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Nb微合金化钢合金体系的热力学设计
窦为学，郭志红，冯捷，朱苗勇，王晓丽
(1.东北大学 冶金学院，辽宁 沈阳110004；2 敬业钢铁有限公司炼钢厂，河北 平山040500；
3.河北科技大学 材料科学与工程学院，河北 石家庄 050018；4.包头钢铁职业技术学院教务处，内蒙古 包头 014010)
摘 要：利用Thermo-Calc软件对不同Nb含量的重轨钢U75V(Cr含量为0.45%)进行了热力学计算。结果表明：在400℃~1600℃温度区间，试验钢中主要平衡析出相为Al2O3、MnS、AlN、MX相和渗碳体相。试验钢奥氏体相的主要组成元素为Fe、C以及Nb，铁素体相的主要组成元素为Fe、Mn和Si，渗碳体相的主要组成元素为Fe、C、Mn和Nb，MX相的成分为Nb(C，N)。MX相和AlN相的析出温度与最大析出摩尔分数随着Nb含量的变化具有相同的规律，即随着Nb含量增加两个参数均升高。通过分析得出试验钢成本与性能配合最佳的Nb含量为0.028%。本文为开发同类的高强度、高硬度的高速重轨钢提供了理论与实践依据。
关键词：Nb微合金化 高速重轨钢 渗碳体 珠光体
Thermodynamic design of alloy system for the Nb micro-alloyed steel
Dou Wei-xue 1， 2，Guo Zhihong 3， ， Feng Jie3，*， Zhu Miaoyong 1，Wang Xiaoli 4
(1. College of metallurgy of Northeastern university， Shenyang， Liaoning Province 110004，China;2 .Steel Mills of Jingye Iron and Steel Co.，ltd. Pingshan ，Hebei Province 040500， China;3. College of Material Science and Engineering of Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang ，Hebei Province 050018 ，China;4.BaoTou Iron and Steel Vocational Technical College， Baotou， Inner Mongolia 014010，China)
Abstract：The thermodynamic calculation of heavy rail U75V steel (Cr content is 0.45%) with different Nb content was performed using Thermo - Calc software .Results show that main balance precipitated phase are Al2O3， MnS， AlN， MX and cementite phase in 400 ℃ ~ 1600 ℃ . The main elements of the austenitic phase are Fe， C， and Nb. The main elements of the ferrite phase are Fe， Mn and Si. The main component of the cementite phase are Fe， C， Mn and Nb. The MX phase is Nb (C， N). The precipitation Temperature and maximum precipitation mole fraction of MX and AlN phase increase with the increase of Nb content. The best Nb content is 0.028% by the cost and performance analysis of the steel. This paper provides the basis in theory and practice for development of the same kind of high strength， high hardness of high speed heavy rail steel.
Keywords: Nb miaroalloying; High speed heavy rail steel; Cementite; Pearlite
试验钢化学成分设计是在某厂生产的重轨钢U75V(Cr含量为0.45%)的基础上，添加了微量Nb合金元素，既保证了足够的淬透性，又充分利用了合金元素的固溶强化和析出强化作用，但合金元素Cr、Nb、V、N之间的相互作用比较复杂[1-4]。目前仅有少量关于该类钢种析出相的温度、组成与钢原始化学成分和热处理温度之间关系的论述。因此，运用Thermo-Calc软件[5-8]，由合金热力学计算，来探讨了新体系中平衡析出相的温度、组成与钢原始的化学成分关系之间的规律意义重大。
1含Nb试验钢化学成分设计热力学计算
计算时使用Thermo-Calc软件中的TCFE6数据库，合金体系设为1mol，参照状态为298.15K和105Pa，温度为摄氏温度(℃)。合金体系的各组元按照质量分数输入。
由于奥氏体和碳氮化物析出相中的元素有相同的晶格占位类型，因而它们有相同的吉布斯自由能表达式，它们之间的平衡可用溶解度间隙来表示，即奥氏体γ相和富含V的碳氮化物相，在 Thermo-Calc中可用MX相表示[9-12]。为了解析出相的析出模式及析出相组成的演变过程，对钢中析出相随温度的变化进行了热力学计算。
在对U75V(Cr含量为0.45%)重轨钢试验钢研究的基础上，添加微合金化元素Nb，在试验钢中添加Nb的含量控制在0.015%~0.060%之间。同时参考U75V(Cr含量为0.45%)重轨钢对产品的成分要求，进行了相应的调整和优化，分别设计了五种不同Nb含量的试验钢，以求得到成本与性能配合最佳的含Nb重轨钢。表1为含Nb试验钢设计化学成分。
表1试验钢的设计化学成分(质量分数， wt %)
Table 1 The design chemical composition of experimental steel (mass fraction， wt %)
|
编号 |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
V |
Al |
Cr |
Nb |
|
1# |
0.71～0.80 |
0.50～0.80 |
0.80～1.10 |
≤0.025 |
≤0.025 |
0.04～0.10 |
0.0242 |
0.45 |
0 |
|
2# |
0.71～0.80 |
0.50～0.80 |
0.80～1.10 |
≤0.025 |
≤0.025 |
0.04～0.10 |
0.0241 |
0.45 |
0.015 |
|
3# |
0.71～0.80 |
0.50～0.80 |
0.80～1.10 |
≤0.025 |
≤0.025 |
0.04～0.10 |
0.0239 |
0.45 |
0.030 |
|
4# |
0.71～0.80 |
0.50～0.80 |
0.80～1.10 |
≤0.025 |
≤0.025 |
0.04～0.10 |
0.0241 |
0.45 |
0.045 |
|
5# |
0.71～0.80 |
0.50～0.80 |
0.80～1.10 |
≤0.025 |
≤0.025 |
0.04～0.10 |
0.0243 |
0.45 |
0.060 |
计算所采用成分为表1中1#~5#钢中各成分的平均值(Nb含量除外)，如表2，Nb含量分别为0%、0.015%、0.030%、0.045%以及0.060%。
为了解析出相的析出模式及析出相组成的演变过程，对试验钢中析出相随温度的变化进行了计算，计算采用表2成分，Nb含量为0.015%，结果如图1和图2所示。
表2试验钢计算采用的化学成分(质量分数， wt %)
Table 2 Chemical composition of experimental steel for calculation (mass fraction， wt %)
|
元 素 |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
V |
Cr |
O |
N |
Al |
|
平均值 |
0.75 |
0.65 |
0.95 |
0.015 |
0.015 |
0.07 |
0.45 |
0.004 |
0.006 |
0.0242 |
图1平衡析出相与温度的线性坐标关系 图2平衡析出相与温度的对数坐标关系
由图1和图2可知，在热力学平衡状态下，在温度为400℃~1600℃范围内，试验钢中主要平衡析出相为Al2O3、MnS、AlN、MX相以及渗碳体相。其中，曲线与水平坐标温度的交点表示析出相的析出温度，垂直坐标表示析出相摩尔分数，其析出相的平衡相变点温度见表3。
表3试验钢析出相的析出温度及最大析出摩尔分数
Table 3 Precipitation temperature and the maximum mole fraction of the precipitated phase
|
析出相 |
析出开始温度/℃ |
最大析出摩尔分数 |
|
Al2O3 |
--- |
2.12×10-4 |
|
AlN |
1088 |
4.58×10-4 |
|
F |
748 |
0.86 |
|
γ |
1440 |
1 |
|
cementite |
784 |
0.136 |
|
MnS |
1330 |
1.64×10-4 |
|
MX |
1190 |
3.10×10-3 |
对于表3中的各相，除Al2O3、MnS和AlN的成分已知外，其余各相的成分均未知。因此，采用Thermo-Calc热力学计算软件，对未知成分相的成分进行了计算，结果如图3~图6所示。
图3 含Nb试验钢奥氏体相组成元素 图4 含Nb试验钢铁素体相组成元素
图5 含Nb试验钢渗碳体相元素组成 图6 含Nb试验钢MX相元素组成
由图3~图6可知：含Nb试验钢奥氏体相的主要成分为Fe、C以及Nb，铁素体相的主要成分为Fe、Mn和Si，渗碳体相的主要成分为Fe、C、Mn和Nb。MX相的成分较复杂，在1190℃析出开始时，MX相为Nb(C，N)相，随着温度的降低，1000℃左右，Nb含量降低，V含量增加，900℃左右，MX相转变为V(C，N)相。
2 Nb含量变化对试验钢主要析出相的影响
为了解Nb含量变化对主要析出相的影响，采用Thermo-Calc热力学计算软件对其在400℃~1600℃范围内的主要析出相进行了计算，结果如图7～图12。其中，曲线与水平坐标温度的交点表示析出相的开始析出温度，垂直坐标表示析出相摩尔分数。
图7 Nb含量变化对奥氏体相的影响 图8 Nb含量变化对铁素体相的影响
图9 Nb含量变化对Al2O3相的影响 图10 Nb含量变化对AlN相的影响
图11 Nb含量变化对渗碳体相的影响 图12 Nb含量变化对MX相的影响
计算结果表明：Nb含量变化对MX相和AlN有较大影响，对其余各相的影响不大。对含Nb钢而言，Nb含量变化对渗碳体相析出量无太大影响，但是含Nb钢与不含Nb钢渗碳体的析出温度不一样，不含Nb钢渗碳体的析出温度较低为737℃，含Nb钢的渗碳体的析出温度接近784℃。
含Nb钢MX相的析出温度与最大析出摩尔量均与Nb含量有关，Nb含量越高MX相的析出温度与最大析出摩尔分数越高，含Nb量超过0.030%的试验钢的MX相的析出温度达到1220℃。不同Nb含量对应的MX相的析出温度及最大析出摩尔分数的具体数值见表4。由前可知，MX相从高温开始析出时为Nb(C，N)相，这表明，随着Nb含量的增高，Nb(C，N)相析出温度上升，最大析出摩尔分数上升。
表4 不同Nb含量对应的MX相的析出温度及最大析出摩尔分数
Table 3 Precipitation temperature and the maximum mole fraction of MX corresponding to different Nb content
|
Nb质量分数， wt % |
MX相析出温度/℃ |
MX相最大析出摩尔分数 |
|
0.00 |
890 |
3.02×10-3 |
|
0.015 |
1190 |
3.10×10-3 |
|
0.030 |
1220 |
3.44×10-3 |
|
0.045 |
1320 |
3.77×10-3 |
|
0.060 |
1340 |
4.27×10-3 |
不含Nb钢AlN相析出温度与最大析出摩尔分数较高，含Nb钢AlN相的析出温度与最大析出摩尔量相差不大。AlN相是钢中夹杂物，它的析出影响钢的组织性能。依据图10中Nb含量变化对AlN相的影响可知，940℃左右含Nb试验钢易析出AlN相。因此，结合某钢厂U75V钢轨终轧温度在850℃~950℃的实际情况，建议工业化生产时含Nb试验钢轧制终轧温度取高些。
MX相是碳、氮化合物相在钢中起细化晶粒，强化基体的作用[13-17]。依据图12中Nb含量变化对MX相的影响可知，温度越高越易析出MX相。因此，结合某钢厂U75V钢轨开轧温度在1080℃~1140℃之间，建议工业化生产时含Nb试验钢轧制开轧温度取高些。
3 含Nb重轨试验钢化学成分调整
根据上述结论，含Nb量超过0.030%的试验钢的MX相的析出温度超过1220℃，在实际钢材生产中，开轧温度难以达到如此高的温度，因此不利于试验钢中有益的Nb(C，N)相析出。
基于此原因调整试验钢冶炼成分，去掉MX相的析出温度达到1340℃的含Nb量为0.060%的试验试样钢成分，以减少试验量。不含Nb的试验钢成分按照重轨钢U75V(Cr含量为0.45%)设计，以达到后期对比的目的。重新设计的试验钢经轧制后实际冶炼的化学成分见表5。
表5不同Nb含量的试验化学检验成分(质量分数， wt %)
Table 5 The test chemical components of the different Nb micro-alloyed steel (mass fraction， wt %)
