正火軋制S420NL低溫韌性結(jié)構(gòu)鋼板的開發(fā)實踐

朱慶華，潘中德

（南京鋼鐵股份有限公司板材事業(yè)部，江蘇 南京210035）

1 前 言

S420NL 作為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10025—3《正火、正火軋制焊接細(xì)晶粒鋼技術(shù)交貨條件》中高強度低溫韌性結(jié)構(gòu)鋼，有著良好的低溫韌性及穩(wěn)定的焊接性能，適用于焊后熱處理、熱成型等苛刻條件下使用，是嚴(yán)寒區(qū)域重大工程建設(shè)的首選結(jié)構(gòu)材料。此類鋼材一般采用正火熱處理工藝進行生產(chǎn)，導(dǎo)致鋼種合金成本高、工序成本高，供貨周期長，嚴(yán)重制約了低溫苛刻環(huán)境服役的高性能鋼板的產(chǎn)品競爭力。因此，非常有必要開展正火軋制工藝研究，實現(xiàn)高品質(zhì)鋼材產(chǎn)品的短流程制造，降低生產(chǎn)成本［1-4］。通過優(yōu)化成分設(shè)計和軋制工藝，提出新型的成分設(shè)計思想和開發(fā)基于微觀組織控制的短流程生產(chǎn)工藝路線，對比分析了鋼板正火熱處理后工藝性能的變化，開展了焊接工藝試驗評價，取得了良好效果。

2 鋼板生產(chǎn)工藝

2.1 鋼板技術(shù)要求

S420NL 成分及力學(xué)性能要求滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10025—3，具體S420NL鋼板的主要化學(xué)成分和力學(xué)性能要求分別見表1和表2。

表1 S420NL 鋼板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 S420NL鋼板的力學(xué)性能

考慮到嚴(yán)寒地區(qū)服役環(huán)境要求和鋼板的可焊接性能，部分工程項目還提出了-50 ℃縱向沖擊≥40 J、CEV≤0.45%等更為苛刻的特殊技術(shù)要求。

2.2 工藝設(shè)計

歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10025—3《正火、正火軋制焊接細(xì)晶粒鋼技術(shù)交貨條件》中，正火軋制定義為“最終變形是在某一溫度范圍內(nèi)進行，使材料獲得與正火后的性能相當(dāng)?shù)能堉乒に嚒?。根?jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，采用低碳設(shè)計、控軋控冷技術(shù)可以生產(chǎn)屈服強度420 MPa、-50 ℃低溫韌性鋼板，但鋼板正火后屈服強度會明顯下降，甚至低于標(biāo)準(zhǔn)性能要求，該控軋控冷工藝與正火軋制有較大區(qū)別，因此正火軋制工藝設(shè)計上一般不采用低碳成分、加速冷卻等設(shè)計思路［5］。

為保證正火軋制工藝鋼板的性能滿足標(biāo)準(zhǔn)及用戶的各項要求，特別是低溫沖擊要求，要求保證軋制壓縮比在3.5倍以上，工藝設(shè)計采用260 mm大厚度連鑄板坯，充分發(fā)揮5 000 mm寬厚板軋機技術(shù)裝備優(yōu)勢，使得軋制變形滲透至鋼板心部；軋后鋼板在空氣中進行冷卻，保證正火后鋼板強度仍然能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 成分設(shè)計

S420NL 鋼板不但要求高強度、較好低溫沖擊性能，還要求良好的可焊接性能，同時鋼板正火后強度仍然滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此需要足夠的C含量和CEV來保證鋼板的強度。具體成分設(shè)計：中碳鋼成分和合理CEV 提高軋制鋼板強度、焊接性能；適當(dāng)?shù)腗n、Si 元素增加鋼的強度；通過Nb、V、Ti 等微合金元素的細(xì)晶強化、析出強化作用來提高強度及韌性；加入一定含量的Ni 含量來提高鋼板的低溫韌性；冶煉時低P、低S控制進一步提高綜合性能。具體成分設(shè)計見表3。

表3 S420NL 鋼板的成分設(shè)計（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.4 軋制工藝

鑄坯再加熱工藝，加熱溫度控制在1 180～1 220℃，加熱時間選擇為10～15 min/cm。軋制工藝采用再結(jié)晶、非再結(jié)晶兩階段軋制，再結(jié)晶階段采用高溫低速大壓下軋制工藝，粗軋最后2道次的壓下率≥20%，變形更容易向心部滲透，減輕偏析對鋼板綜合性能的影響；非再結(jié)晶階段盡量避開混晶區(qū)軋制，其中 16 mm 開軋溫度≤960 ℃，40 mm 開軋溫度≤920 ℃，同時采取了適當(dāng)降低待溫坯厚度、提高軋制速度等措施，保證軋制終了溫度880～860 ℃；軋后鋼板在空氣中冷卻至室溫。

3 鋼板產(chǎn)品質(zhì)量

為全面了解S420NL 鋼板的質(zhì)量水平，在試制鋼板寬度1/4處取樣，進行拉伸、沖擊等力學(xué)性能的測試。

3.1 力學(xué)性能

對試制16 mm、40 mm 厚 S420NL 鋼板，按標(biāo)準(zhǔn)進行相關(guān)力學(xué)性能檢驗，軋制工藝采用正火軋制。鋼板厚度1/4處橫向拉伸、-50 ℃縱向沖擊性能等，檢驗結(jié)果見表4。

表4 S420NL鋼板的力學(xué)性能

從表4可以看出，正火軋制工藝生產(chǎn)鋼板的屈服強度富余量在50～70 MPa，抗拉強度富余量在80～90 MPa，斷后伸長率富余量在2%～4%，-50 ℃低溫沖擊值在80 J 以上，滿足-50 ℃低溫沖擊值≥40 J的用戶特殊技術(shù)要求。

3.2 系列溫度沖擊試驗

結(jié)合EN 10025—3 標(biāo)準(zhǔn)及用戶特殊技術(shù)要求，在-60、-50、-40、-30、-20、-10、0 ℃等7個溫度，對正火軋制工藝生產(chǎn)40 mm 厚度S420NL鋼板進行系列溫度沖擊試驗，其結(jié)果見圖1。

圖1 40 mm S420NL鋼板系列低溫沖擊試驗

從圖1可以看出，正火軋制工藝生產(chǎn)的S420NL鋼板，-40 ℃低溫韌性較好；在-50 ℃沖擊值有所下降，但沖擊值仍高于100 J；-60 ℃沖擊值迅速下降、出現(xiàn)沖擊值低于100 J情形。

3.3 正火工藝性能

根據(jù)正火軋制定義要求，對正火軋制工藝生產(chǎn)鋼板進行進一步正火熱處理試驗，驗證正火熱處理后的性能變化情況。試制鋼板正火熱處理溫度880～920 ℃，16 mm 在爐時間 20～30 min，40 mm 在爐時間60～80 min，鋼板出爐后在空氣中冷卻至室溫，可采用風(fēng)冷等進行適當(dāng)加速冷卻，提高鋼板強度。鋼板正火熱處理后檢驗結(jié)果見表5。

表5 S420NL鋼板正火后力學(xué)性能

從表5 可以看出，鋼板正火熱處理后屈服、抗拉強度均呈降低趨勢，斷后伸長率呈上升趨勢，其中屈服強度富余量在15～30 MPa，抗拉強度富余量在50～70 MPa，斷后伸長率富余量在6.5%～8%；低溫韌性有所提高，-50 ℃低溫沖擊值在100 J以上。

4 鋼板金相組織及焊接性能

通過光學(xué)顯微鏡在放大500倍情況下，對試制40 mm 厚S420NL 鋼板進行了厚度1/4 處金相組織分析，觀察鋼板微觀組織特點。圖2a 為正火軋制工藝生產(chǎn)鋼板金相組織形貌，圖2b 為鋼板正火熱處理后金相組織形貌。

圖2 40 mm S420NL鋼板的金相組織

從圖2 看出，正火軋制工藝生產(chǎn)S420NL 鋼板金相組織主要為鐵素體和少量珠光體組織，晶粒度8.0～9.5級，存在部分大晶粒尺寸現(xiàn)象；鋼板經(jīng)正火熱處理后，組織更加均勻及細(xì)小，晶粒度9.0～10.5級，是-50 ℃低溫韌性提升的關(guān)鍵所在［6］。

為制訂合理的焊接工藝提供依據(jù)，試制40 mm S420NL 鋼板取樣進行埋弧焊（SAW）的工藝試驗，埋弧焊絲為伊薩OK Autrod 13.27（Φ4.0 mm，PV628489013），焊劑為伊薩 OK Flux 10.62（PNS13508）。采取較大的熱輸入量為35 kJ/cm，焊接完成后進行探傷測試，并分別對焊接接頭焊縫金屬的拉伸性能、側(cè)彎性能、焊接接頭各部位-50 ℃夏比V型缺口沖擊功進行了測定和分析［7-8］。

焊后試樣探傷按NB/T47013.3標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級判定合格；焊接接頭的拉伸試驗、彎曲試驗結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其中焊縫拉伸試驗抗拉強度為584、578 MPa，斷裂部位在母材；試樣在D=4a、180°彎曲條件后側(cè)彎試驗結(jié)果完好；焊接接頭低溫韌性優(yōu)異，沖擊試驗結(jié)果表明，試制40 mm 厚度S420NL 鋼板在埋弧焊焊接熱輸入量為35 kJ/cm情況下，焊接接頭的綜合力學(xué)性能優(yōu)良。

5 結(jié) 論

5.1 南鋼采用中碳、Nb+V+Ti 微合金化等成分設(shè)計，完成了正火軋制工藝生產(chǎn)16、40 mm 厚度S420NL 低溫結(jié)構(gòu)鋼板的試制，鋼板的屈服強度富余量在50～70 MPa，抗拉強度富余量在80～90 MPa，斷后伸長率富余量在2%～4%，-50 ℃低溫沖擊值在80 J以上，鋼板綜合力學(xué)性能優(yōu)異。同時試制鋼板經(jīng)正火熱處理后，屈服強度、抗拉強度有所下降，低溫沖擊韌性有所提高，正火后仍能夠滿足EN 10025—3標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.2 金相組織分析表明，正火軋制工藝生產(chǎn)S420NL鋼板金相組織主要為鐵素體和少量珠光體，晶粒度8.0～9.5級，存在部分大晶粒尺寸現(xiàn)象；鋼板經(jīng)正火熱處理后，組織更加均勻及細(xì)小，晶粒度9.0～10.5級，是-50 ℃低溫韌性改善的關(guān)鍵所在。

5.3 焊接試驗表明，在埋弧焊焊接熱輸入量為35 kJ/cm情況下，試制40 mm 厚度的S420NL鋼板焊后抗拉強度高于標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫各個位置的-50 ℃低溫沖擊韌性優(yōu)異，焊接接頭的綜合力學(xué)性能優(yōu)良。