軋制及熱處理工藝對(duì)Q345E組織及力學(xué)性能的影響

秦 亞，席靜靜

（江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司，江蘇 張家港 215625）

正火Q345E低合金鋼主要用于服役條件惡劣、安全性要求高的工程結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)難度較高，尤其是80 mm以上厚板的-40℃沖擊韌性較難保證。通過對(duì)沖擊不合鋼板的組織進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)組織類型、晶粒尺寸、帶狀組織和珠光體特征等組織參數(shù)對(duì)沖擊韌性有較大的影響，而這些組織參數(shù)又與軋制工藝和正火工藝的設(shè)計(jì)和控制有關(guān)[1-3]。因此，研究了軋制及熱處理工藝對(duì)厚規(guī)格Q345E力學(xué)性能的影響，確定最優(yōu)的軋制及熱處理工藝，改善試驗(yàn)鋼低溫沖擊韌性。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為鋼板總廠采用K50EZHH1連鑄坯軋制的鋼板。其成分見表1。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（wt.%） 單位：質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

將連鑄坯在試驗(yàn)軋機(jī)上進(jìn)行軋制，成品厚度為80 mm，軋制工藝及編號(hào)見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)室軋制及熱處理工藝

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 軋制工藝對(duì)試驗(yàn)鋼組織及力學(xué)性能的影響

1#～5#試驗(yàn)鋼為兩階段軋制，6#、7#為常規(guī)軋制，不同工藝下鋼板軋態(tài)的力學(xué)性能見表3。由表3可知，兩階段軋制時(shí)，采用軋后空冷工藝的5#試驗(yàn)鋼沖擊韌性最好，降低終軋溫度、降低終冷溫度，增加待溫厚度，沖擊韌性變差，對(duì)強(qiáng)度的影響相反。常規(guī)軋制沖擊韌性最差，水冷后強(qiáng)度增加，沖擊韌性仍較低。

不同軋制工藝下的軋態(tài)鋼板的金相組織如圖1所示，軋態(tài)組織和晶粒尺寸差別明顯。由1#、2#、3#、5#可以看出，兩階段軋制的終軋、終冷溫度較高時(shí)，組織為鐵素體和珠光體，晶粒粗大；終冷降低，晶粒變細(xì)，組織中出現(xiàn)貝氏體；降低終軋，晶粒細(xì)化。在兩階段軋制時(shí)，降低終軋和終冷溫度能細(xì)化晶粒。由6#、7#的軋態(tài)組織可以看出，常規(guī)軋制晶粒尺寸明顯增加。

圖1 不同軋制工藝下的軋態(tài)組織

正火后的力學(xué)性能見表4，常規(guī)軋制鋼板沖擊韌性相同，比兩階段軋制沖擊韌性差，強(qiáng)度低，軋后冷卻方式對(duì)性能影響較小。兩階段軋制條件下，終軋溫度降低或者待溫厚度增加，沖擊韌性稍有降低，強(qiáng)度有所增加。相同軋制溫度，軋后是否控冷對(duì)性能影響很小。

表4 試驗(yàn)鋼正火后的力學(xué)性能

不同軋制工藝下正火后的金相組織如圖2所示。采用兩階段軋制，正火后晶粒尺寸細(xì)小；常規(guī)軋制鋼板正火后晶粒尺寸大，晶界處存在較多條狀分布的碳化物。

圖2 不同軋制工藝鋼板正火后的金相組織

由以上分析可知，軋制工藝對(duì)鋼板的強(qiáng)度和韌性有一定的影響，軋后控冷工藝對(duì)鋼板性能影響較小，兩階段軋制鋼板強(qiáng)度和韌性優(yōu)于常規(guī)軋制。

2.2 正火保溫時(shí)間對(duì)試驗(yàn)鋼組織及力學(xué)性能的影響

對(duì)鋼板總廠軋制的軋態(tài)鋼板，進(jìn)行880℃正火，不同正火保溫時(shí)間及力學(xué)性能見表5。隨著正火時(shí)間的延長，強(qiáng)度先增加后降低，沖擊韌性先增加后保持穩(wěn)定。當(dāng)正火時(shí)間達(dá)到2 h時(shí)，鋼板強(qiáng)韌性匹配較好，正火時(shí)間繼續(xù)延長，沖擊韌性變化不大，強(qiáng)度降低。

表5 現(xiàn)場(chǎng)軋態(tài)鋼板不同正火熱處理時(shí)間下的力學(xué)性能

不同正火保溫時(shí)間下的金相組織如圖3所示。鋼板軋態(tài)晶粒組織粗大，正火時(shí)間較短時(shí)，合金元素?cái)U(kuò)散不充分，保留了部分的軋態(tài)組織形貌。隨著正火時(shí)間的延長，組織開始細(xì)化。當(dāng)正火時(shí)間達(dá)到3.5 h時(shí)，珠光體團(tuán)大小不一，出現(xiàn)較多的條狀滲碳體組織。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)軋態(tài)鋼板不同正火熱處理時(shí)間的金相組織

3 軋制及熱處理工藝的優(yōu)化及效果

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，提出以下改進(jìn)方案。（1）改善軋鋼工藝：保證鋼板的兩階段軋制，終軋溫度對(duì)性能影響較小，可以適當(dāng)提高終軋溫度，提高軋機(jī)生產(chǎn)效率，軋后控冷對(duì)正火后性能影響不大，但對(duì)板型有一定的影響[4]，可以適當(dāng)放寬。（2）優(yōu)化熱處理工藝：保證正火加熱時(shí)間，優(yōu)化前后的生產(chǎn)工藝見表6和表7。

表6 優(yōu)化前后的軋制工藝對(duì)比

表7 優(yōu)化后的正火工藝對(duì)比

根據(jù)優(yōu)化后軋制及熱處理工藝生產(chǎn)出鋼板的金相組織如圖4所示，組織為鐵素體和珠光體，晶粒較細(xì)，珠光體團(tuán)較小，帶狀組織不明顯。

圖4 工藝優(yōu)化后Q345E鋼板金相組織

工藝優(yōu)化后共400余噸規(guī)格為117～125mm厚的正火Q345E鋼板，其沖擊韌性結(jié)果如圖5所示，平均值為179J。結(jié)果表明，該工藝生產(chǎn)的Q345E鋼板沖擊性能優(yōu)異，穩(wěn)定性明顯提高，一次合格率達(dá)到100%，工藝優(yōu)化達(dá)到預(yù)期效果。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)Q345E沖擊韌性分布圖

4 結(jié)論

（1）軋制工藝對(duì)鋼板的強(qiáng)度和韌性有一定的影響，軋后控冷工藝對(duì)鋼板性能影響較小，兩階段軋制鋼板強(qiáng)度和韌性優(yōu)于常規(guī)軋制。

（2）正火保溫時(shí)間較短時(shí)，合金元素?cái)U(kuò)散不充分，保留了部分的軋態(tài)組織形貌，使得鋼板的韌性較差，隨著正火時(shí)間的延長，組織開始細(xì)化，韌性提高，當(dāng)正火時(shí)間達(dá)到3.5h時(shí)，珠光體團(tuán)大小不一，出現(xiàn)較多的條狀滲碳體組織后，韌性又有所下降。

（3）通過優(yōu)化軋鋼工藝及熱處理工藝，保證鋼板的兩階段軋制，保證正火加熱時(shí)間，可以大幅改善厚規(guī)格正火Q345E鋼板的沖擊韌性，該結(jié)果也可以應(yīng)用于其他類似正火鋼種的生產(chǎn)。