微合金元素硼在高品質(zhì)板帶生產(chǎn)中的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

1、2008 年 5 月J o ur nal of Iro n a nd Steel Resea rchMay 2008微合金元素硼在高品質(zhì)板帶生產(chǎn)中的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀肖麗俊 ,仇圣桃 ,劉家琪 ,干勇(中國(guó)鋼研科技集團(tuán)公司先進(jìn)鋼鐵流程及材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 , 北京 100081)摘 要 :針對(duì)我國(guó)目前高品質(zhì)板帶的開(kāi)發(fā) ,介紹了微合金元素硼在連續(xù)退火冷軋低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼薄帶 、熱軋拉延鋼板 、高強(qiáng)度管線鋼 、無(wú)取向硅鋼 、鐵素體不銹鋼等鋼種中的應(yīng)用現(xiàn)狀 ,并對(duì)其在鋼中的不同作用機(jī)理進(jìn)行了分析討 論 ,認(rèn)為微合金元素硼在高品質(zhì)板帶開(kāi)發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景 。關(guān)鍵詞 :硼 ;熱軋拉延鋼板 ;高強(qiáng)度管線鋼 ;

2、無(wú)取向硅鋼 ;鐵素體不銹鋼中圖分類號(hào) : T G3351 5文章編號(hào) :100120963 (2008) 0520001204文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : AResearch and Appl ication Status of Boron Microalloying inHigh Qual ity Steel PlateXIA O L i2j u n ,Q IU She ng2t ao ,L IU J ia2qi ,GA N Yo ng( State Key L abo rato r y of Advanced Steel Processe s a nd Pro duct s , China Iro n

3、andSt eel Resea rch Instit ute Gro up , Beijing 100081 , China)Abstract : The develop ment of new high qualit y steel plate i s of great impo rta nce i n o ur co unt r y. Thi s pap er mainlyi nt ro duce s t he applicatio n of microallo ying element bo ro n (B) a nd a nal yze it s diff erent eff ect

4、s in so me steel s , such a s co ntinuo us a nnealing cold2rolled Al2killed steel sheet s , ho t rolling st retching steel plate , high st rengt h pipeline steel , no n2o riented silico n steel , f er ritic stainle ss steel and so o n. The re sult s sho w t hat t he microallo ying element B ha s a b

5、road applicatio n p ro sp ect in t he develop ment of new high qualit y steel plate .Key words :bo ro n ; ho t rolling st retching steel plate ; high st rengt h pip eline steel ; no n2o riented silico n st eel ;f er riticstainle ss steel微合金元素硼在鋼中的顯著作用是極微量的硼 w (B) = 01 001 % 就可以使鋼的淬透性成倍增加 。 近年來(lái) ,隨著人們

6、對(duì)微合金元素硼在鋼中作用機(jī)理認(rèn)識(shí)的深入 ,硼已廣泛應(yīng)用于其它鋼中 ,如向薄板坯 連鑄連軋生產(chǎn)冷軋基料中加硼 ,可以降低熱軋帶鋼的屈服強(qiáng)度 ,減小冷軋軋制力 ,提高軋輥壽命 、降低能耗等 1 ;向無(wú)取向硅鋼中加入硼 ,可提高硅鋼片的 磁性能 ,減輕 磁時(shí) 效 、降 低鐵 損 以 及 提 高 表 面 質(zhì) 量等 2 。近年來(lái) ,國(guó)內(nèi)板帶材生產(chǎn)的發(fā)展突飛猛進(jìn) ,尤其 是薄板坯連鑄連軋工藝流程的發(fā)展非常迅猛 ,年產(chǎn)量已逾 3 000 萬(wàn) t ,高品質(zhì)板帶的開(kāi)發(fā)和物理冶金規(guī)律的深入研究成為目前板帶生產(chǎn)的新課題 。在此 ,針對(duì)當(dāng)前板帶品種的開(kāi)發(fā) ,介紹了微合金元素硼在 幾個(gè)典型高品質(zhì)板帶中的應(yīng)用情況 ,并對(duì)

7、其作用機(jī) 理進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述 ,以供板帶品種開(kāi)發(fā)科研工作者 借鑒 。1連續(xù)退火冷軋低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼薄帶冷軋低碳薄帶鋼主要用于家用 、汽車等深沖制品 ,其特點(diǎn)是 :組織中鐵素體晶粒大 ,111面織構(gòu)分?jǐn)?shù)高以及固溶體中碳 、氮含量低 。由于連續(xù)退火生 產(chǎn)低碳鋁鎮(zhèn)靜冷軋板時(shí) ,要求冷軋板必須在短時(shí)間內(nèi)再結(jié)晶并使晶粒充分長(zhǎng)大 ,需要材質(zhì)純凈 ,盡量減基金項(xiàng)目 :國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項(xiàng)目 ( 2004 CB619107)作者簡(jiǎn)介 :肖麗俊 ( 19812) ,男 ,博士生 ,工程師 ;E2ma il :lij xiao 163 . co m ;修訂日期 : 20072112072 鋼 鐵研 究 學(xué) 報(bào)

8、第 20 卷少鋼中細(xì)小碳化物的析出物 ,降低對(duì)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大的釘扎作用 3 。據(jù)文獻(xiàn) 4 6 報(bào)道可知 ,向鋼中 加入一定量的硼時(shí) ,硼與氮能優(yōu)先結(jié)合形成粗大的 B N ,可抑制細(xì)小 Al N 的析出 ,從而加強(qiáng)了晶粒的生 長(zhǎng)能力 ,增大了鐵素體晶粒尺寸 ,并可獲得較好的力學(xué)性能和成形性能 (表 1) 。這種隨 Al N 析出量的減 少 ,晶粒生長(zhǎng)性能增強(qiáng)從而促使深沖性能 ( r 值) 提 高的現(xiàn)象 , 主要與 硼 含量 有關(guān) 。P. Me ssio n 等 7 認(rèn) 為 ,將硼含量按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在 B/ N = 11 011 5 范圍時(shí) ,可以提高深沖性能 ,當(dāng) B/ N 11 5 %時(shí) ,

9、由于加入的硼過(guò)多 ,會(huì)形成細(xì)小的 Fe23 ( CB ) 6 ,將抑制晶粒生長(zhǎng) ,降低鋼的深沖性能 。F . Yo shi ma sa 等 8 認(rèn)為 , 在含硼低碳鋁鎮(zhèn)靜薄 帶中 ,降低 鋁含 量 , 可 促使 粗 大 碳 化 物 在 晶 界 上 析 出 ,而減少鋼中細(xì)小碳化物的析出 ,從而促進(jìn)再結(jié)晶 晶粒在連續(xù)退火過(guò)程中的長(zhǎng)大 ,提高 r 值 。此外 ,在高鋁含硼鋼中 ,由于 Al N 和 B N 的競(jìng)相析出 ,鋼中有部分硼不與氮結(jié)合 ,而以固溶硼的形式殘留在熱軋 鋼板的晶界 中 , 這 種固 溶硼 將 促 進(jìn) Go ss 晶 粒 的 生 長(zhǎng) ,抑制有利織構(gòu)111的形成 。因此高鋁鋼的 r

10、值比低鋁鋼低 。所以 ,在加硼低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼中 ,應(yīng)盡量降低鋼中的鋁含量 。表 1 典型商用連續(xù)退火含硼冷軋鋼板的力學(xué)性能和成形性能Ta ble 1 Typical mechan ical properties of continuous anneal ing cold2rolled Al2killed steel sheets化學(xué)成分/ %退火溫度/ 力學(xué)性能冷軋壓下率/%牌號(hào)rCMnAlNB均熱過(guò)時(shí)效Re / M Pa Rm / M PaA / %01 04001 03201 00401 2101 1601 1201 03201 01201 01801 002 801 003 501 003

11、 701 002 201 002 901 003 611 1011 2211 64CQ DQDDQ757575700775775400400400214195159340334294444650著 ,極微量的硼即可使 A r3 明顯下 降 。在 該 鋼中 添加 w (B) 01 003 0 % ,并進(jìn)行熱加工 ,當(dāng) B/ N 11 6時(shí) ,可使鋼的 A r3 下降 3040 。這主要是因?yàn)榕?在奧氏體晶界的偏聚抑制了鐵素體的形核所致 。含硼鋼與無(wú)硼鋼力學(xué)性能對(duì)比情況示于表 2 ?？梢?jiàn) , 加硼后鋼中的混晶鐵素體晶粒明顯消除 ,延展性顯 著提高 。日本川崎鋼鐵公司通過(guò)降 低鋼 中的 碳 及錳 含

12、量 ,加入微量硼以降低 A r3 ,并添加 w ( Cr ) = 01 5 % ,減少鋼中固溶碳含量 ,生產(chǎn)出了具有高延展性 、良好 平面各向異性及低冷脆轉(zhuǎn)變溫度 ,能與冷軋鋼板媲美的熱軋拉延板 ,其力學(xué)性能及成形性能示于表 3 10 。2極薄熱軋拉延鋼板近年來(lái) ,國(guó)內(nèi)外一些鋼鐵公司為降低生產(chǎn)成本 ,提高生產(chǎn)效率 ,相繼研究了用具有較高延展性和成形性能的熱軋鋼板代替冷軋鋼板 。這種熱軋鋼板在 日本被稱為 KFN E 鋼 板 ( 厚 度 為 11 2 21 0 mm) 。 生產(chǎn)這種極薄熱軋帶鋼時(shí) ,由于在熱連軋過(guò)程中 ,帶鋼溫降較大 ,致使最末機(jī)架多在兩相區(qū)軋制 ,導(dǎo)致鋼 板 的 表 面 層 和

13、 板 寬 端 部 易 形 成 混 晶 鐵 素 體 組織 9 ,10 ,進(jìn)而形成加工性較差的熱軋織構(gòu) ,不利于深沖加工 。因此在生產(chǎn)工藝上 ,通常通過(guò)提高板坯加 熱溫度 、軋制速度和壓下率以盡量抑制鋼板的溫降 ,努力改善其加工性能 ,但所得到的性能也不能滿足 要求 。另外 ,通過(guò)提高鋼中的碳 、錳含量使鋼的相變 點(diǎn)降低 ,從而在區(qū)軋制 ,但在此情況下將導(dǎo)致鋼的 延性下降 ,所以也不適于深沖加工 。針對(duì)上述問(wèn)題 , M . Miya ha ra 等 9 研究了 成 分(質(zhì)量 分?jǐn)?shù) , %) 為 : C 01 02 01 08 , Si 01 01 01 02 , M n 01 2601 70 ,

14、Al 01 017 01 034 ,B 0 01 003 6 ,N 01 001 801 003 0 鋼中碳 、錳和硼元素對(duì) A r3 相變 點(diǎn)的影響 ,結(jié)果為 :3高強(qiáng)度管線鋼高強(qiáng)度管線鋼組織為粒狀 (低碳) 鐵素體和通過(guò)控制軋制后在線冷卻 ( TMCP) 形成的針狀鐵素體/ 貝表 2 含硼鋼與無(wú)硼鋼的力學(xué)性能Ta ble 2 Mechan ical properties of B2bearing andB2f ree steelRe / M PaRm / M Pa鋼A / %晶粒度/ 級(jí)A r3 = 910 - 730 w ( C) - 73 w ( M n) - 16 000 w (B)

15、(1)含硼無(wú)硼236279337356441 4361 091 0 ( 等軸晶粒)101 5 ( 混合晶粒)由式 ( 1) 可以看出 ,硼對(duì) A r3 的影響比碳和錳顯第 5 期肖麗俊等 :微合金元素硼在高品質(zhì)板帶生產(chǎn)中的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀3 表 3 KFNE 鋼板的力學(xué)性能及成形性能Ta ble 3 Mechan ical properties and f ormabil ity of KFNE試樣方向Re / M PaRm / M PaA 80 / %時(shí)效值/ M Pa r冷脆轉(zhuǎn)變溫度/ rn縱向橫向 45232240325330494801 7101 8501 26501 26121 011

16、 0- 01 04 - 80243 321 50 11 0 01 289 11 0 氏體的混合組織 。高強(qiáng)度管線鋼主要用于輸送含硫化氫的原油和天然氣 。近年來(lái) ,隨著油氣田的開(kāi)采 向邊遠(yuǎn)荒漠 、極地凍土帶和海洋等區(qū)域發(fā)展以及為 降低管線工程建設(shè)成本的需要 ,國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)發(fā)了 具有抗大應(yīng)變性能 、高的低溫止裂韌性和良好焊接 性能的 X65 X120 高強(qiáng)度管線鋼 。為提高管線鋼在寒冷地區(qū)的焊接性 ,應(yīng)使鋼中的 w ( C) 01 1 % 。為 在 較 貧 的 化 學(xué) 成 分 下 通 過(guò) TM CP 工藝獲得較高的強(qiáng)度 , Y. Fuji shi ro 等 11 進(jìn)行 了加硼與不加硼的試驗(yàn) ,研究

17、了固溶硼 (B 3 ) 和加速 冷卻對(duì)控軋 01 03 %C211 5 %Mn201 16 %Mo201 04 %N b201 02 % Ti 鋼的強(qiáng)度 、韌性和組織的影響 。研究結(jié)果表明 ,固溶硼和軋后冷卻速度 ( v) 對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響 可用下式表示 ,即 :Rm = 01 027 w (B 3 ) + 01 20 v + w (B 3 ) +1993 年 , 日本 Exxo nMo bil 公司和新日鐵開(kāi)始了 X120 超高強(qiáng)度管線鋼的研發(fā) ,并通過(guò)向 N b2Ti2B 系鋼中加硼微合金化以及在軋后直接淬火 ( IDQ ) 工 藝條件下 ,生產(chǎn)出了顯微組織以下貝氏體為主的完 全滿足 X1

18、20 目標(biāo)性能的超高強(qiáng)度管線鋼 ,其性能列 于表 4 12 。研究結(jié)果表明 ,含硼鋼在母材和熱影響 區(qū) ( HA Z) 都具有較高的強(qiáng)度和韌性 , 而且 X120 管線鋼的高強(qiáng)度與高韌性結(jié)合很好 ,并大大節(jié)省了合 金成本 。4無(wú)取向硅鋼無(wú)取向硅鋼是電力 、電子和軍工行業(yè)不可缺少的軟磁合金材料 ,主要用于高壓電機(jī) 、小型變壓器 、大型牽引電機(jī) 、各種容量的電機(jī) 、家用電器和各種發(fā) 電機(jī)組等 ,其對(duì)磁性能要求為 : 低的鐵損 , 高的磁感應(yīng)強(qiáng)度和低的平面各向同性 。通過(guò)提高冷軋無(wú)取向 硅鋼中 100 有利織構(gòu)以及在經(jīng)消除應(yīng)力 退火后獲得較粗大的鐵素體晶粒 ,可有效提高鋼的 磁性能 13 。為了獲得

19、這種尺寸相對(duì)較粗大的晶粒 , 必須盡量避免鋼中細(xì)小碳氮化物的析出 ,降低對(duì)晶粒長(zhǎng)大的釘扎作用 。為了減少細(xì)小 AlN 的析出 ,在 傳統(tǒng)工藝中 ,常提高鋼中鋁含量 w ( Al) 01 1 % ,但 這會(huì)造成煉鋼成本增加 ,因此鋼中常加入微合金元素 硼 ,在鋼中優(yōu)先形成相對(duì)粗大的 BN 顆粒 ,抑制細(xì)小 AlN 的析出 ,并粗化熱軋帶鋼的晶粒尺寸 ,從而可有效降低冷軋成品帶鋼中有害面織構(gòu) ( 111) 的分?jǐn)?shù) ,提 高100 織構(gòu)分?jǐn)?shù) ,并提高磁性能 2 。硼加入量與鋼中氮含量有關(guān) 14 。通常 , w (B/ N) =541 5 01 98( M Pa)(2)式 ( 2 ) 適用于 w (B

20、 3 ) = 0 % 01 001 8 %的 鋼 。其中 ,B 3 與鋼中加入的鈦和氮含量存在如下關(guān)系 :w (B 3 ) = w (B) - 101 8 w ( N) - 141 0 w ( Ti) (3)141 8471 9當(dāng) w ( N) - 141 0 w ( Ti) 0 時(shí) ,鋼中添加的硼全471 9 部以固溶硼形式存在于沿晶界的固溶體中 。由式 (2) 可知 ,抗拉強(qiáng)度可用鋼中固溶硼來(lái)評(píng)價(jià) ,隨鋼中固溶 硼含量增加 ,抗拉強(qiáng)度均呈直線上升 ,而且強(qiáng)度提高 將隨軋后冷卻速度加快而更顯著 。這主要是因?yàn)殇?中加入微合金元素硼后 ,在軋后冷卻過(guò)程中 ,鋼中的 鐵素體晶粒進(jìn)一步細(xì)化以及組織

21、變化引起的低碳貝 氏體含量增加所導(dǎo)致的 。表 4 X120 管線鋼的性能Table 4 Typical mechanical properties of X120 pipel ine steelA P I1) 板狀拉伸試樣A K ( - 30 ) / J斷口剪切面積2) /SA %焊管尺寸/ mm( 口徑 壁厚)焊接接頭強(qiáng)度/M PaRt01 5 / M PaRm / M Pa屈強(qiáng)比A / %母材HA Z焊縫75 ,72 ( - 5 )1 219 1986594501 9031950335162217 65 ,63 ( - 20 ) 1) 美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) ; 2) 落錘撕裂實(shí)驗(yàn) 。4 鋼 鐵

22、研 究 學(xué) 報(bào)第 20 卷015215 ,但是最好控制在 w (B/ N) = 01 711 5 。如果硼加入 量過(guò) 小 , 則 起不 到固 定氮 的 作用 ; 硼 含量 過(guò) 高 ,將生成另一些含硼化合物 Fe23 ( CB ) 6 , 使晶粒細(xì)化 、鐵損增加 ,還導(dǎo)致力學(xué)性能下降等 。 2 Ta kehi de Senu ma . Pre sent St at u s of a nd Fut ure Pro spect s fo r Precipit atio n Re sea rch i n t he St eel Indu st r y J . ISIJ Int er na2 tio n

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