軋制壓縮比對特厚板心部組織影響分析

王曉森 楊作然 甄新剛

摘要：通過同材質(zhì)復(fù)合軋制試驗，對比不同軋制策略下特厚規(guī)格鋼板心部組織形態(tài)，確認(rèn)了在累計壓下率達到60%，單道次壓下率≥10%的情況下，特厚板心部復(fù)合面出現(xiàn)組織交叉，氧化物呈彌散分布，實現(xiàn)了軋制力有效滲透，對特厚板軋制規(guī)范的建立有良好指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：特厚板；壓縮比；心部；組織交叉

0 引言

特厚鋼板一般是指厚度規(guī)格≥100 mm的鋼板，單重往往在20 t以上。主要用于鍋爐壓力容器、海洋、工程核電、風(fēng)電、軍工、高層建筑、重型機械、模具制造等重大技術(shù)裝備制造領(lǐng)域。隨著高層建筑、跨海橋梁、深海采油平臺、大型水電站等基礎(chǔ)建設(shè)的蓬勃興起以及設(shè)備制造大型化的發(fā)展趨勢，特厚鋼板的需求量越來越大，對鋼板的高強度、高韌性、低屈強比、抗層狀撕裂、易焊接、耐火、耐候、耐腐蝕性等多樣化的性能要求也越來越高。如何通過合理的軋制工藝設(shè)計來改善特厚板心部組織，成為特厚板開發(fā)關(guān)鍵控制要點。通常情況下，特厚板心部組織受鑄坯偏析、疏松的影響，無法有效觀察到軋制規(guī)程對心部組織影響；日鋼營口中板有限公司基于“特厚板復(fù)合軋制的金屬界面結(jié)合作用機理”，通過同材質(zhì)疊軋試驗，對比不同壓下率對特厚板心部（復(fù)合面）組織影響，尋找能夠?qū)崿F(xiàn)軋制力有效滲透的特厚板軋制工藝窗口。

1 試驗理論基礎(chǔ)

特厚板復(fù)合軋制的金屬界面結(jié)合作用機理主要是機械作用機制和再結(jié)晶理論，根據(jù)這些理論，認(rèn)為復(fù)合板在軋制過程中，在軋制力的作用下，心部產(chǎn)生塑性金屬流動，使界面處的氧化膜產(chǎn)生破裂，露出內(nèi)層新鮮金屬，在界面處發(fā)生初結(jié)合，根據(jù)三階段理論，此時為物理結(jié)合階段，還未發(fā)生金屬鍵的結(jié)合，也就說只提供了金屬粘合的條件，但還未能達到結(jié)合的效果，復(fù)合的效果與界面處結(jié)合點的數(shù)量具有最直接的關(guān)系，當(dāng)上下層金屬流動比較激烈的情況下，會產(chǎn)生更多的裂紋，提供了金屬相互鑲嵌的前提，并且可以對界面處的表面氧化膜達到充分的碾碎，降低其對產(chǎn)品機械性能的影響；由于軋制過程都是處于金屬再結(jié)晶溫度以上，復(fù)合的兩塊板又是同種金屬，不存在異種金屬復(fù)合時變形不協(xié)調(diào)的情況，處于界面處的上下層金屬的應(yīng)變值和應(yīng)變速率基本是一致的，只要在界面處存在結(jié)合點，上下層金屬在加溫至再結(jié)晶溫度以上進行軋制時，在界面處可發(fā)生再結(jié)晶形成新的晶粒，此時只要整個厚度方向的變形速率保持一致，軋件接近表面的金屬不會對內(nèi)層的金屬產(chǎn)生內(nèi)部的拉應(yīng)力，就可以完成良好的復(fù)合，使復(fù)合后的產(chǎn)品具有良好的機械性能。所以復(fù)合的效果主要取決于初結(jié)合時結(jié)合面表層破裂的程度，生成結(jié)合點的數(shù)量，以及在形成初結(jié)合后，整個軋件的厚度方向上處于協(xié)調(diào)的變形狀態(tài)，可以總結(jié)出復(fù)合界面達到良好的復(fù)合狀態(tài)，應(yīng)滿足的條件如下：

a.作用與心部結(jié)合面處的等效應(yīng)力達到或超過其屈服應(yīng)力，使其處于塑性狀態(tài)，并產(chǎn)生一定程度的塑性變形；

b.在界面處發(fā)生復(fù)合后，整個軋件厚度方向上的變形協(xié)調(diào)性良好，不存在內(nèi)部的變形不均，導(dǎo)致的表面變形速率大于心部變形速率，使心部受到表面金屬的拉應(yīng)力而影響復(fù)合的現(xiàn)象。

2 特厚板軋制壓縮比試驗

2.1 試驗流程

原始板坯——表面處理——密封焊接——抽真空——復(fù)合板坯——加熱——軋制——檢驗

2.2 復(fù)合板坯加工

每塊原始板坯首先進行表面銑削，去除表面氧化層，露出金屬界面；而后將兩塊銑削完成的原始板坯疊放在一起（金屬界面向內(nèi)），邊部采用埋弧焊焊接，并抽真空，形成一塊復(fù)合板坯。

2.3 軋制工藝設(shè)計

兩塊試驗復(fù)合坯（Q355B材質(zhì)）采用相同的加熱工藝、熱軋不控溫軋制，軋制工藝設(shè)計以粗軋60%累計壓下率為基礎(chǔ)（精軋均為4道次，平均分配壓下率），分別采用大多數(shù)道次壓下率不足10%（策略A）及道次壓下率大于10%（策略B）的軋制方案進行對比試驗：

2.4 軋制試驗

現(xiàn)場實際軋制道次基本滿足設(shè)計需要，具體如下：

3 檢驗結(jié)果

3.1 超聲波探傷

對軋后兩塊鋼板按照《GB/T 2970-2016 厚鋼板超聲檢測方法》中I級探傷標(biāo)準(zhǔn)分別進行超聲波探傷，兩種方案下鋼板體部整板面區(qū)域存在密集缺陷，深度均為鋼板厚度1/2位置，其中方案A回波波高超過40%（探傷不合，分層），方案B回波波高10%（存在缺陷，但探傷合格）。

3.2 力學(xué)取樣

根據(jù)超聲波探傷結(jié)果，對探傷合格的方案B鋼板采用階梯式取樣方式取樣，查看頭部至體部延伸時的內(nèi)部質(zhì)量變化趨勢。針對探傷不合的方案A，僅在5#、6#（備樣）位置進行取樣，作為試驗對比項。

1）1#、2#（備樣）試樣，寬度300 mm（含圓頭），探傷不合格區(qū)域；

2）3#、4#（備樣）試樣，寬度200 mm，探傷不合格與合格交匯區(qū)域；

3）5#、6#（備樣）試樣，寬度200 mm，探傷合格區(qū)域。

3.3 剪切試驗

參考復(fù)合板檢驗標(biāo)準(zhǔn)，對方案B進行抗剪試驗，探傷不合區(qū)域1#試樣抗剪強度明顯低于2#及3#試樣，且1#抗剪126Mpa試樣無明顯的金屬基材黏連現(xiàn)象。

3.4 金相檢驗

對方案A和方案B在5#試樣位置分別取樣進行復(fù)合界面金相檢驗，在100倍視角下方案A依然可以看到“復(fù)合界面線”（推測為原板坯表面氧化物形成），而方案B已無法觀察到“復(fù)合界面線”。同時在500倍視角下，可以看到方案A中“復(fù)合界面線”為黑色點狀物連續(xù)形成，且穿過晶界；而方案B中黑色點狀物彌散分布在復(fù)合界面周圍。

3.5 電鏡檢驗

在方案A的“復(fù)合界面線”上取點（方案B準(zhǔn)確取點難度較大），進行掃描電鏡檢驗，經(jīng)檢驗其組成主要成分為Si、Al等氧化物。

4 結(jié)論

1）在累計壓下率達到60%基礎(chǔ)上，采用單道次壓下率10%以上軋制策略生產(chǎn)的150 mm復(fù)合板探傷合格，復(fù)合界面強度達到300Mpa，且復(fù)合界面組織出現(xiàn)明顯交叉，界面氧化物呈彌散分布。

2）在累計壓下率達到60%基礎(chǔ)上，采用單道次壓下率10%以下軋制策略生產(chǎn)的150 mm復(fù)合板探傷不合，復(fù)合界面氧化物呈線性分布且穿過晶界。

3）通過150 mm同材質(zhì)復(fù)合板壓下率對比試驗，驗證了在累計壓下率達到60%時，單道次壓下率＞10%的軋制策略可以對心部組織產(chǎn)生有利影響，更有利于特厚板軋制生產(chǎn)。

參考文獻

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