化学成分对中厚钢板冷弯性能的影响

化学成分对中厚钢板冷弯性能的影响
①
申少华1,2刘国林1,2韦弦1段贵生1方克明2
(1.安阳钢铁集团有限责任公司;　2.北京科技大学)
摘要　尽管钢的化学成分在生产过程中都能有效地控制在性能标准规定的范围内,但诸元素的含量及存在状态对中厚钢板的冷弯性能有直接影响,其中影响最大的是C、S、O、P、H、N等杂质元素。

这些杂质元素影响冷弯性能的方式是完全不同的,碳主要通过影响显微组织中各组织组分的相对量及其分布特点,硫通过带状组织和硫化物夹杂,氧通过氧化物夹杂,磷通过固溶强化作用及带状组织,氢通过气态氢在钢中的存在和扩散,进而影响中厚钢板冷弯性能。

因此,要消除化学成分对中厚钢板冷弯性能的影响,必须降低钢中C、S、O、P、H、N含量,提高钢的纯净度,减少非金属夹杂含量,发展纯净钢。

关键词　化学成分　中厚钢板　冷弯性能　金相组织　非金属夹杂
INF L UENCE OF CHEMICA L COMPOSITION ON
THE COLD-BEN DING PR OPERT Y OF ME DIU M AN D THICK STEE L P LATE
Shen Shaohua1,2　Liu G uolin1,2　Wei X ian1　Duan G uisheng1　Fang K eming2
(1.Anyang Iron&S teel G roup C o.,Ltd;　2.Beijing University of Science and T echnology)
ABSTRACT　Though the chemical com position of steel is effectively controlled in the scope of being stipulated by per formance standard in the production process,the content and existing state of various elements in fluence the cold-bending property of medi2 um and thick steel plate directly,especially the im purity elements such as C,S,O,P,H and N in fluence that greatly.The in fluence m odes of these im purity elements on the cold-bending property are different.C in fluences that by the relative quantity and dis2 tributing feature of each structure com ponent in the microstructure.S in fluences that by the banded structure and sulfide inclusion.
O in fluences that by the oxide inclusion.P in fluences that by the s olid s olution rein forcement and banded structure.H in fluences that by its existence and diffusion in the steel.Thus if the in fluence of chemical com position on the cold-bending property of me2 dium and thick steel plate is rem oved,the contents of C,S,O,P,H and N must be decreased,the nonmetallic inclusions must be reduced,the banded structure must be controlled,pure steel must be developed.
KE Y WOR DS　chemical com position　medium and thick steel plate　cold-bending property　metallogenetic structure　non2 metallic inclusion
冷弯性能是衡量中厚钢板塑性好坏的一项重要力学性能指标,冷弯试验成为其普遍而又必不可少的检验项目。

实际生产中,冷弯性能不合格经常发生,使之成为中厚钢板性能检验不合格的主要原因,直接影响了产品质量和企业经济效益。

因此,前人对中厚钢板冷弯性能的影响因素进行了大量的分析研究,结果表明,与非金属夹杂和金相组织密切相关的化学成分对中厚钢板的冷弯性能影响很大。

钢的化学成分由C、Si、Mn、P、S、O、H、N、Al、T i、Ni、Cr、Cu、C o、W、M o、B、V、Nb等构成,尽管化学成分在生产过程中都能有效地控制在性能标准规定的范围内,但诸元素的含量及存在状态对中厚钢板的性能,特别是冷弯性能有直接影响,其中影响最大的是C、S、O、P、H、N等杂质元素[1,2]。

1　碳对冷弯性能的影响
碳主要以碳化物形式存在于钢中,是决定钢的组织和性能的主要元素,主要通过影响显微组织中各组织组分的相对量及其分布特点进而影响钢的力学性能。

对多数钢种而言,碳为合金元素,钢中碳含量高,可提高钢的强度和硬度,但会降低钢的塑性、韧性和耐腐蚀性能,同时也使其焊接性能和冷加工(冲压、冷拨)性能变坏。

中厚钢板的冷弯性能不仅取决于碳含量,而且取决于碳化物的晶粒大小及其分布状态(金相组织)。

即使铁碳形成的是铁素体+珠光体正常金相组织,随着碳含量的增加,组织中的珠光体增多,铁素体减少,钢板的强度和硬度升高,而塑性和韧性下降,冷弯性能也会变坏[3～5]。

如果铁碳在钢中还形
　2004年　12月 河　南　冶　金 Dec.　2004第12卷　第6期 HE NAN MET A LLURGY V ol.12　N o.6
①联系人:申少华,博士,副教授,北京(100083),北京科技大学冶金学院;　收稿日期:2004—10—9
成了游离渗碳体[6]、魏氏组织[7]、贝氏体[8]、带状组织[9],或出现表面增碳现象[10],那么这些非正常组织就有可能直接导致中厚钢板的冷弯开裂。

此外,晶粒粗大和晶粒分布不均匀也会导致中厚钢板的塑性下降,进而影响其冷弯性能[11,12]。

因此,碳对中厚钢板的冷弯性能影响极大。

2　硫对冷弯性能的影响
硫是钢中的有害元素。

硫只能溶于钢液中,在固态铁中几乎不能溶解,而是以硫化物夹杂的形式存在于固态钢中,而且硫在钢的凝固过程中存在严重偏析。

因此,硫最大的危害是引起钢在热加工时开裂。

此外,它还能降低钢的塑性和韧性,增大钢材力学性能的方向性,降低钢的热加工性能和抗氢致裂纹性。

硫化物夹杂具有良好的热塑性,在轧制时沿轧向延伸,呈条带状分布。

存在条带状硫化物夹杂的钢板,冷弯时首先在变形最严重的区域内,夹杂物裂开,或夹杂物与金属界面发生分离,在其周围逐渐形成显微孔洞,这些孔洞随变形过程不断长大、联接,最后形成大的裂纹或金属之间分离成层,导致中厚钢板的断裂。

因此,条带状硫化物夹杂不仅作为裂纹源,是引起中厚钢板冷弯开裂的直接原因,而且使钢板的横向塑性大幅度降低,致使冷弯性能变坏[13～15]。

并且随着硫含量的增加,钢中硫化物夹杂数量增多,颗粒尺寸增大,中厚钢板的冷弯合格率明显下降[16,17]。

由此可见,中厚钢板冷弯性能的好坏与硫含量的高低密切相关,因此,硫对中厚钢板的冷弯性能影响很大。

3　氧对冷弯性能的影响
氧在固态钢中的溶解度非常小,几乎全部以氧化物夹杂的形式存在于钢中。

氧的有害作用在于氧化物夹杂引起应力集中,导致微裂纹产生,加速钢的塑性破坏过程,降低韧性;在钢的抗拉强度较高时,降低疲劳强度、耐腐蚀性和耐磨性;使钢的冲压性、锻造加工性和切削加工性变坏;引起热脆;造成钢材性能上的方向性;引起表面质量问题。

一般而言,氧化物夹杂虽然数量较多,但颗粒尺寸小,在钢中呈分散分布,塑性极低,脆性大,易断裂,属脆性夹杂物,经轧制后沿加工方向排列,呈串珠状或点链状分布,由于在室温下能和金属基体一起变形,因而一般对中厚钢板的冷弯性能影响不大。

但如果钢中氧化物夹杂集中分布,或颗粒尺寸较大,就会破坏金属基体组织的均匀性和连续性,那么在冷弯变形过程中,氧化物夹杂容易引起应力集中,并以它为裂纹源促进裂纹生成,形成冷弯裂,从而影响中厚钢板的冷弯性能[18～20],其中影响最大的是属于脆性不变形夹杂物的Al
2
O3夹杂,它不仅是钢板发
裂的原因[21],而且是引起DI罐凸缘裂纹的原因[22]。

而且随着氧含量的增加,钢中氧化物夹杂数量增多,颗粒尺寸增大,中厚钢板的冷弯合格率明显下降[23～24]。

由此可见,钢中氧含量及其存在状态对中厚钢板的冷弯性能影响也很大。

4　磷对冷弯性能的影响
一般说来,磷是有害的杂质元素。

无论是在高温,还是在低温,磷在铁中具有较大的溶解度,所以钢中的磷都固溶于铁素体中。

磷具有很强的固溶强化作用,它能显著提高钢的强度和硬度,增强钢的抗大气腐蚀能力,改善钢材切削加工性能。

但能剧烈降低钢的塑性和韧性,提高钢的脆性转变温度,尤其增加低温脆性。

此外,由于磷在钢中容易偏析,且在珠光体和铁素体中扩散很慢,不容易均匀化而产生高磷带和低磷带。

当从奥氏体状态冷却时,高磷带
由于Ar
3高,首先析出铁素体,碳被浓缩到低磷带,随后在冷却过程中转变成珠光体,造成珠光体和铁素体的分离,在轧制过程中加剧了带状组织[2]。

因此,随着钢中磷含量增加,磷对钢的固溶强化作用增强,带状组织加重,中厚钢板的强度和硬度升高,而塑性和韧性急剧下降,冷弯性能明显变坏[25]。

由此可见,磷主要是通过固溶强化作用和带状组织来影响中厚钢板冷弯性能的。

5　氢对冷弯性能的影响
氢在钢中的溶解度很低,压力为1mbar时,氢气在钢中的溶解度为0.91×10-6。

钢中氢主要是形成间隙固溶体,但也以气态氢存在,气态氢在固态钢中扩散能力非常强。

因此,氢对钢的危害很大,一是使钢的塑性和韧性降低,引起氢脆;二是从钢中析出分子态时导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷———白点,白点使钢材的延伸率显著下降,尤其是断面收缩率和冲击韧性降低得更多,有时可接近于零值。

大量氢进入钢中,一部份形成皮下气泡,另一部分间隙固溶于晶格和聚集在多种微观缺陷里。

氢气在钢中位错等缺陷处聚集形成微小的气泡,气体对缺陷尖端产生较大张应力,从而促进裂纹在此处的萌生,对钢板的塑性等性能产生不良影响[25]。

铸坯热轧成板,使钢中氢变得十分敏感。

当钢板试样进行冷弯时,由于位错引起氢传递,造成局部高氢浓度,继而在微孔和其它缺陷处形成高氢压,从而使缺陷扩展,形成冷弯裂[26]。

因此,氢在钢中的存在和扩散对中厚钢板的冷弯性能影响较大。

6　氮对冷弯性能的影响
・
4
・河　南　冶　金 2004年第6期　
一般认为,钢中氮是有害元素。

氮在钢中的溶解度很低,且随温度降低溶解度急剧降低,压力为1mbar时,氮气在钢中的溶解度为14×10-6。

氮一般形成氮化物,多分布于晶界处,并能抑止铁素体晶粒生长。

因此,氮在一些含Al、V、Nb的低合金钢中可形成特殊的氮化物使铁素体强化并细化晶粒,显著提高钢的强度和韧性。

氮的有害作用主要是引起淬火时效和应变时效,对钢的性能产生显著影响。

虽能提高钢的硬度和强度,但降低了其塑性和韧性,对普通低合金钢有害。

氮含量的增加将会提高钢中氮化物夹杂的含量和级别,有可能使氮化物夹杂成为冷弯开裂的裂纹源,从而对中厚钢板的冷弯性能产生影响[27]。

此外,气态氮在钢中的作用和夹杂物的作用类似,它的存在容易引起钢中的韧性储备下降,局部的气体析聚也会引起表层微裂纹,同时氮与位错交互作用形成C ottrell气团,发生应变时效,引起屈服点上升[11]。

目前,由于对氮与冷弯性能的关系研究不多,所以氮对冷弯性能的影响方式还不是很清楚,但钢中高氮含量对冷弯性能肯定是有害的。

除了以上6种杂质元素之外,Mn和Al如果在钢中与S和O结合形成MnS和Al
2
O3夹杂,则也会对中厚钢板冷弯性能影响很大,其他元素如Si、T i、Ni、Cr、Cu、C o、W、M o、B、V、Nb等主要是合金元素,大多是能改善中厚钢板的冷弯性能。

7　消除化学成分对冷弯性能的影响———提高钢的纯净度,发展纯净钢
以上分析表明,钢的化学成分特别是C、S、O、P、H、N等杂质元素对中厚钢板的冷弯性能影响极大。

因此,要消除化学成分对冷弯性能的影响,必须提高钢的纯净度,减少钢中非金属夹杂含量,发展纯净钢。

纯净钢是指除对钢中非金属夹杂进行严格控制以外,钢中C、S、O、P、H、N等杂质元素含量也很少的钢种。

也就是说,纯净钢包括两方面的内容:一是钢中杂质要超低量;二是严格控制钢中非金属夹杂的数量和形态[28]。

所以目前不少冶金学家将钢中C、S、P、N、H、T[O]质量分数之和不大于100×10-6的钢界定为纯净钢。

纯净钢的生产主要集中在两方面:①尽量减少钢中杂质元素的含量;②严格控制钢中的非金属夹杂物,包括夹杂物的数量、尺寸、分布、形状、类型。

减少钢中溶质元素的含量主要在各种铁水预处理以及二次精炼设备中营造最佳去除的热力学和动力学条件来实现,钢中夹杂物的控制主要是减少其生成、对其进行改性、促其上浮。

通常纯净钢生产工艺包括以下几部分:铁水预处理,转炉复吹,出钢挡渣、扒渣、对炉渣改性,二次精炼(真空、吹气、加热、造渣)、全程保护浇铸、中间包冶金、结晶器冶金及采取各种促使夹杂物去除的措施等。

对于钢中C、S、O、P、H、N各元素含量,采取措施降低一个容易(见表1),但同时降低所有元素则十分困难,这是有多种因素造成的,例如,[S]、[O]低时,钢液从大气中吸氮严重;脱磷要求低温、碱性氧化渣,而脱硫要求高温还原渣等等。

正因为如此,对钢中元素的要求也往往针对于某种或几种元素,而不是针对于所有元素。

1989年,对中厚板提出[H]<1.5×10-6、[S]<10×10-6、[N]超低的要求;对薄板提出[C]≤30×10-6、[P]≤20×10-6的要求[29]。

1992年,新日铁各元素已经达到[P]<30×10-6,[C]<20×10-6,[S]<50×10-6,[N]=14×10-6,[O]<6×10-6,[H]=1×10-6的水平[30]。

　表1　钢中杂质元素单体控制水平发展趋势[2]　×10-6
时间Π年CS P N H T[O]
196020020020040340
1970804010030230
198030104020110
199010410100.87
1996551010<15
200040.6360.52
理论研究和生产实践都已证明钢的纯净度越高,其性能越好,使用寿命也越长,钢中C、S、O、P、H、N等元素含量降低到一定水平,钢材的性能将发生质变。

因此,降低钢中[C]、[S]、[O]、[P]、[H]、[N]的水平,提高钢的纯净度,减少钢中非金属夹杂含量,发展纯净钢,是消除化学成分对中厚钢板冷弯性能影响的最有效途径。

8　结论
综上所述,可得出如下结论:
1)尽管钢的化学成分在生产过程中都能有效地控制在性能标准规定的范围内,但诸元素的含量及存在状态对中厚钢板的冷弯性能有直接影响,其中影响最大的是C、S、O、P、H、N等杂质元素。

2)不同杂质元素影响冷弯性能的方式是不同的,碳主要是通过影响显微组织中各组织组分的相对量及其分布特点,硫通过带状组织和硫化物夹杂,氧通过氧化物夹杂,磷通过固溶强化作用和带状组织,氢通过气态氢在钢中的存在和扩散,进而影响中厚钢板冷弯性能。

3)要消除化学成分对中厚钢板冷弯性能的影响,必须降低钢中C、S、O、P、H、N含量,提高钢的纯净度,减少非金属夹杂(下转第15页)
图7　解调谱分析图
4　结论
1)设备诊断技术是现代化设备管理的核心支撑
技术之一,它可以帮助企业实现“经济维修”战略。

2)实施设备诊断技术的主要工作是建立设备诊断工作平台和建立企业设备监测诊断网络。

3)掌握设备诊断技术有较多困难,为了实施成功,应当采取相应的对策。

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(上接第5页) 含量,发展纯净钢。

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