化学成分与冷却速度对Q345E钢低温冲击性能的影响

来源:江苏沙钢集团淮钢特钢股份有限公作者:袁敏

采用低C、P、Si 含量和V 微合金化的成分设计方案,通过控制再结晶连续轧制和加速轧后冷却的工艺成功开发直径达250 mm的Q345E 低温用钢。试验结果表明,随着冷却速度增大,铁素体晶粒更加均匀细化,低温冲击性能提高。采用风机强制冷却,晶粒度在7 ~ 8 级,低温冲击性能满足标准要求。同时发现,材料存在明显的尺寸效应,由表及里晶粒逐渐变得粗大,低温冲击吸收能量降低。

低温钢指的是在零下几十度范围( 通常指- 15 ℃以下) 环境下满足使用性能要求并能长久保持其性能而不发生脆性断裂破坏的特殊钢。如在我国三北地区、俄罗斯西伯利亚地区( 低温可达- 60 ℃) 以及高纬度海洋复杂苛刻环境( 低温、海水腐蚀、大浪冲击等)使用的钢种必须满足环境因素,防止钢结构材料的脆性破坏。因此研究钢材在低温如何增韧,对扩大钢材的使用范围以及抗恶劣环境能力具有重要的意义。

Q345E 钢材主要用于锻造加工成火车配件,要求具有良好的耐环境腐蚀能力和优异的低温冲击性能。关于Q345D/E 的研究多集中在采用V、Nb、Ti 微合金化+ 控轧控冷工艺板坯上。本文对V 微合金化钢通过再结晶轧制+ 轧后加速风冷工艺生产大规格Q345E 钢棒材进行了研究。

1、试验材料与方法

1.1、Q345E 钢成分设计

成分设计和合金化的主要目的是为了优化组织和改善性能。此外,通过合适的工艺细化晶粒,可使材料具有良好的使用性能和综合性能。

一般情况下,C、Si 等固溶体强化元素均能使合金的低温韧性降低。而一些能在钢的晶界上形成脆性相的元素将会显著降低低温韧性,如P 等。C 可显著降低材料低温韧性,而少数合金元素如Ni 和Mn 等则能改善钢的低温韧性。桥梁、船舶等使用的材料,碳含量基本在0. 2% 以下,辅以少量Nb、Ti、V 并通过快速冷却等工艺手段可获得具有良好强韧性的铁素体加珠光体细晶组织。

综上所述,在炼钢过程中应最大限度地降低钢水中的P、S 等有害元素的含量,考虑各种合金元素之间的交互影响,添加微合金化元素V 以细化铁素体晶粒,初步设计了试验用Q345E 钢的主要化学成分,如表1。

表1 Q345E 钢的设计化学成分( 质量分数,%)

Q345E 钢的设计化学成分

1.2、工艺路线

冶炼工艺的主要工艺流程为BOF 转炉/EAF 电炉—LF 精炼炉—( RH 真空) —CC 弧形连铸。轧制与精整工艺的主要工艺流程为冷坯入炉加热—再结晶轧制—控制轧后冷却速度。

1.3、试验方案

试验用Q345E 钢坯的实际检验成分如表2 所示,按照化学成分的不同将钢坯分别标记为1、2、3、4 号。试验钢的冷却方式主要有3 种,按照冷却方式的不同分别进行标记,其中空冷或缓冷标记为“空”,雾冷标记为“雾”,风冷标记为“风”。

表2 试验Q345E 钢实测化学成分( 质量分数,%)

试验Q345E 钢实测化学成分

将成分差别较大的1、2 号钢坯分别轧制成150 mm规格的圆钢,分别采用雾冷和空冷方式冷却,试样分别编号为1 号-雾、1 号-空、2 号-雾、2 号-空,研究化学成分对低温冲击性能的影响。

将同一成分的3 号钢坯分别轧制成150 mm、250 mm 两种规格的圆钢,两种规格圆钢均在稍低温度的Ar3点附近采用风机强对流冷却、Ar1温度以下且600 ℃以上某一温度范围加保温罩缓冷的自回火的工艺,将试样分别标记为3 号-150-风、3 号-250-风。4 号钢坯轧后采取自然空冷工艺生产,标记为4号-空。

目的是研究热连轧+ 加速轧后冷却速度等工艺对稳定低温冲击性能、降低生产成本,并对比不同冷却速度对低温冲击性能的影响。

在常温钢材上取样,按照GB /T 228. 1—2010《金属材料拉伸试验第1 部分: 室温试验方法》和GB /T229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》标准分别进行拉伸和冲击试验。

3、结论

1) 降低钢中固溶元素P、C、Si 等的含量,适当提高Mn 含量,减少了固溶、析出等强化对提高韧性的不利影响,可以起到显著提高材料低温冲击性能的作用。

2) 通过再结晶轧制+ 轧后风冷+ 自回火工艺生产的Q345E 圆钢成本低,具有优异的低温冲击性能和综合力学性能,满足GB /T 1591—2008《低合金高强度结构钢》标准中- 40 ℃ 环境下的低温性能要求。

3) 直径在250 mm 以下的钢材,控制轧后奥氏体至共析转变阶段的冷却速度在0. 23 ℃ /s 以上,可获得稳定的低温冲击性能。

4) 大规格钢材低温冲击吸收能量与力学性能同样存在尺寸效应,材料心部由于尺寸效应,传热受到限制,冷却速度低于表面,过冷度变小,晶粒尺寸变得粗大不均匀,低温冲击性能变差。