一般的晶粒細化方法是在煉鋼過程中向鋼液添加微合金元素(Nb、 V、 Ti、 B、 N 等)進行變質處理 ,以提供大量的彌散質點促進非均質形核 ,從而使鋼液凝固后獲得更多的細晶粒。這種微合金化(合金的總質量分數(shù)小于 0.1 %)是比較有效的細化鋼鐵材料晶粒的方法之一。在一定范圍內 ,隨微合金元素含量的增加 ,鐵素體晶粒越細小。
晶粒細化原因有兩方面:一方面,某些固溶合金化元素(W ,Mo ,Mn 等)的加入提高了鋼的再結晶溫度,同時也可降低在一定溫度下晶粒長大的速度;另一方面,某些強碳化物形成元素(如 Nb ,V , Ti等)與鋼中的碳或氮形成尺寸為納米級 (20～100 nm)的化合物,釘扎晶界 ,對晶粒增長有強烈的阻礙作用 ,并且當這種納米級化合物所占體積分數(shù)為 2 %時 ,對組織的細化效果最好。鈮是鋼中常加入的微合金元素 ,通常加入量小于 0.05 %,在鋼中形成 NbC、 NbN 的化合物 ,在再結晶過程中 ,因 NbC、NbN 對位錯的釘扎和阻止亞晶界遷移可大大延長再結晶時間 ,而且鈮阻止奧氏體回復、再結晶的作用最強烈,當鋼中 w (Nb) = 0.03 %時 ,即可將完全再結晶所需的最低溫度提高到950 ℃左右,鋼中加入鈮 ,并通過再結晶控軋技術可使鐵素體晶粒尺寸細化到6μm。釩與碳和氮有較強的親和力 ,形成 V (C ,N)的彌散小顆粒 ,對奧氏體晶界有釘扎作用,可阻礙奧氏體晶界遷移 ,即阻止奧氏體晶粒長大,并提高鋼的粗化溫度;同時形成的 V(C ,N)在奧氏體向鐵素體轉變期間在相界面析出,有效阻止了鐵素體晶粒長大,起到細化鐵素體晶粒的作用。
通常,鋼中釩加入量控制在 0.04 %～0.12 %范圍。高溫下,鋼中鈦以 TiN、 TiC彌散析出,可以成為鋼液凝固時的固體晶核,有利于結晶,細化鋼的組織。鈦也是極活潑的金屬元素 ,能與鐵和碳生成難溶的碳化物質點 ,富集在晶界處 ,阻止晶粒粗化。通常鈦的加入量應大于 0.025 %。
合金元素一般是以復合形式加入鋼中 ,而且復合合金化處理效果比單一合金化處理效果更好。微合金化元素對形變誘導相變也有影響 ,鈮可提高形變誘導相變溫度 ,擴大形變誘導變形區(qū) ,更易獲得超細晶鐵素體。鋼中碳含量降至超低碳范圍時,也容易發(fā)生形變誘導相變 ,并獲得超細晶粒。但單純的微合金化細化技術對鋼鐵材料組織細化有較大的局限性 ,因此應結合一定的熱處理工藝進行綜合細化 ,才能獲得較好的效果。
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