细化NV颗粒尺寸对提高SAE6140钢强韧性的研究

Study on Improving the Strength and Toughness of SAE6140 Steel by Refining the Particle Size of NV

摘要: 采用转炉冶炼SAE6140合结钢，根据钢中V含量添加微量的N元素，使N含量达到设计目标，可有效提高钢材强韧性、降低生产成本、还减少后续热处理工序。结果表明：钢中[V]设计为0.10%~0.15%，添加氮[N]含量在0.0070%~0.0100%，再利用控轧控冷工艺控制VN颗粒尺寸：20~100 nm占80%，可将屈服强度Rel提高80~170 MPa、延伸率A提高3%~5%、冲击功AKu2提高10~20 J。

Abstract: The converter was used to smelting SAE6140 composite steel. According to the V content in the steel, trace N elements were added to make the N content reach the design goal, effectively improving the strength and toughness of steel, reducing the production cost and reducing the subsequent heat-treatment process. The results show that the content of vanadium [V] is 0.10%~0.15%, the content of nitrogen [N] is 0.0070%~0.0100%; then the controlled rolling and controlled cooling process is used to control the VN particle size: 20~100 nm accounts for 80%. The yield strength Rel can be increased by 80~170 MPa, the elongation A after fracture can be increased by 3%~5%, and the impact energy AKu2 can be increased by 10~20 J.

1. 前言

SAE6140 (ASTM A355标准)主要用于制造汽车零件、机械构件、弹簧、工具等，应用领域非常广泛，钢材应用前均需淬、回火调质处理，因而对钢材强韧性要求很严。提高强韧性主要是靠合金元素固熔强化、时效沉淀强化、组织强化等，手段为：加入一定数量的合金元素增加强度、加V进行细晶强韧化 [1]、对材料进行热处理工艺等，这些措施确实提高了钢材的强韧性能，但各有优缺点，在实用钢中，往往要将这些强化方法相互结合起来才能达到所需的钢的性能，不可避免地要增加钢材生产过程中成本、工序、交货时间。

本文对该钢种进行了工艺优化，利用现有的资源，根据钢中V含量0.10%~0.15%，添加微量的氮合金，获得对应的N含量值。再利用控轧控冷工艺，使钢材中析出VN颗粒，并将尺寸控制在一定范围内，从而提高钢材强韧性。

2. 工艺现状分析

2.1. 工艺流程

鄂钢炼钢厂采用转炉生产五金工具钢SAE6140，冶炼工艺流程为：

铁水 + 废钢→130tBOF→氩站→LF→连铸机→铸坯表面精整检查→送轧材厂→加热炉→轧制→缓冷®精整→检验入库。

2.2. V、N合金的作用

钒V是强化铁素体和γ相圈形成元素之一，它和碳、氮、氧都有极强亲和力，与之形成相应的极为稳定化合物(如V₄C₃、VN、V₂O₃等)，在钢中主要细化钢的组织和晶粒，降低钢的过热敏感性，提高钢的强度和韧性。钢中C含量在0.38%~0.43%，V元素与C形成V₄C₃化合物，该化合物极为稳定，只有在高温下才能缓慢地溶入奥氏体中，故V₄C₃虽能细化晶粒，但由于其颗粒尺寸大，反而降低了钢的韧性 [2]。

氮N在钢中与Al、Ti、V、Fe等形成稳定化合物起固溶强化、时效强化等作用，但由于Fe₄N的析出，导致时效和蓝脆等现象，含量超多时易形成气泡、疏松、裂纹等缺陷。氮一般随炉料进入和冶炼过程中钢液从外界吸收，非人为有目的加入，转炉钢[N]：30~50 ppm [3] [4]。

2.3. VN化合物提高强韧性的机理

氮N元素原子量14，原子半径0.8 × 10⁻¹⁰ M (氧O原子半径0.66 × 10⁻¹⁰ M，N比O原子稍大)，在钢种与Al、Ti、V等元素形成稳定化合物，增加钢的强度(固溶强化、时效强化) [5]。但钢中N含量不能太高，否则易出现各种缺陷及大块坚硬带棱角氮化物夹杂。

钒V元素原子量51，大部分均以固溶体存在钢中，其余与钢中O、N、C等元素形成化合物，其中约有10%~20%的V与N形成VN化合物。如钢中[V]：0.10%，将与0.0027%~0.0055%的N原子(27~55 ppm)形成VN化合物。

在钢坯中结晶生产的VN化合物颗粒尺寸很大，随着钢坯加热升温到1100℃~1200℃，VN回溶到奥氏体中。在轧制过程及随后冷却时，VN从1100℃开始在奥氏体中析出，此时析出的VN相颗粒数量少、直径大，一直到650℃在铁素体中仍有析出。整个析出过程随着圆钢温度降低，析出相尺寸越来越小；随温度降低，析出颗粒数量：先少→再增多→达到最大数量→逐渐减少→停止。因VN析出速率、颗粒尺寸与温度有关，在工艺上采取措施，控制80% VN析出相颗粒尺寸在20~100 nm范围，就可提高钢材强韧性。这是因为：如此细小析出相本身带来沉淀强化大；其次，弥散分布的小颗粒钉扎晶界，阻止位错滑移，提高钢材韧性；另外细小析出相使晶粒细化，再次提高钢的强韧性 [6] [7]。

2.4. SAE6140钢的主要参数

SAE6140属于合金结构钢类型，一般在调质状态下使用，对钢的化学成分及力学性能有严格的要求，化学成分见表1，力学性能要求见表2。经过调质后具有高强度和高屈服点，综合性能比40Cr要好，冷变形塑性和切倒性均属中等，过热敏感性小，但有回火脆性倾向及白点敏感性；淬透性较高，加入钒使钢的晶粒细化，降低过热敏感性，提高了强度和韧性，具有高的疲劳强度。

Table 1. Basic requirements for chemical composition of SAE6140 (wt%)

表1. SAE6140化学成分基本要求(wt%)

Table 2. Basic requirements for mechanical properties of SAE6140

表2. SAE6140力学性能基本要求

3. 工艺优化要点

采用表1化学成分标准，设计合理冶炼工艺、轧制工艺生产SAE6140，获得符合表2要求的力学性能。从表2中可以看出，力学性能值只设定了下限值，也是最基本的，要想获得高品质的材料，就需要优化工艺，让钢中的合金发挥作用，起到降本增效的功能。因此，对工艺进行优化，尤其是生产工序中关键点的设定，基本参数的设定以及轧制工序控轧控冷工艺的优化等等。

3.1. 转炉及氩站操作关键点

转炉出钢过程加入铝锭，采用脱氧前置的方法，减少精炼工序脱氧时间；并且将合金化过程也提前至转炉出钢过程加入，利用钢水较高的出钢温度迅速溶解合金，减少精炼炉合金化时间，加快工序生产；同时减轻钢水过氧化程度，降低钢水杂质量。

3.2. 精炼阶段添加微量的N元素

精炼阶段，根据工艺特点及成分要求将SAE6140各个元素成分调整到位后，添加含钒氮合金，使V、N含量分别达到设计值；因为本钢种中使钢中[V] 0.10%~0.15%，所以N元素含量设计范围为0.0070%~0.0100%。这个V、N含量比例比较适合控轧控冷工艺下控制钢中VN析出相尺寸、数量比例，来提高钢的强韧性。

3.3. 控轧控冷工艺控制NV颗粒析出量和尺寸

首先，加热钢坯并在1100℃~1200℃范围保温30~75 min，使结晶状态的VN化合物回溶到奥氏体中，随后轧制成不同规格圆钢；

其次利用VN析出曲线，在849℃最大析出高峰附近使VN颗粒大量析出；控制圆钢随后冷却速度0.7℃/s~0.95℃/s，使钢中80% VN析出相颗粒尺寸在20~100 nm范围。

最后圆钢全部进行缓冷，缓冷速度为1.0℃/s~1.5℃/s。

4. 工艺实施方案

4.1. 实施钢种的成分及缓冷工艺方案

取采用优化工艺后的SAE6140样品，规格为24 mm，对其轧制后红钢采取空冷和缓冷两种措施进行对比试验。其中空冷速度为4℃/s，缓冷速度为1.0℃/s和1.5℃/s，其主要成分及冷却工艺见表3。

Table 3. SAE6140 components (wt%) and heat treatment process

表3. SAE6140成分(wt%)及热处理工艺

4.2. 实施后VN检测结果

将上述实验制备成透射电镜萃取碳复型样品，在JEM-2100F型透射电镜中对试样中的析出相进行观察，用INCA能谱仪对析出相进行成分分析，结果如下：

1#样析出相数量很多，分布均匀，主要为细小絮状C(CN)，有少量20~45 nm的类球形颗粒相合极少量45~135 nm的不规则颗粒相，具类型主要为Ti(CN) + V(CN)，个别为V(CN)，见图1；

2#样、3#样析出相数量相差不多，但是比1#样多很多，分布均匀，主要为细小絮状C(CN)，有少量20~60 nm的类球形颗粒相合极少量60~135 nm的不规则颗粒相，具类型主要为Ti(CN) + V(CN)，个别为V(CN)，此外，局部区域存在少量长度为20~200 nm的纤维状V(CN)，见图2、图3。

透射电镜实验结果表明，有少量尺寸较大的颗粒为Ti(CN) + V(CN)的复合相，Ti(CN)的析出温度较高，主要在1200℃以上，在实验中，钢材在轧制后，Ti(CN)先析出，过饱和度V会以Ti(CN)为核心析出形成复合相Ti(CN) + V(CN)。

4.3. 优化效果

通过以上工艺优化，提取对应的力学性能值进行对比，优化前后力学性能值控制情况见表4。从表4中可以看出，优化效果非常明显，强韧性值分别提高了：ReL 104.07 MPa、Rm 187.05 MPa、A 16.27%、Z 7.31%，冲击功52.7 J以及HRB 3.9。

Figure 1. Air cooling precipitates of sample 1#

图1. 1#样品空冷析出物

Figure 2. Slow cooling precipitates of sample 2#

图2. 2#样品缓冷析出物

Figure 3. Slow cooling precipitates of sample 3#

图3. 3#样品缓冷析出物

Table 4. Comparison effect of mechanical property values before and after optimization

表4. 优化前后力学性能值对比效果

5. 分析与讨论

通过控制钢中V和N的含量及VN颗粒尺寸来提高中碳V钢强韧性，降低生产成本、减少后续热处理工序。五金工具钢SAE6140根据中碳Cr-V钢中[V]：0.10%~0.30%含量变化，添加氮[N]：0.0070%~0.0120% (即70~120 ppm)，并控制VN颗粒尺寸：20~100 nm占80%，即可将屈服强度Rel提高80~170 MPa、断后伸长率(延伸率) A提高3%~5%、冲击功Aku2提高10~20 J。

在钢坯中结晶生产的VN化合物颗粒尺寸很大，随着钢坯加热升温到1100℃~1200℃，VN回溶到奥氏体中。在轧制过程及随后冷却时，VN从1100℃开始在奥氏体中析出，此时析出的VN相颗粒数量少、直径大，一直到650℃在铁素体中仍有析出。整个析出过程随着圆钢温度降低，析出相尺寸越来越小；随温度降低，析出颗粒数量：先少→再增多→达到最大数量→逐渐减少→停止。因VN析出速率、颗粒尺寸与温度有关，在工艺上采取措施控轧控冷工艺，将80% VN析出相颗粒尺寸控制在20~100 nm范围，就可提高钢材强韧性。这是因为如此细小析出相本身带来沉淀强化大；其次，弥散分布的小颗粒定扎晶界，阻止位错滑移，提高钢材韧性；另外细小析出相使晶粒细化，再次提高钢的强韧性。

6. 结论

1) 通过控制钢中V含量，添加微量的N元素含量及VN颗粒尺寸和数量来提高SAE6140钢的强韧性，降低生产成本、还减少后续热处理工序。

2) 根据钢中[V]：0.10%~0.15%含量变化，添加氮[N]：0.0070%~0.0100% (即70~100 ppm)，并利用控轧控冷工艺控制VN颗粒尺寸：20~100 nm占80%，即可提高钢的力学性能各项指标。

综上所述，仅增加了N元素含量、控制钢中VN析出相尺寸数量，改善了钢的强韧性，减少热处理工序，为下游本材料使用降低成本，即节约能源、保护环境、又提高了产品的性价比和市场竞争力。