低溫高韌性低合金Q345B鋼的開發(fā)與應(yīng)用

溫 斌 李 娜 萬國喜

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 前言

低合金Q345B卷板因具有良好的綜合力學(xué)性能、焊接性、成型性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)量大、使用面廣，常被用做一般金屬結(jié)構(gòu)件、承載結(jié)構(gòu)件、機(jī)械零件等。隨著鋼鐵行業(yè)的快速發(fā)展，鋼鐵材料產(chǎn)能急劇增加，同時伴隨著鋼鐵產(chǎn)品的同質(zhì)化，鋼材市場競爭激烈，在這種嚴(yán)峻的鋼鐵市場經(jīng)濟(jì)形勢下，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)來滿足客戶的需求變得尤為重要。低合金卷板約占安鋼卷板產(chǎn)量的20%，隨著低合金卷板使用面的擴(kuò)大，用戶對材料性能的使用要求也存在差異，對材料的某一方面的特性要求較高，為了滿足不同用戶對鋼鐵材料的個性化需求，相應(yīng)開發(fā)了不同用途的專用鋼材。筆者主要結(jié)合用戶的加工使用特點(diǎn)和需求，介紹了一種優(yōu)質(zhì)的低溫高韌性低合金Q345B鋼材的研發(fā)和應(yīng)用。

1 用戶加工使用特點(diǎn)及需求

1.1 用戶加工使用特點(diǎn)

用戶使用低合金板一般是在裁剪后進(jìn)行沖壓、折彎、焊接等工序，但往往在折彎加工過程中易出現(xiàn)端部開裂現(xiàn)象。筆者對用戶折彎加工時的使用特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)：（1）根據(jù)用戶使用剪板機(jī)的特點(diǎn)，分切鋼板的同一表面兩端存在一個上剪口和一個下剪口，一般下剪口的剪切質(zhì)量相對較差，在用戶進(jìn)行折彎加工時，在彎曲面的側(cè)面會產(chǎn)生應(yīng)力集中，容易沿鋼板下剪切口的邊部和剪切質(zhì)量不良處形成裂紋，并向鋼板里面擴(kuò)展；（2）下料加工時，用戶為充分利用鋼板材料，會沿不同方向進(jìn)行下料和折彎加工，當(dāng)折彎線平行于軋制線時，更易開裂；（3）在折彎時用戶為提高效率，剪切邊不打磨，且彎心直徑一般較小，彎曲變形時容易形成應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致開裂。

1.2 用戶對材料加工特性的需求

針對目前市場用戶的加工特點(diǎn)，材料必須有良好的韌性、均勻塑性和低的各向異性，不能再拘泥于材料只滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，須從用戶的使用要求方面考慮，滿足用戶的使用要求，降低材料加工開裂率,而且生產(chǎn)成本需要與原成本相當(dāng)，否則用戶不易接受。

1.3 現(xiàn)有低合金鋼折彎加工的主要問題

對現(xiàn)有低合金鋼做模擬用戶折彎加工試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，材料本身的橫向性能指標(biāo)偏低，在韌性方面表現(xiàn)出明顯的各向異性，尤其是橫向沖擊功與折彎加工開裂顯著相關(guān)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，沖擊試樣尺寸：5 mm×10 mm×55 mm。

表1 模擬用戶折彎加工試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 成分設(shè)計與技術(shù)要求

2.1 技術(shù)原理

一般普通低合金Q345B鋼在成分上采用C元素的間隙固溶強(qiáng)化、Mn元素的置換固溶強(qiáng)化和位錯強(qiáng)化來提高其強(qiáng)度。從強(qiáng)化理論來講，間隙固溶強(qiáng)化能同時提高材料的流變應(yīng)力和加工硬化率，但前者的提高幅度大于后者，因而會造成均勻塑性明顯下降。同時，高的Mn、S含量促進(jìn)了帶狀組織和MnS夾雜的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致材料性能的各項(xiàng)異性。隨著現(xiàn)代冶金技術(shù)的發(fā)展，微合金化和控軋控冷技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。通過微合金化技術(shù)采用析出強(qiáng)化的方式來提高強(qiáng)度，降低C、Mn含量，并在加工過程中采用控制軋制和控制冷卻工藝，可以使鋼的組織得以細(xì)化，獲得高強(qiáng)度、高韌性、高可焊性和良好的成型性能。

2.2 成分設(shè)計

折彎用低合金鋼的基本要求是材料應(yīng)具有良好的韌性和均勻塑性，因此必須在滿足國標(biāo)要求的條件下，根據(jù)不同合金元素對材料性能的影響關(guān)系優(yōu)化合金成分，改善材料韌性和塑性。

C元素作為最經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)化元素，可顯著提高材料的強(qiáng)度，但同時會降低鋼的韌塑性。采用適當(dāng)?shù)偷腃含量，可降低鋼中硬相組織珠光體的比例，提高塑性，同時減輕因C元素的間隙固溶強(qiáng)化對材料韌性的影響。

Mn作為固溶強(qiáng)化元素，具有細(xì)化晶粒、提高強(qiáng)度的作用，但隨著Mn含量的提高，提高強(qiáng)度的作用會減弱，且高的Mn含量易形成中心偏析，惡化塑性。一般低合金Q345B鋼的Mn含量為1.3%，可通過添加微合金元素以第二相離子的析出強(qiáng)化來提高強(qiáng)度，適當(dāng)降低Mn含量可以減輕中心偏析和帶狀組織，這樣也可以大大降低合金成本。

Ti作為目前常用的微合金化元素，相對Nb、V更具有經(jīng)濟(jì)性。添加適量的Ti元素，可通過控軋控冷、析出強(qiáng)化的方式，彌補(bǔ)降C、降Mn后帶來的強(qiáng)度損失，同時起到固碳、固氮和細(xì)化晶粒的作用。但對鋼的N含量要求很高，在冶煉過程中需嚴(yán)格控制較低的N含量，避免產(chǎn)生TiN等有害夾雜物影響材料塑性。加入Ti的另一個有效作用是Ti可以和鋼中的S/C元素形成球狀的Ti4C2S2顆粒，減輕材料性能的各項(xiàng)異性。

P、S元素含量也要求盡量低，避免P、S元素對斷裂韌性的損害，避免形成MnS夾雜對材料各向性能差異的影響。

2.3 技術(shù)要求

折彎用Q345B鋼帶的化學(xué)成分和性能指標(biāo)必須滿足低合金鋼標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，具體分別見表2和表3。

表2 折彎用優(yōu)質(zhì)Q345B鋼化學(xué)成分設(shè)計 %

表3 折彎用優(yōu)質(zhì)Q345B鋼需達(dá)到的力學(xué)性能和工藝性能要求

折彎用低成本優(yōu)質(zhì)Q345B鋼在性能方面比國 標(biāo)要求更高，冷彎性能檢測更嚴(yán)，且采用橫向試樣進(jìn)行沖擊功檢測，要求0 ℃沖擊功≥60 J，這主要是因?yàn)榫戆宓臋M向沖擊功為性能薄弱點(diǎn)，同時相對高的低溫沖擊韌性而言對材料止裂性能有顯著的有益影響。

3 生產(chǎn)工藝

3.1 工藝路線

鐵水預(yù)處理—轉(zhuǎn)爐—LF爐—板坯連鑄機(jī)—熱連軋。

3.2 冶煉工藝

鐵水脫硫終點(diǎn)[S]≤0.005%，鐵水脫硫扒渣干凈，保證扒渣亮面≥90%；轉(zhuǎn)爐采用優(yōu)質(zhì)入爐原輔料，嚴(yán)格控制下渣量；精煉前期要快速造渣脫硫，并嚴(yán)格控制Ti合金加入時機(jī)，避免長時間大氬氣攪拌，減少鋼液增N和Ti被氧化；連鑄保護(hù)澆注良好，冷卻水采用弱冷模式，保證鑄坯表面質(zhì)量。

3.3 軋制工藝

優(yōu)質(zhì)Q345B鋼鑄坯均可直裝、熱裝、冷裝，在爐時間需大于130 min，均熱溫度1 210～1 260 ℃，精軋壓下率≥50%，精軋終軋溫度800～900 ℃，卷曲溫度550～650 ℃。優(yōu)質(zhì)Q345B鋼在層流冷卻過程中宜采用前段快速冷卻模式，抑制微合金元素碳氮化物的過分長大，使其低溫彌散析出，這樣在起到好的析出強(qiáng)化效果的同時能獲得良好的塑性。

4 實(shí)物質(zhì)量

4.1 化學(xué)成分

折彎用Q345B鋼的熔煉成分見表4。

4.2 力學(xué)性能

拉伸試驗(yàn)選取全厚度橫向試樣，沖擊試樣的尺寸是5 mm×10 mm×55 mm，性能檢驗(yàn)結(jié)果見表5。

5.75 mm、7.75 mm厚度規(guī)格的批量試驗(yàn)力學(xué)性能分布如圖1所示，屈服強(qiáng)度為440～520 MPa，抗拉強(qiáng)度為500～600 MPa，伸長率為23%～29%，0 ℃橫向沖擊功為60～100 J，低溫沖擊韌性穩(wěn)定。

表4 折彎用優(yōu)質(zhì)Q345B鋼熔煉成分 %

表5 折彎用優(yōu)質(zhì)Q345B鋼力學(xué)性能和工藝性能檢驗(yàn)結(jié)果

圖1 批量試驗(yàn)力學(xué)性能控制水平

4.3 金相組織

對7.75 mm規(guī)格的金相組織進(jìn)行檢驗(yàn)，折彎用Q345B鋼厚度1/4處的顯微組織如圖2所示。其組織主要為塊狀鐵素體

和珠光體，晶粒度9.5級，珠光體比例約為20%，且細(xì)小均勻彌散分布，無明顯珠光體條帶。

4.4 模擬用戶折彎加工試驗(yàn)

在鋼板剪切后，模擬用戶折彎加工試驗(yàn)，試驗(yàn)用鋼取厚度5.75 mm的鋼板，折彎加工試樣折彎線平行于軋制線，試驗(yàn)后試樣無開裂傾向，試驗(yàn)鋼的性能數(shù)據(jù)和模擬用戶折彎加工試驗(yàn)結(jié)果見表8 。厚度5.75 mm模擬用戶折彎加工后折彎樣外觀形貌 如圖3所示。

圖2 7.75 mm折彎用Q345B鋼厚度1/4處的顯微組織

表8 不同軋制工藝性能與折彎試驗(yàn)結(jié)果

圖3 厚度5.75 mm模擬用戶折彎加工后折彎樣外觀形貌

5 結(jié)語

現(xiàn)有低合金Q345B鋼的低溫沖擊韌性在橫向和縱向上表現(xiàn)出明顯的各項(xiàng)異性，在材料加工方面存在橫向折彎加工開裂的問題，原因是材料本身橫向韌性較差，抗裂紋擴(kuò)展能力差。重新設(shè)計的低溫高韌性低合金Q345B卷板采取降低C、Mn元素含量、增加Ti含量和軋制工藝優(yōu)化等措施，在滿足低合金Q345B鋼技術(shù)要求的基礎(chǔ)上顯著改善了鋼的橫向韌性，避免了折彎加工開裂的現(xiàn)象，同時確保不增加合金成本，使用效果和經(jīng)濟(jì)效益顯著。對于下游用戶而言，折彎加工用低合金Q345B鋼的開發(fā)可以提高其生產(chǎn)效率和材料利用率，降低材料加工質(zhì)量損失。