铌在高强度可焊接工字钢和其它结构钢中的应用

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1、铌在高强度可焊接工字钢和其它结构钢中的应用[我的钢铁]2005年4月7日11:381.生产工艺长材既可用氧气转炉冶炼，也可用电弧炉冶炼，并更多地采用连铸工艺生产。过去，连铸机经常连铸生产小方坯、大钢坯作为半成品，最近也链成工字钢形状。根据1964年BISRA的试验结果，1968年在Algoma开始了钢梁连铸，以此作为工字钢的近终形连铸。该技术后来被欧美公司采用。连铸后，初轧前，工字钢在步进炉中重新加热，由两可逆万能轧机轧制并由万能轧机终轧。轧机孔型不同，轧制产品的断面不同。1.1大工字钢的传统轧制工艺半成品被加热到1250℃左右，经15～20道次轧制。而对铸锭，需加热

2、到1300℃，可能需经40道次轧制，工字钢的道次压下率为4%～20%，终轧温度高于1000℃，工字钢上温度分布不均：根部和腰部连接处温度最高，腰部的中间温度最低，温度的差异与工字钢的尺寸有关，最大温差可达100℃。按该工艺轧制，按ASTM标准进行评级，厚度为40mm的工字钢晶粒度为7级。为细化钢的组织，可采用Ti－Nb微合金化，使再加热时奥氏体晶粒相当细小（50μ，而不是200～300μ），再结晶组织也相当细小。实验室模拟结果显示，每道次压下率达15%即可获得所需要的组织，力学性能达到50Ksi（抗拉强度≥50Ksi（344.7MPa）。表1是50Ksi工字钢的化学成

3、分。该成分设计已成功用于工业生产。热轧过程中温度高，意味着钢中的Nb仍保持固溶状态，即使在终轧温度时，也没有Nb的碳化物析出。Nb在钢中以固溶状态存在时，通过延迟相变，细化铁素体晶粒，获得一定数量的贝氏体，从而提高钢的强度。该钢的典型组织是约80％的铁素体，其余为贝氏体和珠光体。在相同轧制工艺条件下，按ASTM标准判断，C—Mn钢的晶粒度为7级，而含Nb钢的晶粒度为9级。相变过程中或相变之后，若在铁素体中形成NbC析出物，则钢的强度可进一步提高。通过传统轧制工艺只能有限地细化晶粒，对于强度高于50Ksi或厚度大于20mm的钢，为满足韧性要求，必须采用控制轧制工艺。  

4、 1.2正火热处理   正火是在Ac3，相变点以上(通常Ac3+50℃)的改善热处理，用于组织和力学性能。S355钢热轧态的组织为铁素体一珠光体，常需要进行正火处理，目的是细化组织，使组织均匀，提高钢的韧性。组织细化的程度与原始组织有关。对于不能进行控制轧制的钢，尤其是厚截面钢材，通过正火可达到很好的细化晶粒效果。对于薄截面钢材，正火可能达不到细化的目的，这种情况下，该轧制过程可认为是控制轧制工艺，通常称之为“常化轧制”，热轧态的组织性能与正火后的组织和性能相似。通常用Nb提高正火钢的抗拉强度，Nb能够阻止奥氏体晶粒长大，扩大γ相区。在含si钢中，这种效果尤为明显。正

5、火温度在900℃和1050℃之间，Nb含量为0.02％～0.04％，就足以使晶粒度达到10级。与此相反，含Si钢中不含Nb时，正火温度为1000℃时，晶粒度为7级。Nb的碳氮化合物和Al的氮化物一样，在1050℃仍能够阻止奥氏体晶粒长大，这种作用尤为重要，即使在炉温不均匀的热处理炉中，也能获得细小的铁素体一珠光体组织。厚度不同，热轧态工字钢的晶粒度为7级～9级，正火后的晶粒度达到了ll级。正火后，强度均略有下降。   为满足焊接性能的要求，必须具有较低的碳当量。还必须指出，尤其对薄截面钢材，热处理易导致变形。变形后必须用矫直机矫直。1.3控轧工艺：控制轧制在奥氏体的低

6、温区进行控制轧制时，含Nb钢可以达到强度韧性的完美结合。轧制过程中，奥氏体首先在1050℃以上进行变形，使奥氏体晶粒细化。如果给定总压下率为’70％，则每道次轧制后，通过静态再结晶可得到细小的奥氏体晶粒。然后待温至900℃以下进行终轧。含Nb钢中的再结晶非常缓慢，奥氏体晶粒变成饼状，从而有效地细化了晶粒。下列工艺对提高韧性非常有效：(1)将终轧温度从960~C降低到870℃，使铁素体晶粒度从7级提高到9级。该工艺显著提高了钢的韧性。(2)采用控制轧制，添加能形成氮化物从而降低钢中自由氮的元素，二者综合作用，钢的韧性最好。控制轧制的同时，钢中自由氮含量降低在20ppm以

7、下时，vT40<-50℃。常用Al来降低钢中自由氮含量，也可采用Ti、Nb、V等元素。相比于Al和Ti、V和Nb具有优点，它们不会导致连铸过程中出现水口堵塞或产生缺陷等连铸问题。对自由氮含量的测定可用于确定氮化物形成元素固定氮的效果。   采用Al、Ti、Al+Ti、Ti+v进行微合金化，屈服强度约为320MPa时，vT40在－60～－70℃之间，强度与用于比较的C－Mn钢相似，C-Mn钢中没有沉淀硬化。Nb微合金钢的屈服强度为375MPa时，vT40=－55℃，Nb产生了显著的沉淀硬化效应，并细化了组织。Ti+Nb复合加入时，由于TiN与Nb的相互