直接轧制工艺对中厚板组织与性能的影响

曾智炎

华菱湘潭钢铁集团有限公司 湖南湘潭 411101

轧制：将金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙（各种形状），因受轧辊的压缩使材料截面减小，长度增加的压力加工方法，这是生产钢材最常用的生产方式，主要用来生产型材、板材、管材。

1 试验材料与方法

试验选用Nb-Ti微合金钢为研究对象，试验设备主要包括真空感应炉、立式连铸试验机、箱式加热炉及二辊热轧试验机等。首先按表中成分进行合金的熔炼，并通过立式连铸试验机浇铸成135mm×135mm的连铸坯，浇注温度约为1550℃，过热度约为30℃，连铸机拉速为1.0m/min。连铸后直接火焰切取长度约为500mm的坯料，其中一块坯料快速运送至轧机进行直接轧制，经过六道次的轧制轧制成厚度为40mm的钢板，开轧时坯料表面温度为1050℃，终轧温度为950℃；另一块坯料连铸后空冷至室温，然后重新加热至1250℃保温2h，出炉后同样经六道次轧制轧制成40mm厚的钢板，开轧时坯料表面温度为1100℃，终轧温度为950℃。两种工艺采用相同的轧制压下规程：135mm→100mm→73mm→57mm→48mm→43mm→40mm，轧制完成后空冷至室温，6个轧制道次的压下率依次约为26%、27%、22%、16%、10%及7%。

在轧后钢板的横截面中心线的表层、1/4厚度处和芯部切取尺寸为5mm×5mm×8mm的金相试样，试样经过研磨抛光后，使用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，腐蚀时间约为12s，然后采用光学显微镜观察室温下的显微组织形貌；从1/4厚度处的金相试样上切取500μm厚的薄试样，机械减薄至50μm后冲成φ3mm的圆盘，采用体积分数为10%高氯酸乙醇溶液进行电解双喷减薄，制成TEM薄膜试样，利用TecnaiG2F20场发射透射电镜观测析出的第二相粒子形貌，并结合Image-ProPlus（IPP）软件测量微合金第二相粒子尺寸。沿垂直于轧制方向在钢板上切取并加工制备φ5mm×25mm标准拉伸试样，利用CMT-5105-SANS微机控制电子万能试验机进行拉伸试验，测定试验钢的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率，拉伸速率恒定为1.0mm/min。沿轧制方向切取并加工成尺寸为10mm×10mm×55mm的标准冲击试样，试验温度为-20℃，利用9250HV落锤冲击试验机进行低温冲击试验，测量试验钢低温V型缺口夏氏冲击功。拉伸平行试样和冲击平行试样均为3个。

2 试验结果与讨论

2.1 不同工艺下的热轧钢板显微组织

两种工艺轧制的钢板在室温下的显微组织均由多边形铁素体和粒状贝氏体及少量的珠光体组成。常规热轧工艺下从钢板表层至芯部，铁素体晶粒尺寸逐渐增大，芯表显微组织的差异主要由两方面的原因导致：一方面是因为微合金钢连铸坯在连铸后的空冷过程中，由于连铸坯表层的冷却速率高于芯部，而高的冷却速率有利于铁素体相变形核，因此冷却至室温后，连铸坯表层组织明显要比芯部的组织更加细小；再加热阶段，连铸坯表层初始组织细小，导致晶界增多，有助于奥氏体的形核，因此再加热后奥氏体化后会依然保持表层晶粒比较细小而芯部晶粒比较粗大的组织分布特征；另一方面，轧制过程中变形主要集中在表层及次表层，同样有利于表层及次表层晶粒的细化。

2.2 不同工艺下的热轧钢板第二相粒子析出形貌

在常规热轧工艺下的热轧钢板基体中同时观察到大尺寸的析出粒子和细小的析出粒子。尺寸大于35nm的粗大析出粒子体积分数为10%，尺寸为20～35nm的析出粒子体积分数为35%，尺寸小于20nm的细小析出粒子体积分数为55%；在直接轧制工艺下的热轧钢板中，微合金析出粒子弥散均匀地分布于铁素体基体中。其中尺寸大于35nm的粗大析出粒子体积分数为4%，尺寸为20～35nm的析出粒子体积分数为51%，尺寸小于20nm的析出粒子体积分数为45%。

与常规热轧工艺相比，直接轧制工艺下，尺寸大于35nm以及小于20nm的析出粒子体积分数均有所降低，而尺寸为20～35nm的析出粒子体积分数从35%增加到51%。在常规热轧工艺下，再加热时未能完全溶解的第二相粒子在长时间的保温条件下聚集长大，发生Ostwald熟化，这些不规则的大尺寸粒子主要为TiN和（Nb，Ti）（C，N），因此常规热轧工艺析出的大尺寸粒子的数量要高于直接轧制工艺。直接轧制工艺初始几个道次的变形温度低于常规热轧工艺，随着温度的下降，析出的化学驱动力增加，仅需较小的形变储存能，就能促进更多的第二相粒子在奥氏体中应变诱导析出，且来不及长大，这些析出粒子的尺寸主要集中20～35nm的范围内；由于轧制变形阶段奥氏体中大量第二相粒子的析出，相变后的铁素体中微合金含量减少，析出的化学驱动力下降，导致铁素体中析出的细小粒子的数量减少。

3 结语

①两种工艺轧制的钢板在室温下的显微组织均由多边形铁素体和粒状贝氏体及少量的珠光体组成。常规热轧工艺下从钢板表层至芯部，铁素体晶粒尺寸逐渐增大。直接轧制工艺下，坯料芯表温差大，有利于变形向芯部渗透，提高厚度方向的组织均匀性。②直接轧制工艺初始几个道次的变形温度低于常规热轧工艺，温度降低，第二相粒子析出的化学驱动力增大，应变诱导析出所需的形变储存能减少。与常规热轧工艺相比，直接轧制工艺下尺寸为20～35nm的析出粒子体积分数从35%增加到了51%。③尽管没有经历常规轧制工艺的γ-α-γ往复相变过程，直接轧制工艺仍获得了与常规轧制工艺的组织和性能相近甚至更优的热轧中厚板产品。