Ti微合金化Q420B熱軋鋼帶組織和性能

閆 萍，吳漢科，張玉文

（唐山不銹鋼有限責任公司，河北063105）

0 引言

近年來，在普通C-Mn鋼或低合金鋼基體化學成分中添加微量金屬元素的微合金化熱軋高強鋼在汽車、工程機械、集裝箱、橋梁、建筑、鐵道車輛等領域得到了廣泛應用，通過微合金化技術達到產品性能標準要求、滿足用戶使用已逐步成為鋼材生產的主流技術。而在微合金元素中一般采用鈮、釩、鈦進行強化，從成本角度考慮，Ti微合金化的價格相對是最低的，故將Ti微合金化鋼工藝進行優化和合理的控制，可有助于提高企業開發高強鋼產品的能力和產品在市場上競爭力，因此研究Ti微合金鋼的應用和推廣更具意義。微合金元素Ti在鋼中主要以碳化鈦（TiC）或碳氮化鈦（Ti（C，N））的形式沉淀析出，可以提高鋼的強度，從而改善鋼材的性能。

通過1580熱軋線進行Ti微合金化Q420B帶鋼的生產試驗，結果表明，產品組織和性能均達到客戶使用要求，該產品實現批量化生產，為拓展Ti合金高強鋼的生產應用打下了堅實基礎。根據調研及生產數據對比，1580熱軋線生產的Ti微合金化Q420B帶鋼與普碳Q420B帶鋼相比，性能完全符合冷彎型鋼國標GB/T 33162-2016中Q420強度級別，而且強度均勻、性良好，具有較高的延伸率和成型性，可用于冷彎型鋼行業對成型性要求較高的產品。目前，唐山不銹鋼公司生產的6.0 mm以下薄規格Ti微合金化Q420B帶鋼可應用于光伏支架橫梁、工程塔基、船舶、建筑、鐵路車輛等用途，可替代厚規格的Q235B或Q355B鋼帶，起到很好的瘦身減重效果。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料成分及力學性能要求

Q420B試驗鋼化學成分設計主要采用低C和Ti微合金化工藝，Ti元素是強碳化物形成元素，它與O、N、C等元素都有極強的親和力，由于Ti固定了鋼中的N并形成TiC或Ti（C，N），可以提高鋼的強度。

本次試驗選取 3.0 mm×1 150 mm、4.0 mm×1 130 mm Q420B規格的成品帶鋼，根據GB/T3274-2007要求，試驗鋼中化學成分及力學性能要求。見表 1，表 2。

表1 鋼中的化學成分/%

表2 Q420B的力學性能要求

1.2 Q420B生產工藝

Q420B生產工藝流程：（鐵水預處理）→轉爐→LF爐→連鑄→1580熱軋機組。

1580熱軋機組控軋控冷工藝：Q420B板坯經加熱爐加熱至1 250±30℃，經過四輥可逆式粗軋機5道次軋至35 mm中間坯，后進入精軋機組，精軋入口溫度控制在1 050±15℃，終軋溫度控制在870±20℃，卷取溫度570±20℃，增加層冷精調段的水量，中間測溫點目標溫度680±20℃。

終軋溫度控制Ti（C，N）和Ti4C2S2奧氏體形變誘導析出，中間控冷溫度控制在鐵素體轉變C曲線鼻尖處，Ti（C，N）鐵素體相變誘導析出，卷取溫度是按照設定的控制使Ti在鐵素體晶內析出和細晶強化均按達到強化效果峰值設計，發揮Ti強化的最大作用，同時可獲得比較多的細晶粒鐵素體組織，可達到高延伸率效果。

1.3 性能測試和組織觀察

按照GB/T 228.1-2010金屬材料室溫拉伸試驗方法，對Q420B鋼板在寬度的四分之一和二分之一位置分別沿橫向和縱向進行力學性能檢驗。按照GB/T6394制備金相試樣進行光學顯微鏡觀察，分析其組織構成、晶粒度和夾雜物形態分布。

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能

表3為各試樣檢測結果，結合表2力學性能要求得知，生產的Q420B抗拉強度、屈服強度、延伸率和冷彎均滿足標準和客戶使用要求，典型拉伸曲線見圖1。同時將Ti微合金化生產的Q420B試樣力學性能與S420MC和QStE420TM標準對比，見表4。

表3 各試樣力學性能檢測結果

圖1 0109DB1420 1/4處橫縱拉伸曲線

表4 試樣力學性能與S420MC和QStE420TM標準對比

從表4的對比結果上看，Ti微合金化生產的Q420B物理性能已完全滿足S420MC、QStE420TM性能要求，在特定使用領域（工程機械開口方管等）可取代S420MC、QStE420TM等Nb微合金化鋼材，降低生產成本。

2.2 顯微組織

對試樣截面進行光學顯微鏡觀察，組織以鐵素體和珠光體為主，晶粒相對細小、均勻，晶粒度評級為11~12級，帶狀組織0.5~1級。如圖2所示

2.3 鋼中夾雜物

圖2 試樣光學顯微鏡下的晶粒度、帶狀組織及夾雜物

試驗鋼中觀察到的夾雜物主要B類氧化鋁類夾雜物，細系1級，細長條形狀，如圖3。

圖3 光學顯微鏡下的夾雜物

2.4 鋼中析出物

圖4 Q420B鋼中析出物形貌及能譜圖

如圖4所示，在透射電鏡下觀察到的鋼中析出物為TiC，析出物尺寸為5 nm左右。

2.5 強化機理分析

Ti在鋼中與各種元素結合可以形成一系列的氧化物、硫化物、碳化物、碳氮化物和氮化物等化合物，但是Ti與合金元素親和力各不相同，Ti的各類化合物穩定性也不盡相同，其遞減順序為：Ti2O3→TiN→Ti4C2S2→Ti（C、N）→TiC[1]。

研究表明，鈦與鋼中的硫有較強的親和力，可生成Ti4C2S2，被用來進行夾雜物形態控制，從而改善鋼板的縱橫向性能差[2-3]。當Ti含量較低時，Ti首先結合鋼中的氮元素，幾乎全部形成TiN，其質點釘扎在晶界處，在再加熱時阻止晶粒長大，細化初始奧氏體晶粒，在軋制過程中阻止形變奧氏體再結晶，延緩再結晶奧氏體晶粒長大，可改善鋼板的焊接性能和韌性，但對提高鋼材的強度作用不大。當[Ti]%增加并超過3.4[N]%時，開始形成Ti4C2S2，此時MnS與Ti4C2S2共存；當[Ti]%增加到將鋼中的碳和氮全部固定時，即[Ti]%=3.4[N]%+3[S]%時，Ti4C2S2將全部取代MnS，此時Ti的沉淀強化作用很小。當[Ti]%繼續增加時，碳與多余的Ti結合形成TiC，鋼帶在冷卻和卷取過程中析出細小而彌散的TiC起到沉淀強化的作用。

結果表明本次試制與Ti析出強化理論相符，通過優化層冷前段水量，使鋼帶快速冷卻到靠近鐵素體轉變溫度；利用1580熱軋生產線層流冷卻長度長的特點，弛豫冷卻；通過優化層冷前段水冷結束溫度，使鐵素體相內析出（尺寸約5 nm）的TiC達到峰值，鐵素體相變誘導TiC的析出有利于提升鋼的強度。經檢測，Q420B熱卷各項性能指標全部符合客戶標準和要求。

3 結論

Ti微合金化的Q420B強度達到了540 MPa以上，屈服強度達到470MPa以上，橫縱向性能均勻且相差較小，在延伸率達到30%以上，滿足客戶使用要求。

Ti微合金化的Q420B中夾雜物為B類夾雜物，且夾雜物尺寸控制在50 μm之內；通過電鏡觀察析出物為TiC，其產品強化機制為TiC沉淀強化。

Ti微合金化的Q420B產品性能結果與S420MC和QStE420TM標準對比，完全符合要求。工程機械開口方管使用Ti微合金化Q420B鋼帶替代Nb+Ti微合金化S420MC和QStE420TM鋼帶，可以降低生產成本。