柴 垚 婁軍魁 藺學(xué)浩 李 偉

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 前言

隨著國內(nèi)大線能量焊接和無預(yù)熱焊接技術(shù)的突破，鋼結(jié)構(gòu)和工程機(jī)械對(duì)鋼材的強(qiáng)度和焊接性能的要求不斷加強(qiáng)。低碳貝氏體鋼具有高強(qiáng)度、抗疲勞、抗沖擊、耐磨、焊接及易加工等優(yōu)質(zhì)性能，其焊接性能是常規(guī)的高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA）無法比擬的[1]。

安鋼AH70DBD低碳貝氏體鋼主要應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)、廠房建筑、工程機(jī)械設(shè)備等，其中700 MPa 級(jí)以上的高強(qiáng)度鋼板僅煤機(jī)機(jī)械的用量就達(dá)到了20 萬t/年以上。AH70DBD低碳貝氏體鋼的生產(chǎn)要求比較苛刻，在生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)批量性能不合格的情況。筆者主要針對(duì)AH70DBD低碳貝氏體鋼性能不合的影響因素進(jìn)行了分析，對(duì)工藝進(jìn)行了優(yōu)化，從而確保了對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定控制。

1 AH70DBD低碳貝氏體鋼生產(chǎn)工藝

1.1 AH70DBD成分設(shè)計(jì)

AH70DBD低碳貝氏體鋼采用低碳Mn-Nb-Ti-B系成分，其化學(xué)成分見表1，其中C含量為0.050 %～0.090 %，Mn含量為1.55 %～1.90 %,微合金元素Nb+Ti+B的含量控制在0.060 %～0.110 %，采用Al脫氧，可以在保證其脫氧能力的同時(shí)提高微合金元素的收得率，殘余元素Cu+Cr+Ni含量不高于0.25 %，殘余Mo含量不高于0.08%。C和Mn對(duì)提高鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的起主要作用，利用微合金元素Nb和Ti與游離的C、N結(jié)合形成相對(duì)穩(wěn)定的碳氮化物，通過微合金元素固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的作用來細(xì)化晶粒，提高鋼本身的韌性。通過B元素固溶并擴(kuò)散到奧氏體晶界，奧氏體的晶界能降低，鐵素體形核減少，有效阻止再結(jié)晶，提高了鋼的淬透性，使鋼板容易得到板條貝氏體(或下貝氏體)[2]。

聯(lián)系人：柴垚，助理工程師，河南.安陽（455004），安陽鋼鐵股份有限公司技術(shù)質(zhì)量處； 收稿日期：2022-01-20

1.2 AH70DBD生產(chǎn)流程

AH70DBD生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

表1 AH70DBD低碳貝氏體鋼化學(xué)成分

1.3 AH70DBD工藝控制

為了保證后期超低硫的生產(chǎn)，采用石灰和鎂粉混合噴吹的形式進(jìn)行鐵水預(yù)處理，預(yù)處理結(jié)束后要求鋼中S含量≤0.003 0 %，要求扒渣量≥95 %。轉(zhuǎn)爐冶煉要求采用自產(chǎn)廢鋼，利用副槍和自動(dòng)煉鋼模型精確控制冶煉過程，石灰消耗較常規(guī)低合金高5～10 kg/t，以促進(jìn)脫磷脫硫，出鋼時(shí)利用下渣檢測(cè)和滑板擋渣技術(shù)，嚴(yán)格控制下渣量，防止回磷。LF精煉過程中的Al含量維持在0.015 %以下，保證鋼水脫氧即可，在VD真空精煉結(jié)束后采用鋼芯鋁和鋁線進(jìn)行補(bǔ)鋁，軟攪拌3 min以上再加入Ti、Nb、B等微合金元素。3 250 mm寬板坯鑄機(jī)全程保護(hù)澆注，采用無碳中包覆蓋劑和專用保護(hù)渣，防止連鑄過程增碳。

2 實(shí)驗(yàn)方法

在不合格的拉伸試樣未變形區(qū)域，用金相切割機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行截取，做化學(xué)成分檢測(cè)和金相組織檢測(cè)。所取試樣的拉伸試樣力學(xué)性能見表2。試驗(yàn)采用對(duì)比方式進(jìn)行，其中 1#、2#為抗拉強(qiáng)度不合格的鋼板試樣，3#是力學(xué)性能均合格的同規(guī)格鋼板試樣，作為對(duì)比試樣，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)分析。

表2 試樣的力學(xué)性能

對(duì)所截取的成分試樣和金相試樣進(jìn)行預(yù)磨和拋光，利用光電直讀光譜儀PDA 7000/ ARL 3460對(duì)成分試樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)分析；利用金相顯微鏡對(duì)金相試樣進(jìn)行夾雜物分析和評(píng)級(jí)，再用配置好的4% 的硝酸酒精對(duì)金相試樣進(jìn)行腐蝕，最后利用金相顯微鏡對(duì)試樣的顯微組織進(jìn)行觀察。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 化學(xué)成分檢測(cè)

通過光電直讀光譜儀進(jìn)行檢測(cè)，所得各AH70DBD 鋼板試樣的化學(xué)成分見表3。其中，2#不合格試樣與3#合格試樣對(duì)比，2#不合格試樣中的B含量只有0.000 8%，通常B含量在0.001%以上才能發(fā)揮其增加鋼淬透性的作用。

表3 試樣的化學(xué)成分檢測(cè)

3.2 軋制工藝

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，同批次軋制計(jì)劃中出現(xiàn)性能異常情況，對(duì)軋制過程的各個(gè)工序的工藝參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，特別是主要影響性能的二開溫度、終軋溫度及終冷溫度。具體對(duì)比情況見表4。

表4 主要軋制工藝對(duì)比

從軋制工藝上看，1#試樣，除終軋溫度局部低于工藝要求外，其他方面均符合軋制工藝的要求；2#試樣，軋制工藝二開溫度符合工藝要求，但終軋溫度低于工藝的下限，終冷溫度明顯偏高，冷速不夠是導(dǎo)致強(qiáng)度偏低的原因之一。

3.3 金相組織檢測(cè)

在1#、2#、3#拉伸試樣上分別截取垂直于軋制方向的橫向金相試樣， 經(jīng)研磨、拋光后，采用配置好的4 % 硝酸酒精溶液對(duì)其進(jìn)行腐蝕，用蔡司Axiovert 200 光學(xué)顯微鏡對(duì)金相組織進(jìn)行觀察，對(duì)應(yīng)的金相組織如圖2所示。

圖2 金相組織照片

從圖2可以看出，1#試樣除表面有一定的粒狀貝氏體組織外，1/4處和中心處都以細(xì)小、致密、平行的板條狀貝氏體組織為主，其內(nèi)部板條貝氏體組織比例偏高，因此導(dǎo)致了更高的強(qiáng)度；2#試樣的表面、1/4處、中心組織基本上均以粒狀貝氏體組織為主，并伴有少量的鐵素體和珠光體組織；3#試樣的表面、1/4處、中心處的顯微組織以一定量的板條貝氏體和粒狀貝氏體為主，并存在少量的鐵素體。

4 改進(jìn)措施

為提高AH70DBD力學(xué)性能合格率，根據(jù)前期試驗(yàn)分析結(jié)果，結(jié)合目前的生產(chǎn)成本及工藝，采取以下技術(shù)措施。

4.1 優(yōu)化化學(xué)成分

AH70DBD為低碳貝氏體鋼，要求具有高強(qiáng)度、高韌性和良好的焊接性能，因此需要采用低碳加適當(dāng)Mn-Nb-Ti-B的成分體系，同時(shí)盡量地減少鋼中P、S、N、H、O等雜質(zhì)元素的含量。為了保證其具有良好的焊接性能、改善韌性，應(yīng)采用較低的C含量；同時(shí)加入適當(dāng)?shù)腗n，不但可以發(fā)揮其固溶強(qiáng)化的作用，還可以降低γ-α相變溫度，進(jìn)而細(xì)化鐵素體晶粒；而添加的Ti、Nb、Al等細(xì)化晶粒元素，則可以充分利用其組織細(xì)化、固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的作用[3]；由于B在晶界的偏聚抑制了先共析鐵素體的形成，同時(shí)，當(dāng)鋼中存在強(qiáng)碳化物形成元素時(shí)，

能夠抑制Fe2O3(C,B)6的形成，從而促使了硼向晶界進(jìn)一步偏聚，阻礙鐵素體的 形核，從而推遲奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，提供一個(gè)很寬的范圍形成貝氏體。

4.2 保證加熱溫度、嚴(yán)格控制軋制工藝

為了不使控軋前的原始奧氏體晶粒過于粗大，應(yīng)選擇并保證較低的鋼坯加熱溫度，并利用TiN或Nb（C、N）析出顆粒來抑制奧氏體化時(shí)的晶粒長大。在奧氏體再結(jié)晶區(qū)，利用反復(fù)的再結(jié)晶，微合金元素的固溶、拖曳作用以及析出釘扎作用來阻遏奧氏體晶粒的長大，從而細(xì)化奧氏體晶粒。

為了進(jìn)一步細(xì)化貝氏體組織，還必須采用未再結(jié)晶區(qū)控制軋制，使細(xì)化的奧氏體晶粒進(jìn)行多道次的應(yīng)變積累，使其大于65 %的總壓下量，以便在奧氏體晶粒內(nèi)部產(chǎn)生足夠多的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)和變形帶。后者既能夠促使貝氏體在轉(zhuǎn)變過程中的大量形核轉(zhuǎn)變，又能夠抑制貝氏體、鐵素體的長大。盡可能地降低軋制過程中的終軋溫度，提高軋后的冷卻速度，使奧氏體晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)及其亞結(jié)構(gòu)在貝氏體轉(zhuǎn)變過程中能夠有效遺傳，并阻遏析出顆粒粗化，以便充分發(fā)揮析出相和位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化作用，因此應(yīng)將終軋溫度控制在760～830 ℃，在軋后快速冷卻條件下，變形奧氏體可以轉(zhuǎn)變成細(xì)小的各種形態(tài)的貝氏體組織，并可以繼承其在未再結(jié)晶區(qū)變形時(shí)產(chǎn)生的大量形變位錯(cuò)，使貝氏體鋼的強(qiáng)度得到明顯的提高。因此，安鋼依托爐卷軋機(jī)后面設(shè)置的層流冷卻裝置[4]，將終冷溫度控制在380～440 ℃，以保證鋼板擁有良好的綜合性能。

5 結(jié)論

（1）AH70DBD低碳貝氏體鋼強(qiáng)度偏高性能不合的主要原因是組織中強(qiáng)度高的板條貝氏體含量偏高，但在軋制工藝上要實(shí)現(xiàn)組織比例的精確控制難度較大，可以通過適當(dāng)提高終冷溫度來改善。同時(shí)，在冬季層流水溫較低的季節(jié)，可適當(dāng)優(yōu)化化學(xué)成分，降低錳或鈮的合金含量，使鋼強(qiáng)度適當(dāng)降低。

（2）強(qiáng)度偏低的主要原因是組織中存在少量的鐵素體和珠光體，表現(xiàn)為明顯的冷卻能力不足。一是B含量控制偏低，不能充分發(fā)揮淬透性造成的；二是終軋溫度偏低，使得奧氏體的穩(wěn)定性和冷卻速率降低。因此，要嚴(yán)格將B含量控制在0.001%以上，還要在操作上嚴(yán)格控制終軋溫度，從而保證有效的冷卻強(qiáng)度。