微量鈦對SS400B組織和性能的影響

供稿|康海軍，王旭生，于立偉，楊得草 / KANG Hai-jun, WANG Xu-sheng, YU Li-wei, YANG De-cao

作者單位：本鋼板材技術(shù)研究院，遼寧 本溪 117000

SS400B是在SS400的基礎(chǔ)上添加硼而衍生出的新材料名稱。SS400B采用碳、硅、錳等作為強化元素，經(jīng)過現(xiàn)代熱軋工藝控軋控冷后，獲得良好的強度和塑性。因添加一定量的硼合金，導(dǎo)致鑄坯在凝固過程中的塑性下降，矯直后出現(xiàn)較多的角橫裂缺陷。王煒等研究認(rèn)為[1]，SS400含硼鋼的低塑性區(qū)間較寬，第Ⅲ脆性溫度區(qū)間為700~950 ℃，主要原因是硼在晶界的偏聚以及 BN 等第二相粒子在晶界析出后脆化晶界。

本鋼已生產(chǎn)SS400B多年，含硼鋼鑄坯角橫裂一直是影響生產(chǎn)的質(zhì)量缺陷，黃健等采用添加微量鈦的方法改善鑄坯角橫裂缺陷取得了良好的效果[2]。在添加微量鈦的SS400B生產(chǎn)中，其強度較不添加微量鈦的強度有明顯提升，甚至出現(xiàn)了部分批次強度超上限的問題。通過分析微量鈦的強化作用，以及強度超上限的批次特點，進(jìn)行針對性的工藝優(yōu)化，有效解決了此類問題。

SS400B生產(chǎn)工藝

SS400B是含硼碳素結(jié)構(gòu)鋼，在本鋼的傳統(tǒng)產(chǎn)線生產(chǎn)，其工藝流程為煉鋼、連鑄、加熱、粗軋、精軋、層流冷卻、卷取。采用兩種工藝方案生產(chǎn)SS400B熱軋鋼卷，其化學(xué)成分控制和力學(xué)性能要求見表1和表2。工藝方案1的化學(xué)成分中不添加鈦，工藝方案2的化學(xué)成分是在方案1的基礎(chǔ)上添加鈦(鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.030%)，兩種方案的熱軋工藝一致。

表1 SS400B化學(xué)成分控制范圍 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 SS400B力學(xué)性能要求

組織和性能對比

為減少外界條件對結(jié)果的影響，兩種對比方案的鋼板厚度均取為5.8 mm，在同一生產(chǎn)周期生產(chǎn)，除鈦含量不同外，其余工藝方案一樣，首次生產(chǎn)1批次，用于組織和性能評估，確認(rèn)各項指標(biāo)合格。隨后進(jìn)行批量生產(chǎn)(鋼板厚度按實際生產(chǎn)需求進(jìn)行)，方案1生產(chǎn)415批次，方案2生產(chǎn)586批次，對熱軋鋼卷的強度進(jìn)行統(tǒng)計分析。

組織對比

圖1是兩種工藝方案同期生產(chǎn)的SS400B熱軋鋼卷金相組織。方案1生產(chǎn)的SS400B不含鈦，組織為鐵素體+珠光體，鐵素體平均晶粒尺寸為11.2 μm；方案2生產(chǎn)的SS400B鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.021%，組織為鐵素體+珠光體，鐵素體平均晶粒尺寸為7.9 μm。相比方案1，方案2生產(chǎn)的SS400B鐵素體和珠光體組織細(xì)小均勻。

圖1 SS400B不同工藝方案的熱軋鋼金相組織：(a) 方案1；(b) 方案2

性能對比

表3中力學(xué)性能實驗使用的試樣與圖1中金相組織實驗使用的試樣取自同一塊鋼板。方案1不添加鈦，屈服強度326 MPa，抗拉強度449 MPa，標(biāo)距為200 mm的延伸率為23%；方案2添加微量鈦，屈服強度354 MPa，抗拉強度471 MPa，標(biāo)距為200 mm的延伸率為22%。兩種方案生產(chǎn)的SS400B性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，方案2強度高，延伸率稍低。結(jié)合組織對比，認(rèn)為方案2強度的提高與晶粒細(xì)化有關(guān)。

表3 SS400B力學(xué)性能

采用方案1生產(chǎn)SS400B熱軋鋼卷415批次，厚度1.7~11.8 mm，平均屈服強度318.6 MPa，平均抗拉強度446.9 MPa；采用方案2生產(chǎn)SS400B熱軋鋼卷586批次，厚度1.85~11.8 mm，平均屈服強度341.1 MPa，較方案1提高22.5 MPa，平均抗拉強度162.2 MPa，較方案1提高15.3 MPa。因為厚度區(qū)間大，斷后伸長率的測量方法不同，沒有對比平均斷后伸長率。

方案2工藝優(yōu)化

由于SS400B的抗拉強度要求為400~510 MPa，方案2生產(chǎn)的部分SS400B熱軋鋼卷抗拉強度超出了標(biāo)準(zhǔn)要求，因此工藝優(yōu)化圍繞降低強度開展。工藝優(yōu)化主要有：①降低方案2中錳元素的含量，降低固溶強化作用；②針對方案2厚度≤3.0 mm的產(chǎn)品，提高卷取溫度，適當(dāng)增大鐵素體平均晶粒尺寸，避免出現(xiàn)抗拉強度超上限的問題；③穩(wěn)定鈦和氮含量，避免出現(xiàn)較大波動，鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.026%。

工藝優(yōu)化后生產(chǎn)SS400B熱軋鋼卷性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，累計生產(chǎn)1056批次，根據(jù)不同厚度統(tǒng)計強度平均值分布情況如圖2所示。SS400B屈服強度主要在300~370 MPa波動，抗拉強度主要在430~480 MPa波動，總體強度較為穩(wěn)定，個別批次抗拉強度達(dá)到500 MPa與鈦含量較高有關(guān)；從圖2中可以看出厚度＜3.0 mm批次的強度較高，可以針對此厚度的產(chǎn)品進(jìn)一步實施優(yōu)化方案，使得所有產(chǎn)品的性能更加穩(wěn)定。

圖2 方案2工藝優(yōu)化后強度分布情況

工藝優(yōu)化中影響強度的因素

微量鈦的強化作用

方案1生產(chǎn)的SS400B鐵素體平均晶粒尺寸11.2 μm，方案2生產(chǎn)的SS400B鐵素體平均晶粒尺寸7.9 μm，根據(jù)Hall-Petch公式：

定量計算出細(xì)晶強化的貢獻(xiàn)。參考陳士華等的研究[3]，晶粒尺寸為3~10 μm的低碳鋼熱連軋板Hall-Petch關(guān)系為σ=236.2+12.3d?1/2，計算出兩種方案生產(chǎn)s的SS400B的屈服強度分別為374.6、352.4 MPa，兩者相差22.2 MPa。

由于兩種方案生產(chǎn)的SS400B化學(xué)成分不完全與陳士華等研究的Hall-Petch公式適用條件相匹配，計算的屈服強度會有一定偏差。在假設(shè)兩種方案的偏差一樣的情形下，計算得出的屈服強度差值抵消了偏差。由此認(rèn)為兩種方案生產(chǎn)的SS400B根據(jù)Hall-Petch公式計算得出的屈服強度差22.2 MPa，與實際檢測平均屈服強度22.9 MPa基本一致。因此當(dāng)鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.026%時，微量鈦對方案2生產(chǎn)的SS400B的強度提升主要為細(xì)晶強化。

鋼板厚度對強度的影響

熱連軋時，成品厚度越薄，熱軋總體壓縮比越大，利于獲得更細(xì)小的晶粒；且薄規(guī)格鋼板在層流冷卻階段冷透能力強，相對冷速較快，使得鐵素體晶粒來不及長大，從而獲得更細(xì)小的晶粒。因此，薄規(guī)格產(chǎn)品的強度相對較高，且隨著鋼板厚度的增加而逐步降低。盡管工藝優(yōu)化時提高了薄規(guī)格產(chǎn)品的卷取溫度，但其強度仍然較高，有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

結(jié)束語

(1) 添加微量鈦SS400B的晶粒細(xì)化明顯，鐵素體平均晶粒尺寸達(dá)7.9 μm，珠光體的分布更為均勻。

(2) 當(dāng)添加鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.026%時，SS400B屈服強度平均提高22.9 MPa，抗拉強度平均提高15.5 MPa，主要為細(xì)晶強化作用。

(3) 工藝優(yōu)化后生產(chǎn)的SS400B，屈服強度主要在300~370 MPa波動，抗拉強度主要在430~480 MPa波動，總體強度較為穩(wěn)定。