郭宏鋼,王 巖,曾 莉
(太原鋼鐵(集團)有限公司先進不銹鋼材料國家重點實驗室,山西 太原 030003)
摘 要:采用規則溶液亞點陣模型建立了Fe-Nb-Ti-Al-C-N系統,分析了不同溫度條件下,X80管線鋼中碳氮化物析出熱力學行為。經實驗驗證,用此模型來預測管線鋼中析出物的熱力學析出行為具有良好的精度。
關鍵詞:管線鋼;碳氮化物;析出;模型
1前言
在板坯加熱過程中,板坯中合金元素的回溶和析出行為將直接影響產品的最終性能。如
Nb、Ti等元素的碳氮化物第二相對阻止奧氏體晶粒長大起著非常重要的作用[1-3]。在不同的加熱溫度下,微合金元素形成的碳氮化物的分子式、析出物析出的體積以及各種微合金元素在板坯中的固溶量均不相同,深刻認識析出物的固溶析出規律,對制定加熱和軋制工藝,以及了解析出物析出的動力學有著非常重要的作用。
2實驗方法與結果
實驗所用X80管線鋼的實際化學成分(質量百分數)為:w(C)= 0.054%、
w(Mn)=1.9%、w(Si)=0.2%、w(P)= 0.0095%、w(S)=0.003%、w(Nb)= 0.095%、w(V)= 0.03%、w(Ti)= 0.014%、w(N)= 0.004%、w(Al)=0.022%,并添加Mo、Ni、Cu等合金元素。將鑄坯放入1200℃的加熱爐內,待爐溫回升至1200℃時開始計時,保溫1h后取出迅速放入冰鹽水中淬火,以保持元素的固溶態。在鑄坯上取樣進行化學相分析研究,分析各種元素的析出量以及析出物的化學組成。化學相分析委托國家鋼鐵材料測
試中心完成。
經測定,鑄坯在1200℃保溫后,其化學式為(Nb0.446Ti0.479Mo0.075)(C0.399N0.601)。由表1及化學式測定結果來看,對于高溫保溫過程,元素中Nb析出量較少,Ti析出量相對較多,C析出量較少,N析出量較多。由于實驗管線鋼中Nb含量較高,所以在1200℃保溫以增加固溶Nb含量,使其在隨后的精軋過程中應變誘導析出細小的NbC粒子,對提高管線鋼的綜合性能起到非常有益的作用。
采用規則溶液亞點陣模型建立(Nb,Ti)(C,N)—AlN析出物體系,用于計算分析析出物的析出過程。
3分析與討論
3.1模型建立
由規則溶液亞點陣模型,建立體系為Fe-Nb-Ti-Al-C-N系統。根據熱力學規律,Al元素不會與C元素反應生成碳化物,而只會與N元素反應生成AlN。由 于
AlN具 有 密 排 六 方 結 構,與NaCl結構的(Nb,Ti)(C,N)不會發生互溶,所以在此析出物系統中,(Nb,Ti)(C,N)與AlN可以看成兩個析出過程,兩者之間唯一的交互作用就是N元素。由于置換元素(Nb,Ti)和間隙元素(C,N)在合金中的質量分數非常少,所以它們在奧氏體中形成稀溶液,并且滿足亨利定律。假設(N
b,Ti)(C,N)符合理想化學配比,即碳氮化物中金屬原子的數量等于間隙原子的數量,忽略間隙和金屬空位。復合碳氮化物的化學式可以寫成(NbxTiy)(CaNb),其中,x、y和a、b分別為Nb、Ti和C、N在各自亞點陣中的摩爾分數,且x+y=1,a+b=1。1mol碳氮化物(NbxTiy)(CaNb)可以看作是二元碳化物和氮 化物的混合,即1mol(NbxTiy)(CaNb)中含有xa mol的NbC、xbmol的NbN、ya mol的TiC、yb mol的TiN。這樣,碳 氮 化 物(NbxTiy)(CaNb)的 形 成 自 由 能為[4-6]:
方程(15)~(23)構成的非線性方程組中含有9個方程和9個未知數。表2為奧氏體中二元化合物的固溶度積[11]。
3.2計算結果
通過熱力學計算的復合(NbxTiy)(CaNb)析出物的熱力學析出變化規律如圖1所示。
從圖1可以看出,單純從熱力學方面考慮,Nb元素在1450~1200℃溫度區間內析出速度很小(圖1a),Nb元素幾乎全部處于固溶狀態。在1200℃時析出Nb的質量約占總Nb含量的百分數為25%。Ti元素在1450~1200℃溫度區間內析出速度很快(圖1b),從1450℃時析出Ti的質量約 占 總Ti含 量 的9%變 化 到1200℃時 的53%。在1200℃時,有一半以上的Ti呈析出狀態。C元素在1450~1200℃溫度區間內析出速度極其緩慢(圖1c),在此溫度區間內C元素幾乎全部處于固溶狀態。N元素在1450~1200℃溫度區間內析出速度非常快(圖1d),在1200℃時,析出的N量達到了84%。析出物中Nb元素和C元素所 占 原 子 分 數 隨 溫 度 的 降 低 而 增 加。在1200℃平衡 析 出 碳 氮 化 物 的 化 學 式 為 (
Nb0.591Ti0.409)(C0.389N0.611)。由于MoC析出物的晶格常數與NbC更為接近,所以,如將實驗測定化學式中Mo當做Nb來看待,則計算值與實驗測定值吻合良好,用本文所建立模型來預測管線鋼中析出物的熱力學析出行為具有較好精度。
當溫度低于1200℃時,隨著溫度的降低,Nb元素的析出速度呈先升高而后再降低的勢。Nb元素約在1100~1150℃溫度區間內具有最大的析出速度。Ti和N元素隨著溫度的降低,析出速度逐漸下降。析出的C元素、Nb/(Nb+Ti)和C/(C+N)的原子隨著溫度的降低,其變化速度均呈先升高而后再降低的趨勢。在溫度為800℃
平衡狀態下,鋼中的Nb、Ti和N元素均已全部析出。此 時 析 出 物 的 化 學 式 為 (
Nb0.817Ti0.183)(C0.857N0.143)。由此可見,析 出物主要 為NbC。此類析出物一般都是在板材精軋過程中的位錯線上應變誘導析出,析出物細小彌散,對提高板材的性能起到很強的促進作用。
4結論
采用規則溶液亞點陣模型建立了Fe-Nb-Ti-Al-C-N系統,分析了不同溫度條件下,管線鋼中碳氮化物析出熱力學行為。經實驗驗證,用本文所建模型來預測管線鋼中析出物的熱力學析出行為具有較好精度。
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