Ti微合金化Q420B熱軋鋼帶組織和性能

閆 萍，吳漢科，張玉文

（唐山不銹鋼有限責(zé)任公司，河北063105）

0 引言

近年來，在普通C-Mn鋼或低合金鋼基體化學(xué)成分中添加微量金屬元素的微合金化熱軋高強鋼在汽車、工程機械、集裝箱、橋梁、建筑、鐵道車輛等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，通過微合金化技術(shù)達(dá)到產(chǎn)品性能標(biāo)準(zhǔn)要求、滿足用戶使用已逐步成為鋼材生產(chǎn)的主流技術(shù)。而在微合金元素中一般采用鈮、釩、鈦進(jìn)行強化，從成本角度考慮，Ti微合金化的價格相對是最低的，故將Ti微合金化鋼工藝進(jìn)行優(yōu)化和合理的控制，可有助于提高企業(yè)開發(fā)高強鋼產(chǎn)品的能力和產(chǎn)品在市場上競爭力，因此研究Ti微合金鋼的應(yīng)用和推廣更具意義。微合金元素Ti在鋼中主要以碳化鈦（TiC）或碳氮化鈦（Ti（C，N））的形式沉淀析出，可以提高鋼的強度，從而改善鋼材的性能。

通過1580熱軋線進(jìn)行Ti微合金化Q420B帶鋼的生產(chǎn)試驗，結(jié)果表明，產(chǎn)品組織和性能均達(dá)到客戶使用要求，該產(chǎn)品實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，為拓展Ti合金高強鋼的生產(chǎn)應(yīng)用打下了堅實基礎(chǔ)。根據(jù)調(diào)研及生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比，1580熱軋線生產(chǎn)的Ti微合金化Q420B帶鋼與普碳Q420B帶鋼相比，性能完全符合冷彎型鋼國標(biāo)GB/T 33162-2016中Q420強度級別，而且強度均勻、性良好，具有較高的延伸率和成型性，可用于冷彎型鋼行業(yè)對成型性要求較高的產(chǎn)品。目前，唐山不銹鋼公司生產(chǎn)的6.0 mm以下薄規(guī)格Ti微合金化Q420B帶鋼可應(yīng)用于光伏支架橫梁、工程塔基、船舶、建筑、鐵路車輛等用途，可替代厚規(guī)格的Q235B或Q355B鋼帶，起到很好的瘦身減重效果。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料成分及力學(xué)性能要求

Q420B試驗鋼化學(xué)成分設(shè)計主要采用低C和Ti微合金化工藝，Ti元素是強碳化物形成元素，它與O、N、C等元素都有極強的親和力，由于Ti固定了鋼中的N并形成TiC或Ti（C，N），可以提高鋼的強度。

本次試驗選取 3.0 mm×1 150 mm、4.0 mm×1 130 mm Q420B規(guī)格的成品帶鋼，根據(jù)GB/T3274-2007要求，試驗鋼中化學(xué)成分及力學(xué)性能要求。見表 1，表 2。

表1 鋼中的化學(xué)成分/%

表2 Q420B的力學(xué)性能要求

1.2 Q420B生產(chǎn)工藝

Q420B生產(chǎn)工藝流程：（鐵水預(yù)處理）→轉(zhuǎn)爐→LF爐→連鑄→1580熱軋機組。

1580熱軋機組控軋控冷工藝：Q420B板坯經(jīng)加熱爐加熱至1 250±30℃，經(jīng)過四輥可逆式粗軋機5道次軋至35 mm中間坯，后進(jìn)入精軋機組，精軋入口溫度控制在1 050±15℃，終軋溫度控制在870±20℃，卷取溫度570±20℃，增加層冷精調(diào)段的水量，中間測溫點目標(biāo)溫度680±20℃。

終軋溫度控制Ti（C，N）和Ti4C2S2奧氏體形變誘導(dǎo)析出，中間控冷溫度控制在鐵素體轉(zhuǎn)變C曲線鼻尖處，Ti（C，N）鐵素體相變誘導(dǎo)析出，卷取溫度是按照設(shè)定的控制使Ti在鐵素體晶內(nèi)析出和細(xì)晶強化均按達(dá)到強化效果峰值設(shè)計，發(fā)揮Ti強化的最大作用，同時可獲得比較多的細(xì)晶粒鐵素體組織，可達(dá)到高延伸率效果。

1.3 性能測試和組織觀察

按照GB/T 228.1-2010金屬材料室溫拉伸試驗方法，對Q420B鋼板在寬度的四分之一和二分之一位置分別沿橫向和縱向進(jìn)行力學(xué)性能檢驗。按照GB/T6394制備金相試樣進(jìn)行光學(xué)顯微鏡觀察，分析其組織構(gòu)成、晶粒度和夾雜物形態(tài)分布。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

表3為各試樣檢測結(jié)果，結(jié)合表2力學(xué)性能要求得知，生產(chǎn)的Q420B抗拉強度、屈服強度、延伸率和冷彎均滿足標(biāo)準(zhǔn)和客戶使用要求，典型拉伸曲線見圖1。同時將Ti微合金化生產(chǎn)的Q420B試樣力學(xué)性能與S420MC和QStE420TM標(biāo)準(zhǔn)對比，見表4。

表3 各試樣力學(xué)性能檢測結(jié)果

圖1 0109DB1420 1/4處橫縱拉伸曲線

表4 試樣力學(xué)性能與S420MC和QStE420TM標(biāo)準(zhǔn)對比

從表4的對比結(jié)果上看，Ti微合金化生產(chǎn)的Q420B物理性能已完全滿足S420MC、QStE420TM性能要求，在特定使用領(lǐng)域（工程機械開口方管等）可取代S420MC、QStE420TM等Nb微合金化鋼材，降低生產(chǎn)成本。

2.2 顯微組織

對試樣截面進(jìn)行光學(xué)顯微鏡觀察，組織以鐵素體和珠光體為主，晶粒相對細(xì)小、均勻，晶粒度評級為11~12級，帶狀組織0.5~1級。如圖2所示

2.3 鋼中夾雜物

圖2 試樣光學(xué)顯微鏡下的晶粒度、帶狀組織及夾雜物

試驗鋼中觀察到的夾雜物主要B類氧化鋁類夾雜物，細(xì)系1級，細(xì)長條形狀，如圖3。

圖3 光學(xué)顯微鏡下的夾雜物

2.4 鋼中析出物

圖4 Q420B鋼中析出物形貌及能譜圖

如圖4所示，在透射電鏡下觀察到的鋼中析出物為TiC，析出物尺寸為5 nm左右。

2.5 強化機理分析

Ti在鋼中與各種元素結(jié)合可以形成一系列的氧化物、硫化物、碳化物、碳氮化物和氮化物等化合物，但是Ti與合金元素親和力各不相同，Ti的各類化合物穩(wěn)定性也不盡相同，其遞減順序為：Ti2O3→TiN→Ti4C2S2→Ti（C、N）→TiC[1]。

研究表明，鈦與鋼中的硫有較強的親和力，可生成Ti4C2S2，被用來進(jìn)行夾雜物形態(tài)控制，從而改善鋼板的縱橫向性能差[2-3]。當(dāng)Ti含量較低時，Ti首先結(jié)合鋼中的氮元素，幾乎全部形成TiN，其質(zhì)點釘扎在晶界處，在再加熱時阻止晶粒長大，細(xì)化初始奧氏體晶粒，在軋制過程中阻止形變奧氏體再結(jié)晶，延緩再結(jié)晶奧氏體晶粒長大，可改善鋼板的焊接性能和韌性，但對提高鋼材的強度作用不大。當(dāng)[Ti]%增加并超過3.4[N]%時，開始形成Ti4C2S2，此時MnS與Ti4C2S2共存；當(dāng)[Ti]%增加到將鋼中的碳和氮全部固定時，即[Ti]%=3.4[N]%+3[S]%時，Ti4C2S2將全部取代MnS，此時Ti的沉淀強化作用很小。當(dāng)[Ti]%繼續(xù)增加時，碳與多余的Ti結(jié)合形成TiC，鋼帶在冷卻和卷取過程中析出細(xì)小而彌散的TiC起到沉淀強化的作用。

結(jié)果表明本次試制與Ti析出強化理論相符，通過優(yōu)化層冷前段水量，使鋼帶快速冷卻到靠近鐵素體轉(zhuǎn)變溫度；利用1580熱軋生產(chǎn)線層流冷卻長度長的特點，弛豫冷卻；通過優(yōu)化層冷前段水冷結(jié)束溫度，使鐵素體相內(nèi)析出（尺寸約5 nm）的TiC達(dá)到峰值，鐵素體相變誘導(dǎo)TiC的析出有利于提升鋼的強度。經(jīng)檢測，Q420B熱卷各項性能指標(biāo)全部符合客戶標(biāo)準(zhǔn)和要求。

3 結(jié)論

Ti微合金化的Q420B強度達(dá)到了540 MPa以上，屈服強度達(dá)到470MPa以上，橫縱向性能均勻且相差較小，在延伸率達(dá)到30%以上，滿足客戶使用要求。

Ti微合金化的Q420B中夾雜物為B類夾雜物，且夾雜物尺寸控制在50 μm之內(nèi)；通過電鏡觀察析出物為TiC，其產(chǎn)品強化機制為TiC沉淀強化。

Ti微合金化的Q420B產(chǎn)品性能結(jié)果與S420MC和QStE420TM標(biāo)準(zhǔn)對比，完全符合要求。工程機械開口方管使用Ti微合金化Q420B鋼帶替代Nb+Ti微合金化S420MC和QStE420TM鋼帶，可以降低生產(chǎn)成本。