橋殼鋼Q460QK斷后伸長率性能不合原因及對策

管連生，劉紅艷，張衛攀

(河鋼集團邯鋼公司，河北 邯鄲 056015)

汽車橋殼是驅動橋的重要組成部分又是行駛系的主要組成件之一[1]。隨著國家日益嚴苛的環保要求以及汽車輕量化的趨勢發展，目前橋殼材料主要為熱軋鋼板。汽車橋殼鋼是邯鋼板材的高附加值特色產品，具有優異的綜合性能，其中斷后伸長率是產品重要的性能之一，是材料的重要性能指標。鋼板在高溫加熱后，通過快速的沖壓過程最終制成橋殼，如果鋼板斷后伸長率不足，直接影響橋殼性能，嚴重的會導致沖壓裂紋的產生，造成較大的經濟損失。

近期邯鋼在生產橋殼鋼時發生了批量的斷后伸長率性能不合的情況，針對此問題，對生產工藝進行了檢查，并對問題試樣進行了金相和成分檢測。結合其他企業研究經驗[2-5]，展開了相應的攻關工作，橋殼鋼產品斷后伸長率性能不合問題得到了顯著的改善。

1 橋殼鋼斷后伸長率性能不合情況

橋殼鋼產品斷后伸長率性能不合批次，涉及鋼種為Q460QK，厚度為12 mm，其生產工藝流程為：鐵水預處理-100t轉爐-LF精煉-260 mm板坯連鑄-加熱爐-3500 mm熱軋-冷卻-剪切-堆垛。問題批次抗拉強度、下屈服強度等各項力學性能情況如表1所示。橋殼鋼力學性能檢驗過程執行的標準為GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，GB/T 229-2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，GB/T 232-2010《金屬材料 彎曲試驗方法》。

表1 問題批次各項力學性能情況

2 生產工藝情況

2.1 煉鋼工藝

對涉及的性能不合爐次的煉鋼工藝進行了全工序檢查，均符合要求，具體如表2～表4所示。鐵水預處理采用深脫硫工藝，避免了大量MnS夾雜的產生；轉爐和精煉工序的避免后吹、良好底吹、純脫氣時間等工藝，大幅度提升了鋼水的潔凈度[6]；連鑄工序的液面波動、過熱度等工藝，最終生產出高質量的橋殼鋼鑄坯。

表2 鐵水預處理和轉爐生產工藝

表3 精煉生產工藝

表4 連鑄生產工藝

2.2 鑄坯低倍

鑄坯的內部質量對產品的最終性能也有重要的影響[7]，中心偏析嚴重的鋼板會顯著降低鋼板的強韌性，嚴重的會產生中心裂紋，對后續的加工使用帶來很大的隱患。橋殼鋼斷后伸長率不合爐次其鑄坯中心偏析呈現點狀分布，低倍中心偏析評級C1.0，中心疏松為1.0，低倍情況良好，滿足產品要求，具體如圖1所示。

圖1 鑄坯低倍宏觀形貌

2.3 軋鋼工藝

對涉及的不合批次的軋制工藝進行檢查，發現終軋溫度實際溫度930～940 ℃，工藝要求820～880 ℃，超出要求范圍50～60 ℃，具體如表5所示。初步判斷終軋溫度偏高，對產品最終的微觀組織性能產生了不良影響，可通過金相組織觀察進行深入分析。

表5 軋制生產工藝

3 橋殼鋼斷后伸長率不合檢測及分析

3.1 成分檢測

對不合試樣進行成分檢測，結果如表6所示。

表6 試樣成分 單位:%

化學成分檢測結果顯示各成分含量正常，包括Nb、V、Ti等微合金含量均符合要求。鈮具有顯著細化晶粒的作用；釩在鐵素體中提到沉淀強化的效果；鈦會與氮結合，形成細小彌散的TiN顆粒，阻礙板坯再加熱時奧氏體晶粒的長大。在實際生產中采用鈮、釩、鈦復合的成分設計，能夠明顯提升產品的強度和韌性[8]。

3.2 金相檢測及分析

在性能不合的橋殼鋼產品鋼板上截取金相試樣，經過研磨拋光后，用4%硝酸+酒精溶液腐蝕，再利用光學顯微鏡進行金相檢測，鋼板1/4厚度處和中心部位的微觀形貌如圖2所示。由圖可知，試樣基體主要組織為F+P，從1/4厚度處到中心部位的晶粒尺寸差別較大，大晶粒尺寸達到6～12 μm，小晶粒尺寸在4 μm以下，微觀組織的細晶和粗晶的晶粒度級別相差約2～4級，并存在不同程度明顯的混晶現象。大小晶粒夾雜分布，在拉伸試驗中，混晶組織會影響位錯在晶粒間的作用，產生應力集中，顯著惡化產品的塑性[9]，這是導致斷后伸長率性能不合的直接原因。

(a)1/4厚度處

3.3 分析與討論

3.3.1 橋殼鋼Q460QK軋制工藝

橋殼鋼Q460QK軋制生產過程共包含兩個階段。第一階段為粗軋生產，采用了大壓下量的軋制工藝，板坯的單道次壓下量≥15%，且一軋程后三道單道次壓下率≥20%，使軋制變形滲透到鋼板中心處，在鋼板高溫再結晶的過程中，使奧氏體組織能夠充分的再結晶和細化，為產品良好的綜合性能奠定基礎。中間坯經過待溫后，開始進入第二階段生產，屬于精軋過程，其軋制特點為在未再結晶區軋制，生產過程中對中間坯繼續施加累積壓下率，終軋溫度范圍控制在800～860 ℃之間。

3.3.2 混晶組織的產生原因及危害

混晶組織產生的原因很多，涉及到連鑄、加熱、軋制、微合金元素等多方面，混晶組織是鋼材內部缺陷之一，表現為金屬基體內晶粒大小混雜，會顯著降低鋼板的韌塑性[10]。國內外很多文獻都進行了論述。

連鑄主要包括中心偏析和鑄態組織不均勻的原因所產生。中心偏析導致各微合金元素在中心部位的聚集，而這些微合金元素一方面對C曲線的作用不同，另一方面對晶粒的細化程度不同，最終對晶粒長大影響不同，晶粒尺寸發生較大的差異[11-12]。此外，鑄態組織具有遺產特性，尤其在后續軋制壓下量不足的情況下尤為突出。

加熱原因產生的混晶主要是鑄坯一次奧氏體和二次奧氏體組織并存導致。鑄坯入爐前溫降到A1和A3線之間，奧氏體會部分相變為鐵素體，入爐后會重新生成新的二次奧氏體，這與原來存在的一次奧氏體同時存在，鑄態組織粗細不均，導致混晶[13]。

軋制作用的影響主要取決于變形溫度和變形程度的選擇[10]。如果在部分再結晶區軋制或道次軋制形變量不足均會產生混晶現象。

微合金元素的加入也會導致混晶，尤其是鈮的影響[10]。鈮能夠提高再結晶溫度，易造成部分再結晶軋制。

3.3.3 原因分析及措施

通過煉鋼和軋鋼全工序工藝檢查，試樣成分、金相試驗檢測判斷，煉鋼工藝和成分均正常，但是軋鋼工藝中鋼板終軋溫度較高，且在金相的微觀組織中發現了混晶組織，這對產品的斷后伸長率造成了不良影響。

有文獻表明，對于含鈮鋼，當鈮含量為0.035%時，其再結晶終止溫度約為940 ℃[15]。因此對于兩階段軋制來說，精軋過程應避開900～1000 ℃部分再結晶溫度的范圍，在生產過程中，適量延遲粗軋后的待溫時間，使其鋼板中心溫度也達到再結晶溫度以下。不合批次鋼板終軋溫度為930～940 ℃時，分析其精軋階段處于部分再結晶區軋制，導致基體內部晶粒尺寸不一，從而產生混晶現象。

為避免再次發生混晶缺陷，在高效軋制生產的同時，適當延長待溫時間，保證第二階段開軋溫度在900 ℃以下，避開部分再結晶溫度區間范圍。經過優化軋制工藝，橋殼鋼斷后伸長率得到顯著提升，性能不合問題得到解決。

4 結語

通過對橋殼鋼Q460QK斷后伸長率性能不合鋼板煉鋼和軋鋼工藝檢查，成分檢測以及鑄坯低倍和試樣微觀組織分析，最終找到了問題的原因。其微觀組織晶粒大小不一，出現混晶現象，這是導致斷后伸長率性能不合的直接原因。鋼板在精軋過程中處于部分再結晶溫度區間軋制生產，最終造成了鋼板的性能不合，這是問題產生的根本原因。此次研究分析為提升橋殼鋼斷后伸長率性能積累了經驗。在高效軋制生產的同時，要嚴格控制中間坯待溫時間和開軋溫度，確保橋殼鋼各項性能滿足要求。