提高Q345D鍛造圓鋼力學(xué)性能的措施

王勇勝 李道志

(東北特鋼集團(tuán)，遼寧116105)

Q345D鋼是一種含有少量合金元素的低合金高強(qiáng)度鋼，由于其具有耐腐蝕、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[1]。

某公司生產(chǎn)的以正火狀態(tài)交貨的?210 mm Q345D鍛造圓鋼，經(jīng)檢驗(yàn)后力學(xué)性能指標(biāo)總體偏低，經(jīng)調(diào)整正火工藝后仍不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。為此，對(duì)鋼材化學(xué)成分、非金屬夾雜物分布、顯微組織等進(jìn)行分析，找出了力學(xué)性能指標(biāo)偏低的原因并提出改進(jìn)措施，用以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

1 試驗(yàn)材料及生產(chǎn)方法

1.1 Q345D圓鋼的鍛造過(guò)程為：高爐鐵水→轉(zhuǎn)爐+LF+VD+模鑄→鋼錠加熱→16 MN精鍛機(jī)鍛造→正火→檢驗(yàn)→精整。

1.2 Q345D圓鋼化學(xué)成分要求值見表1，其力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表1 Q345D鋼要求的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Required Chemical composition of Q345D steel (mass fraction,%)

表2 Q345D鋼力學(xué)性能要求值Table 2 Required mechanical properties of Q345D steel

1.3 鍛造工藝

模鑄鋼錠加熱溫度為1 170～1 210℃，始鍛溫度為1 080～1 200℃，終鍛溫度為800～900℃，鍛造比為5.75。

1.4 鍛后熱處理

鍛后正火，正火溫度為900℃±10℃，空冷。由于力學(xué)性能檢測(cè)值偏低，重新進(jìn)行正火處理，溫度900℃±10℃，霧冷。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 化學(xué)成分和力學(xué)性能

Q345D鍛造圓鋼的化學(xué)成分實(shí)測(cè)值見表3。力學(xué)性能檢驗(yàn)值見表4。

從表4結(jié)果可知，即使是重新熱處理后，性能值仍偏低。

2.2 實(shí)際晶粒度

正火后從鋼材上取樣，經(jīng)砂紙打磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，測(cè)得其實(shí)際晶粒度為7.5級(jí)，100倍下晶粒形貌見圖1。

2.3 顯微組織

正火后從鋼材上取樣，經(jīng)砂紙打磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，其100倍、500倍顯微組織形貌見圖2、圖3。

2.4 非金屬夾雜物

按GB/T10561—2005要求檢驗(yàn)鋼中非金屬

夾雜物，其結(jié)果見表5。

圖1 晶粒形貌100× 圖2 顯微組織100×圖3 顯微組織500×

Figure 1 Actual grain size,100×Figure 2 Microstructure 100×Figure 3 Microstructure 500×

表3 Q345D鋼化學(xué)成分實(shí)測(cè)值(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Measured chemical composition of Q345D steel (mass fraction, %)

表4 Q345D鋼力學(xué)性能檢測(cè)值Table 4 Measured mechanical properties of Q345D steel

表5 鋼中非金屬夾雜物Table 5 Nonmetallic inclusions of the steel

表6 鋼材低倍組織Table 6 Macrostructure of the steel

2.5 低倍組織

從鋼材端部取樣，按GB/T1979—2001要求檢驗(yàn)鋼材低倍組織，其結(jié)果見表6。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 根據(jù)表1化學(xué)成分分析結(jié)果可知，鋼材化學(xué)成分表現(xiàn)為Si、Mn含量偏低。作為合金含量不高的Q345D鋼，C、Mn、Si是主要的強(qiáng)化元素，Si、Mn含量偏低是造成抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度低的內(nèi)在原因之一。

3.2 Q345D鋼為低合金高強(qiáng)度鋼。為提高綜合性能，對(duì)冶煉相關(guān)化學(xué)成分及細(xì)化晶粒元素做了控制。除主要元素外，冶煉中還控制了V、Nb、Ti、Al含量(見表1)。

這四種元素均為細(xì)化晶粒元素，目的在于形成細(xì)小的碳化物和氮化物(或碳氮化合物)，其質(zhì)點(diǎn)釘扎在晶界處，在加熱過(guò)程中阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，從而細(xì)化晶粒，提高鋼材綜合性能。理論上講，幾種元素的復(fù)合作用高于某一元素的單一作用。但由于元素特性，加入鋼中的Ti除形成彌散的TiC顆粒，成為形核中心外，還易于形成大顆粒的TiN夾雜，圖2箭頭所示處即為100倍下呈金紅色的TiN顆粒。根據(jù)GB/T10561—2005，D類夾雜物粗系、細(xì)系均為0.5級(jí)。在受到拉應(yīng)力的作用下，此類的大顆粒夾雜受到尖端作用的影響，易于形成裂紋源，導(dǎo)致鋼材提前斷裂，表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度不足。此外，曾有研究指出，在鋼中的Ti含量大于0.02%后，鋼的低溫沖擊韌性急劇下降[2]，這也是鋼低溫沖擊不合的重要因素。

對(duì)于加入鋼中的Nb，完全固溶溫度較高，要使Nb充分發(fā)揮其強(qiáng)化的特點(diǎn)，首先必須固溶于γ-Fe中。通常含鈮鋼需加熱到1 200℃，均熱2 h后絕大部分的鈮可固溶于奧氏體中，從而達(dá)到細(xì)化奧氏體晶粒的目的。一般情況下，Nb的加入量在0.05%以下，Nb含量大于0.03%時(shí)，強(qiáng)化效果就開始降低，高于0.05%的Nb對(duì)強(qiáng)韌化的貢獻(xiàn)將不再明顯。當(dāng)Nb含量大于0.06%時(shí),多余的Nb對(duì)鋼將不再有強(qiáng)化作用[3]。

3.3 通過(guò)對(duì)鋼材高倍組織的觀察，顯微組織為鐵素體+珠光體，珠光體分布不均勻，成塊狀集結(jié)，且沒有明顯的取向關(guān)系，這就造成鋼材性能各向異常。出現(xiàn)這種組織主要是由于鋼材鍛造正火不均勻所致。

4 結(jié)論

4.1 鋼中Si、Mn含量偏低是造成抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度低的內(nèi)在原因之一。

4.2 Ti含量控制不理想，大顆粒的TiN易造成材料提前失穩(wěn)。

4.3 鋼錠均熱溫度偏低，使微合金元素固溶不完全，沒有發(fā)揮完全作用。

4.4 鍛后正火不均勻，造成各向性能不均勻且不穩(wěn)定。

5 改進(jìn)措施

5.1 將鋼中的Si含量提高至0.25%～0.35%，Mn含量提高至1.40%～1.60%。從成分上強(qiáng)化機(jī)體，發(fā)揮Mn元素對(duì)沖擊韌性的有益作用。

5.2 采用Nb、V復(fù)合強(qiáng)化代替V、Nb、Ti、Al復(fù)合強(qiáng)化，避免大顆粒TiN夾雜。為細(xì)化操作，Nb含量控制在0.01%～0.04%， V控制在0.04%～0.08%。

5.3 均熱溫度控制在1 190～1 220℃，以利于微合金元素的固溶，并且終鍛溫度控制在850℃以下。

5.4 為使鍛后正火均勻化，采用多臺(tái)風(fēng)機(jī)強(qiáng)制冷卻或有效霧冷。

[1] 周許，王立新，胡建成，陳濤，徐玉貴. 提高低合金高強(qiáng)度鋼Q345D低溫沖擊功的工藝研究.大型鑄鍛件，2011(1).

[2] 李國(guó)忠、曹紅福、惠榮、高德漫. 鈦鋁含量對(duì)低合金高強(qiáng)度鋼Q345D低溫韌性的影響.特殊鋼，2002，23(1).

[3] 韓孝永. 鈮、釩、鈦在微合金鋼中的作用.寬厚板, 2006，12(1).