徐棟,陳曉山,趙虎,向華,李進寶

（1.寶鋼集團八鋼公司制造管理部 2.新疆八一鋼鐵股份有限公司）

1 前言

近年來為響應國家“一帶一路”大發(fā)展戰(zhàn)略方針，新疆烏魯木齊及周邊地區(qū)正加快推進鐵路和公路的規(guī)劃建設，由于橋梁結(jié)構(gòu)鋼具有良好的強度性能，-40℃抗低溫沖擊韌性，以及良好的焊接性能和較低的屈強比，被專門用于鐵路和公路橋建設，新疆的橋梁結(jié)構(gòu)鋼市場需求也跟著快速增長。八鋼公司開發(fā)生產(chǎn)的Q345qE耐低溫橋梁結(jié)構(gòu)鋼板被應用于頭屯河景觀大橋、克南高架東延二期等重點工程。

2017年10月八鋼公司4200/3500mm中厚板產(chǎn)線生產(chǎn)的14～16mm Q345qE鋼板出現(xiàn)批量低溫沖擊韌性不合格問題，對生產(chǎn)和銷售產(chǎn)生較大影響。

根據(jù)Q345qE厚度不同，分為三類：＜25mm為薄規(guī)格，25～40mm為中規(guī)格，＞40mm為厚規(guī)格。根據(jù)不同厚度化學成分設計不同，薄規(guī)格、厚規(guī)格Q345qE軋制控制難度較大。為此，對Q345qE鋼板低溫沖擊不合原因進行分析，提出相應解決措施。

2 沖擊韌性不合的檢測分析

沖擊韌性是指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，反應材料內(nèi)部細微缺陷和抗沖擊性能。沖擊韌性指標揭示材料變脆傾向，是反映金屬材料對沖擊負荷的抵抗能力，常用標準試樣的沖擊功KV2表示，它是衡量材料承受沖擊負荷的抗力指標，KV2值的大小表示材料韌性的好壞。

2.1 性能數(shù)據(jù)實績

2017年10月上旬在生產(chǎn)Q345qE鋼板時集中出現(xiàn)了6批沖擊批量不合格的鋼板，見表1。

表1 345qE沖擊值低力學性能數(shù)據(jù)

由表1可以看出，強度和塑性指標均合格，但是沖擊性能指標波動較大，沖擊功值在10J～150J。

2.2 金相分析

分別在Q345qE沖擊性能不合格鋼板（1#）和合格鋼板（2#）上，制取金相試樣，經(jīng)過磨制、拋光后，并用4%的硝酸酒精腐蝕后，在光學金相顯微鏡下觀察鋼板的金相顯微組織見圖1和圖2。

圖1 沖擊不合格鋼板金相顯微組織

圖2 沖擊合格鋼板金相顯微組織

通過金相顯微組織來看，沖擊不合鋼和合格板鋼板中間部位存在中心偏析，不合格鋼板的帶狀組織、中心偏析較合格鋼板嚴重，鋼板厚度1/4處的金相組織為鐵素體和珠光體，鋼板厚度1/2處金相組織為鐵素體、珠光體、貝氏體，合格鋼板的晶粒度為8.5～9級，不合格鋼板的晶粒度為7.5～8級。

3 分析與討論

3.1 帶狀組織的影響

連鑄坯在凝固過程中產(chǎn)生的枝晶偏析，形成化學成分不均勻分布的枝晶組織，在軋制過程中，枝晶組織沿軋制方向被拉長，形成交替分布的合金元素富集與貧化帶，對于普通C-Mn鋼中Mn有利于增加奧氏體的穩(wěn)定性，從而降低Ar3溫度元素，各元素的偏析將會導致不同部位Ar3溫度的差異性，最終導致先共析鐵素體不同時析出，Mn含量高的帶狀區(qū)域Ar3低，不易產(chǎn)生鐵素體，而Ar3溫度較高的帶內(nèi)優(yōu)先形成先共析鐵素體，鐵素體析出加劇了相鄰高Mn部位奧氏體的含碳量，相變結(jié)果由于富碳而形成帶狀珠光體組織。[1]由于帶狀組織相鄰帶的顯微組織不同，性能也不同，而且強弱帶之間會產(chǎn)生應力集中，故而造成總體力學性能降低，并具有明顯的各向異性，降低鋼板總體力學性能，所以帶狀組織是造成Q345qE鋼板低溫沖擊性能較低的主要原因之一[2]。

3.2 中心偏析的影響

中心偏析形成原因是由于板坯凝固過程中溶質(zhì)元素在固液相中進行再分配，中心部位的C、S、P等元素明顯高于其他部位。經(jīng)低倍酸洗腐蝕后在板坯中心區(qū)域出現(xiàn)一條明顯的黑帶，即中心偏析帶。在軋制中鋼板心部冷卻速度比表層慢，由于C和其他元素在板中心部位的偏析，使奧氏體穩(wěn)定化，導致鋼板中心組織的CCT曲線整體向右偏移。冷卻到中等溫度時，奧氏體向鐵素體和珠光體的轉(zhuǎn)變尚未完成，過冷的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w。

由于貝氏體組織硬而脆，在沖擊試驗過程中，裂紋極易擴展，從而降低鋼板的沖擊韌性。無論低溫沖擊合格與否，鋼板中心受偏析影響區(qū)域均發(fā)現(xiàn)有異常粒狀貝氏體組織，但是不合格鋼板中心偏析帶較寬，粒狀貝氏體較大、數(shù)量較多。

經(jīng)對Q345qE同爐未軋制板坯逐塊取樣低倍檢查，中心偏析曼標評級正常（目標要求小于2.6,實際介于1.5～2.4），考慮到偏析的波動性及鋼板厚度等因素的影響，仍然不能忽視中心偏析對Q345qE薄板的沖擊韌性的影響。

3.3 組織晶粒大小影響

晶粒大小對低溫沖擊脆性轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系可用公式（1）表示：

式中：T轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈赞D(zhuǎn)變溫度；A、m為常數(shù)；D為鐵素體晶粒。

從（1）式中可以看出，鐵素體晶粒越小，脆性轉(zhuǎn)變溫度越低，低溫韌性越好[3]。

從金相檢測情況看，沖擊不合格鋼板晶粒較粗，導致鋼板低溫沖擊韌性下降。

綜上所述，板坯的中心偏析、鋼板的帶狀組織和晶粒度較粗是導致Q345qE鋼板沖擊韌性偏低的系統(tǒng)性原因。在生產(chǎn)此批次橋梁鋼生產(chǎn)期間，連鑄機狀態(tài)非常穩(wěn)定，板坯的中心偏析取樣按曼內(nèi)斯曼標準評級平均在1.9較為理想，進一步改善空間很??；帶狀組織的產(chǎn)生及其級別很大程度上受成分設計因素影響。因此認為，在軋鋼工序改善軋制組織形態(tài)及晶粒度是提高沖擊性能的關(guān)鍵。

4 生產(chǎn)工藝優(yōu)化

根據(jù)以上分析，在不改變薄規(guī)格Q345qE現(xiàn)有成分設計的基礎上，通過加熱和軋制工藝參數(shù)的調(diào)整，著重針對金相異常組織進行控制。

4.1 降低加熱溫度

由于Q345qE鋼板是采用低C加Nb、V、Ti微合金成分體系，為保證板坯加熱時微合金元素的奧氏體中充分固溶，并且防止奧氏體晶粒粗化，根據(jù)經(jīng)驗公式對板坯的加熱溫度進行進一步核算：

式中：[Nb]、[C]為質(zhì)量分數(shù)，%；

[N]為質(zhì)量分數(shù)，×10-6。

通過式（2）計算，該鋼Nb的固溶溫度在1120～1160℃，含Nb微合金鋼的原始奧氏體晶粒尺寸隨板坯加熱溫度的降低而減小粗化，相變后的鐵素體晶粒尺寸也相應細小。由于細化了鐵素體晶粒，改善了鋼的抗脆性斷裂的能力，同時明顯降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。同時由于加熱溫度越高，鋼中的貝氏體含量越多，加熱溫度降低可以避免粗大貝氏體的出現(xiàn)，提高鋼的韌性。因此，為保證合金的固溶強化和組織的細晶強化，將Q345qE的板坯加熱溫度控制1150～1200℃，較原來的加熱溫度約低50℃。

4.2 增加待溫后的變形量

提高奧氏體未再結(jié)晶區(qū)待溫厚度，增加待溫后的累積變形量，隨著壓下率的增加，使奧氏體晶粒內(nèi)部形成的變形帶增多，增加了有效晶界面積，同時提供了更多的鐵素體形核點，最終細化鐵素體晶粒，并且由于提高了待溫后總變形量，也增加了各軋制道次的壓下率，有利于鋼板變形滲透，減輕原始組織中的偏析影響，從而改善鋼板低溫沖擊韌性。

4.3 工藝改進前后參數(shù)和力學性能

工藝改進前后加熱和軋制工藝參數(shù)見表2、表3。通過對工藝調(diào)整后的Q345qE的沖擊韌性的檢測數(shù)據(jù)(見表4)，可以看出，14～16mm沖擊平均值基本都在200J以上，晶粒度為9～10級，晶粒較細，產(chǎn)品的低溫沖擊韌性得到明顯改善。

軋制60余批次、生產(chǎn)～2100t的薄規(guī)格Q345qE鋼板，取樣檢測沖擊性能，檢測結(jié)果見表4。

表2 Q345qE工藝調(diào)整前后的加熱工藝

表3 Q345qE工藝調(diào)整前后的軋制工藝

表4 Q345qE工藝調(diào)整后的沖擊性能

4.4 工藝改進后金相檢驗結(jié)果

工藝改進后的Q345qE鋼板的金相檢驗結(jié)果見圖3。從金相顯微組織看，厚度1/4和1/2處的帶狀組織明顯減輕，中心偏析帶處的金相組織為鐵素體、珠光體和極少量貝氏體，鋼板厚度1/4處的金相組織為鐵素體和珠光體，鋼板的組織晶粒尺寸更細、晶粒大小較均勻，晶粒度為9～10級。

圖3 工藝改進后鋼板的金相顯微組織

4.5 實施效果

針對14～16mmQ345qE鋼板，軋制工藝改進后低溫沖擊韌性得到明顯改善，對后續(xù)生產(chǎn)的Q345qE薄鋼板力學性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，低溫沖擊合格率大幅提高，合格率達到98%。

5 結(jié)論

（1）通過分析得出：Q345qE薄板沖擊不合格是在心部伴隨有異常貝氏體組織的帶狀組織和晶粒粗大綜合作用所致?？紤]到連鑄板坯中心偏析組織基體的先導性影響，其波動幅度對軋材組織的影響非常顯著，必須嚴格控制，異常情況可以加大取樣密度觀察。

（2）通過采用降低板坯加熱溫度和增加鋼板待溫后的變形量，能夠有效減輕鋼板的帶狀組織和異常貝氏體的比例，同時也起到細化組織晶粒的效果，顯著改善Q345qE薄板低溫沖擊韌性。

[1]向華，秦軍，劉奉家.Q345E鋼板低溫沖擊不合的原因分析與改進.寬厚板，2014,（4）.

[2]王智軼，王彩虹.Q345E低溫沖擊不合分析.寬厚板，2011,（6）．

[3]吳尚超，馬有輝，秦秀英，張立超.Q345E沖擊性能不合格原因分析與對策,鋼鐵研究學報,2011,（S1）.