Q345中厚鋼板TMCP工藝與力學(xué)性能研究

趙虎 朱豪 陳曉山 孔鵬

【摘 要】本文針對影響C-Mn系Q345鋼板力學(xué)性能的控軋和控冷工藝參數(shù)進(jìn)行分析和研究，確定了中間坯厚度、終軋溫度、開冷溫度、終冷溫度等因素與性能的關(guān)系。通過工藝改進(jìn)，提高了鋼板性能合格率。

【關(guān)鍵詞】Q345；中厚板；TMCP；力學(xué)性能

1.前言

近年來，隨著快速冷卻工藝和裝備日益成熟，TMCP技術(shù)被廣泛應(yīng)用于合金成份減量化工藝生產(chǎn)低合金結(jié)構(gòu)鋼板。八鋼4200/3500中厚板軋機(jī)，采用C-Mn系成份生產(chǎn)14～30mm Q345B/D鋼板，對原熱軋態(tài)成份降低Mn，通過ACC加速冷卻，可提高強(qiáng)度30～50MPa，降低合金成本40元/噸左右。在工廠大批量生產(chǎn)時，經(jīng)常發(fā)生屈服偏低或強(qiáng)度高延伸不夠，在季節(jié)更替時更加突出。本文深入分析了控軋和控冷工藝參數(shù)對性能的影響，以確定改善性能的較優(yōu)生產(chǎn)工藝。

2.工藝條件

2.1化學(xué)成份

2.2軋制方案

板坯加熱后，在4200粗軋機(jī)軋制到中間坯厚度，待溫后在精軋機(jī)軋制到成品厚度，鋼板軋后ACC快速冷卻，經(jīng)過矯直、冷卻、剪切、取樣、標(biāo)識等工序成為成品鋼板。工藝要點(diǎn)如下：加熱溫度1200～1250℃，加熱時間大于210分鐘；粗軋結(jié)束溫度大于950℃；精軋終軋溫度大于750℃；ACC開冷溫度大于720℃；終冷溫度大于590℃，冷卻速度5～15℃/s。軋制參數(shù)由軋線自動化系統(tǒng)采集，溫度按在線高溫計實(shí)測值控制。

3.工藝因素與力學(xué)性能的關(guān)系

3.1影響性能的工藝因素分析

用表1成份體系生產(chǎn)Q345鋼板，僅靠固溶強(qiáng)化難以保證鋼板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，需要通過控制軋制和控制冷卻來增強(qiáng)晶界強(qiáng)化和位錯強(qiáng)化的效果。鐵素體晶粒尺寸與形核點(diǎn)數(shù)量和奧氏體晶粒表面積成正比[1]。奧氏體晶粒細(xì)化主要取決于精軋階段在未再結(jié)晶區(qū)軋制的應(yīng)變累積程度[2]。在未再結(jié)晶區(qū)軋制時，奧氏體晶粒被壓扁拉長，累計變形量愈大奧氏體晶粒的表面積也越大，晶內(nèi)缺陷、變形帶和殘余應(yīng)變增多，鐵素體形核點(diǎn)也越多，越有利于提高位錯密度。鋼板溫度降低到Ar3開始鐵素體轉(zhuǎn)變，繼續(xù)降低到Ac1時高碳的未相變奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。鋼板軋后快速冷卻，有利于固化軋態(tài)晶格異質(zhì)效果。高的過冷度也有利于在扁平的奧氏體晶界上和晶內(nèi)變形帶上形成鐵素體晶核，晶粒得以進(jìn)一步細(xì)化，并使控軋產(chǎn)生的位錯得以更多的保留，強(qiáng)化效果增強(qiáng)。

3.2中間坯厚度

精軋階段的累積變形效應(yīng)與中間坯厚度所對應(yīng)的累計壓下率相關(guān)，為使厚度方向奧氏體晶粒均勻變形，需要累計壓下率達(dá)到某個工藝“閥值”。測試28mm鋼板的中間坯厚度與強(qiáng)度的關(guān)系，目標(biāo)工藝參數(shù)為：終軋溫度830℃、開冷溫度810℃和返紅溫度640℃。中間坯厚度從50mm逐漸增加到82mm，對應(yīng)的精軋累計壓下率從44%增加到66%，成品鋼板的力學(xué)性能如圖1所示。累計壓下率小于60%的強(qiáng)度變化不明顯，達(dá)到62%時強(qiáng)度升高15Mpa，之后隨著中間坯厚度增加強(qiáng)度逐漸升高，增加到66%時屈服升高30Mpa、抗拉升高20Mpa。其它規(guī)格也存在相似的現(xiàn)象，不同厚度鋼板引起強(qiáng)度突變的累計壓下率不同，厚度越薄對應(yīng)的累計壓下率“閥值”越大。

3.3終軋溫度

對比不同終軋溫度對強(qiáng)度的影響。測試30mmQ345D鋼板的目標(biāo)工藝參數(shù)為；中間坯厚度80mm、返紅溫度620℃、精軋開軋溫度小于880℃。終軋溫度從830℃逐漸降低到740℃。實(shí)測返紅溫度619～635℃，開冷溫度由804℃降低到720℃，冷卻速度由14.4℃/s逐漸降低到6.4℃/s，對應(yīng)的強(qiáng)度變化如圖2所示。隨著終軋溫度降低，強(qiáng)度升高，大于780℃時升幅較小，低于760℃后顯著提高，由760℃降低到740℃屈服上升30MPa，抗拉提高的幅度小于屈服。

隨著終軋溫度降低，原子擴(kuò)散能力減弱，抑制了軋后空冷階段的組織回復(fù)和軟化，軋制產(chǎn)生的位錯、變形帶、殘余應(yīng)變等晶內(nèi)缺陷得以更多保留，位錯強(qiáng)化效果提高，也有利于在相變前形成更多的鐵素體晶核。

3.4冷卻溫度

鋼板軋后通過ACC加速冷卻控制奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的方式，如果在開冷前已發(fā)生鐵素體相變，則控冷效果將減弱。在ACC加速冷卻過程中，隨著冷卻速率增加，鐵素體相變溫度降低，但是開冷溫度不宜低于Ac1。

鋼板加速冷卻增加了奧氏體的過冷度，會影響鐵素體形核、晶粒尺寸和珠光體片層間距，通過水溫、水量、集管組合等參數(shù)調(diào)控，并以終冷溫度和冷卻速率作為結(jié)果參數(shù)。降低冷卻溫度和增加冷卻速率在使鋼板強(qiáng)度上升的同時，也使鋼板熱殘余應(yīng)力升高導(dǎo)致延伸下降[3]。以冷速速度10℃/s為基準(zhǔn)，每提高1℃/s，屈服提高5～8MPa，抗拉提高3～5 MPa，延伸略有降低。當(dāng)鋼板冷卻到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)后，在鋼板表層甚至心部會產(chǎn)生貝氏體組織，碳含量較高的C-Mn鋼會出現(xiàn)強(qiáng)度急劇升高和延伸率大幅降低。

隨機(jī)抽取延伸率偏低的三張鋼板，工藝參數(shù)和力學(xué)性能見表2。終冷溫度低于584℃后延伸率指標(biāo)異常，低于564℃后屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度急劇升高。

圖3是上述三張鋼板軋制試樣的室溫組織照片，分別為表層和心部500倍的顯微組織。圖中（a）、（b） 、（c）、（e）、（f）均為鐵素體+珠光體+貝氏體， （d）為鐵素體+珠光體。表明終冷溫度584℃時鋼板表面出現(xiàn)貝氏體，564℃時心部出現(xiàn)貝氏體。

4.工藝優(yōu)化

根據(jù)上述測試結(jié)果，綜合中間坯厚度、終軋溫度、冷卻溫度等因素對組織和性能的影響關(guān)系，系統(tǒng)優(yōu)化了14～30mmQ345系列鋼板的工藝參數(shù)，要點(diǎn)如下：中間坯厚度大于2.6倍成品厚度，按厚度規(guī)格設(shè)定待溫溫度和終軋溫度，保證開冷溫度740±20℃，終冷溫度大于590℃，冷卻速率5～13℃/s。生產(chǎn)的鋼板組織為F+P，力學(xué)性能穩(wěn)定。2015年10月至2016年7月份，共檢驗(yàn)3172批次，合格率99.94%。

為了檢驗(yàn)工藝效果，對鋼板表面、心部和1/4處的組織進(jìn)行金相觀察，圖4是20mm鋼板不同厚度處500倍的顯微組織。組織為均勻的鐵素體+珠光體，心部晶粒度8級，厚度1/4處晶粒度9級，表層晶粒度10級。表層組織較細(xì)，與增加待溫厚度、降低精軋溫度、表層冷速較大等因素有關(guān)。

5.結(jié)論

采用C-Mn系成份和TMCP工藝生產(chǎn)Q345鋼板時，各軋制和冷卻工藝參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)，對強(qiáng)度和延伸的影響不同，必須綜合考慮。中間坯厚度大于2.6倍成品厚度和保證740±20℃開冷溫度的低溫控軋，有利于ACC固化控軋效果和細(xì)化晶粒，可獲得穩(wěn)定的力學(xué)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]小指軍夫.控制軋制控制冷卻——改善材質(zhì)的軋制技術(shù)發(fā)展[M].李伏桃，陳巋譯.北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[2]朱伏先，李艷梅，劉彥春，王國棟，等. Q345系列中厚鋼板的TMCP工藝研究[J].

[3]朱冬梅，劉國勇，李謀渭，張少軍. 中厚板冷卻過程中熱殘余應(yīng)力的控制[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報，2008.