刘鹏程等：Nh在高铝铁素体钢中的固溶析出行为 ·883· The results indicate that Al decreases the activity of Nb,and the solubility of NbC increases.Finally,the solid solubility formula of NbC was deduced,which can provide a basis for further application of ferritic steels with a high Al content. KEY WORDS Al-bearing ferritic steel;NbC;interaction coefficients;solid solubility;physical and chemical phase analysis 近年来，随着对环境保护的呼声日益高涨，降低 析方法检测试验钢中Nb的固溶量并对计算模型进 燃料消耗、减少CO,排放量、降低汽车零部件的重 行验证，从而为高温铁素体中的Nb固溶析出行为 量对于减少燃料消耗和废气排放至关重要[-]. 提供理论基础，发展在高铝铁素体钢的Nb微合金 2005年，日本新日铁报道了多项低密度钢技术，该 化理论 技术的主要原理是在铁基体上加入一定量铝(A), 1试验材料及方法 生产出高A!含量钢板，使之兼备钢板的强度、塑性 和铝合金板的低密度特点.研究发现，在普通低碳 试验用钢为25kg真空感应治炼炉冶炼，并浇铸 钢中添加质量分数约8%的A1,可使其密度降低约 成20kg钢锭.其化学成分为（质量分数/%）：C 10%3],从而实现了结构轻量化的目的，但材料的 0.02,Al4,Nb0.09,Mn+Ni≤2，Si≤0.05.之后 变形机理以及材料的力学性能也随之改变[4】 将钢锭加热到1200℃保温2h后锻造成两块100 A!作为铁素体形成元素，可以显著降低甚至消 mm厚的方坯.为研究NbC的固溶行为在钢锭上分 除钢中的奥氏体相，当A1增加到一定量时，高温 别取尺寸为10mm×10mm×25mm的试样若千，进 8铁素体相将会稳定存在至室温，使得最终组织为 行真空封管后在马弗炉中分别加热到600、700、 粗大铁素体晶粒.晶粒尺寸过大会导致晶界数量减 800、900、1000和1100℃，并保温1h后快速冷却至 少，从而影响钢的强度、塑形以及韧性，因此这一类 室温.另外，为研究Nb的析出行为，把样品在马弗 钢的缺点在于加热或冷却过程中没有相变[6]，因而 炉中加热到1200℃保温1h固溶后，分别快速冷却 不能利用相变细化晶粒，只有通过再结晶来细化晶 至700、800和900℃后，保温1h,然后快速冷却至室 粒.在传统的高强度低合金钢中，铌(Nb)作为最常 温.采用萃取复型法将试验钢铸态组织中的析出相 见和最有效的微合金元素之一，具有提高非再结晶 附着在碳膜上并放置在200目铜网上.利用扫描电 温度、延缓再结品的发生和细化再结晶晶粒的作 镜和透射电镜观察NC的分布状态.通过氯化钾+ 用7-】.同时由于母相奥氏体组织细化，通过在非再 柠檬酸水溶液将试样电解12.0~24.0h1. 结晶区进行热轧时，应变积累增加，最终相变后的组 织可进一步细化.另外，Nb固溶在奥氏体中时，还 2试验结果 可抑制铁素体的转变，促进针状铁素体（或低碳贝 2.1电解化学相分析 氏体)生成.Nb在钢中的存在形式主要有两种：固 溶在基体中产生溶质原子的拖曳效应[9]和与C 利用X射线衍射仪(RigakuDMx-RB,靶材为 结合形成NbC析出产生晶界钉扎效应-2]，能够细 铜靶)将电解过滤所得到的固体粉末进行定性分 析，分析结果如图1所示.发现试验钢电解后的过 化奥氏体在热成形过程中的品粒，改善材料的强度- 1200 韧性的平衡[3-14).综上所述，Nb在高温奥氏体中的 ▲-NhC 1000 行为已经研究得较为全面和系统，而对于新型高铝 ■一Al,0, -AN 铁素体钢由于其在室温到熔点之间，都是以铁素体 800 ■ ■ 形式存在.因此Nb在传统的热轧或热机械控制工 600 艺(TMCP)中的奥氏体状态调制温度区间(800~ 村 ◆ 1200℃)，在高铝铁素体中的固溶析出行为是否与 400F 其在奥氏体中的固溶析出行为类似，相关的研究结 200 ● 果是否可以外延，仍是一个未知领域，迫切需要进行 ● 研究澄清 W小wLw 35 4045 505560657075 本文在分析Nb及其碳化物的热力学性质基础 20/) 上，推导Nb在高铝铁素体钢中的固溶行为，建立微 图1电解化学相分析中过滤剩余产物的X射线衍射测定结果 量Nb固溶析出的热力学模型，得出NbC在高铝铁 Fig.1 XRD patterns of particles in experimental steels as determined 素体钢中的固溶度积公式.并通过物理学化学相分 by physical and chemical phase analysis刘鹏程等: Nb 在高铝铁素体钢中的固溶析出行为 The results indicate that Al decreases the activity of Nb, and the solubility of NbC increases. Finally, the solid solubility formula of NbC was deduced, which can provide a basis for further application of ferritic steels with a high Al content. KEY WORDS Al鄄bearing ferritic steel; NbC; interaction coefficients; solid solubility; physical and chemical phase analysis 近年来,随着对环境保护的呼声日益高涨,降低 燃料消耗、减少 CO2 排放量、降低汽车零部件的重 量对于减少燃料消耗和废气排放至关重要[1鄄鄄2] . 2005 年,日本新日铁报道了多项低密度钢技术,该 技术的主要原理是在铁基体上加入一定量铝(Al), 生产出高 Al 含量钢板,使之兼备钢板的强度、塑性 和铝合金板的低密度特点. 研究发现,在普通低碳 钢中添加质量分数约 8% 的 Al,可使其密度降低约 10% [3] ,从而实现了结构轻量化的目的,但材料的 变形机理以及材料的力学性能也随之改变[4] . Al 作为铁素体形成元素,可以显著降低甚至消 除钢中的奥氏体相[5] ,当 Al 增加到一定量时,高温 啄 铁素体相将会稳定存在至室温,使得最终组织为 粗大铁素体晶粒. 晶粒尺寸过大会导致晶界数量减 少,从而影响钢的强度、塑形以及韧性,因此这一类 钢的缺点在于加热或冷却过程中没有相变[6] ,因而 不能利用相变细化晶粒,只有通过再结晶来细化晶 粒. 在传统的高强度低合金钢中,铌(Nb)作为最常 见和最有效的微合金元素之一,具有提高非再结晶 温度、延缓再结晶的发生和细化再结晶晶粒的作 用[7鄄鄄8] . 同时由于母相奥氏体组织细化,通过在非再 结晶区进行热轧时,应变积累增加,最终相变后的组 织可进一步细化. 另外,Nb 固溶在奥氏体中时,还 可抑制铁素体的转变,促进针状铁素体(或低碳贝 氏体)生成. Nb 在钢中的存在形式主要有两种:固 溶在基体中产生溶质原子的拖曳效应[9鄄鄄10] 和与 C 结合形成 NbC 析出产生晶界钉扎效应[11鄄鄄12] ,能够细 化奥氏体在热成形过程中的晶粒,改善材料的强度鄄鄄 韧性的平衡[13鄄鄄14] . 综上所述,Nb 在高温奥氏体中的 行为已经研究得较为全面和系统,而对于新型高铝 铁素体钢由于其在室温到熔点之间,都是以铁素体 形式存在. 因此 Nb 在传统的热轧或热机械控制工 艺(TMCP) 中的奥氏体状态调制温度区间(800 ~ 1200 益 ),在高铝铁素体中的固溶析出行为是否与 其在奥氏体中的固溶析出行为类似,相关的研究结 果是否可以外延,仍是一个未知领域,迫切需要进行 研究澄清. 本文在分析 Nb 及其碳化物的热力学性质基础 上,推导 Nb 在高铝铁素体钢中的固溶行为,建立微 量 Nb 固溶析出的热力学模型,得出 NbC 在高铝铁 素体钢中的固溶度积公式. 并通过物理学化学相分 析方法检测试验钢中 Nb 的固溶量并对计算模型进 行验证,从而为高温铁素体中的 Nb 固溶析出行为 提供理论基础,发展在高铝铁素体钢的 Nb 微合金 化理论. 1 试验材料及方法 试验用钢为25 kg 真空感应冶炼炉冶炼,并浇铸 成 20 kg 钢锭. 其化学成分为 ( 质量分数/ % ):C 0郾 02, Al 4, Nb 0郾 09, Mn + Ni臆2, Si臆0郾 05. 之后 将钢锭加热到 1200 益 保温 2 h 后锻造成两块 100 mm 厚的方坯. 为研究 NbC 的固溶行为在钢锭上分 别取尺寸为 10 mm 伊 10 mm 伊 25 mm 的试样若干,进 行真空封管后在马弗炉中分别加热到 600、700、 800、900、1000 和 1100 益 ,并保温 1 h 后快速冷却至 室温. 另外,为研究 Nb 的析出行为,把样品在马弗 炉中加热到 1200 益 保温 1 h 固溶后,分别快速冷却 至 700、800 和900 益后,保温1 h,然后快速冷却至室 温. 采用萃取复型法将试验钢铸态组织中的析出相 附着在碳膜上并放置在 200 目铜网上. 利用扫描电 镜和透射电镜观察 NbC 的分布状态. 通过氯化钾 + 柠檬酸水溶液将试样电解 12郾 0 ~ 24郾 0 h [15] . 2 试验结果 图 1 电解化学相分析中过滤剩余产物的 X 射线衍射测定结果 Fig. 1 XRD patterns of particles in experimental steels as determined by physical and chemical phase analysis 2郾 1 电解化学相分析 利用 X 射线衍射仪 (RigakuDMAX 鄄鄄 RB,靶材为 铜靶)将电解过滤所得到的固体粉末进行定性分 析,分析结果如图 1 所示. 发现试验钢电解后的过 ·883·