高性能厚規(guī)格正火橋梁鋼Q370qE-Z35 的生產(chǎn)開發(fā)

王 川， 王樹國(guó)， 于 濤， 李 偉

（五礦營(yíng)口中板有限責(zé)任公司， 遼寧 營(yíng)口 115000）

Q370qE 橋梁用結(jié)構(gòu)鋼主要應(yīng)用于架造鐵路、公路、跨海、跨江橋梁建設(shè)等重點(diǎn)工程。因其使用環(huán)境的特殊性，對(duì)綜合性能具有嚴(yán)格的要求，通常需要具備高強(qiáng)度、低屈強(qiáng)比、充足的低溫韌性、良好的抗層狀撕裂能力以及焊接性能等。而正火Q370qE 鋼板為保證良好的焊接性能，標(biāo)準(zhǔn)要求碳當(dāng)量≤0.44%，且同時(shí)要求鋼板屈服強(qiáng)度≥370 MPa 和-40 ℃低溫沖擊功≥120 J，根據(jù)材料特性和中厚板生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，較低碳當(dāng)量的鋼板正火后屈服強(qiáng)度將大幅降低，難以達(dá)到以上力學(xué)性能要求，尤其30 mm 以上厚規(guī)格鋼板生產(chǎn)難度更大[1]，國(guó)內(nèi)鋼廠一般采用正火后加速冷卻的工藝方式來(lái)保證鋼板的綜合力學(xué)性能，但此工藝對(duì)熱處理設(shè)備要求高，無(wú)法被廣泛應(yīng)用。

本文以國(guó)內(nèi)某5 000 mm 寬厚板廠生產(chǎn)的橋梁鋼為例，通過加入鈮、鈦等微合金化元素，配合TMCP 軋制工藝，采用傳統(tǒng)正火后空冷的工藝方式，對(duì)厚規(guī)格正火Q370qE-Z35 橋梁鋼進(jìn)行研制，并探索正火溫度對(duì)組織及性能的影響規(guī)律，為開發(fā)高性能厚規(guī)格正火橋梁鋼提供理論性指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 714—2015《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》，對(duì)Q370qE-Z35 橋梁鋼進(jìn)行成分優(yōu)化設(shè)計(jì)，其化學(xué)成分控制見表1。為了限制碳當(dāng)量≤0.42%（內(nèi)控），鋼中C 采用低量設(shè)計(jì)，同時(shí)可提高鐵素體比例，使鋼具有良好的低溫韌性及焊接性能。Mn 可降低奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，并發(fā)揮固溶強(qiáng)化作用，改善鋼的強(qiáng)韌性。通過加入適量的微合金元素Nb、Ti，可實(shí)現(xiàn)析出強(qiáng)化及細(xì)晶強(qiáng)化的復(fù)合作用。為保證鋼的低溫韌性，嚴(yán)格控制鋼中P、S、O 等有害元素含量，并向鋼中加入了Ni元素，可明顯降低韌脆轉(zhuǎn)折溫度。此外，向鋼中加入了一定量的Cu 元素，可細(xì)化組織提高強(qiáng)度，同時(shí)可抑制裂紋擴(kuò)展，改善鋼的沖擊韌性。

制備Q370qE 的工藝路線如下：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐煉鋼→LF 精煉→RH 真空→板坯連鑄→板坯緩冷→坯料加熱→控制軋制→ACC→矯直→堆垛緩冷→超聲波探傷→正火→精整→檢驗(yàn)→入庫(kù)。為了獲得良好的內(nèi)部質(zhì)量，需保證入爐鐵水中w（S）≤0.01%。精煉時(shí)需充分保證白渣保持時(shí)間及爐內(nèi)還原氣氛，RH 真空保壓時(shí)間≥12 min，同時(shí)待出鋼前鈣處理結(jié)束后，需保證靜吹氬氣時(shí)間≥10 min。為增加壓縮比，采用鑄坯斷面厚度為350 mm 的連鑄機(jī)，且連鑄時(shí)全程保護(hù)澆注并投入電磁攪拌及輕壓下，控制中間包過熱度為25 ℃，連鑄拉速為0.80 m/min。

采用步進(jìn)式加熱爐加熱至1 260 ℃并保溫85 min。軋制時(shí)，精軋開軋溫度≤850 ℃，在未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行低溫快速軋制，終軋溫度控制在760～810 ℃，未再結(jié)晶區(qū)累計(jì)變形率≥75%。軋制成品厚度為40 mm 鋼板至ACC 水冷區(qū)，終冷溫度控制為620～680 ℃，經(jīng)熱矯直后下線堆垛緩冷。待解垛后，再對(duì)軋后鋼板進(jìn)行加熱至Ac3以上適當(dāng)溫度，且保溫后進(jìn)行自然冷卻的正火熱處理。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式測(cè)算Ac3溫度約為843℃，設(shè)定三組正火溫度，分別為860、870 及880℃，保溫時(shí)間均為40 min，對(duì)比研究正火溫度對(duì)Q370qE組織及性能的影響規(guī)律。

表1 Q370qE 的熔煉控制成分 %

根據(jù)GB/T 714—2015 標(biāo)準(zhǔn)中的性能檢驗(yàn)要求，沿鋼板橫向截取拉伸樣，在ZWICK-600 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸測(cè)試；沿鋼板縱向制取3 個(gè)沖擊試樣，利用ZBC2602-C 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行-40 ℃的沖擊試驗(yàn)并取平均值；沿鋼板厚度方向切取3 個(gè)拉伸樣，采用CMT5305-300KN 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行厚度方向的拉伸試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。利用ZEISS 光學(xué)顯微鏡和JSM-6480LV 型掃描電鏡觀察微觀組織及斷口形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋼板的微觀組織形貌

圖1 為Q370qE 的TMCP 軋態(tài)及正火態(tài)在板厚1/4 處的組織形貌。由圖1 可見，軋態(tài)組織為珠光體+鐵素體+少量粒狀貝氏體，各區(qū)域晶粒大小不一，組織均勻性較差，同時(shí)出現(xiàn)粗大的帶狀組織。經(jīng)860 ℃正火熱處理后，為珠光體+鐵素體，組織得到細(xì)化，但部分鐵素體晶粒仍較大，整體晶粒度達(dá)到9 級(jí)，帶狀退化減輕。在870 ℃正火時(shí)，溫度提高，奧氏體再結(jié)晶充分，使鐵素體晶粒得到進(jìn)一步細(xì)化[2]，晶粒度可達(dá)10 級(jí)，但此時(shí)仍存在幾處明顯且連續(xù)的條帶。880 ℃正火時(shí)，原奧氏體晶粒開始長(zhǎng)大，導(dǎo)致珠光體球化，鐵素體晶粒粗大，晶粒度減為7.5 級(jí)，同時(shí)造成了鐵素體帶的寬度也隨之增加。

圖1 TMCP 軋態(tài)及正火態(tài)在1/4 處的組織形貌

圖2 為正火溫度860 ℃時(shí)，沿板厚近表、1/4 及1/2 處的顯微組織?？梢?，表層晶粒均勻細(xì)小，基本為等軸晶，平均晶粒尺寸約為3.7 μm，條帶基本消失。但隨著接近心部，由于該區(qū)域溫降速度較小，造成晶粒尺寸增大，帶狀較嚴(yán)重，這也是與熱軋時(shí)心部凝固速率慢，合金元素被擠壓至此，形成嚴(yán)重的成分偏析而帶來(lái)的組織遺傳效應(yīng)有關(guān)[3]。此外，靠近條帶位置的晶粒相對(duì)細(xì)小，反之較大。分析認(rèn)為，該區(qū)域與條帶相比，成分勢(shì)差較大，且間距較小，在正火中偏聚處的碳及合金元素將優(yōu)先快速擴(kuò)散至此，使成分得到均勻化，并促進(jìn)了再結(jié)晶過程，從而細(xì)化了晶粒。

圖2 正火溫度860 ℃時(shí)沿鋼板厚度方向的顯微組織

2.2 力學(xué)性能

Q370qE-Z35 橋梁鋼的力學(xué)性能見表2?？梢?，在正火溫度為860 ℃時(shí)，鋼的綜合機(jī)械性能最佳，且符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，富裕量較大。同時(shí)，該橋梁鋼具備低屈強(qiáng)比（0.76），較高的Z向性能（67.5%），顯著提高了研制的橋梁鋼在服役過程中的安全穩(wěn)定性。

表2 Q370qE-Z35 橋梁鋼的力學(xué)性能

隨著正火溫度升高，強(qiáng)度、韌性下降，其中A 鋼比B 鋼強(qiáng)度高10 MPa、低溫沖擊高17 J。由前文可知，B 鋼組織晶粒度高于A 鋼1 級(jí)，但由于正火溫度提高后，晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)密度將隨奧氏體化程度加深而不斷減小，這將導(dǎo)致由晶粒細(xì)化產(chǎn)生的強(qiáng)化作用不能完全彌補(bǔ)損失的位錯(cuò)強(qiáng)化[4]，從而使強(qiáng)度降低。此外，因形成的珠光體條帶與鐵素體帶之間界面較為薄弱，沖擊時(shí)加劇了裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而影響了低溫韌性[5]。隨著正火溫度繼續(xù)提高，C 鋼正火后組織發(fā)生粗化，脆性增加，造成鋼的強(qiáng)韌性進(jìn)一步降低。

2.3 沖擊斷口分析

圖3 為沖擊斷口宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)860 ℃正火試樣的斷口出現(xiàn)大面積的纖維區(qū)，同時(shí)放射區(qū)（斷口晶狀部分）面積相比最小，剪切唇不明顯，以上特征顯示其具有較好的沖擊韌性[6]。此外，圖3 中3-1 斷裂截面在遠(yuǎn)離V 型缺口開槽處出現(xiàn)尺寸增加，這是由于沖擊過程中壓縮擠壓變形所致，而在接近開槽處出現(xiàn)了尺寸縮減，其因是拉伸變形所致，此現(xiàn)象同樣表明了在正火溫度860 ℃時(shí)其韌性表現(xiàn)最佳，這與表2 沖擊試驗(yàn)部分所得結(jié)果相吻合。

圖3 沖擊斷口宏觀形貌

2.4 Z 向斷口觀察

860 ℃正火試樣的Z向斷口如圖4 所示。可見，宏觀Z向斷口縮頸明顯，且呈杯錐狀，斷口中心區(qū)域以纖維組織為主，外圍出現(xiàn)較大比例的剪切唇，該特征表現(xiàn)出其具備較高的Z向性能。由顯微斷口可見，主要呈韌窩狀，為典型的韌性斷裂。與此同時(shí)，在少數(shù)韌窩深處分布著細(xì)小球狀的夾雜物，結(jié)合能譜分析曲線可知，主要為硫化鈣與鈣鋁酸鹽形成的雙相夾雜，根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，這種細(xì)小的夾雜物一般對(duì)鋼板Z向性能的不利影響較小[7]。

3 結(jié)論

圖4 正火溫度860 ℃試樣的Z 向斷口觀察

1）通過加入Nb、Ti、Cu 等元素微合金強(qiáng)化，配合TMCP 軋制工藝，研制的正火Q370qE-Z35 橋梁鋼綜合性能優(yōu)異，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，富裕量較大。

2）采用860～870 ℃正火后，顯著改善了軋態(tài)組織，板厚1/4 處晶粒度為9～10 級(jí)，且屈強(qiáng)比較低，低溫沖擊可達(dá)到200 J 以上。但經(jīng)880 ℃正火，組織粗化，帶狀加劇，嚴(yán)重影響性能，為此應(yīng)嚴(yán)格控制正火溫度。

3）860 ℃正火試樣Z向斷口縮頸明顯，主要為韌性斷裂，同時(shí)少數(shù)韌窩深處分布由硫化鈣及鈣鋁酸鹽組成的雙相球狀?yuàn)A雜物，其對(duì)Z向性能影響較小。

（編輯：苗運(yùn)平）