Q420B鋼沖擊功不合原因分析與改進(jìn)

石軍強(qiáng)，馬傳慶，溫建波

（山鋼股份萊蕪分公司，山東萊蕪　271105）

Q420B鋼沖擊功不合原因分析與改進(jìn)

石軍強(qiáng)，馬傳慶，溫建波

（山鋼股份萊蕪分公司，山東萊蕪271105）

分析造成Q420B鋼沖擊功偏低的原因?yàn)楹C量過(guò)高（0.12%～0.15%）和控軋生產(chǎn)工藝不合理，通過(guò)控制釩含量在0.04%～0.08%和終軋溫度低于940℃，使Q420B鋼20℃的沖擊功滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求。

Q420B鋼；沖擊功；化學(xué)成分；夾雜物

1　前言

Q420B屬于GB/T 1591—2008低合金高強(qiáng)度鋼，是在碳素鋼的基礎(chǔ)上加入少量Nb、V、Ti等微合金元素，以提高鋼的強(qiáng)度、改善鋼的綜合性能。該鋼種不需熱處理直接使用，成本較低，是一種節(jié)約能源和資源的環(huán)保型鋼種，廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各領(lǐng)域，特別是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和加工制造業(yè)，例如石油平臺(tái)、橋梁、大型建筑物等的建設(shè)和船舶、車輛、容器及機(jī)械、化工、輕工設(shè)備的制造。

Q420B低合金高強(qiáng)度鋼要求20℃的V形沖擊功≥34 J。萊鋼特鋼事業(yè)部2013年12月生產(chǎn)的Ф 90、Ф105 mm規(guī)格的Q420B低合金高強(qiáng)度圓鋼，部分爐次20℃的V形沖擊功低值低于34 J，影響了質(zhì)量穩(wěn)定性，延遲了交貨日期。通過(guò)跟蹤生產(chǎn)過(guò)程和檢驗(yàn)分析，找出了原因，通過(guò)優(yōu)化了鋼種內(nèi)控成分，大幅度提高了Q420B鋼20℃的V形沖擊功檢驗(yàn)合格率，滿足了用戶需求。

2　沖擊功不合試樣檢驗(yàn)

為分析Q420B鋼沖擊韌性不合原因，在沖擊不合爐次鋼材上取樣分析化學(xué)成分，檢驗(yàn)晶粒度、夾雜物等，對(duì)影響沖擊功的因素進(jìn)行檢驗(yàn)、分析。

2.1化學(xué)成分

取沖擊性能不合格試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，成分比較穩(wěn)定，S、P含量較低，結(jié)果如表1所示。

表1　沖擊性能不合格試樣化學(xué)成分%

2.2晶粒度

對(duì)沖擊性能不合格試樣做高倍檢驗(yàn)，基體組織為鐵素體+珠光體，晶粒較粗大，晶粒度7級(jí)，金相組織如圖1所示。

圖1　沖擊性能不合格試樣金相組織

2.3夾雜物檢驗(yàn)

將沖擊不合試樣制成高倍試樣觀察夾雜物，依GB/T 10561—2005標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)結(jié)果見(jiàn)表2，夾雜物級(jí)別較低。

表2　沖擊性能不合格試樣夾雜物級(jí)別級(jí)

3　沖擊性能不合格原因分析

3.1影響沖擊功的因素

1）對(duì)于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定可同時(shí)或單獨(dú)加入Nb、V、Al、Ti等微合金元素以細(xì)化晶粒，細(xì)化晶粒是提高材料強(qiáng)韌性的主要措施之一。隨著晶粒度級(jí)別的提高，鋼材低溫沖擊功越高。

2）隨著鋼中S、P含量的增加，鋼的低溫沖擊功明顯降低。在一定范圍內(nèi)，Mn含量的提高，可以削弱硫?qū)Φ蜏貨_擊功的不利影響。

3）鋼中的非金屬夾雜物越細(xì)小，分布越均勻，鋼的低溫沖擊功值就越高。

4）C在低合金鋼中形成珠光體組織，是有效的強(qiáng)化元素，可提高鋼的強(qiáng)度，但能鋼的降低塑性和韌性，使鋼的沖擊韌性變差。

5）Al、Nb、V、Ti均可細(xì)化晶粒，可起到提高沖擊性能的作用，V的細(xì)化晶粒效果相對(duì)較差。而且隨含V量的增加，開(kāi)始時(shí)細(xì)化晶粒效果顯著，當(dāng)含V量達(dá)到0.08%以后，隨含V量的增加晶粒尺寸基本不變，但沉淀強(qiáng)化程度增加，鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，從而降低了沖擊功［1］。

6）采用控制軋制技術(shù)可改善鋼材的組織結(jié)構(gòu)，提高鋼材的強(qiáng)韌性［2］。通過(guò)控軋控冷，使晶粒得到細(xì)化，可以有效提高沖擊功。低合金高強(qiáng)度鋼隨著終軋溫度的升高，沖擊功緩慢降低，當(dāng)終軋溫度＞850℃后，沖擊功下降較快。

3.2沖擊不合原因

1）分析沖擊性能不合格爐次的煉鋼、連鑄過(guò)程工藝參數(shù)控制正常，鋼中S、P含量及夾雜物級(jí)別均較低，基本可排除煉鋼、連鑄工藝及潔凈度原因。

2）低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼中加入微量元素能提高強(qiáng)度，但如果軋制工藝不合理，鋼的韌性會(huì)變差，只有采用合理的控軋工藝，才能使強(qiáng)度和韌性都得到提高。生產(chǎn)此類鋼通過(guò)控制終軋和冷卻溫度，可以細(xì)化晶粒，從而抵消因微合金元素形成的碳氮化物析出強(qiáng)化引起的韌性惡化，獲得較高的強(qiáng)度和韌性。但加入過(guò)多的釩（＞0.08%），即使控制軋制也會(huì)使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，降低沖擊功。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，確認(rèn)Q420B鋼中含釩量過(guò)高（0.12%～0.15%）是導(dǎo)致沖擊功檢驗(yàn)不合格的原因之一。

3）軋制工序控冷、控軋生產(chǎn)工藝條件不完善，終軋溫度高（950～980℃），也是導(dǎo)致沖擊功檢驗(yàn)不合格的原因之一。

4　改進(jìn)措施

影響Q420B沖擊性能的主要因素有化學(xué)成分、晶粒度、非金屬夾雜物、顯微組織等因素，從上述對(duì)沖擊不合格試樣分析結(jié)果看，非金屬夾雜物控制級(jí)別較低，化學(xué)成分相對(duì)穩(wěn)定。因此，在保證鋼水潔凈度和鑄坯成分組織均勻的前提下，改進(jìn)措施應(yīng)以化學(xué)成分優(yōu)化、細(xì)化晶粒為主。

4.1化學(xué)成分控制

鋼中過(guò)高的釩含量會(huì)使強(qiáng)度增加、韌性降低，根據(jù)不同釩含量對(duì)沖擊性能的影響變化規(guī)律，在保證碳當(dāng)量的前提下，適當(dāng)降低Q420B鋼中釩含量，將釩含量?jī)?nèi)控標(biāo)準(zhǔn)定為0.04%～0.08%，如果釩含量超過(guò)0.08%，會(huì)使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高而降低沖擊韌性。還要通過(guò)控制鋼中鋁含量細(xì)化晶粒提高沖擊韌性。煉鋼過(guò)程加強(qiáng)脫氧、脫硫、脫氣、軟吹氬操作，保證鋼中全氧含量≤17×10-6；連鑄穩(wěn)定拉速、過(guò)熱度、結(jié)晶器液面等工藝參數(shù)，優(yōu)化二冷配水，減輕鑄坯成分組織偏析。

4.2軋制工藝改進(jìn)

嚴(yán)格按工藝規(guī)程要求控制加熱過(guò)程，確保鑄坯加熱質(zhì)量，以保證鋼材內(nèi)部組織均勻，無(wú)異常組織存在。軋制過(guò)程中控制好生產(chǎn)節(jié)奏，降低終軋溫度，保證低于940℃，充分發(fā)揮形變對(duì)鋼材組織改善和晶粒尺寸控制的作用，使晶粒進(jìn)一步細(xì)化。

5　結(jié)語(yǔ)

Q420B低合金高強(qiáng)度鋼20℃的V形沖擊功低的主要原因是化學(xué)成分設(shè)計(jì)和控軋工藝不合理造成的。采取針對(duì)性措施后，進(jìn)行了試驗(yàn)生產(chǎn)。通過(guò)優(yōu)化成分，控制釩含量在0.04%～0.08%，降低終軋溫度細(xì)化晶粒，Q420B低合金高強(qiáng)度鋼的沖擊性韌性明顯提高，可以完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，Q420B鋼晶粒度達(dá)到了8級(jí)，沖擊性能得到了明顯改善，統(tǒng)計(jì)沖擊值最小為38 J，平均值達(dá)到45 J，杜絕了該鋼種低溫沖擊性能不合格現(xiàn)象。

［1］王有銘，李曼云，韋光.鋼材的控制軋制和控制冷卻［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1995。

［2］溫志紅.提高Q345系列鋼板沖擊韌性的軋制工藝探討［J］.南方金屬，2004（6）:27-29。

TG335

B

1004-4620（2016）05-0070-02

2015-12-30

石軍強(qiáng)，男，1971年生，1995年畢業(yè)于華東冶金學(xué)院金屬壓力加工專業(yè)。現(xiàn)為山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部高級(jí)工程師，從事工藝技術(shù)管理。