卷取温度对低碳钢组织性能及AIN 析出行为的影晌(AlN)

2024-07-28 作者:

第32卷第6期2010年6月北京科技大学学报Vol.

32 No.6

Jun. 2010 Journal of University of Science and Technology Beijing

卷取温度对低碳钢组织性能及AIN析出行为的影晌王岩1)赵爱民1)陈银莉1)左碧强1)薛俊平2)1)北京科技大学冶金工程研究院，北京1000832)首钢技术研究院，北京100041摘要运用拉伸、金相、析出物定量分析、TEM和EDS等测试方法，对不同卷取温度低碳钢组织性能及析出进行研究结果表明:随着卷取温度的升高，钢的强度和晶粒度等级下降，固海的N含量逐渐降低，740"C卷取时固溶的N含量几乎为零.热力学和动力学分析表明，AlN主要是在卷取过程中产生的透射电镜观察到的AlN尺寸在10-50nm，并且具有复杂的化学成分.关键词分类号低碳钢;卷取温度;AlN;析出TG335.3

Effect of coiling temperature on the AIN precipitation, microstructure and me-chanical properties of low carbon steel

WANG

yαnl)

,

ZHAO Ai-min')

,

CHEN Yin-li')

,

ZUO

Bi-qiαπgl)

,

XUE Jun-ping2)

1) Metallurgical Engineering Research Institute,

University of Science and Technology Beijing,

Beijing 100083,

China

2) Research Institute of Technology,

Shougang Group Corporation,

Beijing 100041ABSTRACT

,

China

The precipitation,

microstructure and mechanical properties of low carbon steel at different coiling temperatures were in-vestigated by tensile testing,

metallography,

quantitative analysis of precipitates,

TEM and EDS. The results show that with the coiling

temperature increasing,

the strength and grain size grade of the steel and the content of nitrogen in solution decrease gradually; at a coi-ling temperature of 740"C,

the content of nitrogen in solution is almost zero. Thermodynamic and kinetic analyses indicate that AlN

precipitates in coiling chiefly. The sizes of AlN, with complex chemical composition, are between 10 nm and 50 nm

KEY WORDS low carbon steel; coiling temperature; AlN; precipitation

氮在钢中经常被看作有害元素，氮可以使钢的塑性和韧性降低，冷加工性能下降.通常在低碳钢用透射电子显微镜(TEM)和能谱仪(EDS)研究了AIN析出尺寸和成分.中加入一定量的Al来降低和消除N的有害影响.研究认为除脱氧外，Al与N结合成AIN，可以降低自由氮.低碳铝镇静钢(SPHC)作为冷轧冲压用原1

研究材料与方法以某钢厂SPHC低碳钢为研究对象，在带钢的料，是通过控制间隙固溶原子的含量以及使AIN在热轧过程中析出，从而在随后的连续退火过程中促粗轧温度、精轧温度和层流冷却速率相同的条件下，进行两个炉次、四个不同卷取温度的实验研究.表1进γ纤维织构((111) //

ND )的发展而获得良好的冲压性能，SPHC钢以质优价廉的特点在汽车和家列出了两炉实验钢的化学成分和卷取温度.在SPHC钢卷头部10m处取样，运用拉伸实验电行业中一直大量应用[1)本文研究了不同卷取温测量不同卷取温度下SPHC钢的屈服强度、抗拉强度对SPHC钢组织性能和AIN析出量的影响，并通过热力学和动力学分析了AIN的析出过程，最后应收稿日期2009-10-22度和伸长率，通过截线法测量晶粒度.通过电解、过滤，获得电解液中的固态物质，使用化学方法分离出基金项目:"-[-一五"国家科技支肆计划资助项目(No.作者简介:rc2006BAE03A06)

E-mail: @

岩(1982-)，另，博才研究生，赵爱民(1962一)，男，教授，陈士生导师，第6期王岩等:卷取温度对低碳钢组织性能及AIN析出行为的影响.749.

二相粒子，并最终得到二相粒子的平均粒度和质量进行理论分析，并使用TEM对AIN的析出形态和成分数，分析测试工作由国家钢铁材料测试中心完成.分进行研究.应用热力学和动力学理论对AIN的沉淀析出过程表1实验用钢的化学成分和l卷取温度Table 1 Chemical composition and coiling lemperalure of experimenl steel

卷取合金元素的质量分数1%炉次温度I"CC Si Mn P

5

All Als

N

740

680

0.03

。.020.22

0.012

0.008 0.031 0.029

0.0021

2

710

640

0.03 0.02 0.22

。.0070.009

。.0380.037 0.0027

注:Alt代表钢中所含的全铝，Als代表钢中所含的酸熔铝2

实验结果及分析卷取温度为640"C时，钢的屈服强度却低于680"C和71O"C时的屈服强度.在Orowan机制作用下，第22.1

力学性能及晶粒度分析相导致的钢铁材料的强度增加值公式[2)为:不同卷取温度下SPHC钢的力学性能和晶粒度3如表2所示.YSp

=

8. 995 2 x

10号ln(2山(1)对表2中数据进行分析可知，随着卷取温度的式中，Y\为第2相导致的材料强度的增量，MPa;J

升高，SPHC钢的晶粒度降低，伸长率的变化不明为析出物体积分数;d为析出物平均粒径，nm.显.随着晶粒尺寸的细化，钢的强度呈上升趋势;但由式(1)和表3的相分析和粒度分析结果，对表2力学性能和品粒度Table 2 Mechanical properties and grain size

炉次卷取温度I"C屈服强度IMPa抗拉强度IMPa伸长率1%晶粒度740 205 300 58.0

句A-TAUoo--，，680 230 315 56.5

。只U2

710 227 307 56.0

'叮'O640 213 320

K55.。U不同卷取温度下析出物导致的材料强度增量进行计同卷取温度下析出物的质量分数、不同析出物中N算.计算强度增量结果为:740"C,9.37 MPa;710"C,

元素占钢中总N的质量比矶、所有析出物中的N占11. 33 MPa;680"C, 10. 5 MPa;640"C, 12. 25

MPa.可钢中总N的质量比R2列于表3.以看出，析出物对材料强度增量的影响非常微弱，并由表3中的相分析结果可以看出，随着卷取温且不同卷取温度条件下强度增量值相差无几.对不度的升高，钢中N被Al固定的分数提高.同时考虑同工艺条件下材料的金相组织进行观察，发现卷取合金碳氨化物(Fe, Cr)

3 (

C

，的中N元素在合金的温度为640"C时，材料的晶粒组织存在不均匀现象，质量分数，则不同卷取温度下所有析出物中N占总分析其原因为相变后的铁素体组织在较低的卷取温N的质量比分别为:740"C ,100.0% ;680"C ,47.6% ;

度下促使品拉长大以及均匀化的驱动力降低所致，7100C

,89.0% ;640"C ,48. 1

%.当卷取温度为740℃从而使材料的强度降低.时，钢中的N已经完全析出.对于连续退火工艺，由2.2

AIN的析出于其具有快的加热速度(约500K. min -1

)和比较短应用化学相分析和粒度分析方法，测定钢中所的退火时间(1-5

min)

，再结晶会先于AIN的析出，有析出物的化学组成以及析出物中各元素占合金的而间隙固溶元素会对再结晶过程中织构的发展产生质量分数.化学分析结果表明，不同卷取温度下析不利影响[3J因此要求N元素在热轧过程中完全以出的M3C相均为(Fe, Cr)

3 (

C,

N)型碳氮化物.不化合态的形式析出，从而提高其深冲性能..750.

~t 京科技大号品马L

』寸~报第32卷表3相分析和粒度分析结果Table 3 Resulls of phase and grain size analyses

炉次卷取泪j支/"C析出物析出物质量N元素质量RR分数/%分数/%,/% ,/%

析出物平均尺寸，D/nmAIN 0.0051 0.0017 81. 0

740

(Fe,Cr)3(C,N)

0.2849 0.0004 19.0 100.0 363.1

MnS

0.0188

。。AIN

。.00210.0007 33.3

680

( Fe,

Cr)

J (

C

,

N )

0.3626 0.0003 14.3 47.6 359.1

MnS 0.0195

。。AIN 0.0046 0.0016 59.0

710

(Fe,Cr)3(C,N)

。.42630.0008 30.0 89.0 360.8

MnS 0.0198

。。2

AIN

。.00240.0008 29.6

640

(Fe,Cr)3(C,N)

0.4202 0.0005 18.5 48.1 326.6

MnS 0.0220

。。注:R，为不同析出物中N元素占钢中熔炼N元素的质量比，R2为所有析出物中的N元素占钢巾熔炼N元素的质量比2.3

AIN析出的热力学与动力学l

nu nu

υ门低碳钢中很难观察到纯的AIN颗粒，纳米尺寸的AIN析出粒子具有复杂的化学成分:900

4

J为简化计μ算，假设钢中Al和N以纯AIN形式存在，讨论AIN\以nnu nu

x-υ

一…炉次l析出的热力学与动力学.J炉j欠2E2.3.1

700

热力学~h铝与氮在钢中的固溶度积与温度有关，本文采rU

hnu

υA

0.5

l

υ

1.5

2.0 2.5

用文献[5J中所给出的AIN在奥氏体中的平衡固溶11白界核心尺寸/nm度积公式:图1AIN在奥氏体"1.'沉淀析H\II才的11伍界核心尺寸与温度的关系19 ( [ Al

J . [

N

])γ=

1. 03 -6 770fT (2)

Fig.l Relalionship between the crilical core size of AIN precipitalion

式中，[Al

J和[NJ为处于固榕状态的Al和N的质量in austenite and lemperature

分数，%;T为热力学温度，K.l

由固榕度积公式，计算炉次1和2的AIN开始nn)

υυ

析出温度分别为1018"C和1073

"c

，均低于铸坯在900

加热炉内的均热温度(1 250"C )

，在开轧前AIN已经(飞}完全固榕.，主叫σ80日程一炉次l2.3.2

一一炉次2动力学700

( 1 )

AIN析出的形核与长大.在实际轧制过程巾，析出物在奥氏体中不可能发生均匀形核析出，在(i00~

50 -45 -40 -35 -30 -25 -20

-1当19(1/K)

应变诱导条件下析出物主要是在位错线上非均匀形核析出:皮的关系6

J首先确定在位错线形核条件下AIN析出图2AIN

tl奥氏体吁T沉淀析HJ时的相对形核率与前1Fig.2 Relalionship belween the relalive nuclealion rate of AIN pre

的有关参数，从而求出AIN在奥氏体中位错线上沉cipitalion in ausLeniLe and temperaLure

淀析出的临界核心尺寸和相对形核率(考虑了形变储能的影响).图l和图2分别为计算得出的炉次1由图1和图2可以看出:析出物在位错线上形和炉次2钢中AIN在奥氏体中位错线上沉淀析出的核时，临界核心尺寸随着析出温度的降低而减小，在临界核心尺寸和相对形核率与温度的关系.图2横通常的析出温度范围内，AIN的临界核心尺寸为坐标中，1代表形核率，K为与温度无关的常数.0.5 -2

nm;相对形核率随温度的降低而迅速增大..752.

北京科技大学学报第32卷(b)

100厅ICN

「U1

(运十，nu

}J、Ti

)剧目Cu

O

o

2345678910

能量/keV图4卷取温度为640'C时析出的(Al

,

Ti

,

Si

,

F e) ( N

,

S)颗粒的TEM照片(a)和能谱(b)Fig.4 TEM image (a) and energy spectrum (b) of ( Al,

Ti,

Si,

Fe) ( N

,S) precipitation at a coiling temperature o[ 640'C

w

~

Mns--'".

400

CN

Al

「1

U300

事生至十二200咀刨4~7

100

h/、儿Hh人斗毒草jo

且主2 45678910

·国.ï能量/keV图5卷取沮度为710'C时析出的(Al，Fe)N颗粒的TEM照片(a)和能谱(b)

Fig.5 TEM image (a) and energy spectrum (b) of (Al,Fe)N precipitation at a coiling temperature of710'C

力学性能的影响山东冶金，2008，30(2):46)

3

结论[2

J

Kestenbach H

],

Gallego]. On dispersion hardening of microa\-(1)随着卷取咀度的升高，钢的强度和晶粒度loyed hot strip stee\s by carbonitride precipitation in austenile

5criptαMaler，

等级下降，在开轧前的均热过程中，AlS和N均以溶2001,44(5): 792

[3

J

Matsudo K, Osawa K, Kurichara K. Techno\ogy of continuously

解态存在.annea\ed cold rolled steel// Conlerence Proceedings ollhe

Melαllur­(2)随着卷取温度的升高，钢中固榕的N含量gical 50ciely 01 AIME. Warrenda\e PA,

1985: 36

逐渐降低，当考虑(Fe,

Cr)

3 (

C

,

N)相中存在的N元[ 4

J

Fu], Liu Y C, W u H ]. The precipitation and effecl of nano ni

素时，卷取温度为740"C时固溶的N含量几乎为零­lrides in HSLC stee1.

5ci

Chinα5er

E, 2008, 51 (7) : 989

(3)热力学和动力学分析结果表明，AIN主要是(傅杰，刘阳春，吴华杰HSLC钢中纳米~\化物的析出与作在卷取过程中产生的.透射电镜观察到的AIN尺寸用中国科学E辑，2008, 51 (7) : 989)

[5

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