厚規(guī)格正火軋制Q355NE鋼板低溫沖擊性能研究

馬 林，張德勇，李 偉，宋繼強(qiáng)，邴 純

（日鋼營口中板有限公司，遼寧 營口 115000）

0 前 言

Q355NE 作為GB/T 1591—2018 中的新牌號(hào)鋼，替代了GB/T 1591—2008 中的Q345E 鋼。Q355NE 鋼屬于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，是在碳鋼基礎(chǔ)成分上加入一定的微合金元素，從而提高其強(qiáng)度及韌性。正火軋制是指在一定溫度條件下，鋼材在軋制過程中發(fā)生了最終變形，軋制后的鋼材處于正火后的狀態(tài)，正火后鋼材的力學(xué)性能滿足規(guī)定要求的軋制工藝[1]，其實(shí)質(zhì)是通過精確控軋獲得正火的組織和性能，與正火相比，正火軋制的Q355NE 鋼具有成本低、生產(chǎn)周期短的優(yōu)勢，在陸上風(fēng)電、海洋風(fēng)電和海工鋼領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展對風(fēng)力發(fā)電塔架用鋼板提出了高強(qiáng)度、高韌性、大厚度、易焊接及低成本的要求[2]，因此，開發(fā)并穩(wěn)定生產(chǎn)低成本、厚規(guī)格正火軋制Q355NE 鋼板，對鋼鐵行業(yè)拓展下游市場、滿足客戶質(zhì)量要求尤為重要。

某鋼廠生產(chǎn)的厚度為75 mm 正火軋制Q355NE 鋼板沖擊性能出現(xiàn)批量不合格現(xiàn)象，不合格批次鋼板沖擊功為15～30 J，合格率僅為96.5%，嚴(yán)重影響了合同交付進(jìn)程。本研究從軋制工藝參數(shù)、金相組織等方面討論并分析了產(chǎn)生此次問題的根本原因，并針對性地通過調(diào)整軋制工藝參數(shù)，大幅提升鋼板沖擊性能，最終保證合同按期交付。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 工藝流程

Q355NE 鋼正火軋制的工藝流程為：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→LF 精煉→RH 真空處理→連鑄→板坯堆垛緩冷→加熱→粗軋→精軋→ACC冷卻→熱矯→鋼板堆垛緩冷→探傷→精整→檢驗(yàn)。

1.2 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

考慮到厚規(guī)格Q355NE 鋼板要求具有良好的低溫沖擊韌性及焊接性能，尤其應(yīng)用于風(fēng)電板時(shí)，通常有彎曲要求，故化學(xué)成分設(shè)計(jì)思路為低C、高M(jìn)n、微合金化，同時(shí)控制有害元素P、S的含量。

C 是鋼材中起到固溶強(qiáng)化作用的元素之一，也是決定碳當(dāng)量大小的重要因素，碳含量增加會(huì)影響鋼材的焊接性能和低溫韌性。Mn 也具有固溶強(qiáng)化作用，還可以提高鋼材的強(qiáng)度、降低相變溫度、細(xì)化組織。此外，Mn 和S 具有強(qiáng)大的親和力，能促使鋼中的S形成比FeS熔點(diǎn)高的MnS，避免FeS在晶界處析出，降低熱脆性，提高熱加工性能。在C 和Mn 固溶強(qiáng)化的基礎(chǔ)上，添加一定含量的Nb、Ti 微合金元素，可以擴(kuò)大奧氏體未再結(jié)晶區(qū)，阻止板坯加熱過程中的奧氏體晶粒長大；其碳氮化物在熱軋過程中不同階段（奧氏體區(qū)和鐵素體區(qū)）的析出，起到晶粒細(xì)化和沉淀強(qiáng)化的效果[3]。P 在鋼中的偏析會(huì)嚴(yán)重降低鋼的塑性和韌性，對焊接也有不利影響； S不僅會(huì)降低鋼的熱塑性，而且會(huì)降低鋼的強(qiáng)度。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼中P、S 有害元素的含量，從而改善低溫結(jié)構(gòu)鋼板的彎曲和沖擊性能[4]。

試驗(yàn)用坯料規(guī)格為335 mm（厚）×2 400 mm（寬），軋制鋼板成品的規(guī)格為75 mm（厚）×2 500 mm（寬），坯料化學(xué)成分見表1。

表1 Q355NE坯料化學(xué)成分 %

1.3 工藝參數(shù)

為了對比軋制工藝對厚規(guī)格Q355NE 鋼板組織性能的影響，選取了同爐同成分的5 塊板坯，按不同工藝進(jìn)行軋制，軋制工藝參數(shù)見表2。

表2 Q355NE軋制工藝參數(shù)

均熱段的溫度選取應(yīng)充分考慮奧氏體晶粒的均勻性、碳化物的溶解度以及厚規(guī)格鋼板的精軋、終軋溫度的要求。對于含Nb低合金鋼而言，均熱溫度在1 200 ℃左右時(shí)較為適宜。一般當(dāng)加熱溫度從1 150 ℃升至1 200 ℃時(shí)，細(xì)小的第二相粒子NbC 逐漸開始固溶，對奧氏體晶界的釘扎作用下降，使奧氏體晶粒顯著增大；當(dāng)加熱溫度≥ 1 200 ℃時(shí)，Nb元素已全部固溶，其對奧氏體晶粒長大無阻礙作用，奧氏體晶粒將粗化，但軋制過程會(huì)細(xì)化奧氏體晶粒，消除了因奧氏體晶粒粗化帶來的不良影響，因此，加熱溫度對含Nb 鋼的影響較小[5-6]，故均熱溫度控制在（1 220±20） ℃范圍內(nèi)。

根據(jù)理論經(jīng)驗(yàn)公式[7]Ar3=（1 670-558（C+（Mn+Mo）/3.875+Cu/15.5+Cr/20.67+Ni/5.636）+16（（FPT/25.4）-0.315）-32）5/9，計(jì)算出表1所示成分體系的Q355NE 鋼的Ar3約為775 ℃。精軋的終軋溫度應(yīng)設(shè)計(jì)在Ar3之上，避免鋼板在兩相區(qū)軋制。為摸索軋制工藝對Q355NE 鋼性能的影響，進(jìn)行了不同中間坯厚度、精軋終軋溫度、返紅溫度及冷卻速度等工藝參數(shù)的對比，從而尋求性能最穩(wěn)定的軋制工藝。

1.4 試驗(yàn)方法

在75 mm厚的成品鋼板上取樣，按GB/T 1591—2018要求進(jìn)行常溫拉伸、-40 ℃縱向沖擊試驗(yàn)，制取金相試樣，在光學(xué)顯微鏡下觀察金相組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 拉伸性能

表3 是在5 個(gè)不同方案下軋制的Q355NE 鋼常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果。拉伸性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，且裕量適中。其中方案4軋制的Q355NE鋼板屈服強(qiáng)度最高，達(dá)到455 MPa，但伸長率裕量明顯偏低，其余方案的強(qiáng)度和伸長率指標(biāo)良好。

表3 不同方案軋制的Q355NE鋼拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.2 沖擊性能

表4 為不同工藝方案下軋制的Q355NE 鋼板-40 ℃縱向沖擊試驗(yàn)結(jié)果。不同軋制工藝下，低溫沖擊韌性差異懸殊，方案3對應(yīng)的沖擊韌性最優(yōu)，-40 ℃沖擊功均在200 J以上；方案1、方案5對應(yīng)的沖擊功值也有100 J 以上，但沖擊功存在低值；方案2、方案4 對應(yīng)的沖擊功值整體不穩(wěn)定，均在40 J以下，且不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 不同方案軋制的Q355NE鋼板沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.3 金相組織

對不同工藝方案軋制的鋼板進(jìn)行金相檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，均為壁厚1/4處組織形貌。由圖1可知，因返紅溫度和冷卻速度不同，5個(gè)方案下的鋼板金相組織不盡相同。方案1～方案3鋼板的金相組織為鐵素體+珠光體，方案4～方案5鋼板的金相組織為鐵素體+珠光體+貝氏體。方案1晶粒度在8～10級，晶粒大小不一，粗細(xì)夾雜，混晶現(xiàn)象比較明顯；方案2晶粒度在7.5～9級，混晶現(xiàn)象減輕，但晶粒比方案1更加粗大；方案3晶粒度在8～8.5級，無混晶現(xiàn)象；方案4～方案5均含有大量貝氏體組織，且存在少量魏氏組織。

圖1 不同工藝軋制的Q355NE鋼板金相組織（500×）

3 分析討論

3.1 精軋終軋溫度及中間坯厚度對鋼板組織性能的影響

從試驗(yàn)結(jié)果和圖1 可以看出，正火軋制Q355NE 鋼板的精軋終軋溫度及中間坯厚度會(huì)對組織性能造成較大影響。當(dāng)精軋終軋溫度＞830 ℃（方案2）或中間坯厚度≥ 150 mm（方案1）時(shí)，鋼板的沖擊韌性下降明顯，從組織角度進(jìn)行分析，中間坯厚度越大，坯料表面和內(nèi)部溫差越大。由經(jīng)驗(yàn)公式可知，表面與心部的溫差系數(shù)約為0.45t（t為中間坯厚度）。方案2 鋼板的精軋終軋溫度為832 ℃，為表面測溫點(diǎn)反饋溫度，反推中間坯心部溫度約為890 ℃，接近奧氏體未再結(jié)晶臨界溫度，在此溫度區(qū)間完成鋼板的精軋，鋼板變形后部分區(qū)域的晶粒再結(jié)晶現(xiàn)象會(huì)比較明顯，而未變形的晶粒在高溫下會(huì)快速長大，所以晶粒尺寸大小不一，導(dǎo)致了混晶產(chǎn)生[8]。方案1 中鋼板精軋終軋溫度較方案2 低30 ℃，晶粒度有所提高，韌性有所改善。而方案1 中精軋終軋溫度過低，且中間坯偏厚，低溫下軋制很難滲透至中間坯內(nèi)部，會(huì)影響組織晶粒的均勻性。

根據(jù)以上分析可知，對厚規(guī)格正火軋制Q355NE 鋼板來講，在設(shè)計(jì)鋼板的精軋終軋溫度和中間坯厚度時(shí)，應(yīng)避免部分再結(jié)晶區(qū)在軋制過程中產(chǎn)生混晶，并綜合考慮精軋終軋溫度的影響，方案3設(shè)計(jì)的精軋終軋溫度和中間坯厚度較為合理。

3.2 冷卻速度、返紅溫度對鋼板組織性能的影響

冷卻速度速對Q355NE 鋼板力學(xué)性能的影響如圖2 所示，由圖2 可以看出，隨著冷卻速度的升高，Q355NE 鋼板的屈服強(qiáng)度呈上升趨勢，而-40 ℃沖擊功出現(xiàn)下降、上升再下降的過程。采取適當(dāng)?shù)睦鋮s速度和返紅溫度，過冷奧氏體在C 曲線A1至鼻溫之間較高溫度范圍內(nèi)等溫停留時(shí)，將發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，鋼板的金相組織為鐵素體+珠光體，具有良好的強(qiáng)度和韌性指標(biāo)；隨著冷卻速度的增大、返紅溫度降低，鋼在珠光體轉(zhuǎn)變溫度以下、馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以上的溫度范圍內(nèi)，過冷奧氏體將發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，又稱中溫轉(zhuǎn)變。而隨著C 曲線右移，鋼板出現(xiàn)粒狀貝氏體組織，尤其是冷卻速度過大時(shí)，產(chǎn)生魏氏體組織，都會(huì)對鋼板低溫沖擊韌性產(chǎn)生較大影響。過低的返紅溫度意味著厚規(guī)格鋼板近表和心部組織轉(zhuǎn)變速度不一致，近表為貝氏體組織，1/4 壁厚位置為貝氏體+鐵素體+珠光體混合組織，組織的不均勻?qū)е率芰Σ痪装l(fā)生脆性斷裂，沖擊韌性差[9-11]。

圖2 冷卻速度速對Q355NE鋼板力學(xué)性能的影響

從試驗(yàn)結(jié)果看，本研究方案4、方案5 中的返紅溫度過低、冷卻速度過大會(huì)造成鋼板厚度方向組織不均勻及異常組織，沖擊性能不穩(wěn)定。方案3 中冷卻速度為6～8 ℃/s、返紅溫度640 ℃左右時(shí)，鋼板金相組織為鐵素體+珠光體，且晶粒均勻性較好，具有良好的沖擊性能。

4 結(jié) 論

（1）精軋終軋溫度和中間坯厚度對厚規(guī)格正火軋制Q355NE 鋼板的低溫韌性影響較大，采用精軋終軋溫度790～800 ℃、中間坯厚度1.6t（t為鋼板厚度）時(shí)，沖擊性能更好，組織更均勻，混晶現(xiàn)象不明顯。

（2）當(dāng)返紅溫度約為640 ℃、冷卻速度為6～8 ℃/s 時(shí)，鋼板的強(qiáng)度和韌性指標(biāo)良好。過低的返紅溫度和過高的冷卻速度會(huì)導(dǎo)致鋼板厚度1/4位置出現(xiàn)粒狀貝氏體組織或魏氏體組織，導(dǎo)致組織不均勻，受力時(shí)易發(fā)生脆性斷裂，影響鋼板低溫沖擊韌性。

（3）通過對軋制工藝參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，保證了厚規(guī)格正火軋制Q355NE 鋼板性能穩(wěn)定，合格率提升至98%以上。