高性能橋梁用鋼Q420qE 的研制開發

閆 博，胡會成，熊文名

（1.新余鋼鐵集團有限公司，江西338001；2.江西增鑫科技股份有限公司，江西338000）

0 引言

隨著我國橋梁建設飛速發展，橋梁鋼板的應用也越來越廣泛，并不斷向高強、高韌、低屈強比、大跨度和結構減重發展，無論數量還是質量已處于世界先進水平[1，2]。目前，傳統的Q370MPa 級別的橋梁鋼正逐步被Q420MPa 高強度級別的橋梁鋼替代[3]。對Q420MPa 級高強橋梁鋼而言，新國標對其交貨狀態、碳含量和沖擊值均做了嚴格要求，因此開發此類鋼種時多采用低碳和Nb、Ti 微合金化思路[4]，或添加少量的Ni、Cr、Cu 等提高鋼板的強韌性[5]。此類經TMCP 工藝處理的420MPa 級高強橋梁鋼是通過細化晶粒、提高位錯強化來滿足各項綜合性能的，但它對某些熱處理過程非常敏感，如鋼梁制造過程對鋼板的火焰矯正[6]，厚規格鋼板增加的回火消應力處理等[7]。

因此，為滿足橋梁用鋼的使用安全和性能需要，結合已有的工藝技術裝備，新鋼公司組織研發了性能更加安全可靠的高強、高韌Q420qE 橋梁鋼板。本文介紹Q420qE 鋼的研發思路，根據橋梁鋼性能改進需求設計了Q420qE 鋼的化學成分及其實驗方法和步驟，并通過對生產實驗結果進行了統計分析，以獲得Q420qE 鋼最佳的回火熱處理工藝。

1 Q420qE 鋼成分設計和實驗方法

1.1 成分設計

橋梁實驗鋼Q420qE 采用低碳+Nb、V、Mo 等微合金化成分設計。Nb 元素能產生顯著的晶粒細化和中等的沉淀強化作用；V 元素能形成強碳化物，提高屈服強度和抗拉強度，特別是鋼的熱硬性，特別適合鋼板去應力回火或火焰矯正；Mo 元素的作用是提高淬透性、熱強性，防止回火脆性，并且對鋼板的焊接有良好的影響[8]。Q420qE 鋼具體成分設計如表1所示。

表1 Q420qE 鋼化學成分

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗鋼板生產準備

實驗鋼Q420qE 采用轉爐+RH 精煉爐+連鑄板坯的方式生產坯料。板坯經過加熱、控軋及軋后控冷方式（TMCP）制成厚度35 mm 鋼板。TMCP 工藝如表2 所示。

表2 TMCP 工藝參數

1.2.2 實驗方法及步驟

首先將實驗鋼在室溫5%拉伸應變后進行人工時效，然后將實驗鋼分別在550 ℃、600 ℃、650 ℃、700 ℃進行高溫回火，回火保溫時間2 小時，最后對TMCP 和TMCP + T 處理工藝的實驗鋼板進行力學性能分析和金相組織觀察。

2 實驗結果與分析

2.1 TMCP 態鋼板性能與組織

2.1.1 TMCP 態鋼板性能

Q420qE 實驗鋼TMCP 態鋼板性能如表3 所示。從表3 可以看出控軋控冷含Nb、V、Mo 元素低碳結構鋼各項性能優異，具有較強的抗層狀撕裂能力，屈強比控制在0.80 以下，完全符合標準要求以及鋼板使用安全性。鋼板同時滿足心部沖擊性能，并且具有良好的時效性，這是因為一定量的釩、鉬具有強烈的抑制形變時效作用[9]。

表3 TMCP 態鋼板各項性能

2.1.2 TMCP 態鋼板組織形態

35mm 厚Q420qE 鋼板厚度方向金相組織如圖1 所示。圖1 中，（a）、（b） 為鋼板一側表面處和1/4處金相組織，（c） 為鋼板厚度1/2 處金相組織，（d）、（e）為鋼板另一側1/4 處和表面處金相組織。由圖1可以看出鋼板厚度方向組織主要是多邊形鐵素體、準多邊形鐵素體、珠光體以及貝氏體；厚度方向組織均勻，晶粒細小、大小均勻，心部無偏析。

圖1 Q420qE 鋼板厚度方向金相組織

2.2 不同回火溫度對TMCP 鋼板性能與組織的影響

2.2.1 不同回火溫度對TMCP 鋼板性能的影響

表4 為不同回火溫度拉伸試驗數據。由表4 以看出不同回火溫度對TMCP 態鋼板性能的影響規律，隨回火溫度升高屈服強度先升后降，抗拉強度變化不大，屈強比均提高接近0.83 的穩定值。TMCP+T 態鋼板屈強比明顯高于TMCP 態，這是因為，一方面貝氏體轉變為回火索氏體，另一方面鉬的特殊碳化物析出且呈彌散分布，使鋼板出現二次硬化的現象，提高屈服強度比抗拉強度明顯。

表4 不同回火溫度拉伸試驗

表5 為不同回火工藝下鋼板厚度1/4 處與心部沖擊功情況。TMCP+T 態鋼板與TMCP 態鋼板相比沖擊值并未受大的影響，同樣也滿足鋼板的標準值。但是在550 ℃和600 ℃保溫溫度下各厚度位置沖擊值均出現較大波動，出現兩高一低或一高兩低現象。當回火溫度繼續提高后，其沖擊功值得以提高并開始出現均勻化，從表中可以看出650 ℃回火時其值最穩定，700 ℃時又開始弱化。因此得出最佳回火溫度為650 ℃。

表5 -40 ℃沖擊試驗

2.2.2 不同回火溫度對TMCP 鋼板組織的影響

圖2 是不同回火溫度下鋼板金相組織，（a）～（d） 分別為550、600、650、700 ℃回火溫度下鋼板厚1/4 處金相組織，（e）～（h） 分別為550、600、650、700℃回火溫度下鋼板心部金相組織。

由圖2 可以看出，在較低溫度下回火，鋼板厚1/4 處晶粒較粗大，為多邊形鐵素體和分散珠光體形貌，鋼板心部富集較多珠光體和粒狀貝氏體，鐵素體晶粒粗大、不均勻。隨著回火溫度的提高，鋼板厚度1/4 處組織變為等軸鐵素體和分散均勻的珠光體，晶粒變細，但是700 ℃回火時可以發現珠光體越來越少、彌散，性能方面表現強度開始下降，而心部組織隨回火溫度的升高，組織更加均勻，心部貝氏體分解形成回火索氏體，其滲碳體呈顆粒狀，有利于提高鋼板綜合性能，尤其是沖擊韌性越來越優良。這是因為回火溫度越高，釩的碳氮化物產生的中等沉淀強化阻礙晶粒長大越明顯，而鉬提高了碳氮化物的回火穩定性。

3 結語

高強、高韌橋梁鋼研發試驗表明，Q420qE 鋼化學成分成分和TMCP 工藝設計科學合理的，TMCP態鋼通過合適的回火熱處理工藝，可以得到組織均勻、性能良好、質量穩定，適合鋼結構加工、焊接的橋梁用鋼。

（1）采用低碳+鈮、釩、鉬微合金成分設計，可以生產出具有良好強韌性、時效性及焊接性的TMCP態交貨Q420qE 鋼板，滿足了GB/T714-2015 標準及鋼板使用要求。

（2） 考慮厚規格TMCP 交貨Q420qE 鋼板內應力影響其焊接性，研究了不同回火溫度對其性能及組織的影響，即回火溫度650 ℃、保溫2 小時，得到了Q420qE 鋼板最佳工藝性能及均勻化組織。

（3）該產品質量穩定，適合鋼結構加工、焊接，不降低鋼板的原始力學性能，滿足了工程項目的使用要求。