提高低合金高強(qiáng)度鋼Q345D低溫沖擊功的工藝研究

周 許 王立新 胡建成 陳 濤 徐玉貴

(中原特鋼股份有限公司，河南454685)

Q345D鋼是一種含有少量合金元素的低合金高強(qiáng)度鋼，由于具有耐腐蝕、耐低溫性能，并且具有良好的加工工藝性能、焊接工藝性能和其它特殊性能被廣泛應(yīng)用于化工、石油、船舶、鍋爐、壓力容器等領(lǐng)域。

我公司從2010年開始生產(chǎn)該鋼號(hào)的外貿(mào)鍛件，由于低溫沖擊功偏低，合格率僅60%，極大的影響了我司的供貨能力，并造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。我們通過對低溫沖擊功偏低的鍛件進(jìn)行理化分析及工藝的改進(jìn)，使其合格率從60%提高到100%。力學(xué)性能完全滿足客戶的要求。

1 Q345D鍛件的技術(shù)條件

Q345D鍛件的化學(xué)成分見表1。力學(xué)性能指標(biāo)見表2。逐支按GB/T6402—2008中質(zhì)量等級2級進(jìn)行超聲波探傷。交貨狀態(tài)：正火+回火交貨。

表1 Q345D鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition of Q345D steel(mass fraction %)

表2 Q345D鋼的力學(xué)性能Table 2 The mechanical property of Q345D steel

2 制造工藝

采用EBT+LF/VD精煉方式，爐料由二級及二級以上廢鋼、返回碳素鋼料頭、生鐵、海綿鐵等組成。EBT氧化后出鋼，包中預(yù)脫氧及部分合金化，進(jìn)行LF/VD吹氬精煉，出鋼前弱攪拌，出鋼鎮(zhèn)靜后采取模內(nèi)充氬和氬氣保護(hù)澆注，鋼錠脫模后熱送鍛壓廠。在車底式燃?xì)鉅t中加熱，加熱溫度為1 200～1 250℃，加熱時(shí)嚴(yán)格按照鋼錠加熱規(guī)范執(zhí)行，升溫速度均勻，保溫時(shí)間滿足工藝要求。出爐后直接在14 MN精鍛機(jī)上鍛造成型，精鍛機(jī)鍛造嚴(yán)格控制拉打速度和變形量，始鍛溫度控制在1 150～950℃之間、終鍛溫度≥850℃。鍛后立即入爐。并根據(jù)技術(shù)條件要求，制定了集細(xì)化晶粒、消除應(yīng)力、擴(kuò)氫等目的為一體的鍛后正回火制度，工藝曲線見圖1。鍛后正回火力學(xué)性能結(jié)果見表3。從表3可知，鍛件低溫沖擊性能不合格。

圖1 鍛后熱處理工藝曲線Figure 1 The heat treatment process curve after forging

表3 鍛后熱處理的力學(xué)性能Table 3 The mechanical property after forging and heat treatment

表4 實(shí)際化學(xué)成分值(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 The actual chemical composition (mass fraction, %)

表5 非金屬夾雜物檢測結(jié)果Table 5 The exmined result of nonmetallic inclusion

3 理化檢測

為了找出Q345D鍛件低溫沖擊功偏低的原因，從上述兩爐鍛件中各抽取一支切取試片進(jìn)行理化檢測分析。

3.1 成品分析

按照GB/T222—2006制取化學(xué)試樣進(jìn)行了成品化學(xué)成分及五害元素分析，結(jié)果見表4。

3.2 非金屬夾雜物檢測

切取金相試樣，經(jīng)磨制拋光后，利用MM-6金相顯微鏡，按照GB/T10561—2005中A法對非金屬夾雜物進(jìn)行評級，結(jié)果見表5。各項(xiàng)夾雜物級別均不高，但是試片表面分布有大量的塊狀黃色的TiN顆粒，具體形貌見圖2，圖3。

3.3 晶粒度和顯微組織檢測

將上述金相試樣的拋光面利用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕，然后按照GB/T6394—2002進(jìn)行晶粒度評級。其中爐錠號(hào)317910-1的晶粒度為(6～7)級，爐錠號(hào)317911-1的晶粒度為(5～6)級，如圖4、圖5所示。按照GB/T13298—1991進(jìn)行顯微組織觀測，均為正常的鐵素體+珠光體。

4 分析原因

根據(jù)理化檢測結(jié)果，鍛件的化學(xué)成分均滿足技術(shù)協(xié)議要求，對低溫沖擊功有顯著影響的S、P及五害元素(As、Sn、Pb、Sb、Bi)也較低，其中Mn元素含量略偏下限。據(jù)資料介紹，對于含碳量較低的結(jié)構(gòu)鋼，適當(dāng)增加錳元素的含量能夠提高材料的沖擊韌性。鋼中非金屬夾雜物相對較少，但是試樣表面分布著大量的黃色塊狀氮化鈦。氮化鈦屬于硬脆相，分布在鋼機(jī)體上，割裂鋼的基體連續(xù)性。且據(jù)資料介紹，當(dāng)鈦加入量達(dá)到0.03%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，液態(tài)時(shí)就形成大顆粒的TiN，細(xì)化奧氏體晶粒的作用減弱，再加上過剩鈦在晶界富集，致使鋼的低溫沖擊功明顯下降[1]。此外，鍛件經(jīng)正火處理后晶粒度仍然比較粗大，顯然對低溫沖擊功也有較大影響。

根據(jù)理化檢測及分析結(jié)果，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝，認(rèn)為造成低溫沖擊功異常偏低的原因主要有以下幾個(gè)方面：

(1)鋼中錳元素含量略偏下限，對于低合金高強(qiáng)度鋼來說，不利于提高低溫沖擊韌性。

(2)鈦元素含量過高，導(dǎo)致鋼基體上析出大量無規(guī)則分布的黃色塊狀氮化鈦，過剩的鈦可能在晶界富集，形成大量的黃色塊狀氮化鈦析出聚集在奧氏體晶界，致使鋼的低溫沖擊功急劇下降。

(3)鈦含量達(dá)到0.03%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，細(xì)化奧氏體晶粒的作用減弱，使鑄態(tài)晶粒粗大。在隨后鍛造時(shí)，加熱溫度較高，粗大的原始晶粒在后續(xù)鍛造的過程中難以破碎。且鍛造終鍛溫度偏高，導(dǎo)致原始的粗大晶粒在隨后的再結(jié)晶過程中形成大晶粒，進(jìn)一步降低沖擊韌性。

5 工藝改進(jìn)及效果

5.1 調(diào)整化學(xué)成分

對錳元素含量進(jìn)行內(nèi)控，要求錳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.40%～1.70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))之間，以利于提高材料的低溫韌性。調(diào)整鈦元素含量，保證成品鈦元素含量少于0.03%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

5.2 優(yōu)化鍛造工藝

鋼錠脫模后熱送至鍛壓廠，首先降低加熱溫度，入燃?xì)鉅t在1 150～1 200℃加熱。適當(dāng)降低終鍛溫度，由于采用精鍛機(jī)鍛造，鍛造速度較快，終鍛溫度不易控制，通過降低始鍛溫度(1 100～900℃)來達(dá)到控制終鍛溫度的目的。鍛后立即坑冷，然后轉(zhuǎn)至正火效果相對較好的熱處理廠進(jìn)行正火處理。

按照改進(jìn)工藝生產(chǎn)的Q345D鍛件，化學(xué)成分見表6。晶粒度均在8～9級之間，見圖6、圖7所示，力學(xué)性能見表7，完全滿足客戶要求，且低溫沖擊功與原工藝相比有了大幅度的提高。

圖2 317910-1 TiN分布形貌 100× 圖3 317911-1 TiN分布形貌 100×Figure 2 morphology of TiN distribution，317910-1，100× Figure 3 morphology of TiN distribution，317911-1，100×

圖4 317910-1 晶粒度 100× 圖5 317911-1 晶粒度 100×Figure 4 Grain size of 317910-1 Figure 5 Grain size of 317911-1

圖6 317910-1 晶粒度 100× 圖7 317911-1 晶粒度 100×Figure 6 Grain size of 317910-1 Figure 7 Grain size of 317911-1

表6 化學(xué)成分值(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 6 The chemical composition (mass fraction %)

表7 改進(jìn)工藝后的力學(xué)性能Table 7 The mechanical property of the improved process

6 結(jié)語

實(shí)踐證明，通過調(diào)整化學(xué)成分，將錳含量控制在1.40%～1.60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))范圍內(nèi)，保證成品鈦元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.03%，并適當(dāng)降低鍛造加熱溫度及終鍛溫度，加強(qiáng)正火效果，保證獲得細(xì)小均勻的晶粒，使Q345D鋼獲得了良好的綜合力學(xué)性能，低溫沖擊功合格率大幅度的提高，完全滿足了客戶提出的技術(shù)協(xié)議要求。

[1] 李國忠，曹紅福,惠榮等.鈦鋁含量對低合金高強(qiáng)度鋼Q345D低溫韌性的影響[J].特殊鋼，2002，23(1)，53-54.

[2] 齊俊杰，黃運(yùn)華，張躍.微合金化鋼[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[3] 王祖濱，東濤.低合金高強(qiáng)度鋼[M].北京：原子能出版社，1996.

[4] 韓德偉，張建新.金相試樣制備與顯示技術(shù)[M].天津：中南大學(xué)出版社，2005.