AH70DBD低碳貝氏體鋼性能不合格原因分析

柴 垚 婁軍魁 藺學浩 李 偉

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 前言

隨著國內(nèi)大線能量焊接和無預熱焊接技術的突破，鋼結(jié)構和工程機械對鋼材的強度和焊接性能的要求不斷加強。低碳貝氏體鋼具有高強度、抗疲勞、抗沖擊、耐磨、焊接及易加工等優(yōu)質(zhì)性能，其焊接性能是常規(guī)的高強度低合金鋼（HSLA）無法比擬的[1]。

安鋼AH70DBD低碳貝氏體鋼主要應用于橋梁結(jié)構、廠房建筑、工程機械設備等，其中700 MPa 級以上的高強度鋼板僅煤機機械的用量就達到了20 萬t/年以上。AH70DBD低碳貝氏體鋼的生產(chǎn)要求比較苛刻，在生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)批量性能不合格的情況。筆者主要針對AH70DBD低碳貝氏體鋼性能不合的影響因素進行了分析，對工藝進行了優(yōu)化，從而確保了對產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定控制。

1 AH70DBD低碳貝氏體鋼生產(chǎn)工藝

1.1 AH70DBD成分設計

AH70DBD低碳貝氏體鋼采用低碳Mn-Nb-Ti-B系成分，其化學成分見表1，其中C含量為0.050 %～0.090 %，Mn含量為1.55 %～1.90 %,微合金元素Nb+Ti+B的含量控制在0.060 %～0.110 %，采用Al脫氧，可以在保證其脫氧能力的同時提高微合金元素的收得率，殘余元素Cu+Cr+Ni含量不高于0.25 %，殘余Mo含量不高于0.08%。C和Mn對提高鋼的屈服強度和抗拉強度的起主要作用，利用微合金元素Nb和Ti與游離的C、N結(jié)合形成相對穩(wěn)定的碳氮化物，通過微合金元素固溶強化和析出強化的作用來細化晶粒，提高鋼本身的韌性。通過B元素固溶并擴散到奧氏體晶界，奧氏體的晶界能降低，鐵素體形核減少，有效阻止再結(jié)晶，提高了鋼的淬透性，使鋼板容易得到板條貝氏體(或下貝氏體)[2]。

聯(lián)系人：柴垚，助理工程師，河南.安陽（455004），安陽鋼鐵股份有限公司技術質(zhì)量處； 收稿日期：2022-01-20

1.2 AH70DBD生產(chǎn)流程

AH70DBD生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

表1 AH70DBD低碳貝氏體鋼化學成分

1.3 AH70DBD工藝控制

為了保證后期超低硫的生產(chǎn)，采用石灰和鎂粉混合噴吹的形式進行鐵水預處理，預處理結(jié)束后要求鋼中S含量≤0.003 0 %，要求扒渣量≥95 %。轉(zhuǎn)爐冶煉要求采用自產(chǎn)廢鋼，利用副槍和自動煉鋼模型精確控制冶煉過程，石灰消耗較常規(guī)低合金高5～10 kg/t，以促進脫磷脫硫，出鋼時利用下渣檢測和滑板擋渣技術，嚴格控制下渣量，防止回磷。LF精煉過程中的Al含量維持在0.015 %以下，保證鋼水脫氧即可，在VD真空精煉結(jié)束后采用鋼芯鋁和鋁線進行補鋁，軟攪拌3 min以上再加入Ti、Nb、B等微合金元素。3 250 mm寬板坯鑄機全程保護澆注，采用無碳中包覆蓋劑和專用保護渣，防止連鑄過程增碳。

2 實驗方法

在不合格的拉伸試樣未變形區(qū)域，用金相切割機對試樣進行截取，做化學成分檢測和金相組織檢測。所取試樣的拉伸試樣力學性能見表2。試驗采用對比方式進行，其中 1#、2#為抗拉強度不合格的鋼板試樣，3#是力學性能均合格的同規(guī)格鋼板試樣，作為對比試樣，對其進行檢測分析。

表2 試樣的力學性能

對所截取的成分試樣和金相試樣進行預磨和拋光，利用光電直讀光譜儀PDA 7000/ ARL 3460對成分試樣進行化學成分檢測分析；利用金相顯微鏡對金相試樣進行夾雜物分析和評級，再用配置好的4% 的硝酸酒精對金相試樣進行腐蝕，最后利用金相顯微鏡對試樣的顯微組織進行觀察。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 化學成分檢測

通過光電直讀光譜儀進行檢測，所得各AH70DBD 鋼板試樣的化學成分見表3。其中，2#不合格試樣與3#合格試樣對比，2#不合格試樣中的B含量只有0.000 8%，通常B含量在0.001%以上才能發(fā)揮其增加鋼淬透性的作用。

表3 試樣的化學成分檢測

3.2 軋制工藝

根據(jù)經(jīng)驗，同批次軋制計劃中出現(xiàn)性能異常情況，對軋制過程的各個工序的工藝參數(shù)進行對比分析，特別是主要影響性能的二開溫度、終軋溫度及終冷溫度。具體對比情況見表4。

表4 主要軋制工藝對比

從軋制工藝上看，1#試樣，除終軋溫度局部低于工藝要求外，其他方面均符合軋制工藝的要求；2#試樣，軋制工藝二開溫度符合工藝要求，但終軋溫度低于工藝的下限，終冷溫度明顯偏高，冷速不夠是導致強度偏低的原因之一。

3.3 金相組織檢測

在1#、2#、3#拉伸試樣上分別截取垂直于軋制方向的橫向金相試樣， 經(jīng)研磨、拋光后，采用配置好的4 % 硝酸酒精溶液對其進行腐蝕，用蔡司Axiovert 200 光學顯微鏡對金相組織進行觀察，對應的金相組織如圖2所示。

圖2 金相組織照片

從圖2可以看出，1#試樣除表面有一定的粒狀貝氏體組織外，1/4處和中心處都以細小、致密、平行的板條狀貝氏體組織為主，其內(nèi)部板條貝氏體組織比例偏高，因此導致了更高的強度；2#試樣的表面、1/4處、中心組織基本上均以粒狀貝氏體組織為主，并伴有少量的鐵素體和珠光體組織；3#試樣的表面、1/4處、中心處的顯微組織以一定量的板條貝氏體和粒狀貝氏體為主，并存在少量的鐵素體。

4 改進措施

為提高AH70DBD力學性能合格率，根據(jù)前期試驗分析結(jié)果，結(jié)合目前的生產(chǎn)成本及工藝，采取以下技術措施。

4.1 優(yōu)化化學成分

AH70DBD為低碳貝氏體鋼，要求具有高強度、高韌性和良好的焊接性能，因此需要采用低碳加適當Mn-Nb-Ti-B的成分體系，同時盡量地減少鋼中P、S、N、H、O等雜質(zhì)元素的含量。為了保證其具有良好的焊接性能、改善韌性，應采用較低的C含量；同時加入適當?shù)腗n，不但可以發(fā)揮其固溶強化的作用，還可以降低γ-α相變溫度，進而細化鐵素體晶粒；而添加的Ti、Nb、Al等細化晶粒元素，則可以充分利用其組織細化、固溶強化和析出強化的作用[3]；由于B在晶界的偏聚抑制了先共析鐵素體的形成，同時，當鋼中存在強碳化物形成元素時，

能夠抑制Fe2O3(C,B)6的形成，從而促使了硼向晶界進一步偏聚，阻礙鐵素體的 形核，從而推遲奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，提供一個很寬的范圍形成貝氏體。

4.2 保證加熱溫度、嚴格控制軋制工藝

為了不使控軋前的原始奧氏體晶粒過于粗大，應選擇并保證較低的鋼坯加熱溫度，并利用TiN或Nb（C、N）析出顆粒來抑制奧氏體化時的晶粒長大。在奧氏體再結(jié)晶區(qū)，利用反復的再結(jié)晶，微合金元素的固溶、拖曳作用以及析出釘扎作用來阻遏奧氏體晶粒的長大，從而細化奧氏體晶粒。

為了進一步細化貝氏體組織，還必須采用未再結(jié)晶區(qū)控制軋制，使細化的奧氏體晶粒進行多道次的應變積累，使其大于65 %的總壓下量，以便在奧氏體晶粒內(nèi)部產(chǎn)生足夠多的位錯亞結(jié)構和變形帶。后者既能夠促使貝氏體在轉(zhuǎn)變過程中的大量形核轉(zhuǎn)變，又能夠抑制貝氏體、鐵素體的長大。盡可能地降低軋制過程中的終軋溫度，提高軋后的冷卻速度，使奧氏體晶粒內(nèi)部的位錯及其亞結(jié)構在貝氏體轉(zhuǎn)變過程中能夠有效遺傳，并阻遏析出顆粒粗化，以便充分發(fā)揮析出相和位錯亞結(jié)構的強化作用，因此應將終軋溫度控制在760～830 ℃，在軋后快速冷卻條件下，變形奧氏體可以轉(zhuǎn)變成細小的各種形態(tài)的貝氏體組織，并可以繼承其在未再結(jié)晶區(qū)變形時產(chǎn)生的大量形變位錯，使貝氏體鋼的強度得到明顯的提高。因此，安鋼依托爐卷軋機后面設置的層流冷卻裝置[4]，將終冷溫度控制在380～440 ℃，以保證鋼板擁有良好的綜合性能。

5 結(jié)論

（1）AH70DBD低碳貝氏體鋼強度偏高性能不合的主要原因是組織中強度高的板條貝氏體含量偏高，但在軋制工藝上要實現(xiàn)組織比例的精確控制難度較大，可以通過適當提高終冷溫度來改善。同時，在冬季層流水溫較低的季節(jié)，可適當優(yōu)化化學成分，降低錳或鈮的合金含量，使鋼強度適當降低。

（2）強度偏低的主要原因是組織中存在少量的鐵素體和珠光體，表現(xiàn)為明顯的冷卻能力不足。一是B含量控制偏低，不能充分發(fā)揮淬透性造成的；二是終軋溫度偏低，使得奧氏體的穩(wěn)定性和冷卻速率降低。因此，要嚴格將B含量控制在0.001%以上，還要在操作上嚴格控制終軋溫度，從而保證有效的冷卻強度。