钛微合金化对Q355B钢性能的改善研究.pdf
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1、总第2 11期2023年第8 期试(实)验研究摘要:与碳素结构钢相比,钛微合金化后的高强度结构钢具有低成本、更优性能的特点。现场通过试验生产钛微合金化结构钢Q355B,对比成分调整前后钢性能的差异,通过金相分析钛微合金化后不同卷取温度下的组织状态。结果表明:成分调整后不仅可以改善铸坏内部质量,而且通过控制铸坏凝固后钛的氮化物析出,可细化轧前奥氏体晶粒及扩大未再结晶区温度范围,延缓再结晶过程,细化转变后的铁素体晶粒(抑制奥氏体再结晶),使整个厚度方向的组织细化,从而达到提高强度的同时也提高韧性的目的,获得较好的综合力学性能。关键词:钛微合金化;卷取温度;晶粒细化;综合性能中图分类号:TG142.
2、1*30引言低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上加人少量合金元素而成。该元素对钢的一种或几种性能具有显著的影响,如改善焊接性能、提高强度、降低冷脆临界转变温度等。此类元素的添加量比钢中传统意义的合金元素含量小1 2 个数量级。其中钛作为一种典型的微合金元素,具有其独有的特点。首先其化学性质较活泼,在钢中的存在形式为固溶钛和含钛析出相,固溶钛和含钛析出相对奥氏体再结晶和相变行为都会产生影响,通过采取合适的控制轧制技术,可实现奥氏体组织乃至铁素体组织的细化,获得明显的细晶强化效果1。其次,我国是世界上钛铁矿资源最为丰富的国家,钛价格较一般合金元素低廉。因此,一方面控制微小TiN颗粒析出,通过细
3、晶强化来提高性能,另一方面减少了Mn的加人量,获得最优性能的同时,达到降低成本的目的,因此得到了广泛应用。河北燕山钢铁集团有限公司生产的Q355B系列产品尤其是厚规格产品的性能时有波动,出于节约成本和稳定性能的考虑,在前期生产经验基础上对Q355B的成分进行调整及进行微钛化处理,通过对比成分调整前后不同卷取温度下的组织状态,确定性能最优生产工艺,稳定产品性能。1试验材料及方法1.1试验材料以Q355B为例,开展现场生产试验。试验钢原始化学成分和钛微合金化后成分如表1所示。表1试验钢调整前后主要成分wc)/w(Si)/wMn)/W(P)/成分w(s)/%0.150.151.40原成分0.190.
4、150.151.35调整后0.19收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 2第一作者简介:郭晓慧(19 8 3 一),女,河北张家口人,毕业于河北理工大学,本科,工程师,主要从事钢铁材料失效分析工作。山西冶金ShanxiMetallurgy钛微合金化对Q355B钢性能的改善研究郭晓慧,陈雷(河北燕山钢铁集团有限公司技术部,河北迁安0 6 440 0)文献标识码:A1.2生产过程生产工艺过程:KR一铁水一转炉一LF精炼一连铸一热轧,铸坏规格为2 3 0 mm1500mm。热轧二厂轧制生产13.7 5mm厚的带钢。原始成分条件下,热轧工艺设定为粗轧出口温度10 2 0 2 0,精轧出口温度8 40
5、2 0,选取6 0 0、6 2 0、6 40 三组不同卷取温度分别进行轧制试验。成分调整后,仍然采用相同加热、粗轧、精轧工艺,选取6 0 0 和6 2 0 两组不同卷取温度进行轧制试验。1.3检验过程按照标准GB/T2282002金属材料室温拉伸试验方法取拉伸试样,在室温下采用万能试验机进行拉伸试验。用砂轮截取试样,经过镶嵌、不同粒度的砂纸研磨,再经抛光浸人质量分数为4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀,以显示钢材的显微组织,用光学显微镜观察钢的显微组织和析出相。2试验结果2.1试验钢的力学性能试验钢在不同卷取温度下的平均力学性能如表2所示。在所研究的卷取温度范围内,试验钢的抗拉强度和屈服强度随卷取温度
6、的变化如图1所示。表2 试验钢调整成分前后不同卷取温度下力学性能卷取温度/屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%600397原工艺620640600w(Als)/W(N)/W(Ti)/%0.301.600.0300.0200.060 0.0070.0150.0150.251.550.025 0.0150.0600.0070.03Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.005文章编号:16 7 2-1152(2 0 2 3)0 8-0 0 0 9-0 4362411调整后%0.020543374538523528%20.522.02
7、5.025.5620394标准要求355从图1和表2 可以看出,试验钢在原有成分条件下,屈服强度、抗拉强度随着卷取温度的升高呈下降51147063024.020山西冶金10E-mail:第46 卷600550500450400350300250图1屈服、抗拉强度随卷取温度的变化情况趋势。卷取温度6 0 0 时,屈服强度最高达到3 9 7 MPa,伸长率只有2 0.5%;卷取温度6 2 0 时,屈服强度略有下降,伸长率只有小幅度升高;当卷取温度升高到640时,屈服强度下降明显接近标准线,抗拉强度下降量较小,伸长率明显升高,达到了2 5%。原工艺条件的3 种试验温度下,试验钢各项性能都能满足标准要
8、求,但有接近标准线的部分,没有很大的富裕值,综合性能不理想。成分调整后,两种卷取温度下钢的各项性能比较理想,随着卷取温度的升高,屈服强度、抗拉强度和伸长率呈轻微下降趋势,卷取温度为6 0 0 时,较6 2 0 具有更好的综合性能。2.2试验钢的组织观察2.2.1低倍组织对成分调整前后的连铸坏进行低倍检验,从图2低倍检验结果可直观地看出,成分调整后铸坏内在质量明显改善。冶炼成分微调后,连铸坏中心偏析和中心疏松明显减轻,中心偏析由A类1.5级降至B类1.0级,中心疏松由2.0 级将至1.0 级。原工艺抗拉强度调整后抗拉强度调整后屈服强度原工艺屈服强度600620卷曲温度/64020um3-1600
9、 3-3640 图3 原工艺不同卷取温度时带钢表面到1/4厚度范围组织20Mm20 um4-16004-2620 L20um3-2620 20m2-1调整前图2 成分调整前后低倍组织实物图2.2.2微观组织原有成分条件下试验钢中心偏析严重,易形成中心魏氏组织和带状偏析。带钢整体铁素体晶粒大小不均匀,从表面到心部晶粒大小变化明显(见图3),心部铁素体晶粒粗大且呈针片状趋势严重,表面晶粒细小存在不同程度贝氏体组织(见图4)。成分调整后,偏析及心部魏氏组织减轻,粗大的针片状铁素体基本消失,铁素体趋于等轴且明显细化。随着卷取温度的降低,珠光体趋于弥散状,表面有少量贝氏体组织。进一步比较原始成分条件下三
10、种卷取温度时组织的变化情况。6 0 0 时组织为铁素体+贝氏体,铁素体晶粒大小不均。在6 0 0 较低的转变温度下,表面形成粒状贝氏体,心部则是粒状贝氏体和不规则形状铁素体,铁素体晶粒较粗大。6 2 0 时组织为铁素体+珠光体+贝氏体,贝氏体只存在于两表面到1/42-2调整后20um4-3640图4原工艺不同卷取温度时带钢心部组织厚度范围,以粒状贝氏体为主,与6 0 0 时相比,心部贝氏体组织减少,铁素体晶粒趋于明显,但晶粒大小不均,晶粒度9.0 9.5级,多数为针片状,形成明显魏氏组织,心部珠光组织有块状趋势。6 40 时组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体,贝氏体只存在于表面约1 2 mm区域
11、,主要为粒状贝氏体,其余部位组织为铁素体和珠光体,铁素体晶粒趋于规则,只有少量呈针片状且晶粒明显粗大,晶粒度9.0 级,珠光体量增多且形成明显偏析条带;心部晶粒较6 2 0 时也有长大,晶粒度范围8.5 9.0 级。微钛化处理后,在6 0 0 下进行卷取时,组织为铁素体和珠光体,带钢表面及内部组织为均匀细小晶粒,表面存在少量贝氏体(见图5),内部珠光体呈细小弥散分布(见图6),表面晶粒10.5级,内部晶粒2023年第8 期郭晓慧,等:钛微合金化对Q355B钢性能的改善研究11.绍41,当低合金钢中w(Ti)0.045%时,钢的屈服强度随着Ti含量的增加缓慢上升。Ti在钢中主要与N、O、S 等元
12、素结合成稳定的化合物TiN、T i.C,S2 。钛与氮元素结合后首先形成TiN颗粒,TiN颗粒大小与其析出过程有关。粗大的 TiN(0.5 m)是钢液凝固过程中的析出相,由于 TiN 颗粒粗大且稀疏分布,不20m5-1600 图5成分调整后不同卷取温度时带钢表面到1/4厚度范围组织20m6-1600 图6 成分调整后不同卷取温度时带钢心部组织9.09.5级。偏析条带和魏氏组织都有明显减轻。卷曲温度为6 2 0 时,组织基本为铁素体+珠光体,贝氏体很少,珠光体呈块状分布,有成条带趋势。晶粒大小较6 0 0 有所长大,表面晶粒9.5级,心部则为9.0 级。3分析和讨论3.1主要成分元素对组织性能的
13、影响工艺调整前,Si、Mn 含量偏高,连铸板坏易形成严重的中心偏析、中心疏松缺陷,热轧后易产生带卷中心偏析以及带状偏析组织。由于心部合金元素的偏聚导致心部容易形成明显魏氏组织,严重时达到3.0 级,直接影响伸长率。在碳素结构钢中,Mn是重要的合金强化元素,对组织和力学性能有着很大的影响。在 S、P含量较低的高强度结构钢,带状组织主要是锰的枝状偏析与碳的相互作用导致的。铸坏以枝状结晶的形式凝固,所以枝间锰含量较高,枝内锰含量较低,造成铸坏内的枝间和枝内的原始偏析3 。工艺调整后,将Si、Mn 含量下调,连铸坏低倍显示中心偏析及疏松都有明显改善。降低锰含量可以减少铸坏的原始偏析,明显改善偏析形成的
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