厚規格正火軋制Q355NE鋼板低溫沖擊性能研究

馬 林，張德勇，李 偉，宋繼強，邴 純

（日鋼營口中板有限公司，遼寧 營口 115000）

0 前 言

Q355NE 作為GB/T 1591—2018 中的新牌號鋼，替代了GB/T 1591—2008 中的Q345E 鋼。Q355NE 鋼屬于低合金高強度結構鋼，是在碳鋼基礎成分上加入一定的微合金元素，從而提高其強度及韌性。正火軋制是指在一定溫度條件下，鋼材在軋制過程中發生了最終變形，軋制后的鋼材處于正火后的狀態，正火后鋼材的力學性能滿足規定要求的軋制工藝[1]，其實質是通過精確控軋獲得正火的組織和性能，與正火相比，正火軋制的Q355NE 鋼具有成本低、生產周期短的優勢，在陸上風電、海洋風電和海工鋼領域應用廣泛。風電行業的發展對風力發電塔架用鋼板提出了高強度、高韌性、大厚度、易焊接及低成本的要求[2]，因此，開發并穩定生產低成本、厚規格正火軋制Q355NE 鋼板，對鋼鐵行業拓展下游市場、滿足客戶質量要求尤為重要。

某鋼廠生產的厚度為75 mm 正火軋制Q355NE 鋼板沖擊性能出現批量不合格現象，不合格批次鋼板沖擊功為15～30 J，合格率僅為96.5%，嚴重影響了合同交付進程。本研究從軋制工藝參數、金相組織等方面討論并分析了產生此次問題的根本原因，并針對性地通過調整軋制工藝參數，大幅提升鋼板沖擊性能，最終保證合同按期交付。

1 試驗材料及方法

1.1 工藝流程

Q355NE 鋼正火軋制的工藝流程為：鐵水預處理→轉爐→LF 精煉→RH 真空處理→連鑄→板坯堆垛緩冷→加熱→粗軋→精軋→ACC冷卻→熱矯→鋼板堆垛緩冷→探傷→精整→檢驗。

1.2 化學成分設計

考慮到厚規格Q355NE 鋼板要求具有良好的低溫沖擊韌性及焊接性能，尤其應用于風電板時，通常有彎曲要求，故化學成分設計思路為低C、高Mn、微合金化，同時控制有害元素P、S的含量。

C 是鋼材中起到固溶強化作用的元素之一，也是決定碳當量大小的重要因素，碳含量增加會影響鋼材的焊接性能和低溫韌性。Mn 也具有固溶強化作用，還可以提高鋼材的強度、降低相變溫度、細化組織。此外，Mn 和S 具有強大的親和力，能促使鋼中的S形成比FeS熔點高的MnS，避免FeS在晶界處析出，降低熱脆性，提高熱加工性能。在C 和Mn 固溶強化的基礎上，添加一定含量的Nb、Ti 微合金元素，可以擴大奧氏體未再結晶區，阻止板坯加熱過程中的奧氏體晶粒長大；其碳氮化物在熱軋過程中不同階段（奧氏體區和鐵素體區）的析出，起到晶粒細化和沉淀強化的效果[3]。P 在鋼中的偏析會嚴重降低鋼的塑性和韌性，對焊接也有不利影響； S不僅會降低鋼的熱塑性，而且會降低鋼的強度。因此，應嚴格控制鋼中P、S 有害元素的含量，從而改善低溫結構鋼板的彎曲和沖擊性能[4]。

試驗用坯料規格為335 mm（厚）×2 400 mm（寬），軋制鋼板成品的規格為75 mm（厚）×2 500 mm（寬），坯料化學成分見表1。

表1 Q355NE坯料化學成分 %

1.3 工藝參數

為了對比軋制工藝對厚規格Q355NE 鋼板組織性能的影響，選取了同爐同成分的5 塊板坯，按不同工藝進行軋制，軋制工藝參數見表2。

表2 Q355NE軋制工藝參數

均熱段的溫度選取應充分考慮奧氏體晶粒的均勻性、碳化物的溶解度以及厚規格鋼板的精軋、終軋溫度的要求。對于含Nb低合金鋼而言，均熱溫度在1 200 ℃左右時較為適宜。一般當加熱溫度從1 150 ℃升至1 200 ℃時，細小的第二相粒子NbC 逐漸開始固溶，對奧氏體晶界的釘扎作用下降，使奧氏體晶粒顯著增大；當加熱溫度≥ 1 200 ℃時，Nb元素已全部固溶，其對奧氏體晶粒長大無阻礙作用，奧氏體晶粒將粗化，但軋制過程會細化奧氏體晶粒，消除了因奧氏體晶粒粗化帶來的不良影響，因此，加熱溫度對含Nb 鋼的影響較小[5-6]，故均熱溫度控制在（1 220±20） ℃范圍內。

根據理論經驗公式[7]Ar3=（1 670-558（C+（Mn+Mo）/3.875+Cu/15.5+Cr/20.67+Ni/5.636）+16（（FPT/25.4）-0.315）-32）5/9，計算出表1所示成分體系的Q355NE 鋼的Ar3約為775 ℃。精軋的終軋溫度應設計在Ar3之上，避免鋼板在兩相區軋制。為摸索軋制工藝對Q355NE 鋼性能的影響，進行了不同中間坯厚度、精軋終軋溫度、返紅溫度及冷卻速度等工藝參數的對比，從而尋求性能最穩定的軋制工藝。

1.4 試驗方法

在75 mm厚的成品鋼板上取樣，按GB/T 1591—2018要求進行常溫拉伸、-40 ℃縱向沖擊試驗，制取金相試樣，在光學顯微鏡下觀察金相組織。

2 試驗結果

2.1 拉伸性能

表3 是在5 個不同方案下軋制的Q355NE 鋼常溫拉伸試驗結果。拉伸性能均滿足相關標準的要求，且裕量適中。其中方案4軋制的Q355NE鋼板屈服強度最高，達到455 MPa，但伸長率裕量明顯偏低，其余方案的強度和伸長率指標良好。

表3 不同方案軋制的Q355NE鋼拉伸試驗結果

2.2 沖擊性能

表4 為不同工藝方案下軋制的Q355NE 鋼板-40 ℃縱向沖擊試驗結果。不同軋制工藝下，低溫沖擊韌性差異懸殊，方案3對應的沖擊韌性最優，-40 ℃沖擊功均在200 J以上；方案1、方案5對應的沖擊功值也有100 J 以上，但沖擊功存在低值；方案2、方案4 對應的沖擊功值整體不穩定，均在40 J以下，且不滿足標準要求。

表4 不同方案軋制的Q355NE鋼板沖擊試驗結果

2.3 金相組織

對不同工藝方案軋制的鋼板進行金相檢驗，檢驗結果如圖1所示，均為壁厚1/4處組織形貌。由圖1可知，因返紅溫度和冷卻速度不同，5個方案下的鋼板金相組織不盡相同。方案1～方案3鋼板的金相組織為鐵素體+珠光體，方案4～方案5鋼板的金相組織為鐵素體+珠光體+貝氏體。方案1晶粒度在8～10級，晶粒大小不一，粗細夾雜，混晶現象比較明顯；方案2晶粒度在7.5～9級，混晶現象減輕，但晶粒比方案1更加粗大；方案3晶粒度在8～8.5級，無混晶現象；方案4～方案5均含有大量貝氏體組織，且存在少量魏氏組織。

圖1 不同工藝軋制的Q355NE鋼板金相組織（500×）

3 分析討論

3.1 精軋終軋溫度及中間坯厚度對鋼板組織性能的影響

從試驗結果和圖1 可以看出，正火軋制Q355NE 鋼板的精軋終軋溫度及中間坯厚度會對組織性能造成較大影響。當精軋終軋溫度＞830 ℃（方案2）或中間坯厚度≥ 150 mm（方案1）時，鋼板的沖擊韌性下降明顯，從組織角度進行分析，中間坯厚度越大，坯料表面和內部溫差越大。由經驗公式可知，表面與心部的溫差系數約為0.45t（t為中間坯厚度）。方案2 鋼板的精軋終軋溫度為832 ℃，為表面測溫點反饋溫度，反推中間坯心部溫度約為890 ℃，接近奧氏體未再結晶臨界溫度，在此溫度區間完成鋼板的精軋，鋼板變形后部分區域的晶粒再結晶現象會比較明顯，而未變形的晶粒在高溫下會快速長大，所以晶粒尺寸大小不一，導致了混晶產生[8]。方案1 中鋼板精軋終軋溫度較方案2 低30 ℃，晶粒度有所提高，韌性有所改善。而方案1 中精軋終軋溫度過低，且中間坯偏厚，低溫下軋制很難滲透至中間坯內部，會影響組織晶粒的均勻性。

根據以上分析可知，對厚規格正火軋制Q355NE 鋼板來講，在設計鋼板的精軋終軋溫度和中間坯厚度時，應避免部分再結晶區在軋制過程中產生混晶，并綜合考慮精軋終軋溫度的影響，方案3設計的精軋終軋溫度和中間坯厚度較為合理。

3.2 冷卻速度、返紅溫度對鋼板組織性能的影響

冷卻速度速對Q355NE 鋼板力學性能的影響如圖2 所示，由圖2 可以看出，隨著冷卻速度的升高，Q355NE 鋼板的屈服強度呈上升趨勢，而-40 ℃沖擊功出現下降、上升再下降的過程。采取適當的冷卻速度和返紅溫度，過冷奧氏體在C 曲線A1至鼻溫之間較高溫度范圍內等溫停留時，將發生珠光體轉變，鋼板的金相組織為鐵素體+珠光體，具有良好的強度和韌性指標；隨著冷卻速度的增大、返紅溫度降低，鋼在珠光體轉變溫度以下、馬氏體轉變溫度以上的溫度范圍內，過冷奧氏體將發生貝氏體轉變，又稱中溫轉變。而隨著C 曲線右移，鋼板出現粒狀貝氏體組織，尤其是冷卻速度過大時，產生魏氏體組織，都會對鋼板低溫沖擊韌性產生較大影響。過低的返紅溫度意味著厚規格鋼板近表和心部組織轉變速度不一致，近表為貝氏體組織，1/4 壁厚位置為貝氏體+鐵素體+珠光體混合組織，組織的不均勻導致受力不均，易發生脆性斷裂，沖擊韌性差[9-11]。

圖2 冷卻速度速對Q355NE鋼板力學性能的影響

從試驗結果看，本研究方案4、方案5 中的返紅溫度過低、冷卻速度過大會造成鋼板厚度方向組織不均勻及異常組織，沖擊性能不穩定。方案3 中冷卻速度為6～8 ℃/s、返紅溫度640 ℃左右時，鋼板金相組織為鐵素體+珠光體，且晶粒均勻性較好，具有良好的沖擊性能。

4 結 論

（1）精軋終軋溫度和中間坯厚度對厚規格正火軋制Q355NE 鋼板的低溫韌性影響較大，采用精軋終軋溫度790～800 ℃、中間坯厚度1.6t（t為鋼板厚度）時，沖擊性能更好，組織更均勻，混晶現象不明顯。

（2）當返紅溫度約為640 ℃、冷卻速度為6～8 ℃/s 時，鋼板的強度和韌性指標良好。過低的返紅溫度和過高的冷卻速度會導致鋼板厚度1/4位置出現粒狀貝氏體組織或魏氏體組織，導致組織不均勻，受力時易發生脆性斷裂，影響鋼板低溫沖擊韌性。

（3）通過對軋制工藝參數的優化調整，保證了厚規格正火軋制Q355NE 鋼板性能穩定，合格率提升至98%以上。