橋殼鋼Q460QK斷后伸長率性能不合原因及對策

管連生，劉紅艷，張衛(wèi)攀

(河鋼集團(tuán)邯鋼公司，河北 邯鄲 056015)

汽車橋殼是驅(qū)動橋的重要組成部分又是行駛系的主要組成件之一[1]。隨著國家日益嚴(yán)苛的環(huán)保要求以及汽車輕量化的趨勢發(fā)展，目前橋殼材料主要為熱軋鋼板。汽車橋殼鋼是邯鋼板材的高附加值特色產(chǎn)品，具有優(yōu)異的綜合性能，其中斷后伸長率是產(chǎn)品重要的性能之一，是材料的重要性能指標(biāo)。鋼板在高溫加熱后，通過快速的沖壓過程最終制成橋殼，如果鋼板斷后伸長率不足，直接影響橋殼性能，嚴(yán)重的會導(dǎo)致沖壓裂紋的產(chǎn)生，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

近期邯鋼在生產(chǎn)橋殼鋼時(shí)發(fā)生了批量的斷后伸長率性能不合的情況，針對此問題，對生產(chǎn)工藝進(jìn)行了檢查，并對問題試樣進(jìn)行了金相和成分檢測。結(jié)合其他企業(yè)研究經(jīng)驗(yàn)[2-5]，展開了相應(yīng)的攻關(guān)工作，橋殼鋼產(chǎn)品斷后伸長率性能不合問題得到了顯著的改善。

1 橋殼鋼斷后伸長率性能不合情況

橋殼鋼產(chǎn)品斷后伸長率性能不合批次，涉及鋼種為Q460QK，厚度為12 mm，其生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預(yù)處理-100t轉(zhuǎn)爐-LF精煉-260 mm板坯連鑄-加熱爐-3500 mm熱軋-冷卻-剪切-堆垛。問題批次抗拉強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度等各項(xiàng)力學(xué)性能情況如表1所示。橋殼鋼力學(xué)性能檢驗(yàn)過程執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，GB/T 229-2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，GB/T 232-2010《金屬材料 彎曲試驗(yàn)方法》。

表1 問題批次各項(xiàng)力學(xué)性能情況

2 生產(chǎn)工藝情況

2.1 煉鋼工藝

對涉及的性能不合爐次的煉鋼工藝進(jìn)行了全工序檢查，均符合要求，具體如表2～表4所示。鐵水預(yù)處理采用深脫硫工藝，避免了大量MnS夾雜的產(chǎn)生；轉(zhuǎn)爐和精煉工序的避免后吹、良好底吹、純脫氣時(shí)間等工藝，大幅度提升了鋼水的潔凈度[6]；連鑄工序的液面波動、過熱度等工藝，最終生產(chǎn)出高質(zhì)量的橋殼鋼鑄坯。

表2 鐵水預(yù)處理和轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝

表3 精煉生產(chǎn)工藝

表4 連鑄生產(chǎn)工藝

2.2 鑄坯低倍

鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量對產(chǎn)品的最終性能也有重要的影響[7]，中心偏析嚴(yán)重的鋼板會顯著降低鋼板的強(qiáng)韌性，嚴(yán)重的會產(chǎn)生中心裂紋，對后續(xù)的加工使用帶來很大的隱患。橋殼鋼斷后伸長率不合爐次其鑄坯中心偏析呈現(xiàn)點(diǎn)狀分布，低倍中心偏析評級C1.0，中心疏松為1.0，低倍情況良好，滿足產(chǎn)品要求，具體如圖1所示。

圖1 鑄坯低倍宏觀形貌

2.3 軋鋼工藝

對涉及的不合批次的軋制工藝進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)終軋溫度實(shí)際溫度930～940 ℃，工藝要求820～880 ℃，超出要求范圍50～60 ℃，具體如表5所示。初步判斷終軋溫度偏高，對產(chǎn)品最終的微觀組織性能產(chǎn)生了不良影響，可通過金相組織觀察進(jìn)行深入分析。

表5 軋制生產(chǎn)工藝

3 橋殼鋼斷后伸長率不合檢測及分析

3.1 成分檢測

對不合試樣進(jìn)行成分檢測，結(jié)果如表6所示。

表6 試樣成分 單位:%

化學(xué)成分檢測結(jié)果顯示各成分含量正常，包括Nb、V、Ti等微合金含量均符合要求。鈮具有顯著細(xì)化晶粒的作用；釩在鐵素體中提到沉淀強(qiáng)化的效果；鈦會與氮結(jié)合，形成細(xì)小彌散的TiN顆粒，阻礙板坯再加熱時(shí)奧氏體晶粒的長大。在實(shí)際生產(chǎn)中采用鈮、釩、鈦復(fù)合的成分設(shè)計(jì)，能夠明顯提升產(chǎn)品的強(qiáng)度和韌性[8]。

3.2 金相檢測及分析

在性能不合的橋殼鋼產(chǎn)品鋼板上截取金相試樣，經(jīng)過研磨拋光后，用4%硝酸+酒精溶液腐蝕，再利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相檢測，鋼板1/4厚度處和中心部位的微觀形貌如圖2所示。由圖可知，試樣基體主要組織為F+P，從1/4厚度處到中心部位的晶粒尺寸差別較大，大晶粒尺寸達(dá)到6～12 μm，小晶粒尺寸在4 μm以下，微觀組織的細(xì)晶和粗晶的晶粒度級別相差約2～4級，并存在不同程度明顯的混晶現(xiàn)象。大小晶粒夾雜分布，在拉伸試驗(yàn)中，混晶組織會影響位錯(cuò)在晶粒間的作用，產(chǎn)生應(yīng)力集中，顯著惡化產(chǎn)品的塑性[9]，這是導(dǎo)致斷后伸長率性能不合的直接原因。

(a)1/4厚度處

3.3 分析與討論

3.3.1 橋殼鋼Q460QK軋制工藝

橋殼鋼Q460QK軋制生產(chǎn)過程共包含兩個(gè)階段。第一階段為粗軋生產(chǎn)，采用了大壓下量的軋制工藝，板坯的單道次壓下量≥15%，且一軋程后三道單道次壓下率≥20%，使軋制變形滲透到鋼板中心處，在鋼板高溫再結(jié)晶的過程中，使奧氏體組織能夠充分的再結(jié)晶和細(xì)化，為產(chǎn)品良好的綜合性能奠定基礎(chǔ)。中間坯經(jīng)過待溫后，開始進(jìn)入第二階段生產(chǎn)，屬于精軋過程，其軋制特點(diǎn)為在未再結(jié)晶區(qū)軋制，生產(chǎn)過程中對中間坯繼續(xù)施加累積壓下率，終軋溫度范圍控制在800～860 ℃之間。

3.3.2 混晶組織的產(chǎn)生原因及危害

混晶組織產(chǎn)生的原因很多，涉及到連鑄、加熱、軋制、微合金元素等多方面，混晶組織是鋼材內(nèi)部缺陷之一，表現(xiàn)為金屬基體內(nèi)晶粒大小混雜，會顯著降低鋼板的韌塑性[10]。國內(nèi)外很多文獻(xiàn)都進(jìn)行了論述。

連鑄主要包括中心偏析和鑄態(tài)組織不均勻的原因所產(chǎn)生。中心偏析導(dǎo)致各微合金元素在中心部位的聚集，而這些微合金元素一方面對C曲線的作用不同，另一方面對晶粒的細(xì)化程度不同，最終對晶粒長大影響不同，晶粒尺寸發(fā)生較大的差異[11-12]。此外，鑄態(tài)組織具有遺產(chǎn)特性，尤其在后續(xù)軋制壓下量不足的情況下尤為突出。

加熱原因產(chǎn)生的混晶主要是鑄坯一次奧氏體和二次奧氏體組織并存導(dǎo)致。鑄坯入爐前溫降到A1和A3線之間，奧氏體會部分相變?yōu)殍F素體，入爐后會重新生成新的二次奧氏體，這與原來存在的一次奧氏體同時(shí)存在，鑄態(tài)組織粗細(xì)不均，導(dǎo)致混晶[13]。

軋制作用的影響主要取決于變形溫度和變形程度的選擇[10]。如果在部分再結(jié)晶區(qū)軋制或道次軋制形變量不足均會產(chǎn)生混晶現(xiàn)象。

微合金元素的加入也會導(dǎo)致混晶，尤其是鈮的影響[10]。鈮能夠提高再結(jié)晶溫度，易造成部分再結(jié)晶軋制。

3.3.3 原因分析及措施

通過煉鋼和軋鋼全工序工藝檢查，試樣成分、金相試驗(yàn)檢測判斷，煉鋼工藝和成分均正常，但是軋鋼工藝中鋼板終軋溫度較高，且在金相的微觀組織中發(fā)現(xiàn)了混晶組織，這對產(chǎn)品的斷后伸長率造成了不良影響。

有文獻(xiàn)表明，對于含鈮鋼，當(dāng)鈮含量為0.035%時(shí)，其再結(jié)晶終止溫度約為940 ℃[15]。因此對于兩階段軋制來說，精軋過程應(yīng)避開900～1000 ℃部分再結(jié)晶溫度的范圍，在生產(chǎn)過程中，適量延遲粗軋后的待溫時(shí)間，使其鋼板中心溫度也達(dá)到再結(jié)晶溫度以下。不合批次鋼板終軋溫度為930～940 ℃時(shí)，分析其精軋階段處于部分再結(jié)晶區(qū)軋制，導(dǎo)致基體內(nèi)部晶粒尺寸不一，從而產(chǎn)生混晶現(xiàn)象。

為避免再次發(fā)生混晶缺陷，在高效軋制生產(chǎn)的同時(shí)，適當(dāng)延長待溫時(shí)間，保證第二階段開軋溫度在900 ℃以下，避開部分再結(jié)晶溫度區(qū)間范圍。經(jīng)過優(yōu)化軋制工藝，橋殼鋼斷后伸長率得到顯著提升，性能不合問題得到解決。

4 結(jié)語

通過對橋殼鋼Q460QK斷后伸長率性能不合鋼板煉鋼和軋鋼工藝檢查，成分檢測以及鑄坯低倍和試樣微觀組織分析，最終找到了問題的原因。其微觀組織晶粒大小不一，出現(xiàn)混晶現(xiàn)象，這是導(dǎo)致斷后伸長率性能不合的直接原因。鋼板在精軋過程中處于部分再結(jié)晶溫度區(qū)間軋制生產(chǎn)，最終造成了鋼板的性能不合，這是問題產(chǎn)生的根本原因。此次研究分析為提升橋殼鋼斷后伸長率性能積累了經(jīng)驗(yàn)。在高效軋制生產(chǎn)的同時(shí)，要嚴(yán)格控制中間坯待溫時(shí)間和開軋溫度，確保橋殼鋼各項(xiàng)性能滿足要求。