CN113061816B - 一种抑制带钢三次渗碳体沿晶界析出的低碳加硼钢 - Google Patents

Abstract

一种抑制带钢三次渗碳体沿晶界析出的低碳加硼钢，化学成分重量百分比如下：C：0.033‑0.050％，Mn：0.17‑0.20％，Si：0.011‑0.023％，P：≤0.022％，S：≤0.024％，B：0.0016‑0.0032％，Ce：0.001‑0.0017％，Mo：0.0013‑0.0030％，其余为铁和不可避免的杂质。本发明针对解决低碳加硼钢三次渗碳体沿晶界析出的问题对低碳加硼钢的成分配比进行了改进，并经分析试验提出了低碳加硼钢中硼当量的控制公式，从而精准控制低碳加硼钢中各合金元素的添加量，在保证低碳加硼钢各项机械性能的同时有效抑制三次渗碳体沿晶界析出，消除或弱化混晶，消除降低三次渗碳体对钢种冲压性能的影响，明显提高了产品的延伸率。

Description

一种抑制带钢三次渗碳体沿晶界析出的低碳加硼钢

技术领域

本发明涉及一种低碳钢，特别是抑制带钢三次渗碳体沿晶界析出的低碳加硼钢。

背景技术

微量的硼加入碳钢中可显著提高钢的淬透性，传统含硼钢的硼含量一般不超过0.003％。钢中含硼量在合适的范围内能够替代锰、铬、钼和镍等元素的作用，在降低生产成本的同时改善钢材的综合性能。但是在低碳钢中加入硼元素后,由于硼在高温状态下优先析出粗大的氮化硼颗粒，从而抑制晶界影响了铁素体形核,改变了铁素体的形核率，促进三次渗碳体析出并由此引起热轧带钢晶粒粗化产生混晶现象。通过金相微观组织检测分析发现，加硼后的部分低碳带钢距带钢宽度方向边部50mm的区域，出现大量的沿晶界析出的三次渗碳体；甚至有些低碳钢种在检测整个带钢的通条时发现，横截面上的显微组织中，晶界和基体上有大量的三次渗碳体析出。分析认为，在钢中添加一定量的硼元素后，在硼元素的催化作用下，和其它一些元素共同作用，引发带钢局部碳元素的偏析，造成碳元素在局部铁基体的过饱和，促使局部产生三次渗碳体析出；同时由于硼等部分元素会抑制形核的作用，导致局部晶粒度极差过大，钢带产生混晶，晶粒相差较大，对三次渗碳体起到了“禁锢”作用，阻碍了三次渗碳体的迁移和相变,在局部形成链状甚至是片状和岛状三次渗碳体。当有大量的三次渗碳体沿晶界析出并集中体现在某个区域内时，因为脆性原因增加了该区域的裂纹敏感性，如果产品用于冲压，则会产生大量局部冲压开裂的现象，这样会导致原材料的浪费，给下游客户成本、成材率带来巨大压力。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种抑制带钢三次渗碳体沿晶界析出的低碳加硼钢，所述低碳加硼钢通过合理调配钢中各合金元素的成分配比，有效抑制沿晶三次渗碳体的生成，消除混晶，进而提高了低碳加硼带钢的冲压性能。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：

一种抑制带钢三次渗碳体沿晶界析出的低碳加硼钢，化学成分重量百分比如下：C：0.033-0.050％，Mn：0.17-0.20％，Si：0.011-0.023％，P：≤0.022％，S：≤0.024％，B：0.0016-0.0032％，Ce：0.001-0.0017％，Mo：0.0013-0.0030％，其余为铁和不可避免的杂质。

上述抑制带钢三次渗碳体沿晶界析出的低碳加硼钢，所述低碳加硼钢中还含有重量百分比为0.0116-0.0157％的Ni。

上述抑制带钢三次渗碳体沿晶界析出的低碳加硼钢，所述低碳加硼钢中还含有重量百分比为0.0137-0.0215％的Ti。

上述抑制带钢三次渗碳体沿晶界析出的低碳加硼钢，所述低碳加硼钢中还含有重量百分比为0.0005-0.0012％的Nb。

上述抑制带钢三次渗碳体沿晶界析出的低碳加硼钢，按照下式计算硼当量Beq：Beq＝B+Nb/4+Ti/8+Ni/2-Mo/2.9-Ce/4，Beq控制在≤0.011％。

本发明针对解决低碳加硼钢三次渗碳体沿晶界析出的问题对低碳加硼钢的成分配比进行了改进，保持一定含量的硼元素，以保持硼元素提高钢的淬透性、改善机械性能的优点；针对抑制三次渗碳体沿晶界析出，在成分配比上添加一定量的钼元素和铈元素，通过钼元素和铈元素的协同作用有效克服混晶和三次渗碳体的析出。此外，本发明根据分析试验给出低碳加硼钢中常添加的钛、镍、铌元素对三次渗碳体沿晶界析出具有放大作用的量化值，及钼元素和铈元素对抑制三次渗碳体沿晶界析出的抑制作用的量化值，提出了低碳加硼钢中硼当量的控制公式，从而精准控制低碳加硼钢中各合金元素的添加量，在保证低碳加硼钢各项机械性能的同时有效抑制三次渗碳体沿晶界析出，消除或弱化混晶，消除降低三次渗碳体对钢种冲压性能的影响，明显提高了产品的延伸率。

具体实施方式

本发明的主要改进在于成分设计上添加可以抑制三次渗碳体沿晶界析出的Ce元素和Mo元素，控制B的含量，合理配置C、Mn、Si的含量，控制P、S含量，并根据合金元素Ti、Ni、Nb对钢的有利因素和放大三次渗碳体沿晶界析出的倾向综合考虑、合理添加，保证Beq控制在≤0.011％的范围内，则可在保持低碳加硼钢各项性能指标的同时，明显降低混晶，有效抑制三次渗碳体沿晶界析出，从而保证钢种的冲压性能。

本发明低碳加硼钢成分中合金元素的作用分析如下：

C：C元素的有益之处主要是通过固溶强化和析出强化来提高钢的机械性能，但C是易偏析元素，随着C含量增加，铸坯中心偏析严重，并会显著降低钢的塑性、韧性，因此将低碳加硼钢含碳量控制在0.033-0.050％范围内。

Mn：Mn元素主要通过固溶强化来提高钢的强度，在钢中易与S结合形成MnS，避免钢中出现脆相FeS，从而降低钢的裂纹敏感性。但钢中Mn元素较高时，易在铸坯枝晶、中心偏析，热轧后形成带状组织。为此，将低碳加硼钢含锰量控制在0.17-0.20％。

Si：Si在钢中起固溶强化的作用，但Si含量高影响钢水纯净度，易形成硅酸盐夹杂物影响钢的塑性。为此，将低碳加硼钢中含硅量控制在0.011-0.023％的范围内。

S、P：S、P在钢中属于有害元素，影响钢的韧性和塑性，需严格控制低碳加硼钢钢中S、P含量，本发明P≤0.022％，S≤0.024％。

B：硼元素是低碳加硼钢中重要的添加元素，硼在钢中主要作用是增强钢的淬透性，提高钢的综合性能，替代一些较稀贵的金属的作用。此外，硼元素在钢中还可以与其他合金元素相互作用，进一步改善钢的淬透性及其他性能。但是硼元素有抑制形核的作用，引发带钢局部碳的偏析，造成碳元素在局部铁基体的过饱和，促使局部产生三次渗碳体析出；同时由于硼元素会抑制形核的作用，且硼易在铌、钛和镍的共同作用下放大晶粒的极差，导致局部晶粒度极差过大，造成带钢产生混晶。权衡利弊、统筹考虑，低碳加硼钢中硼元素含量控制在0.0016-0.0032％范围。

Ce：铈元素可以提高带钢的冲击韧性和塑性，还可以提高钢的抗氧化性和抗腐蚀性，减少非金属夹杂，使钢组织致密纯净；低合金钢中加入稀土元素Ce，有良好的脱氧去硫作用，提高冲击韧性，特别是低温韧性，改善各项异性。特别是铈元素可以与钢中其他元素形成细小的析出物，且具有高熔点特征，从而在凝固过程中作为非均匀形核位置，提高形核率，并抑制奥氏体晶粒长大，达到减弱混晶的效果。与此同时，基于淬透性的提高，抑制了碳的析出，从而抑制三次渗碳体的析出。

Mo：钼在钢中能提高淬透性和热强性，防止回火脆性，提高带钢的抗回火性和回火稳定性，使带钢可以在较高温度下回火，从而有效的消除或降低残余应力，提高塑性。钼除了具有上述作用，还能降低碳化物在晶界上形成网状倾向，减少渗碳体中残余奥氏体。钼在钢中低扩散系数，有效限制碳化物的聚集长大倾向，从而减小碳元素的过饱和，降低三次渗碳体的析出。而钼的细小析出物可以促进形核，从而减弱混晶程度。在钼和铈协同作用下，可以有效克服混晶和三次渗碳体的析出。

Ni：镍元素在钢中强化铁素体并细化珠光体，总的效果是提高强度，对塑性的影响不显著。钢的强度相同的条件下，含镍钢的碳含量可以适当降低，因而能使钢的韧性和塑性有所提高，并且镍可以提高钢对疲劳的抗力和减小钢对缺口的敏感性，降低钢的低温脆性转变温度。

Nb：铌在钢中起到固溶强化作用，溶入奥氏体中时显著提高钢的淬透性，Nb以碳化物和氧化物微粒形式存在时，细化晶粒并降低钢的淬透性，能增加钢的挥霍稳定性，有二次硬化的作用。微量的铌可以在不影响钢的塑性和韧性的情况下提高钢的强度，由于有细化晶粒的作用，能提高钢的冲击韧性并降低脆性转变点。

Ti：钛和氮、氧、碳都有极强的亲和力，碳化钛结合力强，稳定，不易分解，碳化钛微粒有阻止晶粒长大的作用。由于钛固定了氮并形成碳化钛，提高了钢的强度。经正火使晶粒细化，析出形成碳化物可使钢的塑性和冲击韧性得到显著改善，含钛的低碳加硼钢，有良好的力学性能和工艺性能，但是缺点是淬透性稍差。

从抑制带钢三次渗碳体沿晶界析出的角度考虑，Ti、Ni、Nb三种元素都对对三次渗碳体沿晶界析出有放大作用，因此在设计低碳加硼钢抑的化学成分配比时，必须综合各元素的影响，既保证低碳加硼钢的性能特点，又起到抑制带钢三次渗碳体沿晶界析出及消除混晶的作用，为此本发明在长期摸索、反复试验的基础上，提出硼当量Beq的计算公式如下：Beq＝B+Nb/4+Ti/8+Ni/2-Mo/2.9-Ce/4，Beq控制在≤0.011％的范围。硼当量计算公式量化考虑了各合金元素的影响，生产实践表明，将硼当量控制在上述范围，既可保证低碳加硼钢的性能，又可以收到抑制带钢三次渗碳体沿晶界析出及消除混晶的良好效果。

以下提供本发明实施例和常规方法的对比例：

实施例1：本发明低碳加硼钢化学成分重量百分比如下：C：0.033％，Mn：0.20％，Si：0.015％，P：≤0.022％，S：≤0.024％，B：0.0030％，Ce：0.001％，Mo：0.0020％，其余为铁和不可避免的杂质。

硼当量：Beq＝B-Mo/2.9-Ce/4

＝0.0030％-0.0020％/2.9-0.0010％/4＝0.00206％

力学性能：屈服强度：260MPa，抗拉强度：336MPa，伸长率：46.8％。

金相分析：无混晶现象，三次渗碳体极别0.5级。

实施例2：本发明低碳加硼钢化学成分重量百分比如下：C：0.040％，Mn：0.18％，Si：0.011％，P：≤0.022％，S：≤0.024％，B：0.0025％，Ce：0.0015％，Mo：0.0028％，Ti：0.020％，Ni：0.0157％，Nb：0.0012％，其余为铁和不可避免的杂质。

硼当量：Beq＝B+Nb/4+Ti/8+Ni/2-Mo/2.9-Ce/4，

＝0.0025％+0.0012％/4+0.020％/8+0.0157％/2-0.0028％/2.9-0.0015％/4

＝0.00956％

力学性能：屈服强度：261MPa，抗拉强度：338MPa，伸长率：46.9％。

金相分析：晶粒度9.0级，无混晶现象，三次渗碳体级别0.5级。

实施例3：本发明低碳加硼钢化学成分重量百分比如下：C：0.050％，Mn：0.17％，Si：0.022％，P：≤0.022％，S：≤0.024％，B：0.0016％，Ce：0.001％，Mo：0.0013％，Ti：0.016％，Ni：0.015％，Nb：0.001％其余为铁和不可避免的杂质。

硼当量：Beq＝B+Nb/4+Ti/8+Ni/2-Mo/2.9-Ce/4

＝0.0016％+0.001％/4+0.016％/8+0.015％/2-0.0013％/2.9-0.001％/4

＝0.00885％

力学性能：屈服强度：258MPa，抗拉强度：332MPa，伸长率：47.2％。

金相分析：晶粒度9.2级，无混晶现象，三次渗碳体级别0.5级。

对比例1：低碳加硼钢化学成分重量百分比如下：C：0.0488％，Mn：0.23％，Si：0.023％，P：≤0.022％，S：≤0.024％，B：0.0029％，Ti：0.0225％，Ni：0.0149％，Nb：0.0005％，其余为铁和不可避免的杂质。

硼当量：Beq＝B+Nb/4+Ti/8+Ni/2

＝0.0029％+0.0005％/4+0.0225％/8+0.0149％/2

＝0.0133％

力学性能：屈服强度：263MPa，抗拉强度：339MPa，伸长率：44.2％。

金相分析：6.0-10.5(20％)，三次渗碳体级别3.0级。

对比例2：低碳加硼钢化学成分重量百分比如下：C：0.0344％，Mn：0.165％，Si：0.013％，P：≤0.022％，S：≤0.024％，B：0.0029％，Ti：0.0137％，Ni：0.0141％，Nb：0.0004％，其余为铁和不可避免的杂质。

硼当量：Beq＝B+Nb/4+Ti/8+Ni/2

＝0.0029％+0.0004％/4+0.0137％/8+0.0141％/2

＝0.0118％

力学性能：屈服强度：261MPa，抗拉强度：336MPa，伸长率：43.9％。

金相分析：7.0-11.0(25％)，三次渗碳体级别3.0级。

由上述实施例及对比例可以看出，现有技术的低碳加硼钢混晶明显，三次渗碳体级别为3.0级，本发明的低碳加硼钢无混晶现象，延伸率明显高于对比例现有技术的低碳加硼钢，且三次渗碳体级别远低于现有技术的低碳加硼钢。

Claims (1)

1.一种抑制带钢三次渗碳体沿晶界析出的低碳加硼钢，其特征在于：化学成分重量百分比如下：C：0.033-0.050%，Mn：0.17-0.20%，Si：0.011-0.023%，P：≤0.022%，S：≤0.024%，B：0.0016-0.0032%，Ce：0.001-0.0017%，Mo：0.0013-0.0030%，其余为铁和不可避免的杂质；

所述低碳加硼钢中还含有重量百分比为0.0116-0.0157%的Ni；

所述低碳加硼钢中还含有重量百分比为0.0137-0.0215%的钛；

所述低碳加硼钢中还含有重量百分比为0.0005-0.0012%的Nb；

按照下式计算硼当量Beq：

Beq=B+Nb/4+Ti/8+Ni/2-Mo/2.9-Ce/4， Beq控制在≤0.011%。