安鋼500 MPa級制管用鋼性能不合格原因分析與改進(jìn)

張雷 萬國喜 張大江 鄭飛 安亮亮

(安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

0 前言

管材是重要的結(jié)構(gòu)部件，隨著用戶對安全性和經(jīng)濟(jì)性要求的提高，管材用鋼升級也日益得到各制管廠的重視，通過市場調(diào)研了解到客貨汽車結(jié)構(gòu)件加工對制管用鋼需求很大，且市場競爭比較激烈，用戶希望開發(fā)一種性能高于普碳鋼和低合金鋼，與510L級別性能相當(dāng)，但經(jīng)濟(jì)性要強(qiáng)于510L的鋼種。為了改善鋼材性能，常用的微合金化元素有Nb、V、Ti，因鈦鐵合金在國內(nèi)資源比較豐富，且價(jià)格相對較低、穩(wěn)定，故微合金化鈦元素在鋼中的使用受到人們越來越多的青睞［1］。鑒于高強(qiáng)度制管卷板的市場前景以及鈮、鈦復(fù)合強(qiáng)化輕量化汽車系列用鋼的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了抗拉強(qiáng)度不小于500 MPa制管專用鋼AG500ZG。

該產(chǎn)品是為了滿足用戶差異化需求而設(shè)計(jì)，充分考慮了用戶成型性能和焊接性能的前提下，采用微合金元素Ti來作為主要強(qiáng)化元素，實(shí)現(xiàn)用戶要求的“物美價(jià)廉”。但前期生產(chǎn)性能出現(xiàn)偏低和不合格現(xiàn)象，筆者通過化學(xué)成分和軋制工藝來分析AG500ZG性能不合原因，提出了改進(jìn)措施，并對改進(jìn)效果進(jìn)行評價(jià)。

1 問題及原因分析

1.1 強(qiáng)度不合

安鋼前期生產(chǎn)汽車制管用鋼20爐AG500ZG，軋制厚度不大于8 mm、寬度1220 mm～1500 mm。力學(xué)性能大生產(chǎn)共計(jì)檢驗(yàn)102批，初檢合格率95.09%，其中屈服強(qiáng)度不合格1批，抗拉強(qiáng)度不合格5批。具體情況見表1，制管用鋼AG500ZG改進(jìn)前的力學(xué)性能分布如圖1、圖2所示。

表1 AG500ZG力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)

圖1 屈服強(qiáng)度分布

圖2 抗拉強(qiáng)度分布

由表1、圖1、圖2可以看出，延伸率指標(biāo)較好，有一定的富余量，絕大部分集中在25% ～34%之間，而屈服強(qiáng)度不合格率非常低，只有0.98%，但抗拉強(qiáng)度不合格率較高，其中低于 500 MPa，占1.96%，低于標(biāo)準(zhǔn)要求的 520 MPa，占 4.9%，因此抗拉強(qiáng)度是影響AG500ZG合格率的主要原因。

1.2 軋制工藝

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，同批軋制計(jì)劃中出現(xiàn)性能異常情況，需要對軋制過程的各個(gè)工序的工藝參數(shù)進(jìn)行對比分析，特別是主要影響性能的加熱溫度、精軋終軋溫度、取樣部位的卷取溫度和層流冷卻方式，具體對比情況見表2。

表2 軋制批號為H11B0116中不合格批次與合格批次主要軋制工藝對比

由表2對比結(jié)果可以看出，A批次和B批次軋制工藝基本一致，均符合工藝方案要求，但取樣卷部位的CT溫度有24℃的差別，懷疑尾部卷取溫度偏高，造成取樣部位性能偏低，可能是造成強(qiáng)度偏低的因素。為此，試驗(yàn)6卷AG500DG，卷取目標(biāo)溫度設(shè)定為610℃，試驗(yàn)結(jié)果見表3。其中，卷取溫度為613℃，抗拉強(qiáng)度為530 MPa和卷取溫度為642℃，抗拉強(qiáng)度為543 MPa對應(yīng)的微觀組織照片如圖3所示。

表3 兩種卷取溫度大生產(chǎn)力學(xué)性能數(shù)據(jù)對比(平均值)

圖3 兩種不同卷取溫度的金相組織照片

由表2、表3和圖3綜合對比分析來看，不合格批次和合格批次的加熱溫度和軋制工藝基本相同，而且兩種不同卷取工藝的試制結(jié)果也無較大差異，采取低溫卷取工藝后抗拉強(qiáng)度并未有所提高，初步表明在卷取溫度控制在610℃～640℃之間對抗拉強(qiáng)度影響不明顯。因此，現(xiàn)有的加熱和軋制工藝不是造成抗拉強(qiáng)度偏低的原因。

1.3 化學(xué)成分

AG500ZG鋼是以微合金Ti作為主要強(qiáng)化元素，而Ti的活性強(qiáng)，易和鋼中的O、S、N反應(yīng)，因此鋼中實(shí)際參與析出強(qiáng)化的量是關(guān)鍵因素，影響有效Ti的作用經(jīng)驗(yàn)公式為：

從公式可以看出，當(dāng)鋼水中N、S含量達(dá)到一定量時(shí)，鋼中的有效鈦含量可能為零。一般鋼水中的N含量波動(dòng)較大，使得有效Ti的含量也隨之波動(dòng)，極易導(dǎo)致鈦微合金化鋼的性能不穩(wěn)定。因此，在冶煉過程中Ti微合金化的關(guān)鍵是提高鋼水潔凈度，控制鋼水中O、N、S的含量，特別是N含量［2］。為此對A批次和B批次的冶煉成分進(jìn)行對比分析，其結(jié)果見表4。

表4 A和B批次對應(yīng)爐號的冶煉化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)(平均值) %

由表4可以看出，A批次和B批次相比，固溶強(qiáng)化元素C、Si、Mn含量基本相同，鋼中Ti含量和S也基本相當(dāng)，但鋼中N含量差別較大。A批次中的Ti元素大部分被鋼中的N和S所結(jié)合，剩余較少甚至沒有Ti元素參與軋制和冷卻過程中第二相TiC的析出，導(dǎo)致材料沒有達(dá)到預(yù)期的析出強(qiáng)化目的，最終使得材料力學(xué)性能不合格或者處于標(biāo)準(zhǔn)邊緣。

2 改進(jìn)措施

為提高AG500ZG力學(xué)性能合格率，根據(jù)前期試驗(yàn)分析結(jié)果，結(jié)合目前的生產(chǎn)成本及冶煉工藝，采取以下技術(shù)措施：

2.1 增加鋼中有效Ti的含量

有效Ti指的是與C結(jié)合生成TiC而起到析出強(qiáng)化作用的Ti。Ti的活性強(qiáng)，易和鋼中的O、S、N反應(yīng)，影響有效Ti的作用。故當(dāng)Ti作為單一的微合金化元素添加到鋼中，其含量必須達(dá)到一定量，才能起到析出強(qiáng)化作用。當(dāng)有效鈦/碳(eTi/C)=4，鋼有最佳的強(qiáng)韌性，是鈦微合金鋼成分控制的重要因素。只有嚴(yán)格控制合金成分，才能在控軋過程中使彌散分布的細(xì)小TiC顆粒發(fā)揮細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化作用。為此采用增加Ti含量來提高鋼中有效Ti，Ti含量控制范圍由原來的0.025% ～0.040%提高到0.038% ～0.055%。

2.2 降低鋼水氮含量

從影響有效Ti作用的經(jīng)驗(yàn)公式來看，鋼種的O、S、N也是影響鋼中有效Ti含量的主要因素。目前冶煉過程采用全程控Al操作，鋼中氧含量低且比較穩(wěn)定。本鋼種采用鐵水預(yù)處理和LF精煉工藝保證了鋼中的S≤0.010%，因此有效Ti含量主要受N含量影響。通過減少補(bǔ)吹次數(shù)和吹煉過程中加入適量的鐵礦石來降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氮含量、轉(zhuǎn)爐底吹全程采用氬氣、泡沫渣精煉防止鋼液裸露、連鑄全程保護(hù)澆鑄、大包下水口與長水口之間加石棉墊提高密封效果，并設(shè)氬封管全程吹氬保護(hù)，防止換包操作、鋼水液面波動(dòng)造成鋼液裸露吸氮。中間包鋼水表面加微碳、低熔點(diǎn)中間包覆蓋劑，使渣形成熔化層、軟化層三層結(jié)構(gòu)、降低氮在渣層的擴(kuò)散速率，降低吸氮量，保證最終N含量≤60 ×10-6。

2.3 保證加熱溫度和嚴(yán)格控制軋制工藝

微合金元素Ti加入鋼液中會和O、N、S、C等元素反應(yīng)形成化合物，由于生成化合物的自由能變化不同，隨著溫度降低，析出的順序依次為Ti203-TiN-Ti4C2S2—Ti(C，N)—TiC［1］。尺寸為十幾至幾十納米的TiN粒子能有效阻止奧氏體晶粒的長大，尺寸較小的TiC或Ti(C，N)能起明顯的沉淀強(qiáng)化作用。因此必須保證Ti元素在奧氏體中的溶解度，據(jù)溶解度公式［2］(log［%Ti］［%C］γ =-7000/T+2.75)和實(shí)際生產(chǎn)的順行，均熱溫度≥1220℃。再次根據(jù)TiC在軋制和冷卻過程中的析出規(guī)律，嚴(yán)格控制精軋出口溫度：880±20℃和卷取溫度640±20℃，保證析出強(qiáng)化效果。

3 改進(jìn)效果

采取改進(jìn)措施后，AG500ZG的化學(xué)成分、力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)及分布分別見表5、表6和圖4所示。

表5 改進(jìn)后的AG500ZG化學(xué)冶煉成分(平均值) %

由表5可以看出，改進(jìn)后的Ti含量基本控制在0.040%以上，N含量達(dá)到了≤60 ×10-6的目標(biāo)，實(shí)際基本控制在50×10-6以下，這兩者保證了有效Ti的含量。

表6 改進(jìn)后的AG500ZG力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)

圖4 改進(jìn)后的AG500ZG力學(xué)性能分布

由表6和圖4可以看出，AG500ZG的力學(xué)性能有了較大的改善，合格率達(dá)到100%，屈服和抗拉強(qiáng)度均提高40 MPa，延伸率下降2.5%，但仍然能夠較好的滿足技術(shù)要求。改進(jìn)后的AG500ZG較好地滿足了后續(xù)加工成型和焊接要求，得到了用戶的肯定。

4 結(jié)語

1)鋼中有效Ti含量直接影響Ti微合金強(qiáng)化鋼性能的穩(wěn)定。安鋼500 MPa級制管用鋼性能偏低的原因是鋼中有效Ti含量偏低。就安鋼現(xiàn)有裝備及工藝控制水平而言，鋼中N含量的穩(wěn)定性是保證有效Ti含量穩(wěn)定性的主要因素。此外，軋制工藝的控制水平，如加熱溫度、終軋溫度、卷曲溫度等也直接影響Ti析出強(qiáng)化強(qiáng)化作用的發(fā)揮。

2)安鋼采取潔凈鋼冶煉技術(shù)控來降低鋼水中氮含量、增加鋼中有效Ti含量、通過保證加熱溫度和嚴(yán)格控制關(guān)鍵環(huán)節(jié)的軋制工藝等措施，提高了AG500ZG的力學(xué)性能，對其它以鈦微合金化為主產(chǎn)品生產(chǎn)中遇到的類似問題具有很好的借鑒作用。

［1］ 韓滋泉，敖列哥，都森.鞍鋼釩、鈦、鈮微合金鋼的應(yīng)用與開發(fā)［J］.鋼鐵釩鈦，2001，22(1)：1-6.

［2］ 韓孝水.鈮、釩、鈦在微合金鋼中的作用［J］.寬厚板，2006，12(1)：38-40.