高韌性Q370qE橋梁鋼的研制開發(fā)

鞠傳華

（山鋼股份濟(jì)南分公司，山東　濟(jì)南250101）

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高韌性Q370qE橋梁鋼的研制開發(fā)

鞠傳華

（山鋼股份濟(jì)南分公司，山東濟(jì)南250101）

摘要：在C、Mn固溶強(qiáng)化的基礎(chǔ)上微合金強(qiáng)化，通過控軋控冷技術(shù)，開發(fā)了高韌性Q370qE橋梁鋼。金相組織分析及CCT曲線測(cè)試表明，實(shí)際生產(chǎn)中終軋溫度應(yīng)控制在≤820℃，熱軋態(tài)鋼板強(qiáng)度和塑性指標(biāo)能夠滿足技術(shù)協(xié)議要求，但低溫沖擊韌性富裕量小。鋼板經(jīng)880℃正火處理，強(qiáng)度及韌性可達(dá)到最佳匹配，組織性能均勻穩(wěn)定，-40℃低溫沖擊功均在160 J以上，完全滿足技術(shù)協(xié)議要求。

關(guān)鍵詞：橋梁鋼；Q370qE鋼；低溫韌性；微合金化；控軋控冷；正火

1　前　言

Q370qE鋼為橋梁用結(jié)構(gòu)鋼，屬于較高質(zhì)量等級(jí)的低合金結(jié)構(gòu)鋼，主要用于鐵路橋梁和公路橋梁等的建設(shè)，用于制作鋼橋的鋼箱或型鋼梁的焊接結(jié)構(gòu)件［1］。尤其是鐵路橋梁，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中，長(zhǎng)期經(jīng)受疲勞載荷，其安全可靠性是關(guān)注的重點(diǎn)。根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)鋼板強(qiáng)韌性、焊接性能、屈強(qiáng)比、抗層狀撕裂能力提出了更高要求，特別是對(duì)低溫沖擊韌性，要求-40℃低溫沖擊功≮100 J。為此，山鋼股份濟(jì)南分公司研發(fā)了高韌性Q370qE鋼，以滿足該類大橋建設(shè)的要求。

2　高韌性Q370qE鋼的技術(shù)要求

2.1力學(xué)性能

根據(jù)客戶設(shè)計(jì)要求，制定了高韌性橋梁鋼技術(shù)協(xié)議，力學(xué)性能要求見表1?？蛻魧?duì)沖擊韌性的要求非常高，要求厚度≤24 mm的鋼板-40℃沖擊功≥100 J，厚度＞24 mm的鋼板-40℃沖擊功≥120 J，已接近國(guó)標(biāo)GB/T 714—2008規(guī)定值47 J的3倍。

表1　Q370qE鋼要求的力學(xué)性能

2.2成分設(shè)計(jì)方案

為保證鋼板既有較高的強(qiáng)度又有較高的低溫沖擊韌性以及良好的焊接性能，成分設(shè)計(jì)在C、Mn固溶強(qiáng)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行微合金化，通過控軋控冷技術(shù)，達(dá)到提高鋼材強(qiáng)度和低溫沖擊韌性的目的。

1）C。在Q370qE橋梁鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)中，為使鋼板具有良好的焊接性能、較好的低溫沖擊韌性，必須降低鋼中C含量。C含量控制在0.14%左右為宜。

2）Mn。Mn元素的主要作用是降低奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，細(xì)化鐵素體晶粒，提高鋼的強(qiáng)度和韌性，還可以消除硫?qū)︿摬牡挠泻τ绊?。特別是對(duì)于有焊接要求的高錳鋼種，Mn/C比值越大，低溫韌性越好。

3）P、S、N的控制。為保證鋼板好的沖擊韌性，要求鋼中有害元素P、S的含量應(yīng)盡可能低。高韌性Q370qE鋼應(yīng)盡可能達(dá)到潔凈鋼水平，鋼中P、S、全氧、N、H質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和控制在＜160×10-6水平，以滿足鋼的性能要求。

4）微合金化。微合金化是指向鋼中添加Nb、V、Ti等合金元素。這些合金元素在鋼中可以與C、N結(jié)合形成碳化物、氮化物及碳氮化合物，這些化合物具有在高溫時(shí)溶解、低溫時(shí)析出的特性。因此可以在鋼坯加熱時(shí)阻礙原始奧氏體晶粒長(zhǎng)大，在軋制過程中抑制再結(jié)晶及再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大，在低溫時(shí)起到析出強(qiáng)化作用［2］。

5）Ni。Ni是非碳化物形成元素，在鋼中為純固溶元素。由于Ni不從組織中析出，因而可降低相變溫度，最終細(xì)化晶粒，不但可以提高強(qiáng)度，同時(shí)可以改善韌性。Q370qE鋼中加入Ni主要是為滿足厚規(guī)格鋼板的超高韌性要求。

基于上述原則，考慮板厚效應(yīng)，在化學(xué)成分的設(shè)計(jì)上根據(jù)鋼板厚度范圍采取了兩套化學(xué)成分設(shè)計(jì)方案，見表2（另加Nb、V、Ti適量；厚度≥25 mm，加Ni≤0.30%）。

表2　Q370qE橋梁鋼設(shè)計(jì)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

3　試制分析與討論

3.1軋制工藝

軋制工藝選用再結(jié)晶型和未再結(jié)晶型兩階段控制軋制工藝。粗軋階段采用再結(jié)晶型控制軋制，開軋溫度1 000～1 100℃，道次壓下率≮10%，粗軋總壓下率要求保持在50%以上。充分發(fā)揮再結(jié)晶區(qū)軋制反復(fù)完全再結(jié)晶對(duì)細(xì)化晶粒的作用，獲得均勻細(xì)小的高溫奧氏體組織。

精軋階段采用未再結(jié)晶區(qū)控制軋制，精軋溫度≯950℃，第二階段累積壓下率≮50%，終軋溫度控制在800～880℃，然后控冷，以發(fā)揮未再結(jié)晶區(qū)控制軋制對(duì)晶粒細(xì)化的作用，細(xì)化鐵素體晶粒。不同終軋溫度下，鋼板的金相組織如圖1所示。

圖1　不同終軋溫度變形時(shí)鋼板的金相組織

由圖1可知，隨終軋溫度的升高，鐵素體晶粒長(zhǎng)大，珠光體的片層間距增加，組織的均勻性變差，當(dāng)終軋溫度超過860℃，鋼板的金相組織明顯粗化。低溫變形會(huì)導(dǎo)致奧氏體內(nèi)位錯(cuò)大量增殖，而且會(huì)加速微合金元素碳氮化物的析出。位錯(cuò)與析出粒子可成為新相形核的核心，增加了形核位置，有利于組織的細(xì)化。而當(dāng)變形溫度較高時(shí)，由于位錯(cuò)回復(fù)過程較快，同時(shí)應(yīng)變誘導(dǎo)析出相應(yīng)推遲，因而位錯(cuò)多邊形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，細(xì)化效果也減弱。實(shí)際生產(chǎn)中終軋溫度控制在≤820℃較為合適。

3.2CCT曲線測(cè)定

在900℃變形量為30%時(shí)，不同冷卻速度對(duì)相轉(zhuǎn)變組織的影響如圖2所示。

圖2　相同變形條件不同冷卻速度對(duì)鋼板室溫組織的影響

由圖2可見，在冷卻速度為1～15℃/s范圍內(nèi)，均可得到以細(xì)小均勻的鐵素體和珠光體為主的組織，并且冷卻速度＜5℃/s時(shí)，得到的組織為完全的鐵素體和珠光體，冷速越大晶粒越細(xì)化；當(dāng)冷速超過5℃/s后，開始出現(xiàn)少量的板條狀貝氏體組織，隨冷速不斷增大，貝氏體組織所占的體積分?jǐn)?shù)也不斷增加；冷卻速度超過15℃/s時(shí)，得到全部的貝氏體組織，并且隨冷卻速度的增加，貝氏體的板條層越來越細(xì)。

通過測(cè)量熱膨脹曲線數(shù)據(jù)及觀察金相組織繪制了鋼的CCT曲線見圖3。冷速為1～25℃/s時(shí)，相轉(zhuǎn)變開始溫度和結(jié)束溫度分別為741～552℃和600～475℃。鐵素體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間為580～741℃，貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間為475～581℃。由此可以得出，Q370qE橋梁鋼終軋后冷卻速度應(yīng)控制在5～8℃/s，開冷溫度控制在650～700℃，終冷溫度≤538℃，可獲得細(xì)小均勻的鐵素體和珠光體組織，在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，提高鋼板的低溫沖擊韌性。

圖3　Q370qE鋼動(dòng)態(tài)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

3.3熱處理工藝

選取25 mm厚的Q370qE鋼板，分別在850、880、910℃溫度下進(jìn)行正火處理，保溫36 min。正火后鋼板試樣的金相組織如圖4所示。由圖4可知，Q370qE熱軋態(tài)時(shí)，各個(gè)部位的晶粒大小不一，組織均勻性差；在850℃正火時(shí)，由于溫度偏低，奧氏體不能夠充分均勻化，組織沒有達(dá)到正火處理的目的，晶粒也沒有得到細(xì)化；880℃正火時(shí)，各區(qū)域晶粒都得到了細(xì)化，條帶已經(jīng)退化成不連續(xù)的團(tuán)狀；910℃正火時(shí)，晶粒開始粗化，珠光體開始球化。

圖4　Q370qE鋼熱軋態(tài)及不同正火溫度處理后的金相組織

熱軋態(tài)及850℃、880℃、910℃溫度正火處理后鋼板的力學(xué)性能如表3所示?？梢?，熱軋態(tài)鋼板強(qiáng)度和塑性指標(biāo)能夠滿足技術(shù)協(xié)議要求，但是-40℃低溫沖擊功均值為123 J，富裕量小。鋼板經(jīng)正火處理后，強(qiáng)度指標(biāo)有所下降，但是塑性和低溫沖擊韌性指標(biāo)大幅提升。對(duì)比3種正火溫度的性能指標(biāo)，880℃正火時(shí)，強(qiáng)度及韌性為最佳匹配。因此，正火處理工藝選擇正火溫度（880±10）℃、保溫系數(shù)1.4 min/mm較為合適。

表3　25 mm厚不同狀態(tài)Q370qE鋼板力學(xué)性能

4　結(jié)　論

Q370qE鋼的成分和工藝設(shè)計(jì)合理，力學(xué)性能和金相組織均勻穩(wěn)定，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足技術(shù)條件要求，可依照此進(jìn)行工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。Q370qE鋼具有優(yōu)異的低溫韌性，-40℃低溫沖擊功均在160 J以上，完全滿足橋梁行業(yè)較高的低溫韌性要求。

參考文獻(xiàn)：

［1］胡洵璞，劉丹.Q370qE橋梁鋼的生產(chǎn)工藝控制［J］.煉鋼，2010，26（4）：28.

［2］陳釗，洪君.高性能橋梁結(jié)構(gòu)用Q370qE鋼的研制［J］.寬厚板，2013，19（3）：18.

Development of Q370qE High Toughness Steel for Bridge Structures

JU Chuanhua

（Jinan Branch of Shandong Iron and Steel Co., Ltd., Jinan 250101, China)

Abstract:Based on the solid solution strengthening of C and Mn, the Q370qE of high toughness for bridge steel was developed using thermo mechanical control process. Metallographic structure inspection and CCT curve test showed that in the actual production of final rolling temperature should be controlled at 820℃or lower, hot rolled steel plate strength and plasticity index can meet the requirements of technical agreement, but low temperature impact toughness has small amount of redundancy. Steel plate after 880℃normalizing treatment, the strength and toughness can achieve the best matching. The microstructure and properties were uniform and stable, and low temperature impact energy was more than 160 J at - 40℃. The steel can fully meet the technical agreement requirements.

Key words:steel for bridge; Q370qE steel; low temperature impact toughness; microalloying; TMCP; normalizing

中圖分類號(hào)：TF762+.3；TG142.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4620（2016）02-0007-03

收稿日期：2015-12-30

作者簡(jiǎn)介：鞠傳華，男，1982年生，2005年畢業(yè)于東北大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)?，F(xiàn)為山鋼股份濟(jì)南分公司工程師，從事物理性能檢驗(yàn)工作。