防止磷非平衡晶界偏聚热轧工艺控制方法

摘要

本发明涉及一种防止磷非平衡晶界偏聚热轧工艺控制方法，包括：设置对照组试样和测试组试样，分别进行高温拉伸实验，并对测试组试样做拉伸预变形；比较两组试样的截面收缩率——温度关系曲线，得出热轧工艺控制区域及其控制点；对热轧工艺的温度参数进行控制。本发明对热模拟试验进行了巧妙地运用，通过高温拉伸实验以预应变的方式来获得判断磷元素非平衡晶界偏聚现象的试验结果，进而通过分析截面收缩率——温度关系曲线的变化来确定热轧工艺温度参数的控制策略，最终实现防止磷元素非平衡晶界偏聚现象、提高含磷热轧钢板的力学性能，使含磷热轧钢板具备良好的韧性和表面质量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种防止磷非平衡晶界偏聚热轧工艺控制方法，能避免热轧 板因磷元素非平衡晶界偏聚导致形成裂纹、降低韧性，属于冶金技术领域。

背景技术

据申请人了解，对于海洋环境用船板钢而言，磷元素是提高其腐蚀性能 的主要且非常低廉的合金元素之一。磷元素与铜元素联合加入钢中，可促使 该类钢表面逐渐生成稳定的非晶态羟基氧化铁(α－FeOOH)耐腐蚀锈层结构， 从而显示出更好的复合耐海水腐蚀效应，同时磷元素还是一种有益的铁素体 固溶强化元素。

但是，对于含磷的耐海洋环境腐蚀用钢而言，溶质原子磷极易与钢在热 轧变形过程中产生的空位结合形成复合体，进而在晶界上形成非平衡晶界偏 聚，导致晶界结合力下降，使热轧板的韧性和焊接性降低，严重时甚至会造 成晶界断裂及裂纹的形成。因此，磷元素在钢铁材料中是一种不易控制的元 素，添加不当则会对板坯性能造成有害影响。

磷元素在钢铁中的晶界偏聚主要表现为非平衡偏聚过程，即最大偏聚量 存在临界保温时间和临界冷却速度。现有技术中国内外研究重点为：采用适 当回火工艺消除含磷钢磷元素偏聚的临界回火温度与时间。同时，少数研究 者注意到凝固过程对磷元素偏聚的影响及由此带来的性能变化，例如专利号 02131105.6授权公告号CN1208153C的中国发明专利公开了一种铁合金连续铸 造的铸造方法，采用带有内衬石墨套管结晶器设备以及与其适应的工艺参数， 对凝固过程进行控制，连续铸造的铸坯偏析程度较轻，尤其是沿铸坯长度方 向化学成分均匀，消除了模铸时产生的磷、硫严重偏聚现象。

此外，磷元素偏聚一般局限于晶界处纳米量级尺度(15－30nm)，以往研 究主要采用俄歇能谱方法测量磷元素的晶界偏聚浓度，以间接确定回火温度、 时间等，进而确定避免因磷偏聚导致材料脆性升高的工艺参数。

然而，现有技术中尚没有专门针对含磷热轧钢板、并能防止磷非平衡晶 界偏聚的控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种防 止磷非平衡晶界偏聚热轧工艺控制方法，专门针对含磷热轧钢板的热轧工艺 过程，使含磷热轧钢板具有良好的韧性和表面质量。

本发明解决其技术问题的技术方案如下：

一种防止磷非平衡晶界偏聚热轧工艺控制方法，其特征是，包括以下步 骤：

第一步、采用热模拟试验机；取若干作为热轧工艺控制对象的含磷热轧 钢板并分成两组，一组为对照组试样，另一组为测试组试样；转至第二步；

第二步、将对照组试样和测试组试样分别加热至相同的预定加热温度， 再分别以相同的预定冷却速度冷却至相同的预定待测温度；转至第三步；

第三步、先将对照组试样、测试组试样分别在相同预定待测温度保温相 同预定时间，再将对照组试样、测试组试样分别在相同预定模拟温度范围内、 以相同预定应变速率拉断，同时分别监测对照组试样、测试组试样的截面收 缩率——温度关系曲线；其中，测试组试样在保温过程中全程施以应变量为 0.5－1.5％的拉伸预应变，并在保温结束时先进行拉伸卸载，再执行拉断操作； 转至第四步；

第四步、根据对照组试样、测试组试样的截面收缩率——温度关系曲线 分别得出对照组试样、测试组试样的至少一个热塑性变化区以及热塑性变化 区内的低谷点，并将对应热塑性变化区内的低谷点进行比较；

比较过程包括：在对应的热塑性变化区内，如果测试组试样的低谷点截 面收缩率<0.9×对照组试样的低谷点截面收缩率，那么测试组试样的该热塑 性变化区及其低谷点分别为热轧工艺控制区域及其控制点；

转至第五步；

第五步、判断是否存在热轧工艺控制区域及其控制点，

如果不存在，则表明第一步所用含磷热轧钢板在预定模拟温度范围内不 存在磷元素的非平衡晶界偏聚现象，不必对第一步所用含磷热轧钢板的热轧 工艺做针对性控制；

如果存在，则对第一步所用含磷热轧钢板的热轧工艺做针对性控制：在 测试组试样的截面收缩率——温度关系曲线中，在热轧工艺控制区域内，截 面收缩率在该热轧工艺控制区域控制点截面收缩率的1.1倍以下的温度范围 为排除区，且排除区涵盖控制点温度；将热轧工艺中处于热轧工艺控制区域 内的温度参数控制在对应的排除区以外，即可防止磷元素的非平衡晶界偏聚 现象；

控制结束。

申请人结合自身专业知识在深入实践研究后认为：磷元素非平衡晶界偏 聚理论模型以空位－溶质原子形成的复合体共同扩散模型为基础；其中，晶界 作为良好的空位阱，能够吸收材料在预变形过程中形成的过饱和空位，为保 持空位缺陷浓度的平衡，空位－溶质原子复合体将从晶内向晶界扩散，伴随复 合体分解和空位的进一步吸收，晶界附近的磷溶质原子浓度升高形成偏聚。 因此，在采用热模拟试验机的高温拉伸实验中，对测试组试样在弹性应变段 施加小应变量的预应变，促进钢铁材料中空位的形成，随后进行高温拉伸测 试，并与未实施预应变的对照组常规拉伸试样的截面收缩率——温度关系曲 线进行对比；如果不存在磷元素的非平衡晶界偏聚现象，则测试组试样与对 照组试样的截面收缩率——温度关系曲线应当没有明显变化，表明在弹性应 变段施加极小的预应变对材料的最终拉伸性能无明显影响；如果存在磷元素 的非平衡晶界偏聚现象，则测试组试样的截面收缩率——温度关系曲线应当 会发生变化，而与对照组试样不同。如此，即可根据测试组试样和对照组试 样在截面收缩率——温度关系曲线上的差异来判断是否存在磷元素的非平衡 晶界偏聚现象，若存在则可根据分析结果确定热轧工艺的控制点。

本发明进一步完善的技术方案如下：

优选地，第一步中，所述热模拟试验机为Gleeble热模拟试验机。

优选地，第二步中，所述预定加热温度为至少1200℃，预定冷却速度为 5－15℃/s，预定待测温度为500℃－900℃。

优选地，第三步中，预定模拟温度范围的温度下限等于预定待测温度、 且温度上限等于预定待测温度+至少400℃。

更优选地，第三步中，预定时间为5－20分钟，预定应变速率为1×10^－4～1×10^－2s^－1。

与现有技术相比，本发明对热模拟试验进行了巧妙地运用，通过高温拉 伸实验以预应变的方式来获得判断磷元素非平衡晶界偏聚现象的试验结果， 进而通过分析截面收缩率——温度关系曲线的变化来确定热轧工艺温度参数 的控制策略，最终实现防止磷元素非平衡晶界偏聚现象、提高含磷热轧钢板 的力学性能，使含磷热轧钢板具备良好的韧性和表面质量。同时，本发明步 骤简单，易于实现，为国内钢厂开发耐海洋环境用含磷品种钢的工艺控制提 供有效的控制依据。

附图说明

图1为本发明实施例中对照组试样的截面收缩率和温度关系图。

图2为本发明实施例中测试组试样的截面收缩率和温度关系图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出 的例子。

实施例

本实施例防止磷非平衡晶界偏聚热轧工艺控制方法，包括以下步骤：

第一步、采用热模拟试验机；取作为热轧工艺控制对象的含磷热轧钢板 并分成两组，一组为对照组试样，另一组为测试组试样；转至第二步；

第二步、将对照组试样和测试组试样分别加热至相同的预定加热温度， 再分别以相同的预定冷却速度冷却至相同的预定待测温度；转至第三步；

具体而言，预定加热温度为至少1200℃，预定冷却速度为5－15℃/s， 预定待测温度为500℃－900℃；

第三步、先将对照组试样、测试组试样分别在相同预定待测温度保温相 同预定时间，再将对照组试样、测试组试样分别在相同预定模拟温度范围内、 以相同预定应变速率拉断，同时分别监测对照组试样、测试组试样的截面收 缩率——温度关系曲线；其中，测试组试样在保温过程中全程施以应变量为 0.5－1.5％的拉伸预应变，并在保温结束时先进行拉伸卸载，再执行拉断操作； 转至第四步；

具体而言，预定时间为5－20分钟，预定应变速率为1×10^－4～1×10^－2s^－1， 预定模拟温度范围的温度下限等于预定待测温度、且温度上限等于预定待测 温度+至少400℃；

第四步、根据对照组试样、测试组试样的截面收缩率——温度关系曲线 分别得出对照组试样、测试组试样的至少一个热塑性变化区以及热塑性变化 区内的低谷点，并将对应热塑性变化区内的低谷点进行比较；

比较过程包括：在对应的热塑性变化区内，如果测试组试样的低谷点截 面收缩率<0.9×对照组试样的低谷点截面收缩率，那么测试组试样的该热塑 性变化区及其低谷点分别为热轧工艺控制区域及其控制点；

转至第五步；

第五步、判断是否存在热轧工艺控制区域及其控制点，

如果不存在，则表明第一步所用含磷热轧钢板在预定模拟温度范围内不 存在磷元素的非平衡晶界偏聚现象，不必对第一步所用含磷热轧钢板的热轧 工艺做针对性控制；

如果存在，则对第一步所用含磷热轧钢板的热轧工艺做针对性控制：在 测试组试样的截面收缩率——温度关系曲线中，在热轧工艺控制区域内，截 面收缩率在该热轧工艺控制区域控制点截面收缩率的1.1倍以下的温度范围 为排除区，且排除区涵盖控制点温度；将热轧工艺中处于热轧工艺控制区域 内的温度参数控制在对应的排除区以外，即可防止磷元素的非平衡晶界偏聚 现象；

控制结束。

试验案例：

1)含磷热轧钢板成分

以国内某钢厂生产的耐海洋环境用低成本含磷热轧钢板为对象，其具体 成分见表1，该钢板的磷含量为0.1wt.％。

表1含磷热轧钢板的化学成分(wt.％)

C Si Mn P Cu Ni Cr S O 0.062 0.20 0.82 0.10 0.53 0.42 0.02 ≤0.005 ≤0.0040

2)热轧工艺具体控制过程

采用Gleeble热模拟试验机。将作为对象的含磷热轧钢板分为对照组试 样和测试组试样。

首先，将对照组试样和测试组试样均加热到1250℃并保温10min。

第二，将两组试样均以10℃/s的冷却速度冷却至相同的预定待测温度 (待测温度处于500℃－900℃)。

第三，对照组试样在预定待测温度保温10min后，直接以2×10^－4s^－1的应 变速率拉断，同时监测其截面收缩率——温度关系曲线；测试组试样在预定 待测温度同样保温10min，并在保温过程中全程施以应变量为1％的拉伸预应 变，保温结束时先进行拉伸卸载，再以2×10^－4s^－1的应变速率拉断，同时监测 其截面收缩率——温度关系曲线。

需要说明的是：本实施例中，拉伸预应变可直接由Gleeble热模拟试验 机实施完成。此外，应变量为1％指：应变量为试样原始标距的1％，如此之小 的应变量属于弹性应变。

第四，通过观察分析两组试样的关系曲线，确定热轧工艺控制点：

图1为没有经过拉伸预应变的对照组试样的截面收缩率与温度关系曲线。 从图1中可以看出对照组试样存在两个热塑性变化的典型区域。Ⅰ区在500 ℃～650℃之间，其中550℃塑性低谷截面收缩率降至48％左右；Ⅱ区在700 ℃～900℃之间，其中800℃塑性低谷截面收缩率低至40％左右。

图2为进行了1％拉伸预应变处理的测试组试样的截面收缩率与温度关系 曲线。从图2中可以看出，施加1％拉伸预应变处理的测试组试样依旧存在两 个基本相同的塑性低谷温度区间(即Ⅰ区和Ⅱ区)。其中，第Ⅱ塑性区低谷800 ℃截面收缩率大约40％左右，与对照组相差不大；但是，在第Ⅰ塑性区低谷 550℃截面收缩率大幅降低至30％左右，远低于该温度下对照组试样的截面 收缩率48％左右(判断界限为：0.9×48％＝43.2％)，该结果表明：前述的 1％拉伸预应变对500℃～650℃的低温塑性低谷产生明显影响。也即，500 ℃～650℃的第Ⅰ热塑性变化区为热轧工艺控制区域，其低谷点550℃为该 热轧工艺控制区域的控制点。

申请人经仔细研究后认为，钢铁材料中700℃～900℃第Ⅱ塑性区的低 谷主要位于奥氏体/铁素体两相区内，由于奥氏体晶界形成铁素体网状薄膜， 初生的铁素体薄膜强度较奥氏体强度低，造成该区晶界强度下降和脆性的增 加。而500℃～650℃第Ⅰ塑性区的低谷在一般的非含磷钢种中并不常见， 其脆性的大幅下降显然与拉伸预应变加速磷元素晶界偏聚密切相关。同时， 第Ⅰ塑性区低谷550℃的截面收缩率已降低至30％左右，表明该区域是提升 热轧板表面质量、避免脆性升高的重要温度控制区域，而该温度区域与实际 热轧生产中板坯卷取温度的主要温度控制范围相对应。

根据测试组试样的截面收缩率——温度关系曲线，温度参数排除区的截 面收缩率为控制点550℃截面收缩率的1.1倍以下(即约33％以下)，大约为 545℃－575℃。

在实际的热轧工艺中，需要控制的温度参数主要有：850℃以上的轧制温 度，570℃左右的卷曲温度，等等。结合上述温度参数排除区可知，实际生产 中的热轧卷取控制温度应避免在550℃进行卷取，并尽量避免在545℃－575 ℃的排除区进行卷取；根据实际情况，应当适度提高卷取温度，而在850℃ 以上温度轧制变形，磷的非平衡晶界偏聚对板坯的热脆性影响较小，不必做 针对性控制。

3)控制效果

按上述结论，在本试验案例的含磷热轧钢板生产过程中，将卷取温度上 调至580℃进行生产，同时以卷取温度550℃进行平行生产作为对照。所得 相同厚度的含磷热轧钢板的室温力学性能如表2所示。

表2不同卷取温度下含磷热轧钢板的室温力学性能

卷取温度(℃) 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 伸长率A(％) 580 474 571 39.5 550 461 554 33.5

由此可知，按前述结论调整生产工艺后，580℃卷取试样的屈服强度和 伸长率均明显高于550℃卷取试样，表明防止磷元素非平衡晶界偏聚现象的 实施效果相当良好。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等 效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。