加熱溫度對S355J2奧氏體晶粒度的影響

張 蕾， 宋紅燕， 管丙雨， 耿方利

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司， 山東 萊蕪 271104）

S355J2級歐標熱軋H型鋼具有良好的強度、韌性以及焊接性能，同時以其在鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)領(lǐng)域卓越的便利性和優(yōu)良的使用性能，近年來逐漸在大型起重運輸機械、重型機械基礎(chǔ)、大跨度支架、海洋石油平臺、石油能源等大、重型鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

萊鋼S355J2型鋼采用釩氮微合金化工藝生產(chǎn)，利用微合金元素的析出及細晶機制產(chǎn)生細晶強化、析出強化提高最終產(chǎn)品的性能。而微合金化元素碳氮化物的析出與其本身的濃度及在鋼中的溶解度有關(guān)，為獲得良好的強韌性能，需要對軋制工藝參數(shù)進行良好控制。

鋼坯的加熱工藝參數(shù)是控制軋制工藝中的主要控制參數(shù)之一。對于微合金化鋼來說，加熱溫度高低和保溫時間長短不僅直接影響高溫下初始奧氏體晶粒的大小和均勻性，而且影響微合金元素的固溶情況[1]。加熱過程中既要保證奧氏體成分均勻（表現(xiàn)為鋼要燒透，斷面溫度均勻，鋼坯的頭尾與中間部位溫差小），又要保證加熱后的原始奧氏體晶粒小。提高鋼材的加熱溫度可以加快奧氏體的形成速度，增加保溫時間可以使奧氏體組織、成分更加均勻，但是過高的加熱溫度以及過長的保溫時間，增加了奧氏體晶粒的長大傾向。所以，在鋼坯加熱過程中，不允許采用過高的加熱溫度以及長時間的保溫，以防出現(xiàn)過燒、過熱等缺陷出現(xiàn)，但又必須通過加熱，保證鋼坯的加工性能，使奧氏體成分、組織均勻。

因此需要采用合適的加熱溫度和時間，必須對加熱工藝參數(shù)進行試驗研究，以使加熱溫度既能保證奧氏體晶粒度，又能使奧氏體均勻化。

1 試驗方法

樣品取自萊鋼近終型異型坯翼緣處無缺陷部位，見圖1陰影區(qū)域，將取自異型坯的材料加工成20 mm×20 mm×25 mm的樣品，采用箱式電阻爐加熱，為模擬現(xiàn)場，試樣隨爐升溫至各設(shè)定溫度，分別為850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃等8個溫度，將樣品在每個溫度下分別保溫30 min后淬火，然后在顯微鏡下觀察奧氏體晶粒組織，檢測奧氏體晶粒度，分析加熱過程中奧氏體晶粒的生長行為及規(guī)律。樣品的的化學成分見表1。

圖1 樣品在近終型異型坯料的取樣區(qū)域

表1 樣品的化學成分熔煉分析 %

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗過程及結(jié)果

在各溫度下分別將試驗鋼保溫30 min后，奧氏體長大行為照片見下頁圖2，加熱溫度與平均奧氏體晶粒度的規(guī)律見下頁圖3。

圖2 不同溫度下奧氏體組織演變

圖3 加熱溫度對奧氏體晶粒度的影響

2.2 加熱溫度對奧氏體晶粒度的影響

如圖2、3所示，隨溫度的升高，奧氏體晶粒逐漸長大，當加熱溫度由850℃提高至1100℃時，奧氏體晶粒度未發(fā)生明顯變化，在7.5～8.5級之間，晶粒未發(fā)生急劇長大行為，說明鋼材在該溫度范圍內(nèi)，具有較好的抗晶粒粗化能力；當溫度升高至1150℃時，奧氏體晶粒度急劇下降至5.5級，奧氏體晶粒粗化明顯；當溫度升高至1200℃時，奧氏體晶粒度下降至4級。說明S355J2級鋼加熱過程的奧氏體晶粒粗化溫度約在1100～1200℃之間。

各溫度階段奧氏體晶粒變化明顯，而且在某一溫度階段具有明顯的抗晶粒粗化能力，主要是因為鋼中含有的V、Ti微合金元素與鋼中的C、N元素形成一定量的高溫難溶的碳氮化物，均勻分布在奧氏體晶界上，有效釘扎晶界，從而起到阻礙晶界遷移、阻止奧氏體晶粒長大的作用。根據(jù)微合金元素碳氮化物的溶解度公式[2]：

結(jié)合樣品的化學成分，計算得到VN、TiN的全固溶溫度分別為950℃、1570℃、1100℃時，VN以及固溶溫度更低的VC均已經(jīng)完全固溶，阻止奧氏體晶粒長大的最有效粒子為固溶溫度很高的TiN粒子，使得該溫度下奧氏體晶粒尺寸較為細小。

3 S355J2級H型鋼試制

3.1 加熱溫度控制

在確保鋼中微合金元素釩的碳氮化物溶解的前提下，應(yīng)盡可能采用低的出爐溫度，以獲得細小的原始奧氏體組織，根據(jù)加熱工藝試驗研究，所得S355J2級鋼的奧氏體粗化溫度為1100～1200℃。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備能力及工藝條件，確定均熱段溫度為1120～1200℃，同時為保證微合金元素的固溶以及成分的均勻性，確定鋼坯的在爐時間為150～240min。

3.2 成品力學性能（見下頁表2）

對批量試制的HE260B—HE900B等10個不同厚度規(guī)格H型鋼進行力學性能檢測，平均屈服強度為408 MPa，抗拉強度為524 MPa，延伸率為30%，-20℃沖擊功為154 J，相較EN 10025-2標準要求，均有較大的力學性能富余量。

3.3 金相組織

分別選取 HE300B（19 mm厚）、HE400B（24 mm厚）、HE500B（28 mm厚）等三個規(guī)格的S355J2級熱軋H型鋼產(chǎn)品的翼緣部位取樣進行金相組織檢驗分析，結(jié)果如下頁圖4示。可知，鋼材的微觀組織為鐵素體、珠光體組織，鐵素體的晶粒度約在8.0～9.0級之間。三個規(guī)格的H型鋼在軋制過程中，盡管軋制的壓下率有所不同，但是軋制的滲透率以及組織的均勻性均較好。

表2 力學性能對比統(tǒng)計

通過對S355J2級H型鋼的加熱工藝進行優(yōu)化控制，將均熱溫度控制在奧氏體粗化溫度范圍內(nèi)，對加熱高溫階段奧氏體的長大行為進行了有效控制，抑制了奧氏體晶粒的過快長大，最終確保厚度在17.5～35.0 mm之間的H型鋼均具有較為均勻細小的晶粒組織，充分發(fā)揮了V、Ti微合金元素在軋制過程中的晶粒細化以及析出強化等作用，保證H型鋼具有良好的力學性能。

4 結(jié)語

1）S355J2級微合金化鋼材在高溫加熱條件下具有較好的抗晶粒粗化能力，其奧氏體晶粒粗化溫度約在1100～1200℃之間，1100℃以上晶粒出現(xiàn)明顯的長大及粗化行為。

圖4 H型鋼金相組織（×100）

2）通過對軋制過程中的加熱溫度進行有效控制，將溫度控制在奧氏體晶粒粗化溫度方位內(nèi)，均熱溫度控制在1120～1200℃，在爐時間控制在150～240 min之間，所生產(chǎn)的不同厚度規(guī)格的H型鋼產(chǎn)品均具有較好的力學性能和均勻細小的微觀組織。

[1]方金林，李超，武玉利.加熱工藝制度對微合金化熱軋H型鋼組織及性能的影響[J].萊鋼科技，2006（5）：1-5.

[2]齊俊杰，黃運華，張躍.微合金化鋼[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006：77.