提高低合金高強度鋼Q345D低溫沖擊功的工藝研究

周 許 王立新 胡建成 陳 濤 徐玉貴

(中原特鋼股份有限公司，河南454685)

Q345D鋼是一種含有少量合金元素的低合金高強度鋼，由于具有耐腐蝕、耐低溫性能，并且具有良好的加工工藝性能、焊接工藝性能和其它特殊性能被廣泛應用于化工、石油、船舶、鍋爐、壓力容器等領域。

我公司從2010年開始生產該鋼號的外貿鍛件，由于低溫沖擊功偏低，合格率僅60%，極大的影響了我司的供貨能力，并造成了較大的經濟損失。我們通過對低溫沖擊功偏低的鍛件進行理化分析及工藝的改進，使其合格率從60%提高到100%。力學性能完全滿足客戶的要求。

1 Q345D鍛件的技術條件

Q345D鍛件的化學成分見表1。力學性能指標見表2。逐支按GB/T6402—2008中質量等級2級進行超聲波探傷。交貨狀態：正火+回火交貨。

表1 Q345D鋼的化學成分(質量分數，%)Table 1 The chemical composition of Q345D steel(mass fraction %)

表2 Q345D鋼的力學性能Table 2 The mechanical property of Q345D steel

2 制造工藝

采用EBT+LF/VD精煉方式，爐料由二級及二級以上廢鋼、返回碳素鋼料頭、生鐵、海綿鐵等組成。EBT氧化后出鋼，包中預脫氧及部分合金化，進行LF/VD吹氬精煉，出鋼前弱攪拌，出鋼鎮靜后采取模內充氬和氬氣保護澆注，鋼錠脫模后熱送鍛壓廠。在車底式燃氣爐中加熱，加熱溫度為1 200～1 250℃，加熱時嚴格按照鋼錠加熱規范執行，升溫速度均勻，保溫時間滿足工藝要求。出爐后直接在14 MN精鍛機上鍛造成型，精鍛機鍛造嚴格控制拉打速度和變形量，始鍛溫度控制在1 150～950℃之間、終鍛溫度≥850℃。鍛后立即入爐。并根據技術條件要求，制定了集細化晶粒、消除應力、擴氫等目的為一體的鍛后正回火制度，工藝曲線見圖1。鍛后正回火力學性能結果見表3。從表3可知，鍛件低溫沖擊性能不合格。

圖1 鍛后熱處理工藝曲線Figure 1 The heat treatment process curve after forging

表3 鍛后熱處理的力學性能Table 3 The mechanical property after forging and heat treatment

表4 實際化學成分值(質量分數，%)Table 4 The actual chemical composition (mass fraction, %)

表5 非金屬夾雜物檢測結果Table 5 The exmined result of nonmetallic inclusion

3 理化檢測

為了找出Q345D鍛件低溫沖擊功偏低的原因，從上述兩爐鍛件中各抽取一支切取試片進行理化檢測分析。

3.1 成品分析

按照GB/T222—2006制取化學試樣進行了成品化學成分及五害元素分析，結果見表4。

3.2 非金屬夾雜物檢測

切取金相試樣，經磨制拋光后，利用MM-6金相顯微鏡，按照GB/T10561—2005中A法對非金屬夾雜物進行評級，結果見表5。各項夾雜物級別均不高，但是試片表面分布有大量的塊狀黃色的TiN顆粒，具體形貌見圖2，圖3。

3.3 晶粒度和顯微組織檢測

將上述金相試樣的拋光面利用4%的硝酸酒精溶液進行侵蝕，然后按照GB/T6394—2002進行晶粒度評級。其中爐錠號317910-1的晶粒度為(6～7)級，爐錠號317911-1的晶粒度為(5～6)級，如圖4、圖5所示。按照GB/T13298—1991進行顯微組織觀測，均為正常的鐵素體+珠光體。

4 分析原因

根據理化檢測結果，鍛件的化學成分均滿足技術協議要求，對低溫沖擊功有顯著影響的S、P及五害元素(As、Sn、Pb、Sb、Bi)也較低，其中Mn元素含量略偏下限。據資料介紹，對于含碳量較低的結構鋼，適當增加錳元素的含量能夠提高材料的沖擊韌性。鋼中非金屬夾雜物相對較少，但是試樣表面分布著大量的黃色塊狀氮化鈦。氮化鈦屬于硬脆相，分布在鋼機體上，割裂鋼的基體連續性。且據資料介紹，當鈦加入量達到0.03%(質量分數)時，液態時就形成大顆粒的TiN，細化奧氏體晶粒的作用減弱，再加上過剩鈦在晶界富集，致使鋼的低溫沖擊功明顯下降[1]。此外，鍛件經正火處理后晶粒度仍然比較粗大，顯然對低溫沖擊功也有較大影響。

根據理化檢測及分析結果，結合實際生產工藝，認為造成低溫沖擊功異常偏低的原因主要有以下幾個方面：

(1)鋼中錳元素含量略偏下限，對于低合金高強度鋼來說，不利于提高低溫沖擊韌性。

(2)鈦元素含量過高，導致鋼基體上析出大量無規則分布的黃色塊狀氮化鈦，過剩的鈦可能在晶界富集，形成大量的黃色塊狀氮化鈦析出聚集在奧氏體晶界，致使鋼的低溫沖擊功急劇下降。

(3)鈦含量達到0.03%(質量分數)時，細化奧氏體晶粒的作用減弱，使鑄態晶粒粗大。在隨后鍛造時，加熱溫度較高，粗大的原始晶粒在后續鍛造的過程中難以破碎。且鍛造終鍛溫度偏高，導致原始的粗大晶粒在隨后的再結晶過程中形成大晶粒，進一步降低沖擊韌性。

5 工藝改進及效果

5.1 調整化學成分

對錳元素含量進行內控，要求錳元素的質量分數在1.40%～1.70%(質量分數)之間，以利于提高材料的低溫韌性。調整鈦元素含量，保證成品鈦元素含量少于0.03%(質量分數)。

5.2 優化鍛造工藝

鋼錠脫模后熱送至鍛壓廠，首先降低加熱溫度，入燃氣爐在1 150～1 200℃加熱。適當降低終鍛溫度，由于采用精鍛機鍛造，鍛造速度較快，終鍛溫度不易控制，通過降低始鍛溫度(1 100～900℃)來達到控制終鍛溫度的目的。鍛后立即坑冷，然后轉至正火效果相對較好的熱處理廠進行正火處理。

按照改進工藝生產的Q345D鍛件，化學成分見表6。晶粒度均在8～9級之間，見圖6、圖7所示，力學性能見表7，完全滿足客戶要求，且低溫沖擊功與原工藝相比有了大幅度的提高。

圖2 317910-1 TiN分布形貌 100× 圖3 317911-1 TiN分布形貌 100×Figure 2 morphology of TiN distribution，317910-1，100× Figure 3 morphology of TiN distribution，317911-1，100×

圖4 317910-1 晶粒度 100× 圖5 317911-1 晶粒度 100×Figure 4 Grain size of 317910-1 Figure 5 Grain size of 317911-1

圖6 317910-1 晶粒度 100× 圖7 317911-1 晶粒度 100×Figure 6 Grain size of 317910-1 Figure 7 Grain size of 317911-1

表6 化學成分值(質量分數，%)Table 6 The chemical composition (mass fraction %)

表7 改進工藝后的力學性能Table 7 The mechanical property of the improved process

6 結語

實踐證明，通過調整化學成分，將錳含量控制在1.40%～1.60%(質量分數)范圍內，保證成品鈦元素質量分數小于0.03%，并適當降低鍛造加熱溫度及終鍛溫度，加強正火效果，保證獲得細小均勻的晶粒，使Q345D鋼獲得了良好的綜合力學性能，低溫沖擊功合格率大幅度的提高，完全滿足了客戶提出的技術協議要求。

[1] 李國忠，曹紅福,惠榮等.鈦鋁含量對低合金高強度鋼Q345D低溫韌性的影響[J].特殊鋼，2002，23(1)，53-54.

[2] 齊俊杰，黃運華，張躍.微合金化鋼[M].北京：冶金工業出版社，2006.

[3] 王祖濱，東濤.低合金高強度鋼[M].北京：原子能出版社，1996.

[4] 韓德偉，張建新.金相試樣制備與顯示技術[M].天津：中南大學出版社，2005.