終冷溫度對Q345R鋼組織及性能的影響

張德勇， 馮仰峰， 李維娟， 李 偉， 許繼勇， 祁敏翔

(1. 日鋼營口中板有限公司 遼寧省中厚板專業技術創新中心， 遼寧 營口 115000；2. 遼寧科技大學 材料與冶金學院， 遼寧 鞍山 114000)

控制冷卻技術是利用軋材余熱進行熱處理的技術，特別對于中厚板生產，更是提高鋼板綜合性能的一種有效而經濟的生產方法，目前已成為鋼板軋后冷卻的主要處理技術，控制冷卻的目的是通過對開始與終止冷卻溫度、冷卻速度、冷卻模式等冷卻參數的控制與優化來實現對鋼相變過程的控制，從而得到最終需要的組織和性能[1-3]。

Q345R鋼屬于低合金高強度鋼，是生產壓力容器的主要材料，廣泛應用于儲氣罐、氣瓶、反應器、換熱器等壓力容器的制造，這種鋼具有高強度、高韌性及良好的焊接性能和耐蝕性，通常有些高質量的Q345R鋼板還需進行正火處理，GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》要求在0 ℃或-20 ℃的沖擊吸收能量達到41 J[4-7]，要達到這些性能要求指標，在冶煉、軋制、冷卻、熱處理等環節都需要制定合理的工藝。本文主要以正火Q345R鋼板為試驗對象，在國內某鋼廠5000 mm產線開展正火Q345R鋼的終冷試驗，擬為進一步提產增效、節約能源提供數據參考。

1 試驗材料及方法

試驗材料為3號鑄機生產的250 mm斷面壓力容器用鋼Q345R，其化學成分見表1。

表1 Q345R鋼的化學成分(質量分數，%)

試驗鋼板挑選成品厚度為42 mm的Q345R鋼，終軋溫度統一設定為820 ℃，選取不同的終冷溫度650、700、735 ℃及軋后直接空冷進行試驗，冷卻到室溫后對試樣進行溫度為880 ℃的正火處理，在爐時間為2.0t(t為鋼板厚度)，冷卻方式為880 ℃出爐后空冷，具體工藝參數見表2。

表2 Q345R鋼的軋制工藝Table 2 Rolling processes of the Q345R steel

從軋態及正火態鋼板寬度1/4、1/2處分別取拉伸、沖擊、金相試樣，拉伸試樣在Z600材料拉伸試驗機上進行拉伸試驗，沖擊試樣在ZBC2602沖擊試驗機進行沖擊試驗，金相試樣經打磨、拋光、4%硝酸酒精溶液腐蝕后通過DM15000M光學顯微鏡進行組織觀察。

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能

2.1.1 軋態力學性能

不同終冷溫度下Q345R鋼軋態試樣的性能結果見表3。在終冷溫度為650、700 ℃時，屈服強度、抗拉強度接近，在終冷溫度為735 ℃及軋后直接空冷時，強度都明顯降低，尤其是直接空冷時，屈服強度為329 MPa，抗拉強度為539 MPa。不同終冷溫度下的沖擊吸收能量均值均較GB/T 713—2014要求有較大余量，在終冷溫度為650 ℃時沖擊吸收能量余量值最大。

表3 軋態Q345R鋼的力學性能Table 3 Mechanical properties of the as-rolled Q345R steel

2.1.2 正火態力學性能

抽取不同終冷溫度下Q345R鋼正火態試樣進行性能檢驗。正火后鋼板屈服強度和抗拉強度均有明顯降低，但沖擊性能有顯著提高。整體來看，終冷溫度為650 ℃時正火后屈服/抗拉強度以及沖擊吸收能量余量值都較高，具體性能見表4。

表4 正火態Q345R鋼的力學性能Table 4 Mechanical properties of the normalized Q345R steel

通過熱軋及正火態試樣的力學性能數據可得出，隨著終冷溫度的升高，屈服強度、抗拉強度、沖擊吸收能量均有下降趨勢；正火后鋼板的屈服強度和抗拉強度均有明顯降低，沖擊性能有顯著提高；終冷溫度為650 ℃時熱軋及正火態試樣的力學性能最優。

2.2 顯微組織

2.2.1 軋態微觀組織

軋態試樣的微觀組織為典型的鐵素體+珠光體，隨終冷溫度的升高，板厚1/4處組織粗化，晶粒度由8.5級降為7.0級，板厚1/2處組織有類似變化規律，其顯微組織見圖1。

圖1 軋態Q345R鋼的微觀組織(a～d)1/4厚度處;(e～h)1/2厚度處;(a,e)650 ℃;(b,f)700 ℃;(c,g)735 ℃;(d,h)軋后直接空冷Fig.1 Microstructure of the as-rolled Q345R steel(a-d) at 1/4 thickness; (e-h) at 1/2 thickness; (a,e) 650 ℃; (b,f) 700 ℃; (c,g) 735 ℃; (d,h) directly air cooling after rooling

2.2.2 正火態微觀組織

正火態試樣的微觀組織也為珠光體+鐵素體，但晶粒較細小。隨終冷溫度的升高，板厚1/4處組織粗化，晶粒度由9.5級降為7.5級，板厚1/2處組織有類似變化規律，其顯微組織見圖2。

圖2 正火態Q345R鋼的微觀組織(a～d)厚度1/4位置;(e～h)厚度1/2位置;(a,e)650 ℃;(b,f)700 ℃;(c,g)735 ℃;(d,h)軋后直接空冷Fig.2 Microstructure of the normalized Q345R steel(a-d)at 1/4 thickness; (e-h) at 1/2 thickness; (a,e) 650 ℃; (b,f) 700 ℃; (c,g) 735 ℃; (d,h) directly air cooling after rolling

綜上，正火態試樣的晶粒度都高于熱軋態，即正火處理有助于細化晶粒，這是因為在正火過程中珠光體重新向奧氏體轉變，獲得均勻且細小的原始奧氏體晶粒，在合理的保溫時間下，晶粒長大傾向較小，從而形成較軋態更加均勻、細小的晶粒，這也是正火后沖擊性能有所提高的原因[8]。在熱軋態及正火態試樣中均存在隨著終冷溫度的升高，組織逐漸變粗大的現象，熱軋態及正火態組織中均存在帶狀組織，板厚1/2位置更為嚴重，這是因為鋼板軋制過程中枝晶偏析沿變形方向呈條狀或帶狀分布，在正火冷卻過程中，由于冷卻速度較慢，先在這些部位形成鐵素體，碳擴散到枝干形成珠光體，從而產生帶狀組織[9-11]。不同終冷溫度下軋態及正火態不同位置試樣的晶粒度見圖3。

圖3 不同終冷溫度下試樣的晶粒度Fig.3 Grain size of the specimens at different final cooling temperatures

3 結論

1) 不同終冷溫度下軋態及正火態Q345R鋼的力學性能均滿足標準要求，但軋后直接空冷時，性能余量較小，存在單值低的風險，在終冷溫度為650 ℃時，力學性能較優。

2) 隨著終冷溫度的升高，Q345R鋼板的屈服強度、抗拉強度、沖擊性能均有下降趨勢，組織逐漸粗化。

3) 軋態及正火態Q345R鋼的微觀組織均為典型的鐵素體+珠光體，正火態比熱軋態鋼板的屈服強度和抗拉強度均明顯降低，沖擊性能顯著提高，且正火后組織有所細化。