軋制工藝對800 MPa 級高強度調質鋼組織性能的影響

李 娜 孫 斌 徐 博 張青龍

（安陽鋼鐵集團有限責任公司）

0 前言

以調質狀態交貨的800 MPa 級高強鋼調質鋼是安鋼戰略性產品定位的主導產品，因其穩定的性能、良好的板型受到市場的廣泛青睞，安鋼在煤礦機械行業用高強板市場上具有地域優勢，并且占有相當的市場份額。但因其生產工藝流程長，軋制工藝、淬火工藝、回火工藝等對該鋼的顯微組織和強、塑性能均有不同程度的影響。筆者從不同軋制工藝制度的角度研究了其對調質板組織性能的的影響規律，為調質板新產品的研發奠定了基礎。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 生產工藝流程

安鋼生產的800 MPa 級高強度調質鋼是依據GB/T16270—2009《高強度調質鋼》進行開發設計的，鋼板按調質（淬火+回火）狀態交貨，其生產工藝流程為鐵水預處理—150 t 頂底復吹轉爐—LF 精煉爐—VD 真空脫氣爐—3 250 mm 寬板坯連鑄機—3 500 mm 爐卷軋機—熱處理機組。

1.2 試驗用鋼的成分

因為調質鋼的生產工藝流程較長，從煉鋼、軋鋼到熱處理，工序復雜，影響鋼板最終性能的因素也就較多，為了減少化學成分對試驗結果的影響，選用了成分相同的150 mm 的連鑄坯，試驗用鋼的化學成分見表1。

表1 化學成分 %

1.3 試驗方法

試驗用連鑄坯進入步進式加熱爐，加熱至1 250 ℃，保溫3 h，在3 500 mm 爐卷軋機進行高溫大壓下連續軋制（即不進行控制軋制，以下簡稱熱軋）和控軋軋制（即兩階段控軋軋制，以下簡稱控軋）試制，試制規格40 mm。為研究軋態組織對800 MPa 級高強度調質鋼再加熱奧氏體化進程的影響，在熱處理車間的LOI 無氧化輥底式加熱爐和淬火機中進行相同工藝的淬火和回火試驗，鋼板在淬火機中淬火冷卻至室溫，回火時空冷至室溫。關鍵點工藝制度見表2。

表2 關鍵點工藝制度

為了檢驗不同軋制工藝條件對調質板性能組織的影響，按照GB/T2975、GB/T228.1、GB/T229對試驗鋼橫向室溫拉伸性能和縱向低溫沖擊性能進行取樣、制樣、檢驗，用4%的硝酸酒精溶液侵蝕，觀察兩種工藝生產試樣的光學顯微組織。

2 試驗結果與討論

2.1 熱軋態力學性能與組織

40 mm 調質鋼在兩種不同工藝條件下的全厚度，表層、厚度1/4 和厚度1/2 不同位置的光學顯微組織如圖1 所示，力學性能如圖2 所示。

圖1 40 mm 調質鋼光學顯微組織

圖2 40 mm 調質鋼熱軋力學性能

與熱軋工藝鋼板的組織晶粒尺寸相比，控軋工藝鋼板的組織晶粒尺寸小，以粒狀貝氏體為主，在鐵素體基體上有較多形狀不規則的M-A 組元；熱軋工藝熱軋鋼板組織為粒狀貝氏體和少量板條貝氏體混合物。

控軋工藝鋼板的屈服強度明顯高于熱軋工藝鋼板的屈服強度，控軋工藝全厚度尺寸試樣的斷后伸長率為17.5%，高于熱軋工藝全厚度尺寸試樣的斷后伸長率四個百分點，而熱軋工藝在1/4 與1/2 位置的斷后伸長率明顯高于控軋工藝試樣的，這主要是由于熱軋工藝得到的板條貝氏體組織有較好的韌性，有研究表明[1]，控軋工藝得到的M-A作為硬相組織，在受到外力作用下能促進裂紋形核，從而使韌性顯著降低。

2.2 熱處理態力學性能與組織

兩種不同軋制工藝的鋼板經相同的熱處理后，其光學顯微組織如圖3 所示，拉伸性能見表3，厚度方向1/4 的沖擊性能如圖4 所示。

圖3 熱處理態光學顯微組織

表3 熱處理拉伸性能

圖4 厚度1/4 縱向沖擊功

經920 ℃淬火和600 ℃回火熱處理后，兩種軋制工藝鋼板的組織經完全奧氏體化后全部獲得回火索氏體組織，組織形貌沒有明顯差別，鋼板的屈服強度和抗拉強度較熱軋態均明顯提高，熱處理后強度處于同一水平，控軋的斷后伸長率略高于熱軋的斷后伸長率，約高三個百分點。鋼板厚度1/4 處控軋的沖擊功在同一沖擊溫度下高于熱軋的，控軋的沖擊功隨沖擊溫度的降低均保持在220 J 以上，熱軋鋼板的沖擊功隨著沖擊溫度的降低有明顯下降趨勢。

2.3 討論

熱軋工藝主要處于奧氏體再結晶區，變形處于高溫連續軋制奧氏體再結晶區，軋后鋼板的溫度≥980 ℃，軋后變形組織可發生靜態再結晶，因此軋后奧氏體晶粒為比較均勻的多邊形，且尺寸較大，過冷奧氏體的穩定性提高，使熱軋態組織中出現少量的板條貝氏體。而控軋工藝采用未再結晶區軋制，第II 階段未再結晶區奧氏體變形能夠完全積累，原始奧氏體變形被拉長，使有效晶界面積大幅增加，提高了再加熱奧氏體的形核率，并且抑制了其長大，因此比高溫熱軋工藝下的組織更為細化，細化的奧氏體晶粒能夠增加晶界能，從而使塑韌性提高，晶粒尺寸更加細化[2]。作為熱處理基板的軋態組織具有遺傳性，因此，與高溫大壓下連續軋制工藝相比，采用控制軋制工藝增加奧氏體晶界面積更有利于再加熱奧氏體晶粒細化，可以有效提高回火后鋼板的塑韌性。綜上所述，控軋和熱軋對強度作用不明顯，主要影響延伸率和沖擊功，對塑韌性要求較高的調質鋼可采用控制軋制+淬火+回火工藝。

3 控軋軋制在800 MPa 級高強度調質鋼中的生產實踐

安鋼開發設計的800 MPa 級高強度調質鋼，采用合理的成分體系，結合控軋軋制工藝（要求終軋溫度≤830 ℃）進行大生產，得到的鋼板具有穩定的力學性能和良好的塑韌性。對安鋼近兩年來生產的800 MPa 級高強度調質鋼隨機抽樣，樣本數N=251，并對其過程能力進行分析，如圖5 所示。過程控制能力Cpk 值均達到了1.0 以上，工藝控制穩定，產品性能良好。

圖5 過程控制能力

4 結論

（1）試驗鋼經控軋軋制后空冷至室溫得到的組織為粒狀貝氏體和M-A 組元，高溫大壓下連續軋制空冷至室溫得到的組織為粒狀貝氏體和少量板條貝氏體。兩種工藝經淬火、高溫回火后得到回火索氏體組織的形貌區別不大。

（2）同一熱處理后，鋼板控軋和熱軋兩種工藝對800 MPa 級高強度調質鋼的強度影響作用不明顯，但對延伸率和沖擊功的影響明顯，對塑韌性要求較高的調質鋼可采用控制軋制+淬火+回火工藝。

（3）安鋼生產的800 MPa 級高強度調質鋼，采用控制軋制+淬火+回火的生產工藝，強韌性匹配良好，平均屈服強度為785 MPa，平均延伸率為31%， -20 ℃沖擊功的平均值達到了222 J，過程控制能力均達到了1.0 以上，各項指標達到了相關標準要求。