高淬透性硼微合金化特厚板钢成分优化设计

工程科学学报，第37卷，第4期：447-453,2015年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.4:447-453,April 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.04.008:http://journals.ustb.edu.cn 高淬透性硼微合金化特厚板钢成分优化设计 高志玉2，潘涛》，王卓》，刘国权区，苏航》 1)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京1000832)辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，阜新123099 3)钢铁研究总院工程用钢研究所，北京1000814)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:G.liu@usth.cu.cn 摘要海洋工程用特厚板钢通常要求具有良好的淬透性，合理设计此类钢化学成分是改善其淬透性的主要方法之一，传 统钢成分设计大多以实验为主，耗费巨大.本文以热力学计算软件Thermo-Cale和材料性能计算软件JMatPro为工具，采用计 算、预测与实验相结合的研究模式，对含B微合金化特厚板钢进行成分优化，以期获得高淬透性能.使用Thmo-Calc计算了 B微合金化钢的热力学平衡析出相.通过对析出相的析出温度、析出量及相间关系分析，阐述了此类钢的成分设计原则，给出 了可获得高淬透性的B微合金化钢的设计成分.采用JMatPro对设计钢淬透性进行预测，预测结果很好地说明了设计钢成分 的合理性.经过淬透性实验和化学相分析，进一步肯定了优化设计结果.理论计算与实验结果表明高铝含量有利于改善硼微 合金化钢淬透性， 关键词厚板钢：微合金化：硼：化学成分：优化设计：淬透性 分类号TG142.1 Composition optimization design of boron-microalloying ultra-heavy plate steel with high hardenability GAO Zhi-yu'),PAN Tao,WANG Zhuo,LIU Guo-quan'),SU Hang 1)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)College of Materials Science and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123099.China 3)Division of Engineering Steel,Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081,China 4)School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:G.liu@ustb.edu.cn ABSTRACT Ultra-heavy plate steel for marine engineering usually requires good hardenability,and rational design of chemical composition of this steel is one of the main methods for improving its hardenability.Traditional composition design of steel is mostly ex- periment-based and costly.In this paper,thermodynamic calculation sofware Thermo-Calc and material property calculation software JMatPro were introduced to design the chemical composition of B-containing micro-alloyed ultra-heavy plate steel,with calculation, prediction and testing combined to obtain high hardenability.Thermodynamic equilibrium precipitates in the steel were calculated with Thermo-Cale.Composition design principles were interpreted for the steel from the perspective of thermodynamics by analyzing the precipitation temperature:precipitation amount and phase relationships,and then the chemical composition of the steel with high hard- enability was designed.In addition,the hardenability of the steel designed was predicted using JMatPro and the results illustrates that the composition design of the steel is feasible.The rationality of the optimization design was further affirmed by hardenability testing and chemical analysis.Theoretical calculation and experimental results show that high aluminum content can help to improve the hard- 收稿日期：201403-20 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2013A4031601):国家自然科学基金资助项目(51071019)：国家科技支撑计划资助项目 (2011BAE25B01)

工程科学学报，第 37 卷，第 4 期: 447--453，2015 年 4 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 4: 447--453，April 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 04． 008; http: / /journals． ustb． edu． cn 高淬透性硼微合金化特厚板钢成分优化设计 高志玉1，2) ，潘 涛3) ，王 卓3) ，刘国权1，4) ，苏 航3) 1) 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京 100083 2) 辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，阜新 123099 3) 钢铁研究总院工程用钢研究所，北京 100081 4) 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: G． liu@ ustb． edu． cn 摘 要 海洋工程用特厚板钢通常要求具有良好的淬透性，合理设计此类钢化学成分是改善其淬透性的主要方法之一． 传 统钢成分设计大多以实验为主，耗费巨大． 本文以热力学计算软件 Thermo-Calc 和材料性能计算软件 JMatPro 为工具，采用计 算、预测与实验相结合的研究模式，对含 B 微合金化特厚板钢进行成分优化，以期获得高淬透性能． 使用 Thermo-Calc 计算了 B 微合金化钢的热力学平衡析出相． 通过对析出相的析出温度、析出量及相间关系分析，阐述了此类钢的成分设计原则，给出 了可获得高淬透性的 B 微合金化钢的设计成分． 采用 JMatPro 对设计钢淬透性进行预测，预测结果很好地说明了设计钢成分 的合理性． 经过淬透性实验和化学相分析，进一步肯定了优化设计结果． 理论计算与实验结果表明高铝含量有利于改善硼微 合金化钢淬透性． 关键词 厚板钢; 微合金化; 硼; 化学成分; 优化设计; 淬透性 分类号 TG142. 1 收稿日期: 2014--03--20 基金项目: 国家高技术研究发展计划资助项目( 2013AA031601) ; 国家自然科学基金资助项目( 51071019) ; 国家科技支撑计划资助项目 ( 2011BAE25B01) Composition optimization design of boron-microalloying ultra-heavy plate steel with high hardenability GAO Zhi-yu1，2) ，PAN Tao3) ，WANG Zhuo3) ，LIU Guo-quan1，4)  ，SU Hang3) 1) State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) College of Materials Science and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123099，China 3) Division of Engineering Steel，Central Iron and Steel Ｒesearch Institute，Beijing 100081，China 4) School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: G． liu@ ustb． edu． cn ABSTＲACT Ultra-heavy plate steel for marine engineering usually requires good hardenability，and rational design of chemical composition of this steel is one of the main methods for improving its hardenability． Traditional composition design of steel is mostly ex￾periment-based and costly． In this paper，thermodynamic calculation software Thermo-Calc and material property calculation software JMatPro were introduced to design the chemical composition of B-containing micro-alloyed ultra-heavy plate steel，with calculation， prediction and testing combined to obtain high hardenability． Thermodynamic equilibrium precipitates in the steel were calculated with Thermo-Calc． Composition design principles were interpreted for the steel from the perspective of thermodynamics by analyzing the precipitation temperature; precipitation amount and phase relationships，and then the chemical composition of the steel with high hard￾enability was designed． In addition，the hardenability of the steel designed was predicted using JMatPro and the results illustrates that the composition design of the steel is feasible． The rationality of the optimization design was further affirmed by hardenability testing and chemical analysis． Theoretical calculation and experimental results show that high aluminum content can help to improve the hard-

·448· 工程科学学报，第37卷，第4期 enability of the steel. KEY WORDS heavy plate steel:microalloying:boron:chemical composition;optimization design:hardenability 随着国家海洋战略的挺进，对海洋工程用特厚板 做法是尝试性加入V、Ti、A等固氮元素，而关于V、 钢的厚度规格需求越来越高.据报道，用于制作自升 Ti、A1等元素对B提高淬透性能力尚未作定量化判 式海洋平台升降齿条的特厚钢板厚度最大达到 断.本文分别使用热力学计算软件Thermo-Cale和材 259mm四.一般该类型钢板要求具有高强度、高韧性、 料性能计算软件JMatPro对B微合金化特厚板钢进行 易焊接性及良好的耐蚀性冈.为了获得最佳的强韧匹 成分优化和淬透性预测，设计结果得到了实验的证实， 配效果，需对此类钢板进行调质处理：而大厚度和良好 基于计算工具的新材料研发，是“材料基因组计划 综合性能则要求这类钢具有良好的淬透性，以保证其 (material genome initiative,MG）”Do的重要内容，这 具有理想的截面性能.成分和工艺的优化设计是保证 种模式将一改往日以“试错法”为主的材料设计模式， 钢具有良好淬透性的重要环节，而钢成分设计又是关 大大缩短材料从研发至应用的周期) 键.除Mn、Cr、Ni、Mo等常规改善淬透性的合金元素 之外，B是改善钢淬透性有效又经济的元素，在特厚钢 1特厚板钢相平衡的热力学计算 板及其他对淬透性有特殊要求的商业钢中广泛应用. 1.1特厚板钢合金体系 微量B元素的添加即可显著提高钢的淬透性.大 国际上海洋工程用特厚板钢普遍遵循或参考 量实验研究结果显示，偏聚于奥氏体晶界呈固溶 ASTM A517/A517M及ASTM A514/A514M标准的相 状态的B对淬透性具有巨大贡献，而且钢中存在一个 关成分体系.。参考上述标准，本文设计计算用钢成分 理想的固溶B质量分数(0.0003~0.0005)，在此范围 以CSi-Mn-NiCr-Mo为基础，添加B以及V、Ti、Al 内可以获得良好的淬透性.但是，B化学活性较高，与 等元素.使用Thermo-Cale软件计算钢在高温范围可 钢中常存元素N亲和力强，易形成BN,且可以置换碳 能存在的主要平衡析出相和相含量，掌握钢中B的固 化物中的C原子而形成Ms(C,B)。等第二相四，影响 溶和析出的热力学规律，计算固氮元素V、T和A的 B在钢中的固溶量，从而影响淬透性.因此，合理设计 加入量对主要平衡析出相的影响，研究各固氮元素对 B微合金化特厚板钢的化学成分，获得合适的B固溶B在钢中固溶的影响.计算中假设钢中w(N)= 量是保证此类钢具有高淬透性的必要环节.工程一般 0.004%,1(B)=0.0015%.设计钢成分如表1所示 表1特厚板钢的主要化学成分（质量分数） Table 1 Main chemical composition of the ultra-heavy plate steel 元素 Si Mn Ni Cr Mo Cu N Fe 设计范围0.12-0.160.3~0.40.75-0.951.15~1.350.90~1.100.4~0.50.25~0.350.001-0.002≤0.006余量 质量分数 0.14 0.35 0.85 1.25 1.05 0.45 0.30 0.0015 0.004余量 l.2 Thermo-Calc热力学计算条件设定 Thermo-Cale作为优秀的材料热力学计算工具☒， 2热力学计算结果与分析 在钢铁材料B刀、有色金属s9、高温合金0-2如、高熵 2.1特厚板钢主要析出相的热力学计算 合金四等材料的设计优化以及加工制备方面得到了广 表1所示的基础成分钢的平衡析出相计算结果如 泛应用.Thermo-Cale软件核心计算方法是CALPHAD, 图1所示.存在的主要相有液相、体心立方相（铁素 目前可以处理多达40个组元体系的热力学计 体)、面心立方相（奥氏体）、碳化物相、氮化物相 算2s-.本文计算使用Thermo Cale3.0及TCFE7数 (BN)等. 据库进行.TC℉E7是2012年最新发布的用于铁基合 如前所述，淬火前固溶于奥氏体中的B可以显著 金计算的数据库，可广泛应用于铁基合金中各种不同 提高淬透性.但是，B易与N结合，从而影响钢的淬透 类型相的热力学平衡计算 性.从图1可以看出，随着温度逐渐降低，约在1220℃ 设定待计算的合金体系量为1mol,参考状态温度 钢中开始析出BN,降低了奥氏体（图1中FCCA1相） 为1000℃，压强为1×105Pa.参照表1以质量分数输 中B的固溶量（热力学计算表明，常规淬火温度为 入钢成分，计算500~1600℃范围内，体系存在的平衡 910℃时奥氏体中固溶的B仅为0.00002%)，不利于 析出相及相含量.在表1基础成分上分别添加V、T、 B改善钢的淬透性.因此，为了发挥微量B提高钢淬 A1等固氮元素，计算各固氮元素对B固溶与析出的 透性的作用，就要合理的添加固氮元素，抑制高温阶段 影响. BN的析出

工程科学学报，第 37 卷，第 4 期 enability of the steel． KEY WOＲDS heavy plate steel; microalloying; boron; chemical composition; optimization design; hardenability 随着国家海洋战略的挺进，对海洋工程用特厚板 钢的厚度规格需求越来越高． 据报道，用于制作自升 式海 洋 平 台 升 降 齿 条 的 特 厚 钢 板 厚 度 最 大 达 到 259 mm［1］． 一般该类型钢板要求具有高强度、高韧性、 易焊接性及良好的耐蚀性［2］． 为了获得最佳的强韧匹 配效果，需对此类钢板进行调质处理; 而大厚度和良好 综合性能则要求这类钢具有良好的淬透性，以保证其 具有理想的截面性能． 成分和工艺的优化设计是保证 钢具有良好淬透性的重要环节，而钢成分设计又是关 键． 除 Mn、Cr、Ni、Mo 等常规改善淬透性的合金元素 之外，B 是改善钢淬透性有效又经济的元素，在特厚钢 板及其他对淬透性有特殊要求的商业钢中广泛应用． 微量 B 元素的添加即可显著提高钢的淬透性［1，3］． 大 量实验研究结果显示［4--8］，偏聚于奥氏体晶界呈固溶 状态的 B 对淬透性具有巨大贡献，而且钢中存在一个 理想的固溶 B 质量分数( 0. 0003 ～ 0. 0005) ，在此范围 内可以获得良好的淬透性． 但是，B 化学活性较高，与 钢中常存元素 N 亲和力强，易形成 BN，且可以置换碳 化物中的 C 原子而形成 M23 ( C，B) 6等第二相［9］，影响 B 在钢中的固溶量，从而影响淬透性． 因此，合理设计 B 微合金化特厚板钢的化学成分，获得合适的 B 固溶 量是保证此类钢具有高淬透性的必要环节． 工程一般 做法是尝试性加入 V、Ti、Al 等固氮元素，而关于 V、 Ti、Al 等元素对 B 提高淬透性能力尚未作定量化判 断． 本文分别使用热力学计算软件 Thermo-Calc 和材 料性能计算软件 JMatPro 对 B 微合金化特厚板钢进行 成分优化和淬透性预测，设计结果得到了实验的证实． 基于计算工具的新材料研发，是“材 料 基 因 组 计 划 ( material genome initiative，MGI) ”［10］ 的重要内容，这 种模式将一改往日以“试错法”为主的材料设计模式， 大大缩短材料从研发至应用的周期［11］． 1 特厚板钢相平衡的热力学计算 1. 1 特厚板钢合金体系 国际上海洋工程用特厚板 钢 普 遍 遵 循 或 参 考 ASTM A517 /A517M 及 ASTM A514 /A514M 标准的相 关成分体系． 参考上述标准，本文设计计算用钢成分 以 C--Si--Mn--Ni--Cr--Mo 为基础，添加 B 以及 V、Ti、Al 等元素． 使用 Thermo-Calc 软件计算钢在高温范围可 能存在的主要平衡析出相和相含量，掌握钢中 B 的固 溶和析出的热力学规律，计算固氮元素 V、Ti 和 Al 的 加入量对主要平衡析出相的影响，研究各固氮元素对 B 在钢 中 固 溶 的 影 响． 计 算 中 假 设 钢 中 w ( N) = 0. 004% ，w( B) = 0. 0015% ． 设计钢成分如表 1 所示． 表 1 特厚板钢的主要化学成分( 质量分数) Table 1 Main chemical composition of the ultra-heavy plate steel % 元素 C Si Mn Ni Cr Mo Cu B N Fe 设计范围 0. 12 ～ 0. 16 0. 3 ～ 0. 4 0. 75 ～ 0. 95 1. 15 ～ 1. 35 0. 90 ～ 1. 10 0. 4 ～ 0. 5 0. 25 ～ 0. 35 0. 001 ～ 0. 002 ≤0. 006 余量 质量分数 0. 14 0. 35 0. 85 1. 25 1. 05 0. 45 0. 30 0. 0015 0. 004 余量 1. 2 Thermo-Calc 热力学计算条件设定 Thermo-Calc 作为优秀的材料热力学计算工具［12］， 在钢铁材料［13--17］、有色金属［18--19］、高温合金［20--21］、高熵 合金［22］等材料的设计优化以及加工制备方面得到了广 泛应用． Thermo-Calc 软件核心计算方法是CALPHAD， 目前 可 以 处 理 多 达 40 个 组 元 体 系 的 热 力 学 计 算［23--24］． 本文计算使用 Thermo Calc 3. 0 及 TCFE7 数 据库进行． TCFE7 是 2012 年最新发布的用于铁基合 金计算的数据库，可广泛应用于铁基合金中各种不同 类型相的热力学平衡计算． 设定待计算的合金体系量为 1 mol，参考状态温度 为 1000 ℃，压强为 1 × 105 Pa． 参照表 1 以质量分数输 入钢成分，计算 500 ～ 1600 ℃ 范围内，体系存在的平衡 析出相及相含量． 在表 1 基础成分上分别添加 V、Ti、 Al 等固氮元素，计算各固氮元素对 B 固溶与析出的 影响． 2 热力学计算结果与分析 2. 1 特厚板钢主要析出相的热力学计算 表 1 所示的基础成分钢的平衡析出相计算结果如 图 1 所示． 存在的主要相有液相、体心立方相( 铁素 体) 、面 心 立 方 相 ( 奥 氏 体) 、碳 化 物 相、氮 化 物 相 ( BN) 等． 如前所述，淬火前固溶于奥氏体中的 B 可以显著 提高淬透性． 但是，B 易与 N 结合，从而影响钢的淬透 性． 从图 1 可以看出，随着温度逐渐降低，约在 1220 ℃ 钢中开始析出 BN，降低了奥氏体( 图 1 中 FCC_A1 相) 中 B 的 固 溶 量( 热 力 学 计 算 表 明，常 规 淬 火 温 度 为 910 ℃时奥氏体中固溶的 B 仅为 0. 00002% ) ，不利于 B 改善钢的淬透性． 因此，为了发挥微量 B 提高钢淬 透性的作用，就要合理的添加固氮元素，抑制高温阶段 BN 的析出． · 844 ·

高志玉等：高淬透性硼微合金化特厚板钢成分优化设计 ·449 1.0 及析出温度.从图3中可见，增加钢中T质量分数 FCC_AI 液相 (如0.015%)，Ti的氮化物析出温度更高，固氮作用更 显著 竖 0.0002 0.5 Ti(CN).0.010%Ti BCC_A2 BCCA2 送 Ti(CN)0.015%Ti M.C2 M.C. BN 0.0001 500 1000 1500 BN 温度℃ 图1含硼设计钢的主要平衡析出相 Fig.I Equilibrium precipitates in the designed B-containing steel 1000 1250 2.2固氨元素V、Ti和Al固氨能力评析 温度C 钢中加入合适的固氮元素以及合适的添加量，是 图3含Ti和B的设计钢氮化物析出 Fig.3 Nitride precipitation of the Ti,B-containing designed steel 获得良好的淬透性的基础.本文在表1所示基础成分 之上，考虑V、T和A1在钢中的常规含量，分别添加 0.00010 w(V)=0.06%,1w(Ti)=0.01%,w(Al)=0.04%,计 算各成分组合下氮化物平衡的析出规律，对比V、T和 A1的固氮能力，计算结果如图2~图4所示. BN 0.00005 VCN.0.06%V AIN.0.08%A 0.00010 V(CN.0.08%V AIN.0.04%Al 1000 1100 1200 0.00005 < BN 温度风 图4含Al和B的设计钢氮化物析出 Fig.4 Nitride precipitation of the Al,B-containing designed steel 1000 1250 图4为加入质量分数0.04%A1后钢的平衡析出 温度℃ 图2含V和B的设计钢氮化物析出 相.A1N析出温度为1040℃，低于BN的析出温度 Fig.2 Nitride precipitation of the V,B-containing designed steel (1220℃)，两者析出温度相差180℃.综上所述，如果 根据图2所示，添加质量分数0.06%V的钢在冷 用V、Ti和A!的氮化物平衡析出温度的高低及其析出 却过程中，于1220℃首先析出BN,然后在930℃析出 温度与BN平衡析出温度之差表示V、Ti和A1固氮能 V(CN),两者析出温度间隙高达290℃.在此计算条 力的强弱，那么根据上述分析添加质量分数0.06% 件下，固氮元素V对N的争夺作用弱于B,BN先于 V、0.01%Ti和0.04%A1的三种设计钢种在其冷却 V(CN)析出，V的加入并没有增加B在奥氏体中的固 过程中，Ti(CN)于1400℃首先析出，Ti更易于与N结 溶量.相对而言，V固氮能力较弱.少量V的存在并 合，具有很好的固氮效果，可以抑制BN的析出：AIN和 不益于增加钢中B的固溶量，对淬透性影响不大.增 V(CN)的析出温度分别为1040℃和930℃，相比之 加V质量分数为0.08%，V的固氮作用亦未见显著加 下，V的氮化物析出温度远低于BN,因此其抑制BN 强（如图2）.综上所述，添加V对B的氮化物析出抑 析出的作用较弱：而AIN析出温度介于T(CN)和 制作用影响不大，改善钢的淬透性能力较弱. V(CN)之间，且略低于BN析出温度，AI、B与N竞相 添加固氮元素质量分数0.01%T的钢高温冷却 结合，这一结果与文献25-26]报道一致.从图4也可 阶段主要析出相如图3所示，T(CN)析出温度（约 以看出，常规A1质量分数为0.04%，A1对N的结合能 1400℃)远高于BN析出温度（约1120℃），也就是说， 力仅略低于B.改变A1质量分数（如0.08%），AlN析 微量T既表现出很强的固氮能力，降低BN的析出量 出温度提高，A1的固氮能力进一步提高，有利于改善

高志玉等: 高淬透性硼微合金化特厚板钢成分优化设计 图 1 含硼设计钢的主要平衡析出相 Fig． 1 Equilibrium precipitates in the designed B-containing steel 2. 2 固氮元素 V、Ti 和 Al 固氮能力评析 钢中加入合适的固氮元素以及合适的添加量，是 获得良好的淬透性的基础． 本文在表 1 所示基础成分 之上，考虑 V、Ti 和 Al 在钢中的常规含量，分别添加 w( V) = 0. 06% ，w( Ti) = 0. 01% ，w( Al) = 0. 04% ，计 算各成分组合下氮化物平衡的析出规律，对比 V、Ti 和 Al 的固氮能力，计算结果如图 2 ～ 图 4 所示． 图 2 含 V 和 B 的设计钢氮化物析出 Fig． 2 Nitride precipitation of the V，B-containing designed steel 根据图 2 所示，添加质量分数 0. 06% V 的钢在冷 却过程中，于 1220 ℃首先析出 BN，然后在 930 ℃ 析出 V( CN) ，两者析出温度间隙高达 290 ℃ ． 在此计算条 件下，固氮元素 V 对 N 的争夺作用弱于 B，BN 先于 V( CN) 析出，V 的加入并没有增加 B 在奥氏体中的固 溶量． 相对而言，V 固氮能力较弱． 少量 V 的存在并 不益于增加钢中 B 的固溶量，对淬透性影响不大． 增 加 V 质量分数为 0. 08% ，V 的固氮作用亦未见显著加 强( 如图 2) ． 综上所述，添加 V 对 B 的氮化物析出抑 制作用影响不大，改善钢的淬透性能力较弱． 添加固氮元素质量分数 0. 01% Ti 的钢高温冷却 阶段主要析出相如图 3 所示，Ti( CN) 析出温 度( 约 1400 ℃ ) 远高于 BN 析出温度( 约 1120 ℃ ) ，也就是说， 微量 Ti 既表现出很强的固氮能力，降低 BN 的析出量 及析出温度． 从图 3 中可见，增加钢中 Ti 质量分数 ( 如 0. 015% ) ，Ti 的氮化物析出温度更高，固氮作用更 显著． 图 3 含 Ti 和 B 的设计钢氮化物析出 Fig． 3 Nitride precipitation of the Ti，B-containing designed steel 图 4 含 Al 和 B 的设计钢氮化物析出 Fig． 4 Nitride precipitation of the Al，B-containing designed steel 图 4 为加入质量分数 0. 04% Al 后钢的平衡析出 相． AlN 析出 温 度 为 1040 ℃，低 于 BN 的 析 出 温 度 ( 1220 ℃ ) ，两者析出温度相差 180 ℃ ． 综上所述，如果 用 V、Ti 和 Al 的氮化物平衡析出温度的高低及其析出 温度与 BN 平衡析出温度之差表示 V、Ti 和 Al 固氮能 力的强弱，那么根据上述分析添加质量分数 0. 06% V、0. 01% Ti 和 0. 04% Al 的三种设计钢种在其冷却 过程中，Ti( CN) 于 1400 ℃首先析出，Ti 更易于与 N 结 合，具有很好的固氮效果，可以抑制 BN 的析出; AlN 和 V( CN) 的析出温度分别为 1040 ℃ 和 930 ℃，相比之 下，V 的氮化物析出温度远低于 BN，因此其抑制 BN 析出的 作 用 较 弱; 而 AlN 析 出 温 度 介 于 Ti ( CN) 和 V( CN) 之间，且略低于 BN 析出温度，Al、B 与 N 竞相 结合，这一结果与文献［25--26］报道一致． 从图 4 也可 以看出，常规 Al 质量分数为 0. 04% ，Al 对 N 的结合能 力仅略低于 B． 改变 Al 质量分数( 如 0. 08% ) ，AlN 析 出温度提高，Al 的固氮能力进一步提高，有利于改善 · 944 ·

·450· 工程科学学报，第37卷，第4期 淬透性.关于A含量对固溶B量的影响见后续讨论 0.00015不含 0.029%A 有必要指出，基于热力学计算分析，T的氮化物 0.04%AP 析出温度较高（达到1400℃），且增加钢中Ti含量，T 一0069克 0.08%1 的氮化物析出温度甚至更高（如图3所示）.也就是 0.00010E -0.10%AH 说，基于固氮能力的考虑，T将是最佳的选择。但也正 0.129%AT 是因为T的氮化物析出温度高，析出物容易长大而获 得较粗第二相组织，使钢的韧性变差，这一分析也被文 孟0.00005 献报道证实叨.比较之下，V的固氮能力相对较弱，因 此对于硼微合金化钢来说，A!是固氮的首选元素，！ 的氮化物析出温度较低，粒子尺寸细小，具有细化晶粒 等积极作用. 750 1000 1250 温度℃ 2.3A!含量对设计钢平衡相析出行为的影响 图6AI质量分数对BN析出的影响 2.3.1A1含量对氮化物析出的影响 Fig.6 Effect of Al content on BN precipitation 基于上述分析，使用Thermo-Cale计算了不同Al 含量对AN和BN析出行为的影响，结果如图5及图6 所示.随着钢中A1质量分数的增加，AN析出温度向 高温偏移；BN析出量逐渐减少，析出温度变化不大，约 0.000100 为1220℃.理论计算表明，当w(A1)=0.12%时，AlN 析出温度已接近1130℃.从固氮能力分析，随着A1含 量的增加，A1对N的竞争能力逐渐接近B,高A山含量 将有利于增强A!的固氮能力，抑制BN析出，有利于B 在奥氏体的固溶，从而改善淬透性。这种基于热力学 0.000075 的计算分析，得到了后续相关实验的验证 0.0003 0.05 0.10 A1的质量分数/% 0.12%A1 图7910℃时A1含量对AN析出的影响 0.10%A1 Fig.7 Effect of Al content on AIN precipitation at 910C 0.0002 0.02%A1- 0.08%A1 2.3.2A1含量对B在奥氏体中固溶度的影响 0.04%AI 0.06%A1 (I)基于Thermo-Calc热力学平衡计算的分析.B 0.0001 在奥氏体中的固溶量直接影响淬透性.Thermo-Calc软 件计算A!含量对B在钢中的固溶量的影响，结果见 图8.由图可知，随着A山含量增加，奥氏体中B的固溶 1000 1250 量增加.由前述分析可知，A1的加入起到固氮作用，抑 温度℃ 制了BN析出，从而增加了B在奥氏体中的固溶量. 图5AI质量分数对AN析出的影响 图8也反映了温度越高，固溶的B越多这一规律.这 Fig.5 Effect of Al content on AlN precipitation 是因为温度越高，含B第二相(BN)溶入奥氏体基体的 特厚钢板淬火温度一般为910℃左右，有必要对 缘故.一言以蔽之，基于热力学计算结果分析，随着A1 该温度下A1含量对AN析出行为的影响进行计算，结 含量的增加，A!抑制BN析出能力增强，B在奥氏体中 果如图7所示.A1质量分数在~0.07%变化，A1N的 固溶量增加，有利于改善淬透性. 析出量呈递增趋势，增加显著：当w()>0.07%后， (2)基于固溶度积公式的分析.利用第二相固溶 AN析出量增幅不大，A1的固氮能力达到最强.据此 度积公式，可以对确定化学成分的钢中第二相形成元 计算结果可知，B微合金化特厚板钢A!质量分数至少 素在铁基体中的平衡固溶量及沉淀析出量进行理论计 达到0.07%，才可达到良好的固氮效果，改善钢的淬 算，由此可以根据实际需要通过改变工艺温度而调节 透性.根据热力学计算，A1质量分数大于0.10%后， 第二相形成元素在钢中的存在方式及存在量.通过相 A1的固氮作用趋于稳定，继续增加钢中A1含量无益 分析方法获得的AIN和BN在奥氏体中的固溶度积公 于固氮作用的发挥. 式为圆：

工程科学学报，第 37 卷，第 4 期 淬透性． 关于 Al 含量对固溶 B 量的影响见后续讨论． 有必要指出，基于热力学计算分析，Ti 的氮化物 析出温度较高( 达到 1400 ℃ ) ，且增加钢中 Ti 含量，Ti 的氮化物析出温度甚至更高( 如图 3 所示) ． 也就是 说，基于固氮能力的考虑，Ti 将是最佳的选择． 但也正 是因为 Ti 的氮化物析出温度高，析出物容易长大而获 得较粗第二相组织，使钢的韧性变差，这一分析也被文 献报道证实［27］． 比较之下，V 的固氮能力相对较弱，因 此对于硼微合金化钢来说，Al 是固氮的首选元素，Al 的氮化物析出温度较低，粒子尺寸细小，具有细化晶粒 等积极作用． 2. 3 Al 含量对设计钢平衡相析出行为的影响 2. 3. 1 Al 含量对氮化物析出的影响 基于上述分析，使用 Thermo-Calc 计算了不同 Al 含量对 AlN 和 BN 析出行为的影响，结果如图 5 及图 6 所示． 随着钢中 Al 质量分数的增加，AlN 析出温度向 高温偏移; BN 析出量逐渐减少，析出温度变化不大，约 为 1220 ℃ ． 理论计算表明，当 w( Al) = 0. 12% 时，AlN 析出温度已接近 1130 ℃ ． 从固氮能力分析，随着 Al 含 量的增加，Al 对 N 的竞争能力逐渐接近 B，高 Al 含量 将有利于增强 Al 的固氮能力，抑制 BN 析出，有利于 B 在奥氏体的固溶，从而改善淬透性． 这种基于热力学 的计算分析，得到了后续相关实验的验证． 图 5 Al 质量分数对 AlN 析出的影响 Fig． 5 Effect of Al content on AlN precipitation 特厚钢板淬火温度一般为 910 ℃ 左右，有必要对 该温度下 Al 含量对 AlN 析出行为的影响进行计算，结 果如图 7 所示． Al 质量分数在 ～ 0. 07% 变化，AlN 的 析出量呈递增趋势，增加显著; 当 w( Al) ＞ 0. 07% 后， AlN 析出量增幅不大，Al 的固氮能力达到最强． 据此 计算结果可知，B 微合金化特厚板钢 Al 质量分数至少 达到 0. 07% ，才可达到良好的固氮效果，改善钢的淬 透性． 根据热力学计算，Al 质量分数大于 0. 10% 后， Al 的固氮作用趋于稳定，继续增加钢中 Al 含量无益 于固氮作用的发挥． 图 6 Al 质量分数对 BN 析出的影响 Fig． 6 Effect of Al content on BN precipitation 图 7 910 ℃时 Al 含量对 AlN 析出的影响 Fig． 7 Effect of Al content on AlN precipitation at 910 ℃ 2. 3. 2 Al 含量对 B 在奥氏体中固溶度的影响 ( 1) 基于 Thermo-Calc 热力学平衡计算的分析． B 在奥氏体中的固溶量直接影响淬透性． Thermo-Calc 软 件计算 Al 含量对 B 在钢中的固溶量的影响，结果见 图 8． 由图可知，随着 Al 含量增加，奥氏体中 B 的固溶 量增加． 由前述分析可知，Al 的加入起到固氮作用，抑 制了 BN 析出，从而增加了 B 在奥氏体中的固溶量． 图 8 也反映了温度越高，固溶的 B 越多这一规律． 这 是因为温度越高，含 B 第二相( BN) 溶入奥氏体基体的 缘故． 一言以蔽之，基于热力学计算结果分析，随着 Al 含量的增加，Al 抑制 BN 析出能力增强，B 在奥氏体中 固溶量增加，有利于改善淬透性． ( 2) 基于固溶度积公式的分析． 利用第二相固溶 度积公式，可以对确定化学成分的钢中第二相形成元 素在铁基体中的平衡固溶量及沉淀析出量进行理论计 算，由此可以根据实际需要通过改变工艺温度而调节 第二相形成元素在钢中的存在方式及存在量． 通过相 分析方法获得的 AlN 和 BN 在奥氏体中的固溶度积公 式为［28］: · 054 ·

高志玉等：高淬透性硼微合金化特厚板钢成分优化设计 ·451 0.12%A 量一未添加V,T和AI ◆—0.06%V -◆一0.008%T 0.00050 0.10%A1 ￥一0.08%A1 0.08%41 0.06%A1 0.00025 0.04%A1 0.029%A 0 不含 900 1000 1100 32 4060 80 100 温度℃ 至淬火端距离mm 图8A1含量对B固溶度的影响 图9设计钢淬透性预测 Fig.8 Effect of Al content on the solution of B Fig.9 Hardenability prediction of the designed steel lg{[]·N]},=1.03-6770/T, (1) 响，如图10所示.计算结果显示钢中A1含量增加，钢 lg{B]·N]},=4.160-14694/T. (2) 的硬度提高，钢的淬透层厚度增加.这与前述热力学 因此，根据式(I)和式(2)可得AIN和BN的全固 平衡析出相的分析一致.伴随A1含量增加，固溶状态 溶温度TA及T可以表达为： 的B达到合适值，提高了钢的淬透性 6770 Tuw=1.03-lg·NJ, (3) 2 一量一0.12%A1 14694 Tw=4.160-gB·N, (4) 。一0.10%A1 0 ▲一0.08%A1 根据式(3)，以表1所示成分进行计算，当 一0.06%A1 ◆一0.04%A1 w(A)%=0.02时全固溶温度Tx约为1050℃， 38 一0.02%A1 w(Al)%=0.07时TAw约为1200℃.计算说明TA随 Al含量增加而升高，如同Thermo-Cale计算结果所揭 36 示的规律（图4和图5），增加钢中A1含量可促进AN 析出，且析出温度向更高温度推进（接近BN析出温 度)，从而抑制BN析出，有利于B在钢中的固溶，改善 淬透性. 20 40 60 80 100 综上分析，较高A!含量，可增加B在奥氏体中的 至淬火端距离/mm 图10A!含量对设计钢淬透性的影响预测 固溶量，有利于B在奥氏体晶界的偏聚，提高钢的淬 Fig.10 Effect forecast of Al content on the hardenability of the de- 透性.微Ti可有效抑制BN析出，增加B在钢中的固 signed steel 溶量，改善淬透性.V对B的固溶行为影响较小.下文 将对含有不同固氮元素的钢的淬透性进行以计算为基 4含B特厚板钢淬透性的实验验证及讨论 础的验证 为检验前述钢成分设计的可靠性，基于设计成分 3基于JMatPro的钢淬透性预测 熔炼试制了五种实验钢.实验钢成分以0.15C一 MatPro是著名的材料性能模拟软件，在材料设 0.40Si-0.80Mn-1.20Ni-1.0Cr-0.4Mo-0.30Cu为基 计、工艺制定等方面得到广泛认可.本文使用 础，V、Ti、A1等固氮元素含量见表2.1与2*钢并未加 MatPro软件分别计算了添加V、Ti和Al元素对设计 入B,以关注B对淬透性的积极作用.1~3钢中A1 钢Jominy淬透性的影响，如图9所示.从图中可以看 仅满足脱氧要求的常规含量，而4和5分别添加了中 出，未添加V、T和A1的钢淬透性较低，而添加固氮元 等含量的A1和较高含量的A山，对比考察A的固氮及 素的钢淬透性有所提高，其中含高A1(0.08%AI)和微 有利于提高淬透性的作用. T(0.008%)的钢淬透性显著改善.淬透性预测结果 五种实验钢的Jominy淬透性实验结果如图I1所 与前文Thermo-Cale计算分析一致. 示.由图可知，相对于无B钢，B微合金化钢均表现出 基于JMatPro计算了不同Al含量对钢的淬透性影 更为优越的淬透性，尤其是5钢（高l+B)和3钢

高志玉等: 高淬透性硼微合金化特厚板钢成分优化设计 图 8 Al 含量对 B 固溶度的影响 Fig． 8 Effect of Al content on the solution of B lg{ ［Al］·［N］} γ = 1. 03 － 6770 /T， ( 1) lg{ ［B］·［N］} γ = 4. 160 － 14694 /T． ( 2) 因此，根据式( 1) 和式( 2) 可得 AlN 和 BN 的全固 溶温度 TAlN及 TBN可以表达为: TA1N = 6770 1. 03 － lg{ ［Al］·［N］} γ ， ( 3) TBN = 14694 4. 160 － lg{ ［B］·［N］} γ ． ( 4) 根据 式 ( 3 ) ，以 表 1 所 示 成 分 进 行 计 算，当 w( Al) % = 0. 02 时 全 固 溶 温 度 TAlN 约 为 1050 ℃， w( Al) % = 0. 07 时 TAlN约为 1200 ℃ ． 计算说明 TAlN随 Al 含量增加而升高，如同 Thermo-Calc 计算结果所揭 示的规律( 图 4 和图 5) ，增加钢中 Al 含量可促进 AlN 析出，且析出温度向更高温度推进( 接近 BN 析出温 度) ，从而抑制 BN 析出，有利于 B 在钢中的固溶，改善 淬透性． 综上分析，较高 Al 含量，可增加 B 在奥氏体中的 固溶量，有利于 B 在奥氏体晶界的偏聚，提高钢的淬 透性． 微 Ti 可有效抑制 BN 析出，增加 B 在钢中的固 溶量，改善淬透性． V 对 B 的固溶行为影响较小． 下文 将对含有不同固氮元素的钢的淬透性进行以计算为基 础的验证． 3 基于 JMatPro 的钢淬透性预测 JMatPro 是著名的材料性能模拟软件，在材料设 计、工艺制定等方面得到广泛认可［29--32］． 本文 使 用 JMatPro 软件分别计算了添加 V、Ti 和 Al 元素对设计 钢 Jominy 淬透性的影响，如图 9 所示． 从图中可以看 出，未添加 V、Ti 和 Al 的钢淬透性较低，而添加固氮元 素的钢淬透性有所提高，其中含高 Al( 0. 08% Al) 和微 Ti( 0. 008% ) 的钢淬透性显著改善． 淬透性预测结果 与前文 Thermo-Calc 计算分析一致． 基于 JMatPro 计算了不同 Al 含量对钢的淬透性影 图 9 设计钢淬透性预测 Fig． 9 Hardenability prediction of the designed steel 响，如图 10 所示． 计算结果显示钢中 Al 含量增加，钢 的硬度提高，钢的淬透层厚度增加． 这与前述热力学 平衡析出相的分析一致． 伴随 Al 含量增加，固溶状态 的 B 达到合适值，提高了钢的淬透性． 图 10 Al 含量对设计钢淬透性的影响预测 Fig． 10 Effect forecast of Al content on the hardenability of the de￾signed steel 4 含 B 特厚板钢淬透性的实验验证及讨论 为检验前述钢成分设计的可靠性，基于设计成分 熔炼 试 制 了 五 种 实 验 钢． 实 验 钢 成 分 以 0. 15C-- 0. 40Si--0. 80Mn--1. 20Ni--1. 0Cr--0. 4Mo--0. 30Cu 为基 础，V、Ti、Al 等固氮元素含量见表 2． 1# 与 2# 钢并未加 入 B，以关注 B 对淬透性的积极作用． 1# ～ 3# 钢中 Al 仅满足脱氧要求的常规含量，而 4# 和 5# 分别添加了中 等含量的 Al 和较高含量的 Al，对比考察 Al 的固氮及 有利于提高淬透性的作用． 五种实验钢的 Jominy 淬透性实验结果如图 11 所 示． 由图可知，相对于无 B 钢，B 微合金化钢均表现出 更为优越的淬透性，尤其是 5# 钢( 高 Al + B) 和 3# 钢 · 154 ·