取温度如表1所示。

表1　试验钢的化学成分及卷取温度

连铸坯试样取自TSCR生产现场均热完成并水淬至室温后连铸坯表面处、距表面1/4厚度处、距表面1/2厚度处钢样，方向为轧向；成品板试样取自钢卷开卷8 m后，距离边部1/4处。将连铸坯及热轧板试样沿横断面磨平、机械抛光，用4%的硝酸酒精溶液侵蚀后，在光学显微镜(OM)及7001F场发射扫描电镜(SEM)下观察组织及析出物形貌，并用能谱仪(EDS)对钢中析出物成分进行分析；在热轧成品板上切取薄片，磨至50～80 μm，冲成直径为3 mm的试样，经离子减薄后在JEOL-2010型透射电镜(TEM)观察其微观结构；采用Image Tool 图像分析软件测量铁素体晶粒的平均尺寸；根据GB/T 228—2002测试热轧成品板试样的室温拉伸性能。

2结果与分析

2.1Mn含量的影响分析

2.1.1铸坯组织

(a)0.4%Mn(b)1.4%Mn

图1不同Mn含量铸坯芯部组织的OM照片

Fig.1 OM images showing core structures of casting slabs with different Mn contents

图1为不同Mn含量钢样均热淬火后铸坯芯部组织的OM照片。由图1可见，0.4%Mn钢样的淬火组织为贝氏体+少量铁素体，1.4%Mn钢样的淬火组织为马氏体。此现象表明1.4%Mn钢样的淬透性较好，可归因于该钢样中Mn元素含量较高。

(a)0.4%Mn(b)1.4%Mn

图2不同Mn含量铸坯中原始奥氏体晶粒的OM照片

Fig.2 OM images showing initial austenite grains in casting slabs with different Mn contents

图2为不同Mn含量试验钢铸坯中原始奥氏体晶粒组织的OM照片(取样位置为铸坯厚度的1/4处)，其中L表示长度方向，T表示厚度方向。由图2可见，两种试验钢铸坯的奥氏体晶粒在长度方向均有拉长，表明结晶方向是沿铸坯长度方向；此外，1.4%Mn钢铸坯的奥氏体晶粒尺寸比0.4%Mn钢铸坯细小，利用截线法测量得知，0.4%Mn钢铸坯沿厚度方向的奥氏体晶粒厚度约为500 μm，而1.4%Mn钢铸坯的晶粒厚度则为200 μm。

2.1.2热轧成品板组织

(a)0.4%Mn(b)1.4%Mn

图3不同Mn含量热轧成品板的SEM照片

Fig.3 SEM images of hot strips with different Mn contents

图板的组织为准多边形铁素体和少量珠光体，铁素体平均晶粒尺寸约为7 μm，而1.4Mn%钢热轧成品板组织为针状铁素体和一定量的贝氏体，且铁素体平均晶粒尺寸约为3 μm，组织细化效果显著。这是由于Mn元素可在Fe-C相图上扩大奥氏体相区，降低奥氏体向铁素体转变温度，进而推迟γ→α相变；另一方面，Mn能显著增加钢的淬透性，当钢中Mn含量超过一定值时，可使过冷奥氏体冷却过程中的高温转变孕育期明显长于中温转变孕育期，导致其等温转变C曲线上下分离，存在着明显的河湾形状。由此可见，Mn元素的加入抑制了高温先共析铁素体相变，降低γ→α相变温度，细化铁素体晶粒并且出现了明显贝氏体的形貌特征。

2.1.3力学性能

不同Mn含量钢样的力学性能参数如表2所示。由表2可见，当试验钢的Mn含量由0.4%提高至1.4%时，其屈服强度和抗拉强度分别提升了130 MPa和140 MPa，延伸率降低了11.5%，这表明Mn做为固溶强化元素，随着固溶量的提高，沉淀强化作用提升；此外，根据Hall-Petch公式[6]可知，当铁素体晶粒由5～7 μm细化至3 μm，屈服强度可提升50～100 MPa。因此，在Mn元素的固溶强化作用以及铁素体晶粒细化的共同作用下，试验钢的强度显著提升。

表2不同Mn含量热轧成品板的力学性能

Table 2 Mechanical properties of hot strips with different Mn contents

w(Mn)/%Rp0.2/MPaRm/MPaA/%0.4615685261.474582523

2.2卷取温度的影响分析

2.2.1微观组织

不同卷取温度下热轧钢板的OM及TEM照片分别如图4和图5所示。由图4和图5可见，当卷取温度较低时，钢样晶粒(或亚晶)的尺寸更为细小，位错密度较高，且出现明显的贝氏体组织的形貌，数量也相较更多。带钢组织随卷取温度降低而细化的现象可通过γ→α相变的过冷度来解释，即同样的终轧温度，若卷取温度更低，则层流冷却过程中要求更快的冷却速度，增加了γ→α相变的过冷度，而过冷度的增加会降低新相形核功、减小临界形核半径及增大铁素体形核率；同时，较低的相变温度也会减缓形核后铁素体的长大速度。由此可知，卷取温度的降低可起到细化带钢组织的作用。

(a) 580 ℃(b) 620 ℃

图4不同卷取温度下热轧钢板的OM照片

Fig.4 OM images of hot strips coiled at different temperatures

(a) 580 ℃(b) 620 ℃

图5不同卷取温度下热轧钢板的TEM照片

Fig.5 TEM images of hot strips coiled at different temperatures

2.2.2析出物形貌及成分分析

(a) 580 ℃(b) 620 ℃

图6不同卷取温度下热轧钢板中析出物的SEM照片

Fig.6 SEM images of precipitates in hot strips coiled at different temperatures

不同卷取温度下热轧钢板中析出物的SEM及TEM照片分别如图6和图7所示。由图6和图7可见，当卷曲温度较低时，在钢样基体上尤其是铁素体晶界上均匀分布着白色颗粒，结合析出物的EDS分析可知(见图8)，这些颗粒为几百nm数量级的渗碳体(Fe3C)粒子。当卷取温度较高时，钢样的晶界较为干净，基本为铁素体的单一相组织，而基体中弥散分布着大量的纳米级的析出物粒子，这些细小析出物粒子分布在位错线上，可起到钉扎位错的作用。相关研究结果表明，这类析出物应为TiC或者Ti(CN)等含Ti析出相[3,7-8]。从析出动力学考虑，由于Ti原子的扩散激活能比碳原子高，因此TiC析出过程受钛长程扩散的控制，需要足够的时间才能充分析出。如果冷却速率较快，将抑制TiC的析出过程；同时，Ti的固溶量也将提高，对析出过程不利，导致析出量减少。如果卷取温度较高，又会发生TiC析出物长大的现象。由此可见，卷取温度的合理选择与控制十分重要。

(a) 580 ℃(b) 620 ℃

图7不同卷取温度下热轧钢板中析出物的TEM照片

Fig.7 TEM images of precipitates in hot strips coiled at different temperatures

图8　卷取温度为580 ℃时热轧钢板中析出物的SEM照片及EDS能谱

2.2.3力学性能

不同卷取温度下钢样的力学性能参数如表3所示。由表3可见，当卷取温度由620 ℃降低至580 ℃时，试样的室温屈服强度和拉伸强度分别降低了205 MPa和100 MPa，延伸率提高了6.4%，这表明降低卷曲温度虽有助于细化组织，但由于抑制了含Ti析出物的析出，因而降低了其沉淀强化效果，导致热轧成品板强度大幅降低。

表3不同卷取温度下热轧试样的力学性能

Table 3 Mechanical properties of hot strips coiled at different temperatures

卷取温度/℃Rp0.2/MPaRm/MPaA/%5805907302562079583023.5

3结论

(1)当Mn含量由0.4%提高至1.4%时，Ti微合金钢铸坯淬透性增强，铸坯与热轧板组织细化效果显著，屈服强度和抗拉强度分别提高了130 MPa和140 MPa，这表明增加Mn含量可通过固溶强化和细晶强化的方式提高Ti微合金钢的强度。

(2)当卷取温度由620 ℃降低至580 ℃时，热轧板组织明显细化，位错密度提高，出现了贝氏体形貌特征，而纳米尺寸含Ti析出物粒子数量减少，几百nm的渗碳体粒子数量增多，屈服强度和抗拉强度分别降低了205 MPa和100 MPa，这表明卷曲温度降低虽然能细化组织，但由于抑制了纳米尺寸含Ti相的充分析出，因而降低了其沉淀强化效果，导致成品板强度降低。

参考文献

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[2]毛新平，孙新军，康永林，等．薄板坯连铸连轧Ti微合金化钢的物理冶金学特征[J]．金属学报，2006，42(10)：1091-1095．

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[5]Mao X P, Chen Q L, Sun X J. Metallurgical interpretation on grain refinement and synergistic effect of Mn and Ti in Ti micro-alloyed strip produced by TSCR[J]. Journal of Iron and Steel Research International, 2014, 21(1): 31-40.

[6]雍岐龙．微合金钢-物理和力学冶金[M]．北京：机械工业出版社，2006：8-11．

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[责任编辑董贞]

Effect of Mn content and coiling temperature on themicrostructure and mechanical properties ofTi-microalloyed high-strength steel produced by TSCR process

ChenQilin1,SunXinjun2

(1. College of Materials Science and Metallurgical Engineering, Wuhan University ofScience and Technology, Wuhan 430081, China; 2. Division of Engineering Steel,Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China)

Abstract:The effects of Mn content and coiling temperature on the microstructures and mechanical properties of Ti-microalloyed high strength steel produced by TSCR process were investigated. The results show that higher Mn content causes finer microstructures for the continuous casting slab and hot-rolled plate, and raises the strength of Ti-microalloyed steel dramatically. On the other hand, lower coiling temperature causes finer microstructure for the hot-rolled plate; however, the full precipitation of nanometer-sized Ti-contained phases will be inhibited, and the overall strength of steel is decreased as a result. Hence, both the grain refinement and the increase of the amount of nanosized precipitates are crucial to the production of Ti-microalloyed high strength steel.

Key words：TSCR; Ti-microalloyed steel; Mn; coiling temperature; microstructure; mechanical property

收稿日期：2015-11-09

基金项目：中国博士后科学基金资助项目(2014M562072)．

作者简介：陈麒琳(1980-)，男，武汉科技大学博士生．E-mail: chenqilin2@gaei.cn

中图分类号：TG113.25

文献标志码：A

文章编号：1674-3644(2016)03-0161-05