低溫高韌性低合金Q345B鋼的開發與應用

溫 斌 李 娜 萬國喜

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 前言

低合金Q345B卷板因具有良好的綜合力學性能、焊接性、成型性、經濟性等優點，產量大、使用面廣，常被用做一般金屬結構件、承載結構件、機械零件等。隨著鋼鐵行業的快速發展，鋼鐵材料產能急劇增加，同時伴隨著鋼鐵產品的同質化，鋼材市場競爭激烈，在這種嚴峻的鋼鐵市場經濟形勢下，提高產品的質量和提供優質的服務來滿足客戶的需求變得尤為重要。低合金卷板約占安鋼卷板產量的20%，隨著低合金卷板使用面的擴大，用戶對材料性能的使用要求也存在差異，對材料的某一方面的特性要求較高，為了滿足不同用戶對鋼鐵材料的個性化需求，相應開發了不同用途的專用鋼材。筆者主要結合用戶的加工使用特點和需求，介紹了一種優質的低溫高韌性低合金Q345B鋼材的研發和應用。

1 用戶加工使用特點及需求

1.1 用戶加工使用特點

用戶使用低合金板一般是在裁剪后進行沖壓、折彎、焊接等工序，但往往在折彎加工過程中易出現端部開裂現象。筆者對用戶折彎加工時的使用特點進行了總結，發現：（1）根據用戶使用剪板機的特點，分切鋼板的同一表面兩端存在一個上剪口和一個下剪口，一般下剪口的剪切質量相對較差，在用戶進行折彎加工時，在彎曲面的側面會產生應力集中，容易沿鋼板下剪切口的邊部和剪切質量不良處形成裂紋，并向鋼板里面擴展；（2）下料加工時，用戶為充分利用鋼板材料，會沿不同方向進行下料和折彎加工，當折彎線平行于軋制線時，更易開裂；（3）在折彎時用戶為提高效率，剪切邊不打磨，且彎心直徑一般較小，彎曲變形時容易形成應力集中，最終導致開裂。

1.2 用戶對材料加工特性的需求

針對目前市場用戶的加工特點，材料必須有良好的韌性、均勻塑性和低的各向異性，不能再拘泥于材料只滿足技術標準，須從用戶的使用要求方面考慮，滿足用戶的使用要求，降低材料加工開裂率,而且生產成本需要與原成本相當，否則用戶不易接受。

1.3 現有低合金鋼折彎加工的主要問題

對現有低合金鋼做模擬用戶折彎加工試驗，試驗結果表明，材料本身的橫向性能指標偏低，在韌性方面表現出明顯的各向異性，尤其是橫向沖擊功與折彎加工開裂顯著相關，試驗數據見表1，沖擊試樣尺寸：5 mm×10 mm×55 mm。

表1 模擬用戶折彎加工試驗數據

2 成分設計與技術要求

2.1 技術原理

一般普通低合金Q345B鋼在成分上采用C元素的間隙固溶強化、Mn元素的置換固溶強化和位錯強化來提高其強度。從強化理論來講，間隙固溶強化能同時提高材料的流變應力和加工硬化率，但前者的提高幅度大于后者，因而會造成均勻塑性明顯下降。同時，高的Mn、S含量促進了帶狀組織和MnS夾雜的產生，從而導致材料性能的各項異性。隨著現代冶金技術的發展，微合金化和控軋控冷技術得到廣泛應用。通過微合金化技術采用析出強化的方式來提高強度，降低C、Mn含量，并在加工過程中采用控制軋制和控制冷卻工藝，可以使鋼的組織得以細化，獲得高強度、高韌性、高可焊性和良好的成型性能。

2.2 成分設計

折彎用低合金鋼的基本要求是材料應具有良好的韌性和均勻塑性，因此必須在滿足國標要求的條件下，根據不同合金元素對材料性能的影響關系優化合金成分，改善材料韌性和塑性。

C元素作為最經濟的強化元素，可顯著提高材料的強度，但同時會降低鋼的韌塑性。采用適當低的C含量，可降低鋼中硬相組織珠光體的比例，提高塑性，同時減輕因C元素的間隙固溶強化對材料韌性的影響。

Mn作為固溶強化元素，具有細化晶粒、提高強度的作用，但隨著Mn含量的提高，提高強度的作用會減弱，且高的Mn含量易形成中心偏析，惡化塑性。一般低合金Q345B鋼的Mn含量為1.3%，可通過添加微合金元素以第二相離子的析出強化來提高強度，適當降低Mn含量可以減輕中心偏析和帶狀組織，這樣也可以大大降低合金成本。

Ti作為目前常用的微合金化元素，相對Nb、V更具有經濟性。添加適量的Ti元素，可通過控軋控冷、析出強化的方式，彌補降C、降Mn后帶來的強度損失，同時起到固碳、固氮和細化晶粒的作用。但對鋼的N含量要求很高，在冶煉過程中需嚴格控制較低的N含量，避免產生TiN等有害夾雜物影響材料塑性。加入Ti的另一個有效作用是Ti可以和鋼中的S/C元素形成球狀的Ti4C2S2顆粒，減輕材料性能的各項異性。

P、S元素含量也要求盡量低，避免P、S元素對斷裂韌性的損害，避免形成MnS夾雜對材料各向性能差異的影響。

2.3 技術要求

折彎用Q345B鋼帶的化學成分和性能指標必須滿足低合金鋼標準的技術要求，具體分別見表2和表3。

表2 折彎用優質Q345B鋼化學成分設計 %

表3 折彎用優質Q345B鋼需達到的力學性能和工藝性能要求

折彎用低成本優質Q345B鋼在性能方面比國 標要求更高，冷彎性能檢測更嚴，且采用橫向試樣進行沖擊功檢測，要求0 ℃沖擊功≥60 J，這主要是因為卷板的橫向沖擊功為性能薄弱點，同時相對高的低溫沖擊韌性而言對材料止裂性能有顯著的有益影響。

3 生產工藝

3.1 工藝路線

鐵水預處理—轉爐—LF爐—板坯連鑄機—熱連軋。

3.2 冶煉工藝

鐵水脫硫終點[S]≤0.005%，鐵水脫硫扒渣干凈，保證扒渣亮面≥90%；轉爐采用優質入爐原輔料，嚴格控制下渣量；精煉前期要快速造渣脫硫，并嚴格控制Ti合金加入時機，避免長時間大氬氣攪拌，減少鋼液增N和Ti被氧化；連鑄保護澆注良好，冷卻水采用弱冷模式，保證鑄坯表面質量。

3.3 軋制工藝

優質Q345B鋼鑄坯均可直裝、熱裝、冷裝，在爐時間需大于130 min，均熱溫度1 210～1 260 ℃，精軋壓下率≥50%，精軋終軋溫度800～900 ℃，卷曲溫度550～650 ℃。優質Q345B鋼在層流冷卻過程中宜采用前段快速冷卻模式，抑制微合金元素碳氮化物的過分長大，使其低溫彌散析出，這樣在起到好的析出強化效果的同時能獲得良好的塑性。

4 實物質量

4.1 化學成分

折彎用Q345B鋼的熔煉成分見表4。

4.2 力學性能

拉伸試驗選取全厚度橫向試樣，沖擊試樣的尺寸是5 mm×10 mm×55 mm，性能檢驗結果見表5。

5.75 mm、7.75 mm厚度規格的批量試驗力學性能分布如圖1所示，屈服強度為440～520 MPa，抗拉強度為500～600 MPa，伸長率為23%～29%，0 ℃橫向沖擊功為60～100 J，低溫沖擊韌性穩定。

表4 折彎用優質Q345B鋼熔煉成分 %

表5 折彎用優質Q345B鋼力學性能和工藝性能檢驗結果

圖1 批量試驗力學性能控制水平

4.3 金相組織

對7.75 mm規格的金相組織進行檢驗，折彎用Q345B鋼厚度1/4處的顯微組織如圖2所示。其組織主要為塊狀鐵素體

和珠光體，晶粒度9.5級，珠光體比例約為20%，且細小均勻彌散分布，無明顯珠光體條帶。

4.4 模擬用戶折彎加工試驗

在鋼板剪切后，模擬用戶折彎加工試驗，試驗用鋼取厚度5.75 mm的鋼板，折彎加工試樣折彎線平行于軋制線，試驗后試樣無開裂傾向，試驗鋼的性能數據和模擬用戶折彎加工試驗結果見表8 。厚度5.75 mm模擬用戶折彎加工后折彎樣外觀形貌 如圖3所示。

圖2 7.75 mm折彎用Q345B鋼厚度1/4處的顯微組織

表8 不同軋制工藝性能與折彎試驗結果

圖3 厚度5.75 mm模擬用戶折彎加工后折彎樣外觀形貌

5 結語

現有低合金Q345B鋼的低溫沖擊韌性在橫向和縱向上表現出明顯的各項異性，在材料加工方面存在橫向折彎加工開裂的問題，原因是材料本身橫向韌性較差，抗裂紋擴展能力差。重新設計的低溫高韌性低合金Q345B卷板采取降低C、Mn元素含量、增加Ti含量和軋制工藝優化等措施，在滿足低合金Q345B鋼技術要求的基礎上顯著改善了鋼的橫向韌性，避免了折彎加工開裂的現象，同時確保不增加合金成本，使用效果和經濟效益顯著。對于下游用戶而言，折彎加工用低合金Q345B鋼的開發可以提高其生產效率和材料利用率，降低材料加工質量損失。