微量鈮對低合金H型鋼性能的影響試驗研究

陳 帥，吳結才，溫 瀟，王厚昕

（1.山西安泰集團股份有限公司技術中心，山西 介休 032002；2.中信金屬股份有限公司，北京 100004）

安泰公司的H型鋼生產線于2011年5月投產，產品型號包括窄翼緣H400×200～H1000×300、中翼緣H300×200～H600×300、寬翼緣H200×200～H400×400，主要鋼種包括碳素結構鋼Q235B、低合金結構鋼Q355B、Q355D、Q355E和出口韓國的日標SS400。至2020年底，累計生產H型鋼726.59萬噸，產品尺寸精度、表面質量和力學性能得到用戶的認可，安泰公司的H型鋼在市場擁有一席之地，2020年的年產量達到131萬噸，超過120萬噸的設計年產能。

355MPa級的低合金H型鋼與235MPa級的普通碳素H型鋼相比，其售價略高，但是具有強度高、韌性好、承載力強、節省鋼材等優點，在工程上的使用量越來越大，目前已占到型鋼產量的30%以上。安泰型鋼生產線在建設時，配套建設異型坯連鑄，以此減少軋制道次，提高軋機的生產效率，減少異型坯腹板的設計厚度。

采用近終形連鑄技術后，坯-材的壓縮比減小，生產效率提高的同時，也為高性能產品的生產留下隱患。在生產低合金產品時，出現部分大規格產品的屈服強度偏低，甚至不合格的情況，偶爾出現屈服強度不合格的質量異議。因此，針對部分大規格及后翼緣產品采取添加微量釩的措施，以此提高產品的強度，確保產品性能合格。但釩鐵價格不穩定，最高時達到60萬元/噸，增加了生產成本。為尋找更優的方法，與中信鈮公司取得聯系，并在他們的資助下，進行微量鈮的強化試驗。

1 試驗方案

1.1 工藝路線

90噸轉爐—吹氬站—LF精煉—異形坯連鑄—鑄坯熱送至軋鋼廠—鑄坯加熱—BD軋制—UR-E-UF軋制—冷卻—矯直—鋸切—碼垛入庫

1.2 試驗鋼成分設計

按照鈮含量設計3種成分，錳含量按加釩時的水平控制，具體成分范圍見表1。

表1 試驗鋼設計成分范圍 Wt，%

考慮到加V鋼中軋制規格最小H300×300×10×15，且具有較好的代表性，因此，選用此規格H型鋼進行試驗。BD軋機按正常節奏軋制，萬能軋機通過在輥道上待溫的方式控制終軋溫度不高于 950℃。

2 試驗過程與結果

2.1 鋼水熔煉成分

按照表1的成分范圍，3種成分分別進行2爐試驗，共計試驗6爐，實際熔煉成分列于表2中。從表中看出，Nb的含量控制在設計范圍內。

表2 試驗鋼Q355BNb熔煉成分 Wt，%

2.2 軋制工藝控制

按表2要求連鑄后，鋼坯紅送至軋鋼廠，落地檢查表面的質量，震痕底部及腹板圓弧區未見有橫向和縱向裂紋。按工藝要求加熱鋼坯，出爐時通過高壓水除鱗，在BD機完成開坯軋制，考慮到Nb提高鋼的再結晶溫度，抑制再結晶的效果，為獲得形變晶粒的細化效果，并且不產生混晶現象，在萬能軋機最后道次軋制前控制溫度，保證終軋溫度不大于950℃，實際為890℃（頭部和尾部）～930℃（中間）。

2.3 成品力學性能

在成品上取樣做拉伸和沖擊試驗，結果見下圖。為驗證鈮對鋼材低溫沖擊韌性改善的效果，在部分批號上取樣進行0℃、-20℃、-40℃和-50℃沖擊試驗，并在腹板上取樣進行對比。在部分爐號翼緣上取橫向試樣做沖擊試驗。

從圖1和圖2中可以看出，試驗爐次產品的屈服強度、抗拉強度和延伸率與標準要求的355MPa、470MPa、22%相比，有較大的富余量。與同期產品（C、Mn相當，加V約0.01%，未控溫）相比，屈服強度有較大提高，提高幅度約30MPa～80MPa，抗拉強度提高約20MPa，延伸率略有降低。從翼緣縱向室溫（20℃）沖擊試驗結果看，試驗爐次的產品高于同期產品。從4個爐次翼緣縱向0℃沖擊試驗可知，均大于34J，而-20℃沖擊試驗僅有12958這1個爐次的沖擊功值大于34J。兩個爐次-40℃和-50℃沖擊功均小于27J。從3個爐次翼緣橫向沖擊試驗結果看，0℃時均大于34J，且個值比較穩定；-20℃時均大于20J，個值也比較穩定，顯示產品的橫向韌性較好。從腹板縱向沖擊試驗結果可知，6個爐次3個試驗溫度下的沖擊功值均大于34J，且均比翼緣樣的沖擊功值高，主要原因是腹板的厚度較翼緣薄，并且在軋制時，受軋輥冷卻水的影響，變形溫度較翼緣低（圖2中，為便于比較，已將腹板沖擊功值折算為標準試樣值）。

圖1 強度對比

圖2 沖擊功對比

2.4 成品金相組織

在H型鋼的翼緣位置取樣，進行金相組織檢查，圖3為部分加鈮鋼的金相組織照片。圖4為同期加V鋼的金相組織照片。

圖3 加Nb產品翼緣表面

圖4 加V產品翼緣表面

采用硝酸酒精侵蝕，其室溫下組織為鐵素體+珠光體，加Nb鋼翼緣表面晶粒度10.0級，中心晶粒度9.5級，而加V鋼翼緣表面晶粒度9.5級，中心9.0級，兩者約相差0.5級。晶粒細化是唯一既提高強度又提高韌性的方法。含Nb鋼在未再結晶區軋制時，將奧氏體晶粒壓成扁平狀，晶內充滿滑移帶和位錯，產生大量的奧氏體向鐵素體相變生核位置，細化鐵素體晶粒[1，2]。

2.5 連鑄坯試樣分析

在鑄坯上取樣，進行低倍檢驗，在低倍試樣對應翼緣端部附近發現微小鑄造裂紋，進一步做電鏡分析，發現在裂紋的兩側有Nb富集，圖5為爐號12959電鏡分析圖片。

圖5 12959電鏡分析照片

從圖5可以看出，靠近裂紋附近有微小的Nb的碳氮化物析出，相比較鈮含量越高析出物越多，與同期產品（C、Mn相當，加V約0.01%，未控溫）相比，屈服強度的提高效果較大。鈮的碳氮化物析出相作為障礙物與可動位錯的交互作用是造成析出強化的本質，在鈮微合金化鋼中鈮的碳化物基本以繞過機制對鋼材起到強化作用。

3 試驗結果討論

鈮作為一種重要的微合金化元素，在鋼中起著顯著的作用。文獻[3]和文獻[4]將其作用歸納為三點：①可形成細小的碳化物和氮化物，抑制奧氏體晶粒的長大；②在軋制過程中，鈮能夠提高再結晶的溫度，抑制奧氏體的再結晶，保持形變效果，進而細化鐵素體晶粒；③鈮在鐵素體中沉淀析出，提高鋼的強度以及在焊接過程中阻止熱影響區晶粒的粗化。

從本文的試驗可知，當Nb的加入量為0.01% 時，以細晶強化與析出強化提高鋼材的強度，改善韌性的效果已經顯現。從提高強度的效果出發，僅在現有的成分中，用0.01%的Nb代替V，其強度滿足標準的要求，并且具有較大的富裕量。從改善韌性的效果出發，加入0.01%的Nb后，其0℃沖擊功值滿足標準對C級鋼的要求，而加入0.025%的Nb后，其-20℃的沖擊功值也能達到標準對D級鋼的要求。而要進一步提高韌性，達到E級鋼對沖擊韌性的要求，需要深入優化成分和工藝。

釩鐵（Fe-V50）的市場價格波動較大，一般在10～50萬元/噸，最高曾達到60萬元/噸，鈮鐵（Fe-Nb65）的價格相對穩定，為18～22萬元/噸，當釩鐵的價格超過15萬元/噸時，同樣加入量為0.010%，采用鈮鐵代釩鐵，具有價格優勢，該方法對于企業來說，不失為一種性價比更高的選擇。