Q345中厚鋼板TMCP工藝與力學性能研究

趙虎 朱豪 陳曉山 孔鵬

【摘 要】本文針對影響C-Mn系Q345鋼板力學性能的控軋和控冷工藝參數進行分析和研究，確定了中間坯厚度、終軋溫度、開冷溫度、終冷溫度等因素與性能的關系。通過工藝改進，提高了鋼板性能合格率。

【關鍵詞】Q345；中厚板；TMCP；力學性能

1.前言

近年來，隨著快速冷卻工藝和裝備日益成熟，TMCP技術被廣泛應用于合金成份減量化工藝生產低合金結構鋼板。八鋼4200/3500中厚板軋機，采用C-Mn系成份生產14～30mm Q345B/D鋼板，對原熱軋態成份降低Mn，通過ACC加速冷卻，可提高強度30～50MPa，降低合金成本40元/噸左右。在工廠大批量生產時，經常發生屈服偏低或強度高延伸不夠，在季節更替時更加突出。本文深入分析了控軋和控冷工藝參數對性能的影響，以確定改善性能的較優生產工藝。

2.工藝條件

2.1化學成份

2.2軋制方案

板坯加熱后，在4200粗軋機軋制到中間坯厚度，待溫后在精軋機軋制到成品厚度，鋼板軋后ACC快速冷卻，經過矯直、冷卻、剪切、取樣、標識等工序成為成品鋼板。工藝要點如下：加熱溫度1200～1250℃，加熱時間大于210分鐘；粗軋結束溫度大于950℃；精軋終軋溫度大于750℃；ACC開冷溫度大于720℃；終冷溫度大于590℃，冷卻速度5～15℃/s。軋制參數由軋線自動化系統采集，溫度按在線高溫計實測值控制。

3.工藝因素與力學性能的關系

3.1影響性能的工藝因素分析

用表1成份體系生產Q345鋼板，僅靠固溶強化難以保證鋼板的屈服強度和抗拉強度，需要通過控制軋制和控制冷卻來增強晶界強化和位錯強化的效果。鐵素體晶粒尺寸與形核點數量和奧氏體晶粒表面積成正比[1]。奧氏體晶粒細化主要取決于精軋階段在未再結晶區軋制的應變累積程度[2]。在未再結晶區軋制時，奧氏體晶粒被壓扁拉長，累計變形量愈大奧氏體晶粒的表面積也越大，晶內缺陷、變形帶和殘余應變增多，鐵素體形核點也越多，越有利于提高位錯密度。鋼板溫度降低到Ar3開始鐵素體轉變，繼續降低到Ac1時高碳的未相變奧氏體轉變為珠光體。鋼板軋后快速冷卻，有利于固化軋態晶格異質效果。高的過冷度也有利于在扁平的奧氏體晶界上和晶內變形帶上形成鐵素體晶核，晶粒得以進一步細化，并使控軋產生的位錯得以更多的保留，強化效果增強。

3.2中間坯厚度

精軋階段的累積變形效應與中間坯厚度所對應的累計壓下率相關，為使厚度方向奧氏體晶粒均勻變形，需要累計壓下率達到某個工藝“閥值”。測試28mm鋼板的中間坯厚度與強度的關系，目標工藝參數為：終軋溫度830℃、開冷溫度810℃和返紅溫度640℃。中間坯厚度從50mm逐漸增加到82mm，對應的精軋累計壓下率從44%增加到66%，成品鋼板的力學性能如圖1所示。累計壓下率小于60%的強度變化不明顯，達到62%時強度升高15Mpa，之后隨著中間坯厚度增加強度逐漸升高，增加到66%時屈服升高30Mpa、抗拉升高20Mpa。其它規格也存在相似的現象，不同厚度鋼板引起強度突變的累計壓下率不同，厚度越薄對應的累計壓下率“閥值”越大。

3.3終軋溫度

對比不同終軋溫度對強度的影響。測試30mmQ345D鋼板的目標工藝參數為；中間坯厚度80mm、返紅溫度620℃、精軋開軋溫度小于880℃。終軋溫度從830℃逐漸降低到740℃。實測返紅溫度619～635℃，開冷溫度由804℃降低到720℃，冷卻速度由14.4℃/s逐漸降低到6.4℃/s，對應的強度變化如圖2所示。隨著終軋溫度降低，強度升高，大于780℃時升幅較小，低于760℃后顯著提高，由760℃降低到740℃屈服上升30MPa，抗拉提高的幅度小于屈服。

隨著終軋溫度降低，原子擴散能力減弱，抑制了軋后空冷階段的組織回復和軟化，軋制產生的位錯、變形帶、殘余應變等晶內缺陷得以更多保留，位錯強化效果提高，也有利于在相變前形成更多的鐵素體晶核。

3.4冷卻溫度

鋼板軋后通過ACC加速冷卻控制奧氏體向鐵素體轉變的方式，如果在開冷前已發生鐵素體相變，則控冷效果將減弱。在ACC加速冷卻過程中，隨著冷卻速率增加，鐵素體相變溫度降低，但是開冷溫度不宜低于Ac1。

鋼板加速冷卻增加了奧氏體的過冷度，會影響鐵素體形核、晶粒尺寸和珠光體片層間距，通過水溫、水量、集管組合等參數調控，并以終冷溫度和冷卻速率作為結果參數。降低冷卻溫度和增加冷卻速率在使鋼板強度上升的同時，也使鋼板熱殘余應力升高導致延伸下降[3]。以冷速速度10℃/s為基準，每提高1℃/s，屈服提高5～8MPa，抗拉提高3～5 MPa，延伸略有降低。當鋼板冷卻到貝氏體轉變溫度點后，在鋼板表層甚至心部會產生貝氏體組織，碳含量較高的C-Mn鋼會出現強度急劇升高和延伸率大幅降低。

隨機抽取延伸率偏低的三張鋼板，工藝參數和力學性能見表2。終冷溫度低于584℃后延伸率指標異常，低于564℃后屈服強度和抗拉強度急劇升高。

圖3是上述三張鋼板軋制試樣的室溫組織照片，分別為表層和心部500倍的顯微組織。圖中（a）、（b） 、（c）、（e）、（f）均為鐵素體+珠光體+貝氏體， （d）為鐵素體+珠光體。表明終冷溫度584℃時鋼板表面出現貝氏體，564℃時心部出現貝氏體。

4.工藝優化

根據上述測試結果，綜合中間坯厚度、終軋溫度、冷卻溫度等因素對組織和性能的影響關系，系統優化了14～30mmQ345系列鋼板的工藝參數，要點如下：中間坯厚度大于2.6倍成品厚度，按厚度規格設定待溫溫度和終軋溫度，保證開冷溫度740±20℃，終冷溫度大于590℃，冷卻速率5～13℃/s。生產的鋼板組織為F+P，力學性能穩定。2015年10月至2016年7月份，共檢驗3172批次，合格率99.94%。

為了檢驗工藝效果，對鋼板表面、心部和1/4處的組織進行金相觀察，圖4是20mm鋼板不同厚度處500倍的顯微組織。組織為均勻的鐵素體+珠光體，心部晶粒度8級，厚度1/4處晶粒度9級，表層晶粒度10級。表層組織較細，與增加待溫厚度、降低精軋溫度、表層冷速較大等因素有關。

5.結論

采用C-Mn系成份和TMCP工藝生產Q345鋼板時，各軋制和冷卻工藝參數之間相互關聯，對強度和延伸的影響不同，必須綜合考慮。中間坯厚度大于2.6倍成品厚度和保證740±20℃開冷溫度的低溫控軋，有利于ACC固化控軋效果和細化晶粒，可獲得穩定的力學性能。

參考文獻：

[1]小指軍夫.控制軋制控制冷卻——改善材質的軋制技術發展[M].李伏桃，陳巋譯.北京：冶金工業出版社，2002.

[2]朱伏先，李艷梅，劉彥春，王國棟，等. Q345系列中厚鋼板的TMCP工藝研究[J].

[3]朱冬梅，劉國勇，李謀渭，張少軍. 中厚板冷卻過程中熱殘余應力的控制[J]. 北京科技大學學報，2008.