HRB400E高速線材性能不合格的分析

楊 斌

(江陰市華西鋼鐵有限公司，江蘇江陰214425)

華西鋼鐵有限公司線材廠主要以普碳鋼和冷墩鋼為主，2020年的產(chǎn)能達(dá)到70萬噸。成品主要工藝流程如圖1所示。下游產(chǎn)品客戶以出口為主，自2020年初國外大規(guī)模爆發(fā)新冠病毒引起的肺炎疫情以來，出口受限。在國家擴(kuò)大內(nèi)需的響應(yīng)下，改生產(chǎn)建筑用鋼HRB400E，但是在試軋的過程中發(fā)現(xiàn)有一批HRB400E盤螺性能不合格，為查找原因，從成分控制、鋼材力學(xué)性能和金相組織對不合格成品進(jìn)行了分析。

圖1 工藝流程圖

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

線材的拉伸試驗(yàn)使用美國美特斯E45.305微機(jī)控制電子式試驗(yàn)機(jī)，成分分析設(shè)備為德國ARL直讀光譜分析儀，金相組織觀察采用德國蔡司金相顯微鏡Observer.A1 m。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

首先按照《鋼筋混凝土用鋼材試驗(yàn)方法》(GB/T 28900—2012)的要求對線材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，然后針對性能不合格的成品進(jìn)行成分和金相組織分析。成分分析按照《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》(GB/T 4336—2016)進(jìn)行測定，金相組織按照《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》(GB/T 13298—2015)進(jìn)行觀察。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

力學(xué)性能試驗(yàn)，檢測結(jié)果如表1所示，軋制號R2000025與R2000026的螺紋鋼屈服強(qiáng)度異常偏高，比之前合格的高出300 MPa，屈屈比更是達(dá)到1.94，不符合國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定［1］。軋制號R2000028的螺紋鋼拉伸曲線如圖2所示，沒有明顯的屈服平臺，屈服強(qiáng)度以規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2標(biāo)注，為394 MPa，低于國家標(biāo)準(zhǔn)。為進(jìn)一步分析原因，對上述樣品做了成分和組織分析，結(jié)果分別如表2、表3和圖3所示。

表1 力學(xué)性能結(jié)果

表2 化學(xué)成分檢測結(jié)果

圖2 R2000028螺紋鋼拉伸曲線

從化學(xué)成分檢測結(jié)果來看，C、Si等成分在國家標(biāo)準(zhǔn)［1］以內(nèi)，但軋制號R2000025與R2000026的螺紋鋼的Mn含量超標(biāo)，軋制號R2000028的鋼筋的成分正常，但Mn含量也略超內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)(1.3%～1.5%)。

對性能不合格的螺紋鋼做金相分析，將試樣磨制、拋光后用4%的硝酸酒精浸蝕5秒，用清水沖洗、滴酒精吹干后，在金相顯微鏡下觀察，檢驗(yàn)依據(jù)為GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》以及GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》，檢測結(jié)果見表3以及圖3(組織均為心部)。

由金相組織檢測結(jié)果(表3)可知，性能不合格的產(chǎn)品除鐵素體+珠光體這類正常的金相組織以外，還出現(xiàn)了回火索氏體和粒狀貝氏體這類異常組織。一般而言，在同等軋制工藝條件下，產(chǎn)品金相組織為鐵素體+珠光體。就軋制工藝而言，開軋溫度930℃，進(jìn)精軋溫度880℃，吐絲溫度890℃，該軋制工藝能夠滿足細(xì)晶粒螺紋鋼的內(nèi)控要求。而軋制號R2000025的線材出現(xiàn)回火索氏體，軋制號R2000026與R2000028的線材出現(xiàn)粒狀貝氏體的原因極有可能是合金元素過量所致。

表3 金相顯微組織檢測結(jié)果

3 分析與討論

圖3 HRB400E高速線材顯微組織

相較于正常組織而言，回火索氏體和粒狀貝氏體這類異常組織使得產(chǎn)品屈服強(qiáng)度過高，超出國標(biāo)中規(guī)定的屈屈比上限或是出現(xiàn)無明顯屈服現(xiàn)象，而螺紋鋼中組織的形成又與冷卻工藝和化學(xué)成分密切相關(guān)［2］，從冷卻工藝上看，為避免自回火索氏體的生成，就需要在冷卻過程中避免馬氏體的出現(xiàn)，所以鋼材要以低于臨界值的冷卻速度進(jìn)行控制冷卻。此外，還需注意該冷卻速度應(yīng)當(dāng)避開貝氏體產(chǎn)生的溫度區(qū)間，即需使螺紋鋼在終軋溫度到350℃的冷卻過程中降低冷卻速度，使鐵素體和珠光體有充分的轉(zhuǎn)變時間。該生產(chǎn)線上通過調(diào)整風(fēng)冷輥道速度以及風(fēng)機(jī)的開關(guān)和風(fēng)量大小等控制冷卻方法完全可以滿足鋼材具有正常的金相組織。鋼中化學(xué)成分的不同對鋼冷卻過程的轉(zhuǎn)變也有不同的影響。3種軋制號的成品Mn元素超標(biāo)極可能影響了冷卻過程中組織的轉(zhuǎn)變，隨著Mn含量的增加，將導(dǎo)致C曲線向右移動和變形，在同等冷卻曲線工藝下，相當(dāng)于提高了冷卻速度。若該冷卻速度大于臨界冷卻速度(冷卻曲線向右偏移量較大)將有利于馬氏體的產(chǎn)生，當(dāng)形成馬氏體后，由于鋼材心部仍具有較高溫度，在此溫度下易發(fā)生自回火，此時鋼材的組織將以回火索氏體為主，如軋制號R2000025；如果曲線向右偏移量不大(即Mn元素超標(biāo)幅度不大)，將會使得冷卻速度在到達(dá)冷卻曲線終了轉(zhuǎn)變線之前，還經(jīng)過了貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，如軋制號R2000028除鐵素體+珠光體外，還有少量貝氏體；當(dāng)冷卻速度正好落在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，則如軋制號R2000026，組織將以貝氏體為主。

4 結(jié)論

原材料鋼坯的化學(xué)成分Mn超標(biāo)，會使螺紋鋼中產(chǎn)生異常組織，引起力學(xué)性能不合格，導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。建議：

(1)煉鋼時應(yīng)加強(qiáng)對成分的控制，尤其是對Mn這類添加量較多的合金元素含量控制。

(2)針對個別已知合金元素含量出現(xiàn)波動的鋼坯，在軋制時應(yīng)合理的調(diào)整冷卻工藝，盡量減小合金元素超標(biāo)對鋼材組織和力學(xué)性能的影響。