高氮含量非调质钢的组织与性能

穆相林, 晁月林, 马 跃, 孙齐松, 程四华, 刘 锟

(首钢集团有限公司技术研究院, 北京 100041)

钢铁工业作为中国第二大能源消耗及碳排放工业,降低能源消耗是钢铁工业低碳转型的重要发展路径[1-3],对推进“双碳”目标具有重要意义。非调质钢与调质钢相比,取消了调质处理工序,在缩短生产周期、降低加工难度的同时大幅度降低了能源消耗[4-5]。

有研究发现[6],非调质钢中V含量的提升可以缩小珠光体片层间距,提高析出物数量、减小尺寸;文献[7]研究了Nb、V、N、Ti的微合金化,发现V的碳氮化物可以减小网状铁素体尺寸,增加晶内铁素体的体积分数;周蕾等[4]利用铝、钒、钛复合微合金化成功开发出30MnVS非调质圆钢,屈服强度大于600 MPa,伸长率大于18%,冲击吸收能量大于190 J;陈佳荣[8]研究发现,V含量对离子渗氮非调质钢基体的力学性能无明显影响,只是改善了耐磨性和抗疲劳性,当V含量较低时,随着针状氮化物生成,脆性提高。由于农用机械具有面向农民的特点,造就了农机用钢对于成本要求极高。关于农机用非调质钢的研究鲜有报道,本研究响应《农机装备发展行动方案(2016—2025)》号召,为推进我国农机工业转型升级,增强农业机械有效供给能力,提升我国现代农业生产水平。农机用非调质钢替代调质钢,实现低成本性能的提升是本文研究的主要目标。对于非调质钢的性能提升,国内外学者的主要研究方向在于控制Nb、V、Ti等微合金元素的析出、优化控轧控冷过程,最终通过析出强化以及晶粒细化,获得要求的力学性能。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本文以Mn-V-S体系为研究对象,使用50 kg真空炉,冶炼了3种成分的试验钢,如表1所示。1号钢为常规45MnVS成分的原型钢,2号为V含量0.080%的增钒钢,3号为N含量0.01%的增氮钢。

表1 试验钢的化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical compositions of the tested steels (mass fraction, %)

1.2 试验方法

试验钢的加热温度选择在1150 ℃,保温时间60 min。在控轧控冷工艺设计方面,采用两阶段控制轧制,开轧温度1000 ℃,终轧温度900 ℃。

从热轧态钢板上切取金相试样,垂直于轧向研磨和抛光,用4%HNO3+96%C2H5OH(体积分数,下同)溶液侵蚀10～15 s,利用DMI5000M型金相显微镜对组织进行观察。

将金相试样在5%HClO4+95%C2H5OH溶液中进行电解抛光,电压20 V,电解时间11 s;最后采用JSM-7001F型SEM附带的电子背散射衍射(Electron back-scatter diffraction,EBSD)进行晶粒尺寸测量和晶粒取向分析,晶粒取向<15°为小角度晶界,晶粒取向≥15°为大角度晶界,扫描步长为0.5 μm。

根据GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》,在热轧钢板上沿轧向切取拉伸试样,用MTS810型万能拉伸试验机在室温下进行拉伸试验,拉伸速率为2 mm/min。根据GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》,在热轧钢板上沿轧向切取10 mm×10 mm×55 mm的U形冲击缺口试样,用Zwick/RoellRKP450冲击试验机在室温进行冲击试验。

将热轧态试样制备成碳萃取复型试样和金属薄膜试样对析出物进行观察。其中碳萃取复型试样制备方法为:将试样打磨抛光后在4%HNO3+96%C2H5OH溶液中浸蚀,用喷涂仪在其表面沉积一层碳膜,将碳膜划分为3 mm×3 mm的小格,然后将其放入盛有10%HNO3+90%C2H5OH溶液中,待碳膜与试样分离后,将碳膜放入去离子水中,用铜网捞起干燥。金属薄膜试样制备方法为:将试样机械减薄至50 μm,将薄片放置在直径为φ3 mm的打孔机上冲下圆片,最后电解双喷至穿孔,电解液为5%HCl4+95%C2H5OH溶液,双喷工作电压为35～45 V。最后再用JEM-2000FX型透射电镜(TEM)对析出物进行观察和分析。利用图像处理软件选择多个视场进行析出物尺寸和体积分数的测定。

2 试验结果与分析

2.1 力学性能

图1为试验钢的力学性能测试结果。可见,1号钢的屈服强度和抗拉强度分别为470和855 MPa,冲击吸收能量为42 J;2号钢的屈服强度和抗拉强度达到了522和868 MPa,冲击吸收能量为51 J,屈服强度提升了52 MPa,抗拉强度提升了13 MPa,冲击吸收能量提升了9 J;3号钢的屈服强度和抗拉强度分别为580和892 MPa,冲击吸收能量为57 J,对比1号钢,屈服强度提升了110 MPa,抗拉强度提升了37 MPa,冲击吸收能量提升了15 J,对比2号钢,屈服强度提升了58 MPa,抗拉强度提升了24 MPa,冲击吸收能量提升了6 J。可见在试验成分范围内,提高V、N含量均有利于提高材料的性能,提高N含量的作用更加有效。

图1 试验钢的力学性能(a)屈服强度;(b)抗拉强度;(c)冲击吸收能量Fig.1 Mechanical properties of the tested steels(a) yield strength; (b) tensile strength; (c) impact absorbed energy

2.2 显微组织

图2给出了3种试验钢的显微组织,可以看出轧后组织均为P+F(珠光体+铁素体),组织均匀,P为多边形,F分布在P周围的晶界处,1号钢的P晶粒尺寸明显较大,且形状更接近圆形,而提升了V含量及N含量后,晶粒尺寸变得细小,且P晶粒的边缘变得不规则。

图2 试验钢的显微组织(a)1号钢;(b)2号钢;(c)3号钢Fig.2 Microstructure of the tested steels(a) No.1 steel; (b) No.2 steel; (c) No.3 steel

3 分析讨论

3.1 氮含量对析出物的影响

有文献[9]指出,随试验钢中N含量提升,V的碳氮化物数量增加,尺寸更加细小,分布更加均匀弥散,通过TEM观察分析发现,析出物对位错线的钉扎作用,促进了珠光体的转变并降低了珠光体片层间距,从而起到了显著的细晶强化作用。文献[10]提到,N在钢中具有明显的细化晶粒的作用,随N含量增加,可以显著提高相变比率,N的增加可以增加V(C, N)在奥氏体-铁素体相界面的析出,起到细化铁素体晶粒尺寸的作用,V(C, N)比碳化物有更高的稳定性,且分布更细小弥散,因此具有更显著的强化效果;同时V的碳氮化物可以减小网状铁素体尺寸,增加晶内铁素体的体积分数。另有文献[11]指出,提升N含量与提升V含量的目的相同,但是作用方式不同,在C含量为0.18%左右时,提升V含量,主要增加V的碳化物;提升N含量,V主要以V(C, N)以及部分VN的形式析出[12];通过对晶格平面点阵错配度的计算发现,奥氏体内的V(C, N)以及VN是铁素体的最有利形核位置,提升N含量后,N元素的增加会增加V(C, N)的析出驱动力,降低V在钢中的溶解度,提高析出温度,V(C, N)在1100 ℃析出随后促进铁素体的晶内形核,使得最终的组织细化,从而提升了韧性。

由于取心直径已有要求，因此，根据式(1)通过减小岩样层与取样筒内壁间的摩擦系数延迟产生“桩效应”的时间来增加取样长度，从而达到提高取心率的目的。因此，采用耐磨减阻镀层防堵取样内筒[4]，该内筒内壁光滑(表面粗糙度≤0.4 μm)，其硬度接近硬质合金的硬度，可以同时满足减少岩样堵塞提高岩心采取率及增加取样内筒使用寿命的要求。

图3为3种试验钢析出物分布的TEM图像,从图3可以看出,3种试验钢中V的析出物的形貌主要为椭球形和长方形,试验钢中V析出物的尺寸在15～40 μm之间;相较于1号钢,提升V和N含量,V的析出物数量明显增加,而N含量提升后析出物分布更加弥散,晶粒尺寸更加细小。

图3 试验钢中V析出物的TEM图像(a)1号钢;(b)2号钢;(c)3号钢Fig.3 TEM images of vanadium precipitate in the tested steels(a) No.1 steel; (b) No.2 steel; (c) No.3 steel

对试验钢中的典型析出物进行成分分析,结果如表2所示。在1、2号钢中,析出物以V的碳化物析出为主,同时含有少量的V(C, N),而3号钢中,析出物的N含量增加,V(C, N)数量也大幅度增加。

表2 试验钢中析出物的成分(质量分数,%)Table 2 Chemical composition of precipitates in the tested steels (mass fraction, %)

3.2 氮含量对组织的影响

图4～图6分别为3种试验钢的反极图(IPF)、晶粒尺寸分布和晶粒尺寸分布对比图。可以清楚地看出,提升V含量以及N含量,晶粒尺寸对比后,1号钢出现明显细化,相同面积下≤5 μm的晶粒数量,1～3号钢中分别为279、348和589个。5～10 μm之间的晶粒数量1～3号钢分别为140、169和311个;10～20 μm之间的晶粒数量1～3号钢分别为71、72和163个。提升N含量,晶粒尺寸的细化效果更加显著。试验钢的晶粒尺寸发生了明显改变,这是试验钢力学性能存在显著差异的原因之一。

图4 试验钢的反极图(a)1号钢;(b)2号钢;(c)3号钢Fig.4 IPF of the tested steels(a) No.1 steel; (b) No.2 steel; (c) No.3 steel

图5 试验钢的晶粒尺寸分布(a)1号钢;(b)2号钢;(c)3号钢Fig.5 Grain size distributions of the tested steels(a) No.1 steel; (b) No.2 steel; (c) No.3 steel

图6 试验钢的晶粒尺寸分布对比Fig.6 Comparison of grain size distributions of the tested steels

通过数据统计,结合图6可知,相同面积下20 μm以内的晶粒数量,1～3号钢中分别为515、635和1078个,对于细化晶粒的效果,提升N含量远高于提升V含量,对比1号钢增加109.32%,对比2号钢增加69.76%。

结合TEM统计分析得出,N含量的提升,增加了V(C, N)的析出驱动力,促进了在1000 ℃开轧温度下V(C, N)的析出,同时析出一定量的VN,大量细小弥散的析出物一方面作为形核位置促进了珠光体转变,一方面起到了钉扎晶界的作用,从而获得了显著的晶粒细化效果。

N含量对力学性能的影响,主要通过固溶强化,析出强化及细晶强化的方式[13],由于固溶强化的主要元素含量基本相同,所以主要考虑细晶强化及析出强化的作用,而对于热轧态V-N钢,细晶强化的作用要远大于析出强化,通过对比可以发现,增氮钢的细晶效果要远高于增钒钢以及原型钢,因此获得了更好的韧性和塑性。

4 结论

1) 高氮非调质钢相比常规非调质钢可以获得良好的强韧性匹配,屈服强度提升了110 MPa,抗拉强度提升了37 MPa,冲击吸收能量提升了15 J。

2) 氮可显著细化晶粒尺寸,促进了V(C, N)以及VN的析出,大量细小弥散的析出物一方面作为形核位置促进了珠光体转变,一方面起到了钉扎晶界的作用,从而获得了显著的晶粒细化效果。