徐筱薌
(安陽鋼鐵股份有限公司)
鋼材組織細晶化甚至超細晶化,既能提高鋼的強度又能改善其韌性,是鋼鐵企業(yè)降低生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品檔次的有效方法,目前已經(jīng)成為材料設(shè)計和軋鋼工藝優(yōu)化的重要研究內(nèi)容。組織超細晶化工藝應(yīng)用于熱連軋板卷、長型材生產(chǎn),取得了很好的效果[1]。與熱軋板卷和線棒材比較,中厚板生產(chǎn)冷卻速度慢、軋制道次間隔時間長、難以獲得大冷卻速度等因素是制約中厚板組織細化的重大障礙,表面與中心部位散熱不均勻是難以實現(xiàn)從表面到材料中心組織均勻超細晶的主要原因[2]。在中厚板中,獲得均勻一致的超細晶組織尚未見過報道。然而,實際生產(chǎn)中可以利用軋件表層變形滲透率大、原始鑄坯組織破碎程度高和軋后冷卻速率快等特點,在中厚板表層獲得超細晶組織、中心獲得細化的鐵素體珠光體組織,使其性能因全斷面晶粒尺寸的細化而大幅提升。筆者結(jié)合安鋼爐卷機組3500 mm 軋機實際生產(chǎn)情況,進行了中厚板表層組織超細化的研究工作。
試驗材料采用低成本的Q345 連鑄坯,試驗用鋼采用150 mm ×2600 mm ×8700 mm 連鑄坯,其化學(xué)成分見表1。
表1 試驗鋼化學(xué)成分
采用再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)兩階段控制軋制工藝。板坯開軋溫度為1060 ℃左右,再結(jié)晶區(qū)軋制溫度控制在1000 ℃以上,通過軋制道次間的反復(fù)再結(jié)晶,充分細化奧氏體組織。再結(jié)晶區(qū)軋制完成后,中間坯采用空冷待溫。未再結(jié)晶區(qū)軋制在930 ℃以下,通過未再結(jié)晶區(qū)內(nèi)的變形,增加相變形核位置,未再結(jié)晶區(qū)累積變形量大于55%。終軋溫度盡可能接近Ar3相變溫度,以便將軋制過程產(chǎn)生的變形帶、位錯和晶粒壓扁保持至相變以后。具體的工藝控制參數(shù)見表2。
控制冷卻是在奧氏體相變溫度區(qū)間進行某種程度的快速冷卻,使相變組織比單純的控制軋制更加微細化,以獲得更高強度和韌性。若試驗鋼終冷溫度高、冷卻速率低,強度和韌性提高不明顯;若試驗鋼終冷溫度低、冷卻速率高,組織中出現(xiàn)大量的貝氏體,韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高,使試驗鋼整體性能惡化,因此,應(yīng)將試驗鋼終冷溫度和冷卻速率控制在合適的溫度范圍內(nèi)。根據(jù)低合金CCT 冷卻曲線[3](如圖1所示),終冷溫度選擇600℃~680℃,冷卻速率≤8 ℃/s。
軋后冷卻工藝是獲得中厚板表層超細晶組織的關(guān)鍵環(huán)節(jié),終冷溫度、冷卻速率、冷卻模式和上下冷卻集管水比都是關(guān)鍵控制參數(shù)。具體的工藝控制參數(shù)見表2。
圖1 低合金的CCT 冷卻曲線
表2 工藝參數(shù)
試驗軋制板材現(xiàn)場取樣。制備金相樣品,用4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察材料組織,采用ZEISS Observer.A1m 光學(xué)顯微鏡進行微觀組織拍照。對試制鋼板,取橫向試樣,進行全厚度橫向拉伸實驗,拉伸試驗執(zhí)行標準GB/T228—2002;按照GB/T229—1994 進行沖擊試驗,試樣尺寸V 型10 mm×10 mm×55 mm。冷彎采用全厚度橫向試樣,彎心直徑d=a,橫向180 °冷彎,在冷彎的拉伸表面不出現(xiàn)裂紋和裂縫為合格。
試驗鋼板與正常軋制鋼板的力學(xué)性能見表3、表4。
表3 不同工藝條件下實驗鋼的性能
從表3 中可以看到,軋后采用快冷工藝,其屈服強度比空冷高40 MPa 左右,抗拉強度比空冷保持同一水平,延伸率比空冷相比并沒有降低,-40 ℃沖擊功在160 J 以上,180 °極限冷彎合格,性能良好,且都存在一定的富余量,完全滿足國標GB/T1591 -2008 中的要求。
表4 實驗鋼不同位置的性能
從表4 可以看出,表層晶粒較細,強度較高,延伸率較低,中心處比全厚度強度低,延伸率變化不大,但是與標準比富余量較高,表層與中心強度高20 MPa 左右,主要原因是表層超細晶層組織導(dǎo)致。從表3、圖2 可以看出,正、反180 °極限冷彎(d=a)合格,表明厚度方向組織性能有差異但不影響使用性能。
圖2 正、反180 °極限冷彎(d=a)
不同工藝下獲得的金相組織如圖3、圖4、圖5所示。
圖3 1 號試驗鋼的金相組織
從圖3 可以看出,采用空冷的1 號試驗鋼組織為鐵素體+珠光體(F+P),晶粒度從表層到心部晶粒度為8.5 到8 級,差異不是太大;軋后快冷試驗鋼表層均形成細晶層,厚向不同位置處微觀組織均含有針狀鐵素體、超細晶鐵素體(1 um ~5 um)、細晶鐵素體(5 um ~10 um)、退化珠光體、少量的粒狀貝氏體組織,帶狀組織消失。微觀組織自鋼板表面至心部呈現(xiàn)差異性分布,自鋼板表面至心部,超細晶鐵素體所占比例降低,同時細晶鐵素體和珠光體所占比例增加,晶粒尺寸增大,1/4 處和中心處組織均為細化鐵素體+珠光體。這是表層超細晶粒鋼的組織特性。
圖4 2 號試驗鋼的金相組織
圖5 3 號試驗鋼的金相組織
從圖4、圖5 可以看出,因冷卻速率不同,3 號試驗鋼厚度不同位置處超細鐵素體晶粒所占比例較大,細晶層厚度約5 mm ~6 mm;而試驗鋼2 表面至心部珠光體的變化最顯著,細晶層厚度約4 mm ~5 mm。采用軋后快冷2 號、3 號試驗鋼的表層晶粒度為10.5級,中心處晶粒度為9.5 級。
在相關(guān)低碳鋼超細晶組織的研究方面,奧氏體的大過冷度,低溫大壓下已經(jīng)成為目前研究共同追逐的手段。在中碳系列表層超細晶中厚板軋制工藝中關(guān)鍵工藝參數(shù)為未再結(jié)晶區(qū)累計壓下率和終軋溫度。增加未再結(jié)晶區(qū)累計壓下率,可在晶粒內(nèi)部引入大量變形帶和較高的位錯密度,使奧氏體晶粒細化,從而可得到細小的鐵素體晶粒,為表層超細晶提供基礎(chǔ);而低的終軋溫度,可更多的將軋制過程中的變形帶、位錯和晶粒壓扁保持至相變,終軋溫度應(yīng)盡可能接近Ar3,以進一步細化相變前奧氏體晶粒度。
鋼板軋后冷卻速度對鋼的顯微組織有很大影響,不同的冷卻速度獲得的組織不同。軋后空冷表層至中心皆為F+P,表層和中心沒有明顯差異。從圖3 ~圖5 可知,采用快速冷卻工藝時,表層未產(chǎn)生帶狀組織,由于帶狀組織產(chǎn)生的根本原因是,各帶狀區(qū)域內(nèi)因化學(xué)成分不均勻引起的Ar3溫度的差異[4]。軋后快速冷卻減弱消除帶狀組織的基本思想是,減少甚至消除各區(qū)域間奧氏體向鐵素體相變溫度的差異,使相變 在不同區(qū)域內(nèi)同時發(fā)生。軋后采用快速冷卻工藝,隨冷卻強度的增加,表層超細晶層厚度增加,當(dāng)鋼板冷卻強度過大時,鋼板中心也為超細晶,則表層出現(xiàn)大量的貝氏體,使鋼板整體性能下降。因此,應(yīng)適應(yīng)控制鋼板的冷卻速率,根據(jù)鋼板厚度的不同確定不同的出水組數(shù),在保證板形的基礎(chǔ)上,從而使鋼板獲得表層超細晶組織,中心為細化鐵素體和珠光體。
從理論上分析,成本降低后碳當(dāng)量CEV 降低,焊接性能變好。實際采用埋弧自動焊對試制Q345 表層超細中厚板進行焊接,并檢驗焊接接頭拉伸、彎曲及沖擊性能。結(jié)果表明,焊接接頭焊縫金屬與母材強度相似。焊縫外觀平整、組織均勻,焊縫和熱影響區(qū)均具有良好的沖擊韌性,焊接接頭完全滿足使用要求。
(1)采用低成本Q345 連鑄坯,通過合理的控制軋制和控制冷卻工藝,在安鋼3500 mm 機組成功試制出表層超細晶中厚鋼板。
(2)試驗鋼表層為超細晶組織,試驗鋼的各項性能指標均滿足國標GB/T1591 -2008 的要求,其韌塑性良好。
[1]翁宇慶.超細晶鋼- 鋼的組織細化理論與控制技術(shù)[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社,2003:521.
[2]范建文,謝瑞萍,張維旭,等.表層超細晶粒普碳鋼中厚板的工業(yè)試制[J].鋼鐵,2006,41(4):12 -14.
[3]于愛民,孟慶偉.中厚板減量化軋制工藝研究[J]. 河南冶金,2013,21(2):12 -14.
[4]范建文,謝瑞萍,張維旭,等. 普通C -Mn 鋼超細晶中厚板的帶狀組織[J].鋼鐵,2004,39(8):101 -104.