S355NL鋼低溫沖擊韌度不合格原因分析

陳一滿,盧愛鳳

(萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司,萊蕪271104)

S355NL鋼低溫沖擊韌度不合格原因分析

陳一滿,盧愛鳳

(萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司,萊蕪271104)

針對某批次S355NL鋼沖擊韌度不合格的現(xiàn)象,從鋼板的化學(xué)成分、力學(xué)性能、顯微組織、夾雜物及斷口等方面進(jìn)行了分析,并重點(diǎn)對冶煉、連鑄、軋制工序的主要參數(shù)進(jìn)行了探討。結(jié)果表明:晶粒尺寸不均勻、雜質(zhì)顆粒粗大是導(dǎo)致S355NL鋼沖擊韌度低的主要原因。通過優(yōu)化冶煉工藝制度以控制化學(xué)成分和夾雜物,優(yōu)化軋制工藝參數(shù)以保證鋼板的晶粒度,有效地提高了S355NL鋼沖擊韌度的合格率。

S355NL鋼;沖擊韌度;混晶組織;雜質(zhì)

S355NL鋼是歐洲標(biāo)準(zhǔn)的低合金高強(qiáng)度鋼,相當(dāng)于國標(biāo)牌號Q345E。某鋼廠從2014年開始生產(chǎn)該鋼,由于該產(chǎn)品具有優(yōu)良的綜合性能,還具有優(yōu)異的低溫沖擊韌度,因此主要供應(yīng)并使用于北方高寒冷地帶,主要用于大型船舶、橋梁、電站設(shè)備、容器、重型機(jī)械以及其他大型焊接結(jié)構(gòu)件的制造[1-2]。

但是在S355NL鋼的實(shí)際檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),表征韌性的低溫沖擊功有明顯的波動(dòng),并且有不合格現(xiàn)象存在,有些批次產(chǎn)品的初次檢驗(yàn)合格率甚至僅為70%?；谠摤F(xiàn)象,筆者對該批次S355NL鋼進(jìn)行理化檢驗(yàn)和分析,查明其低溫沖擊韌度不合格的原因,以期對穩(wěn)定生產(chǎn)工藝、保證產(chǎn)品質(zhì)量有所幫助。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

根據(jù)EN 10025—3:2004Hot Rolled Products of Structural Steels—Part3:Technical Delivery Conditions for Normalized/Normalized Rolled Weldable Fine Grain Structural Steels和GB/T 4160—2004《鋼的應(yīng)變時(shí)效敏感性試驗(yàn)方法(夏比沖擊法)》中對鋼成分及性能的要求,鋼板應(yīng)采用低碳當(dāng)量,鋼材中其他合金元素的含量可以折算成碳的含量,即以碳當(dāng)量來衡量鋼材的焊接性能[3]。因此,影響鋼材焊接性能的主要因素不僅僅是碳含量,更重要的是鋼材的碳當(dāng)量。碳當(dāng)量的計(jì)算公式為[4-5]:wC,eq＝wC+wMn/6+wSi/24+wNi/40+

式中:wC,eq為鋼材的碳當(dāng)量(質(zhì)量分?jǐn)?shù));wC,wMn,wSi,wNi,wCr,wMo,wV分別為鋼材中碳、錳、硅、鎳、鉻、鉬、釩元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

鋼板的碳含量應(yīng)當(dāng)取較低值。保證鋼板的碳含量不高于0.11%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),才能確保碳當(dāng)量不高于0.35%,從而保證鋼板具有良好的焊接性能及低溫沖擊韌度。

該批次S355NL鋼的化學(xué)成分分析結(jié)果見表1,由結(jié)果可知,鋼材的化學(xué)成分控制已經(jīng)比較精確,說明鋼材的生產(chǎn)工藝比較穩(wěn)定。要提高材料的性能,需要進(jìn)一步降低材料中硅、硫、磷等雜質(zhì)元素的含量,否則過高的雜質(zhì)含量不僅導(dǎo)致可焊性變差,還會(huì)導(dǎo)致焊接變形大[6]。尤其是要特別注意降低磷含量,因?yàn)榱讓τ诓牧系睦浯嘈杂绊懞艽?。有研究表?磷含量應(yīng)不高于0.18%,否則會(huì)嚴(yán)重降低鋼材的低溫沖擊韌度。

表1 S355NL鋼的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Analysis results of chemical compositions of the S355NL steel（mass） %

另外,采用了釩、鈦、鈮、鎳等合金元素對鋼材進(jìn)行復(fù)合合金化。釩、鈦、鈮都是強(qiáng)碳氮化物形成元素,加熱時(shí),釩、鈦、鈮的碳氮化物可以阻止奧氏體晶粒長大,細(xì)化奧氏體晶粒,起到細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的作用;同時(shí),還可以提高結(jié)晶和再回復(fù)的溫度,保證了軋制時(shí)的變形累積,促進(jìn)形核以細(xì)化晶粒。微量的鈦對于改善焊接區(qū)域的韌性十分有效。鎳可以提高材料的韌性,而且是促進(jìn)石墨化元素,可以促進(jìn)碳與釩、鈦、鈮形成碳化物。鉻、鉬雖然也是強(qiáng)碳化物形成元素,但在碳含量低的情況下,鉻、鉬更傾向于與鐵形成固溶體,導(dǎo)致材料韌性降低,在細(xì)化晶粒方面的作用遠(yuǎn)不如釩、鈦、鈮的作用顯著,因此,要盡量降低鋼板中鉻、鉬的含量。

1.2 力學(xué)性能測試

對該批次S355NL鋼產(chǎn)品進(jìn)行力學(xué)性能測試,測試項(xiàng)目為屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率和沖擊韌度,具體結(jié)果見表2。從表2可以看出,該批次S355NL鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率均達(dá)到國標(biāo)及內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)的要求,但低溫沖擊韌度出現(xiàn)了較大波動(dòng)。S355NL鋼產(chǎn)品在—40℃時(shí)的沖擊功為17,126,203 J,有一個(gè)試樣不合格;而在—50℃時(shí)的沖擊功很低,僅為8,12,14 J,全部不合格。

1.3 金相檢驗(yàn)

分別對上述1號(—40℃),2號(—40℃), 2號(—50℃),3號(—40℃)4個(gè)試樣進(jìn)行了金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出,S355NL鋼試樣的顯微組織為鐵素體+珠光體,晶粒度為7.0～8.5級,均有輕微的混晶組織,1號(—40℃)試樣的混晶程度比較嚴(yán)重,2號(—50℃)試樣的粗晶比例較大。4個(gè)試樣中均有輕微的帶狀組織,評級為1級,并不嚴(yán)重?；炀ЫM織的存在會(huì)導(dǎo)致不同尺寸的晶粒微觀區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)不均勻,在低溫時(shí)受到外力的情況下,容易在其交界區(qū)域首先形成微裂紋,從而成為脆性開裂的直接裂紋源。因此該因素是導(dǎo)致S355NL鋼低溫沖擊韌度不合格的原因之一。

表2 試樣的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of the specimens

1.4 夾雜物與斷口分析

對S355NL鋼試樣中的夾雜物進(jìn)行放大分析, A類硫化物基本為0.5級,B類氧化物級別比較高,最大顆粒尺寸長度超過3 mm,見圖2。C類硅酸鹽很少,有一定D類球狀氧化物及DS類單顆粒氧化物,見圖3。使用掃描電鏡對1號(—40℃)試樣斷面進(jìn)行分析,可見脆性斷裂所占比例較大,而且斷裂面上有夾雜物殘留小凹坑。表3為圖4斷口中夾雜物的能譜分析結(jié)果。

圖1 S355NL鋼試樣的顯微組織形貌Fig.1 Microstructure morphology of the S355NL steel specimens：

圖2 B類夾雜物形貌Fig.2 Morphology of inclusions of type B

圖3 DS類夾雜物形貌Fig.3 Morphology of inclusions of type DS

圖4 1號(－40℃)試樣斷口形貌Fig.4 Fracture morphology of the No.1（－40℃）specimen

表3 1號(－40℃)試樣中的夾雜物能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.3 Energy spectrum analysis result of the No.1（－40℃）specimen（mass） %

2 生產(chǎn)工藝分析

S355NL鋼生產(chǎn)的主要工藝流程為:鐵水KR (機(jī)械攪拌法脫硫)脫硫→轉(zhuǎn)爐吹氧冶煉→LF(鋼包精煉爐)精煉→VD(真空脫氣爐)真空處理→澆鑄→脫模清理→帶溫送軋→加熱→軋制→矯直→堆冷→探傷→熱處理→檢驗(yàn)→精整→成品。其關(guān)鍵工序?yàn)橐睙捄瓦B鑄軋制兩個(gè)工序,主要對這兩個(gè)工序中的關(guān)鍵問題進(jìn)行分析。

2.1 冶煉工藝分析

生產(chǎn)中鐵水經(jīng)過KR預(yù)處理、LF爐外精煉、VD真空處理以充分去除鋼液中的雜質(zhì)和氣體。鋼液中各元素對鋼材的強(qiáng)韌性有重要的影響,碳會(huì)增加珠光體的含量,降低材料的韌性和可焊接性能;硫會(huì)產(chǎn)生非金屬夾雜物,降低材料的韌性,特別是低溫沖擊韌度;釩、鈮、鈦等微合金化元素可以起到細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的效果。因此,冶煉過程中必須精確控制鋼液的氣體、雜質(zhì)和合金含量,否則材料內(nèi)部的組織疏松處可能會(huì)成為裂紋源,而且由于硫化錳等雜質(zhì)的聚集,使鋼板的Z向(鋼板厚度方向)性能不合格[3]。

為了使脫氧前鋼中的氧含量盡可能降低,應(yīng)該對冶煉終點(diǎn)精確控制碳含量,保證鋼液中成分均勻,減少鋼中夾雜物。為了深度脫氧、精確控制氧含量以及控制夾雜物的形態(tài),精煉過程中在鋼包中以喂鈣線的方式對夾雜物進(jìn)行鈣處理,主要作用是使減小雜質(zhì)顆粒尺寸,并且使含硫夾雜物球化,以降低雜質(zhì)對沖擊韌度的不利影響。

鋼液中氧的含量不大于0.003%,鋼板中的氧含量略大于此值;鋼板中氮含量不大于0.004%;鋼液中氫含量不大于0.000 5%,板材中不大于0.000 2%。

2.2 連鑄軋制工藝分析

連鑄過程采用全程保護(hù)澆鑄,注意控制中間包鋼液的溫度,澆鑄時(shí)保持拉速恒定,結(jié)晶器出口坯溫隨著鈮鈦的含量微調(diào),防止碳氮化物大量快速析出而惡化鋼坯的高溫性能,防止鑄坯產(chǎn)生橫紋,同時(shí)結(jié)晶器采用非正弦振動(dòng)電磁攪拌[7]。

軋制時(shí)主要考慮的工藝參數(shù)包括鋼坯加熱溫度、升溫速率、保溫時(shí)間、始軋溫度、終軋溫度、壓下量等。加熱速率小于100℃·h—1,最高溫度控制目標(biāo)下降20℃(控制目標(biāo)范圍調(diào)整在1 270～1 290℃)。粗軋時(shí)采用較大的壓下量,以減小板厚對變形的影響,使鋼板內(nèi)部缺陷焊合和消除;另外,較大的壓下量還可以細(xì)化奧氏體晶粒,改善板坯的性能。粗軋開軋溫度為1 050～1 150℃,不低于1 000℃。粗軋?jiān)谠俳Y(jié)晶區(qū)軋制,通過形變-再結(jié)晶使晶粒細(xì)化。此階段在高溫、低速、大壓下量的條件下軋制,充分細(xì)化鋼坯中的樹枝晶。精軋溫度為860～870℃,不低于820℃。精軋采用較大的累積變形量,使奧氏體晶粒充分變形,在晶粒內(nèi)部形成更多的滑移帶,為鐵素體的轉(zhuǎn)變提供能量和形核位置,細(xì)化晶粒。

軋制后采用軋后快冷技術(shù)(ACC)冷卻,要求采用兩次冷卻工藝,輥速為中等速率1.0 m·s—1左右,返紅溫度650～680℃,鋼板堆垛緩冷之前的溫度應(yīng)高于400℃。

通過對冶煉和連鑄連軋工序的參數(shù)優(yōu)化,可以滿足產(chǎn)品在成分、晶粒度等方面的要求,保證得到合格產(chǎn)品,提高成品率。

3 結(jié)論及改進(jìn)措施

該批次S355NL鋼中存在混晶組織,導(dǎo)致不同尺寸晶粒的微觀區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)不均勻,在低溫沖擊外力的情況下,容易在其交界區(qū)域形成微裂紋,從而成為脆性開裂的直接裂紋源。此外,夾雜物的存在也在一定程度上影響了S355NL鋼的低溫沖擊韌度。

基于以上分析,在S355NL鋼軋制過程中,建議在確保終軋溫度的情況下,提高軋制節(jié)奏、降低加熱溫度。

措施實(shí)施后,S355NL鋼的低溫沖擊韌度改善效果顯著,連續(xù)生產(chǎn)的30批次中,初驗(yàn)合格有28批,初驗(yàn)合格率達(dá)到了93.3%。

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Cause Analysis of Low-temperature Impact Toughness Disqualification of S355NL Steel

CHEN Yi-man,LU Ai-feng
(Laiwu Iron and Steel Company Co.,Ltd.,Laiwu 271104,China)

For the phenomenon of low-temperature impact toughness disqualification of S355NL steel,the steel plates were analyzed from the aspects of chemical composition,mechanical property,microstructure, inclusions,fracture and so on.The main parameters of the smelting,continuous casting,the rolling process were discussed with an emphasis.The results show that:the non-uniform grain size and coarse impurity particles were the main reasons leading to the low impact toughness of S355NL steel.By optimizing the smelting process to control the chemical compositions and inclusions,and optimizing the rolling process parameters to ensure the grain size of the steel plates,the qualified rate of the impact toughness of the S355NL steel was effectively improved.

S355NL steel;impact toughness;mixed crystal structure;impurity

TG142.41

:B

:1001-4012(2017)01-0073-04

10.11973/lhjy-wl201701017

2016-04-13

陳一滿(1972—),男,工程師,主要從事生產(chǎn)質(zhì)量控制及安全管理方面的工作,lzchenyiman2009＠126.com。