２０１７年第１期 现代冶金 ３３ 铸态低碳Ｎｂ—Ｖ—Ｔｉ微合金化中薄板坯中的显微组织和析出 （中国）Ｑ．Ｙ．Ｓｈａ 摘要：研究了Ｎｂ—Ｖ—Ｔｉ微合金化钢中薄板坯（１７０ ｍｍ厚）淬火压缩薄板坯工艺（ＣＳＰ）中的凝固组织、奥氏体和 析出物，发现二次枝晶臂间距和奥氏体晶粒尺寸稍大于用ＣＳＰ生产的类似钢的薄板坯，这主要归功于板坯厚度增 加后引起的较慢冷却速度。另一方面，凝固过程中形成的碳氮化物减小了二次枝晶臂间距，但固溶的ＴｉＮ粒子和 合金化元素可以抑制凝固和随后冷却过程中奥氏体晶粒的生长，在ＣＳＰ薄板坯中除观察到亚枝晶、较大立方体和 细小立方体析出物外，在ＣＳＰ中薄板坯中也发现了枝晶析出物。 关键词：ＣＳＰ中薄板坯；凝固；枝晶；奥氏体晶粒；析出物 １前言 ２试验 近年来压缩薄板坯过程（ｃｓＰ）工艺已用于生产 Ｎｂ—Ｔｉ或Ｎｂ—Ｖ—Ｔｉ微合金化钢，在ＣＳＰ过程中， 所用工业Ｎｂ—Ｖ—Ｔｉ微合金化钢的化学成分 是０．０４Ｃ一０．１７Ｓｉ一１．６１Ｍｎ一０．０１４Ｐ一０．００１Ｓ一 铸态坯直接热装到均热炉中，粗的铸态显微组织保 持为初始显微组织用于热轧。因此，在ＣＳＰ过程中 开发更好控制显微组织的方法有十分重要的意义。 许多研究者进行了ＣＳＰ坯显微组织的研究，通 ０．０６Ｎｂ一０．０１４Ｔｉ一０．０３０Ｖ一０．００３２Ｎ（ｗｔ％），铸坯 进入均热炉前剪切一片全厚度铸坯立即水淬到室 温。 从铸坯中心、四分之一点和表面分别切取三个 试样（１５×１５×１５ ｍｍ），研磨和抛光后浸入到含有 过模拟过程和接下来检测空冷ＣＳＰ坯的方法首先 进行了这种研究，模拟ＣＳＰ坯中的显微组织不能真 正反映工业ＣＳＰ坯和空冷ＣＳＰ坯中的情况，仅能反 几滴去垢剂的苦昧酸溶液中腐蚀，在７０～８Ｏ℃温度 下腐蚀２～１０ ｍｉｎ，用光学显微镜同时观察凝固组织 和奥氏体晶粒，用光学显微镜图图解分析测定 映出枝晶组织。后来研究了厚度为５０～７０ ｍｍ的 淬火ＣＳＰ坯，分析了铸态条件下的枝晶、原始奥氏 体晶粒和析出物。在这些研究中报道了偏析和二次 枝晶臂间距（ＳＤＡＳ）的减小及粗的奥氏体晶粒尺寸 和复杂的析出物。 ＳＤＡＳ，检测的奥氏体晶粒尺寸在先前的研究中已有 说明。由碳萃取复型用Ｔｅｃｋｎａｉ Ｇ２０透射电镜检测 铸坯表面析出物，由ＥＤＸ进行分析鉴定析出物。 ３ 结果 ３．１ 凝固组织 近来，一条中薄坯（１７０ ｍｍ）ＣＳＰ生产线在鞍山 钢铁公司已成功投人使用（见图１），但对ＣＳＰ中薄 坯中的显微组织和析出很少有报道，本工作的目的 是研究１７０ ｍｍ厚ＣＳＰ中薄坯中的凝固组织、奥氏 体晶粒和析出物。 图２表示淬火坯的凝固组织，在铸坯表面和亚 表面（图２ａ和２ｂ）沿原始奥氏体晶界明显观察到一 次和二次枝晶，柱状枝晶从表面向内部发展，亚表面 枝晶较粗（图２ｃ）且在铸坯１／４点和中心处变得区 别很小，图２ｄ给出了１／４点处的铸态显微组织，除 粗的奥氏体晶界外不能清除地观察到枝晶。因此， 本研究中只能对铸坯表面凝固组织进行评价，对从 铸坯表面切取的试样，从距铸坯表面边缘、５ ｍｍ和 图１ 中薄坯连铸和直接轧制过程示意图 １０ ｍｍ处检测的ＳＤＡＳ分别为４８、７９和１６３ ｍ。 ２０１７年第１期 ｄ （ａ）０ ｌ１１ｍ；（Ｊ））５ ｆｌ１ｌＩ１；（ｃ‘）Ｉｏ ｎｌｌｌｉ；（ｔ］）４３ｒａｍ（锛坯厚度１／４点） 图２距铸坯表面不同深度的凝固组织 ３．２铸态奥氏体晶粒 在铸坯表面（冈３ａ）和一ｔ２，部（图３ｄ）观察到等轴晶。 原先对铸坯的研究表明，铸态条件下奥氏体晶粒尺 寸范同是３４０～２ ２００ Ｉｘｍ，这比５３ ｎｌｌｎ厚的ＣＳＰ铸 坯奥氏体品粒尺寸范围１５０～２ ０００ Ｉｘｍ要大。 在铸坯表面、１／４点和巾心观察到的铸态条件 下的奥氏体品粒见图３，正如预期的这些品粒粗大 且被伸长，向铸坯中心部位品粒尺寸逐渐增大，注意 到在铸坯厚度上观察到不同宽度的伸长的品粒，但 （ａ）表面：（ｂ）Ｉ／４点；（ｃ）和（ｄ）巾心 图３铸坯厚度上的原始奥氏体晶粒 ３．３ 铸态条件下的析出物 ＿ｆ彤貌 Ｊ Ｊ‘ 察刮ｒ叫种类 的忻ｆｎ物， 特点为枝－ 『ｌ、 枝 、较大● 体 细小● 方仆析 的铸坯（＞２００ ｌ１］ｌｎ）巾观察到，但住５０～７０ ｍ １１厚 ＣＳｔ 铸坯巾很少有报道 ．在 寸１５０～３００ ｎｎｌ范围 内多数观察到的是 枝品或星状析 物（罔４ｈ），也 检测剑较大 方体析出物，其边缘尺寸为５００～ ６００ Ｉ１１｜１（ ４（ ），也发现了 寸１０～４０ ｌｕｎ范罔的细 小立方体析 物（Ｉ刘４ｄ）ｊ …物， ４ 铸坯 脱察刮的这ｆ７【ｌ干叶１ ）ｔ４－） 的忻… ｒ ２００～ 物 枝１ 折…物仃埘称的形态ｆＩＩ ４００ ｔ．ｕｎ范…内（ ４ａ），这种形态的忻ｆｌＩ物常／ｑ－曙 Ｅ 匝西 舞２ｏ０ ＩｆＩ （｜Ｉ）十 『。ＩＩｌｌ；（ｈ）、ｌ 枝ｊ ；（ｃ・）较人 －１小；（ｔＩ） １／卜１／： ‘ ： ）仪『 Ｉ忻…物的¨）×／ 训＂Ｃ；（ｆ）￣＇ｔＩ１４，、 力 体析…物的ＥＩ）Ｘ分析 图４ 观察到的析出物形貌和ＥＤＸ分析 ３６ 对上面四种类型的析出物用ＥＤＸ进行了分析， 结果表明枝晶和亚枝晶析出物是富Ｎｂ碳氮化物， 但较大和细小立方体析出物是富ｒｒｉ碳氮化物，图４ｅ 表示枝晶析出物的ＥＤＸ光谱，图４ｆ是细小立方体 析出物的ＥＤＸ光谱，根据形貌证明较大和细小立方 体析出物主要是ＴｉＮ粒子。对相似粒子进行了 ＥＤＸ分析和选择面积衍射图样分析，复杂析出物中 没有检测出钒，这可能与钢中Ｎ含量较低有关。 ４讨论 ４．１铸坯厚度的影响 柱状枝晶从亚表面向内部按照热流的相反方向 发展，随铸坯厚度的增大，在凝固和随后的冷却过程 中冷却速度减小，这将导致铸态显微组织和析出物 产生一定差异。 图５是具有相似化学成分的１７０ ｎ３ｎ３厚铸坯和 ５０ ｍｍ厚铸坯表面ＳＤＡＳ的比较，可以看出中薄坯 比薄坯的ＳＤＡＳ较大，发现低碳Ｎｂ微合金化钢中的 ＳＤＡＳ与凝固过程中的冷却速度和Ｎｂ含量有关。 因此，与５０ ｍｍ厚ＣＳＰ铸坯相比，由增大铸坯厚度 引起的冷却速度变慢是ＳＤＡＳ稍有增大的主要原 因。 Ｏ 嚣 ｌＯ 雅铸糍裘瓣距离，ｍｍ 图５ 本研究和参考文献６的铸坯亚表面ＳＤＡＳ 的比较 中薄坯较慢的冷却速度意味着奥氏体晶粒尺寸 可能比薄坯要粗化，如上面提到的，１７０ ｍｍ厚坯中 检测的奥氏体晶粒尺寸范围是３４０～２ ２００ ｍ，但 在５３ ｍｍ厚ＣＳＰ坯中则是１５０—２ ０００ ｍ，即坯的 厚度从５３ ｍｍ增加到１７０ ｍｍ没有导致奥氏体晶粒 尺寸明显增大，这说明铸态奥氏体晶粒尺寸除冷却 速度影响外还受微合金化元素的影响，这将在以后 讨论。 ２０１７年第１期 由增大坯的厚度引起的冷却速度变慢也影响析 出物，在５０—７０ ｍｍ厚的薄ＣＳＰ坯中，常常观察到 ∞钟｛专∞∞∞＂ ０ 星状或亚枝晶析出物、细小ＴｉＮ粒子和较大立方体 析出物，除上面的三种类型析出物外，本研究在 １７０ ｍｍ厚坯中发现了枝晶析出物。枝晶形态是凝 固的典型形貌的表现，取决于冷却速度且常在厚坯 中被发现。因此，在中薄坯或厚坯中由于较慢的冷 却速度常发生枝晶析出物，再者，当碳氮化物中Ｎｂ 和Ｔｉ的含量随冷却速度提高而减小时，也预计ＣＳＰ 中薄坯中碳氮化物析出物中Ｎｂ和Ｔｉ的含量也高于 ＣＳＰ薄坯。 虽然坯厚度的增大导致ＳＤＡＳ的增加，这与 ＣＳＰ中薄坯固溶合金化元素的减小和奥氏体晶粒尺 寸有关，在热轧过程中也可能进一步减小，这有益于 生产高级别钢，但这已超出本研究的范围。 ４．２微合金化和合金化元素的影响 已观察到提高Ｎｂ含量对减小ＳＤＡＳ宽度有影 响，Ｎｂ偏析到枝晶内部区域，在凝固边界形成很高 浓度，同时，Ｃ和Ｎ的有效性可能引起冷却过程中固 溶的Ｎｂ的碳氮化物产物超量，这些碳氮化物可以 阻止枝晶生长，减小ＳＤＡＳ宽度。因此，如图４所示 在高温时形成的富Ｎｂ析出物可抑制凝固过程中枝 晶的发展和减小ＳＤＡＳ宽度。 已知再加热温度、保温时间和某些粒子的钉扎 作用影响奥氏体晶粒生长，如图４ｄ所示，在研究的 ＣＳＰ中薄坯中发现了尺寸范围在１０～４０ ｎｍ的富ｒｒｉ 粒子，奥氏体相高温区中发现的这些细小粒子有效 地钉扎了奥氏体晶界。在低Ｃ钢中，８铁素体转变 成奥氏体后，奥氏体晶粒会快速生长，但低碳Ｎｂ— Ｖ—ｒｒｉ微合金化钢中奥氏体晶粒的生长速度由于 ＴｉＮ粒子的钉扎作用而减小。 另外，报道合金化元素（Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ和Ｍｎ）偏析 到奥氏体晶界通过拖曳作用抑制奥氏体晶粒生长， Ｙｏｓｈｉｅ等用下面Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ公式研究了铸态奥氏体 晶粒的生长。 ＝ ｐ（一 ） 式中ｄ是奥氏体晶粒尺寸（ ｍ），Ａ是常数，Ｑ是 晶粒生长活化能（Ｊ・ｍｏｌ ），尺是气体常数 （８．３１４ Ｊ・ｔｏｏｌ Ｋ ）， 是温度（Ｋ），ｔ是时间（ｓ）， ｎ是时间指数。研究了几个合金化元素对奥氏体生 长活化能的当量影响且得出如下经验公式： Ｑ＝３５２ １８５．３１＋２１ ８２７．２６Ｘ ＋１９ ９５０．９４ＸＭ ＋ ７ ｌ ８５．４ ９ ＋７ ３７８．０６ 、． （２） 式『ｆＩ． 足元素 的 ‘分比 最 公式（１）和（２）指…影响活化能的 序是ｃ、 Ｍｎ、Ｎｉ和（：ｒ＇ 氏休ｌ 粒的，ｔ三Ｋ也可能由加入钢中 的 它合金化７己索所抑制 扦，对抑制奥氏体品 粒 Ｋ，已知合金化元素的拖曳竹：ＨＪ／Ｊ、于ＴｉＮ粒子 的钉４Ｌｆｌｅｆｌ】 ４．３凝固和随后冷却过程中显微组织的变化 为闸明凝 顺 ，ｊ『Ｊ ｒｈｅｌ‘ｌｌｌＯ—Ｃａｌ（ 分析 小合 金系的卡Ｈ平衡， ６戒示Ｆｅ一０．０４Ｃ一１．６ｌ Ｍｎ一 ０．０６ＮＩ （ｗｔ９２）的汁算相同，点划线表示ｃ 量，计 巾仪川（：、ＭＩ１和ＮＩ ｉ个元素，但相 Ｌ｛ｌ包括其它 合金化冗索（ Ｆｉ，Ｖ，Ｃｕ，Ｎｉ和Ｍｏ）的变化不足以ｆｊ爿 改变凝『＿＿ＩＩ１顺序 、对０．０４％Ｃ钢的研究，凝ｌ州过程Ｉ｝】 产：生的｛：Ｈ变ＩｔｌＥ Ｊ Ｆ，１ 一ＩＪ＋６—８—８＋＾ｙ．一＾ｙ，从ｌ殳１ ６预汁６枝『 是仞始凝 卡Ｈ， 是二次相． 图６ 研究用铜｝、 —Ｃ—ＭｉＩ—Ｎ１）用ｒｒＪｌ（￣ｒｌｌｌＯ— Ｃａｌｃ计算的相图 温度悌度干¨细小ＴｉＮ粒子主 影响６一 转变 完 氏怵 粒，｝ 长， ８枝ｒ 界彤核后＾ｙ品粒 卡｝ ｊ范 ，｛＿ Ｋ，优，尤取向发爬的结果是抑制＿ｒ这 ｆ 牝 收 的，１ｉ长，优，尢取 的牛Ｋ增大 Ｊ 这 ｒ１ｆｌ粒的Ｊ ｊ一，导致侵ｒ 或消除Ｉ，非取向优先 粒的 位 ．．ｆ人ｌ此，ｎ¨ｆ ３ａ所永，＾ｙ品粒横穿过一些６枝 ｆ Ｉ ｔ ＣＳＩ ｆＩｌ 凝 和随 冷却过程巾 做组织的 变化 ７，随符温度降低６枝品凝Ｉ 成初始棚，随 后＾ｙ 粒 ８杖 『１ ｔ－Ｋ．核儿 ６— 转变前沿 ｆｌｉｆ温度悌度乍Ｋ成柱状ｆ 、寓Ｎｌ，枝品碳氮化 物、 枝ｆ 碳氮化物进 较大ＴｉＮ析ｊ 物抑制了初 始枝品的， Ｋ，导致ＳＩ）ＡＳ减小 、在８＋ 两卡Ｈ Ｉｆ１，杜状 粒发腱剑其宽度允满８枝品一次枝 ３７ 臂问距，完全转变成 单卡只后， ｒ 粒以优先方向生 长横穿相邻 晶 ，但与低Ｃ钢ｒｆ１的快速生长相 比， 于ｒｒｉＮ粒子的钉扎和ｌ 溶合金元素的拖曳作 Ｉ：ｆｊ 使生长速度变慢 此，优先取向生长的 品 粒侵ｒ 了部分６枝品和１随后其它＾ｙ晶粒的位置，但 其尺寸Ｌｊ ＣＳＰ薄坯的相近 图７ 凝固和随后冷却过程中 晶粒形成和生 长示意图 ５ 结论 研究丫Ｔ 业ＮＩ】一Ｖ—Ｔｉ微合金化钢铸态ＣＳＰ 中薄坯『ｆ１的显微组织币¨析出，得 结论如下： １） 铸坯表面¨ｒ以清楚地观察到凝 组织，但 ｌ／４处币ｌｌ中心凝同组织变得难以ｆ）（分，相反，从铸 坯表面列芯部【可清楚地观察到 氏体品界 ２）铸坯丧而的二次枝ｒ 臂问距稍大于类似化 学成分的ＣＳＩ 薄坯，这是 ｛于厚坯凝同过程巾较慢 冷却速度造成的，但是， 偏析导致形成的碳氮化 物ＩＩ Ｊ’减小ＳＤＡＳ宽度 ３）ＣＳＰ『ｆ１薄坯的 氏体 粒尺寸大于ＣＳＰ薄 坯，这 ｊ功于巾薄坯巾较慢的冷却速度、 一方面， …于 ＦｉＮ粒了的钉扎和同溶合 元素的拖曳作用， 使６一＋ 转变后 氏体品粒生Ｋ速度大大减小，这 就足为什么巾薄坯与薄坯之间奥氏体品粒尺寸 刖 小大的原 ４）研究【１１观察到 种类刿的析ｆＩＪ物：枝品、亚 枝品、较大立方体和细小立方体析ｆ｝Ｉ物，存ＣＳＰ薄 坯中脱察到寓Ｎｌ 析Ⅲ物是少有的 乔林锁译自 Ｉ ｒｏｎｍａｋｉｎｇ ２０１０，ＮＯ．５ 高志国 校
