軋制工藝對800 MPa 級高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼組織性能的影響

李 娜 孫 斌 徐 博 張青龍

（安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司）

0 前言

以調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨的800 MPa 級高強(qiáng)鋼調(diào)質(zhì)鋼是安鋼戰(zhàn)略性產(chǎn)品定位的主導(dǎo)產(chǎn)品，因其穩(wěn)定的性能、良好的板型受到市場的廣泛青睞，安鋼在煤礦機(jī)械行業(yè)用高強(qiáng)板市場上具有地域優(yōu)勢，并且占有相當(dāng)?shù)氖袌龇蓊~。但因其生產(chǎn)工藝流程長，軋制工藝、淬火工藝、回火工藝等對該鋼的顯微組織和強(qiáng)、塑性能均有不同程度的影響。筆者從不同軋制工藝制度的角度研究了其對調(diào)質(zhì)板組織性能的的影響規(guī)律，為調(diào)質(zhì)板新產(chǎn)品的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 生產(chǎn)工藝流程

安鋼生產(chǎn)的800 MPa 級高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼是依據(jù)GB/T16270—2009《高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼》進(jìn)行開發(fā)設(shè)計的，鋼板按調(diào)質(zhì)（淬火+回火）狀態(tài)交貨，其生產(chǎn)工藝流程為鐵水預(yù)處理—150 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐—LF 精煉爐—VD 真空脫氣爐—3 250 mm 寬板坯連鑄機(jī)—3 500 mm 爐卷軋機(jī)—熱處理機(jī)組。

1.2 試驗(yàn)用鋼的成分

因?yàn)檎{(diào)質(zhì)鋼的生產(chǎn)工藝流程較長，從煉鋼、軋鋼到熱處理，工序復(fù)雜，影響鋼板最終性能的因素也就較多，為了減少化學(xué)成分對試驗(yàn)結(jié)果的影響，選用了成分相同的150 mm 的連鑄坯，試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分見表1。

表1 化學(xué)成分 %

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用連鑄坯進(jìn)入步進(jìn)式加熱爐，加熱至1 250 ℃，保溫3 h，在3 500 mm 爐卷軋機(jī)進(jìn)行高溫大壓下連續(xù)軋制（即不進(jìn)行控制軋制，以下簡稱熱軋）和控軋軋制（即兩階段控軋軋制，以下簡稱控軋）試制，試制規(guī)格40 mm。為研究軋態(tài)組織對800 MPa 級高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼再加熱奧氏體化進(jìn)程的影響，在熱處理車間的LOI 無氧化輥底式加熱爐和淬火機(jī)中進(jìn)行相同工藝的淬火和回火試驗(yàn)，鋼板在淬火機(jī)中淬火冷卻至室溫，回火時空冷至室溫。關(guān)鍵點(diǎn)工藝制度見表2。

表2 關(guān)鍵點(diǎn)工藝制度

為了檢驗(yàn)不同軋制工藝條件對調(diào)質(zhì)板性能組織的影響，按照GB/T2975、GB/T228.1、GB/T229對試驗(yàn)鋼橫向室溫拉伸性能和縱向低溫沖擊性能進(jìn)行取樣、制樣、檢驗(yàn)，用4%的硝酸酒精溶液侵蝕，觀察兩種工藝生產(chǎn)試樣的光學(xué)顯微組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熱軋態(tài)力學(xué)性能與組織

40 mm 調(diào)質(zhì)鋼在兩種不同工藝條件下的全厚度，表層、厚度1/4 和厚度1/2 不同位置的光學(xué)顯微組織如圖1 所示，力學(xué)性能如圖2 所示。

圖1 40 mm 調(diào)質(zhì)鋼光學(xué)顯微組織

圖2 40 mm 調(diào)質(zhì)鋼熱軋力學(xué)性能

與熱軋工藝鋼板的組織晶粒尺寸相比，控軋工藝鋼板的組織晶粒尺寸小，以粒狀貝氏體為主，在鐵素體基體上有較多形狀不規(guī)則的M-A 組元；熱軋工藝熱軋鋼板組織為粒狀貝氏體和少量板條貝氏體混合物。

控軋工藝鋼板的屈服強(qiáng)度明顯高于熱軋工藝鋼板的屈服強(qiáng)度，控軋工藝全厚度尺寸試樣的斷后伸長率為17.5%，高于熱軋工藝全厚度尺寸試樣的斷后伸長率四個百分點(diǎn)，而熱軋工藝在1/4 與1/2 位置的斷后伸長率明顯高于控軋工藝試樣的，這主要是由于熱軋工藝得到的板條貝氏體組織有較好的韌性，有研究表明[1]，控軋工藝得到的M-A作為硬相組織，在受到外力作用下能促進(jìn)裂紋形核，從而使韌性顯著降低。

2.2 熱處理態(tài)力學(xué)性能與組織

兩種不同軋制工藝的鋼板經(jīng)相同的熱處理后，其光學(xué)顯微組織如圖3 所示，拉伸性能見表3，厚度方向1/4 的沖擊性能如圖4 所示。

圖3 熱處理態(tài)光學(xué)顯微組織

表3 熱處理拉伸性能

圖4 厚度1/4 縱向沖擊功

經(jīng)920 ℃淬火和600 ℃回火熱處理后，兩種軋制工藝鋼板的組織經(jīng)完全奧氏體化后全部獲得回火索氏體組織，組織形貌沒有明顯差別，鋼板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較熱軋態(tài)均明顯提高，熱處理后強(qiáng)度處于同一水平，控軋的斷后伸長率略高于熱軋的斷后伸長率，約高三個百分點(diǎn)。鋼板厚度1/4 處控軋的沖擊功在同一沖擊溫度下高于熱軋的，控軋的沖擊功隨沖擊溫度的降低均保持在220 J 以上，熱軋鋼板的沖擊功隨著沖擊溫度的降低有明顯下降趨勢。

2.3 討論

熱軋工藝主要處于奧氏體再結(jié)晶區(qū)，變形處于高溫連續(xù)軋制奧氏體再結(jié)晶區(qū)，軋后鋼板的溫度≥980 ℃，軋后變形組織可發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，因此軋后奧氏體晶粒為比較均勻的多邊形，且尺寸較大，過冷奧氏體的穩(wěn)定性提高，使熱軋態(tài)組織中出現(xiàn)少量的板條貝氏體。而控軋工藝采用未再結(jié)晶區(qū)軋制，第II 階段未再結(jié)晶區(qū)奧氏體變形能夠完全積累，原始奧氏體變形被拉長，使有效晶界面積大幅增加，提高了再加熱奧氏體的形核率，并且抑制了其長大，因此比高溫?zé)彳埞に囅碌慕M織更為細(xì)化，細(xì)化的奧氏體晶粒能夠增加晶界能，從而使塑韌性提高，晶粒尺寸更加細(xì)化[2]。作為熱處理基板的軋態(tài)組織具有遺傳性，因此，與高溫大壓下連續(xù)軋制工藝相比，采用控制軋制工藝增加奧氏體晶界面積更有利于再加熱奧氏體晶粒細(xì)化，可以有效提高回火后鋼板的塑韌性。綜上所述，控軋和熱軋對強(qiáng)度作用不明顯，主要影響延伸率和沖擊功，對塑韌性要求較高的調(diào)質(zhì)鋼可采用控制軋制+淬火+回火工藝。

3 控軋軋制在800 MPa 級高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼中的生產(chǎn)實(shí)踐

安鋼開發(fā)設(shè)計的800 MPa 級高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼，采用合理的成分體系，結(jié)合控軋軋制工藝（要求終軋溫度≤830 ℃）進(jìn)行大生產(chǎn)，得到的鋼板具有穩(wěn)定的力學(xué)性能和良好的塑韌性。對安鋼近兩年來生產(chǎn)的800 MPa 級高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼隨機(jī)抽樣，樣本數(shù)N=251，并對其過程能力進(jìn)行分析，如圖5 所示。過程控制能力Cpk 值均達(dá)到了1.0 以上，工藝控制穩(wěn)定，產(chǎn)品性能良好。

圖5 過程控制能力

4 結(jié)論

（1）試驗(yàn)鋼經(jīng)控軋軋制后空冷至室溫得到的組織為粒狀貝氏體和M-A 組元，高溫大壓下連續(xù)軋制空冷至室溫得到的組織為粒狀貝氏體和少量板條貝氏體。兩種工藝經(jīng)淬火、高溫回火后得到回火索氏體組織的形貌區(qū)別不大。

（2）同一熱處理后，鋼板控軋和熱軋兩種工藝對800 MPa 級高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)度影響作用不明顯，但對延伸率和沖擊功的影響明顯，對塑韌性要求較高的調(diào)質(zhì)鋼可采用控制軋制+淬火+回火工藝。

（3）安鋼生產(chǎn)的800 MPa 級高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼，采用控制軋制+淬火+回火的生產(chǎn)工藝，強(qiáng)韌性匹配良好，平均屈服強(qiáng)度為785 MPa，平均延伸率為31%， -20 ℃沖擊功的平均值達(dá)到了222 J，過程控制能力均達(dá)到了1.0 以上，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。