Q390B 板材屈服強度偏低的原因分析
CAUSE ANALYSIS OF LOW YIELD STRENGTH OF Q390B PLATE
摘要:針對河鋼唐鋼中厚板公司生產的 Q390B 屈服強度偏低的情況, 利用能譜分析儀、全相顯微鏡, 分別對試樣的化學成分、斷口形貌、顯微組織及夾雜物進行了分析, 并與合格試樣進行對比, 確定 Q390B中厚板屈服強度低的主要原因為鋼組織中含有大量的混晶, 且硫化物夾雜較多。 通過采取增加 RH 真空精煉工序,連鑄中間包加設擋渣壩、擋渣堰,軋鋼過程采用粗軋高溫大壓下及降低終軋溫度等措施, 保證了鋼板內部組織均勻細小無異常,綜合力學性能得到有效提高。關鍵詞:Q390B;屈服強度;混晶;硫化物夾雜;終軋溫度;夾雜物.
Abstract: In view of the low yield strength of Q390B produced by Tangsteel Medium and Heavy Plate Com-pany of HBIS Group, the chemical composition, fracture morphology, microstructure and inclusions of the samples were analyzed by energy spectrum analyzer and full - phase microscope. Compared with the quali-fied samples, the main reason for the low yield strength is that there are a lot of mixed crystals in the steel structure and more sulfide inclusions. By measures of increasing RH vacuum refining process, adding slag dam and slag barrier in tundish, adopting high temperature large reduction in rough rolling, and decreasing the final rolling temperature, the uniform and fine internal structure of steel plate is ensured, and the compre-hensive mechanical properties are effectively improved. Key Words: Q390B; yield strength; mixed grain; sulfide inclusion; finish rolling temperature; inclusion.
拉伸性能是金屬材料重要的機械性能之一, 通過拉伸性能試驗檢測出的屈服強度、抗拉強度等性能指標,對把握金屬材料的性能、應用和科學研究有著重要意義 [1] 。 其中, 屈服強度是鋼的一項重要拉伸性能指標,主要用于衡量鋼材抵抗變形的能力, 屈服強度越大, 鋼材抵抗變形的能力 越強。 2018 年1 月 ,河鋼唐鋼中厚板廠 Q390B 板材出現屈服強度偏低的現象,導致其性能合格率僅 60% 。 針對此情況,從成分、工藝、顯微組織等方面對此批 30 mm 厚Q390B 鋼板進行了分析, 找到其屈服強度不合格的原因,并提出改進措施,降低損失。
1 化學成分
隨機抽取部分屈服強度不合格的 Q390B 鋼板,整理得到其力學性能如表1 所示。
由表1 可知, 抽檢的 6 組試樣板材屈服強度值均低于國標 GB /T 1591 - 2008 要求, 為不合格品。取 1#鋼板制作金相樣進行能譜分析, 檢測其化學成分如表2 所示。
由表2 可知,試樣的成分符合國標 GB/T1591-2008 要求。 利用 Micro - image Analysis & Process 金相圖像分析系統,對試樣進行微觀組織觀察。
2 顯微組織
2. 1 斷口形態
對屈服強度不合格試樣的拉伸斷口進行宏觀觀察發現,其主要特征為斷口 較平齊, 縮頸不明顯( 見圖 1( a) ) ,屬于脆性斷裂,而合格試樣斷口有明顯的縮頸,呈韌窩狀,屬于韌性斷裂( 見圖 1( b) ) 。
2. 2 夾雜物
分別從屈服強度合格及不合格拉伸試樣的夾持部位制取金相試樣, 利用 Micro - image Analysis &Process 金相圖像分析系統對鋼中非金屬夾雜物進行評定。 結果發現, 屈服強度不合格試樣中含有較多硫化物夾雜,級別為 2. 5( 見圖 2) 。
2. 3 金相組織
采用 4% 硝酸酒精溶液侵蝕試樣, 觀察合格品與不合格品的金相組織,結果如圖3 所示。
對比金相組織發現, 不合格試樣中心部位存在較為嚴重的混晶現象,含針狀鐵素體,并伴有中心裂紋;而合格品的金相組織為正常的鐵素體 + 珠光體。
3 原因分析
3. 1 混晶組織
Q390B 鋼板的理想組織為細小均勻的鐵素體+ 珠光體,但在實際生產中,由于微區成分偏析以及軋制工藝不當易造成混晶。 混晶是鋼板中的缺陷組織,會使鋼板的強度降低、塑性及韌性變差, 導致鋼板性能出現偏差 [2] 。 混晶組織的產生原因主要有以下兩方面:
(1) 微區成分偏析。 一方面, 由 于煉鋼過程中氬氣攪拌不均勻,以及連鑄坯凝固過程中心偏析, 造成微區成分( 主要是合金元素) 不均勻。 另一方面,起晶粒細化作用的合金元素( 如 Nb) 發生偏析, 使各處晶粒長大的傾向不同, 碳化物形成元素富化區易殘留未溶碳化物, 降低碳原子擴散速度而抑制晶粒長大,貧化區晶粒則不受抑制更容易長大, 進而出現混晶組織 [3] 。
(2) 軋制工藝不當。 Q390 鋼中 Nb 元素含量為0. 018% ,一般認為軋制含 Nb 微合金鋼時, 在其部分再結晶區軋制是形成混晶的最重要原因。 Nb 是阻止奧氏體再結晶的最有效元素之一, 在一定溫度范圍內可阻止鑄造枝晶向等軸晶轉化以及組織的均勻化過程,直接引起嚴重的混晶現象。 若在奧氏體再結晶溫度范圍內終軋, 則通過回復再結晶可得到均勻的奧氏體晶粒; 若在奧氏體未再結晶溫度范圍內終軋, 則奧氏體不發生再結晶, 晶粒被拉長, 晶內出現變形帶;但若是在奧氏體未完全再結晶溫度范圍內終軋,則一部分奧氏體發生再結晶,一部分奧氏體未再結晶,從而產生的晶粒大小不均,出現混晶組織。 高溫終軋后若再進行高強度冷卻, 則在奧氏體晶界處首先析出針狀先共析鐵素體, 更加重了組織的不均勻性,從而影響鋼板的綜合力學性能 [4] 。
3. 2 夾雜物及中心裂紋
夾雜物在裂紋擴展方向上的長度與鋼的斷裂韌性緊密相關。 夾雜物越細小,軋制變形也越小, 對鋼的韌性的危害也就越小, 反之則大; 夾雜物含量越高,間距越小, 鋼的韌性與塑性越低; 夾雜物呈球狀時,對鋼韌性危害較小,呈尖角狀時對鋼的韌性危害較大;沿軋制方向拉長的夾雜物,使鋼的橫向韌性與塑性明顯下降。 夾雜物破壞了基體的連續性, 因其與基體結構不同, 導致兩者之間應力傳遞的方式不同,使夾雜物與基體交界處即為強度最弱區, 受外界拉伸時易產生裂紋,從而導致鋼板力學性能較差。綜上分析, 試樣顯微組織中存在的混晶是導致鋼板屈服強度低的主要原因, 同時硫化物夾雜級別偏高,并含有中間裂紋,這對試樣的屈服強度也有一定的影響。
4 改進措施
( 1 ) 優化煉鋼工藝, 增加 RH 真空處理工序。RH 精煉爐具有超強的脫氣、去雜質的能力, 在提高鋼水純凈度方面優于其他精煉方式。 Q390B 煉鋼工藝路線為轉爐→LF→RH→連鑄,并保證軟吹時間10 min 以上。
(2) 中間包設置擋渣壩、擋渣堰, 減少中間包鋼液夾雜物入結晶器,并促進夾雜物上浮分離。
(3) 控制好鋼水過熱度。 澆注溫度低能提供大量的晶核,較早地阻止柱狀晶生長而導致粗大等軸晶形成,因此在接近鋼的液相線溫度澆注是擴大等軸晶區的有效手段, 并可在一定程度上降低微區成分偏析。
(4) 優化軋制工藝, 采取粗軋高溫大壓下、降低終軋溫度等措施, 盡可能避免在奧氏體部分再結晶區軋制是改善混晶問題最有效的方法。 針對 20 ~30 mm 厚規格 Q390B 鋼種,河鋼唐鋼采用粗軋溫度> 1 050 ℃的高溫大壓下制度,終軋溫度也由原來的830 ~860 ℃降低為 800 ~ 830 ℃, 以避免在奧氏體部分再結晶區軋制。
5 實施效果
(1) 改進措施實施后, 隨機抽取部分 Q390B 板材進行力學性能檢驗,結果如表 3 所示。 經檢定, 所有板材力學性能均符合國標要求, 且夾雜物級別均在 A1. 0 以下,金相組織正常, 無混晶。 Q390B 力學性能合格率由優化前的 60% 提高至 90% 以上。
(2) 選取 20 組 30 mm 厚 Q390B 板材, 作屈服強度 - 終軋溫度散點圖并做線性擬合, 結果如圖 4所示。 可知,隨著終軋溫度的降低,板材屈服強度呈上升趨勢。 說明降低終軋溫度是改善鋼板性能的有效方法。
6 結論
通過對河鋼唐鋼 Q390B 屈服強度不合格的鋼板進行取樣分析, 認為試樣顯微組織中存在的混晶是導致其強度不合格的主要原因。 因此, 需在冶煉工藝、軋制溫度上進行控制, 采取的主要措施為: 煉鋼后的精煉增加 RH 真空處理工序; 連鑄中間包加設擋渣壩、擋渣堰;軋鋼過程采用粗軋高溫大壓下技術,并降低終軋溫度等。 以上措施的實施可使鋼板內部組織均勻細小無異常, 從而保證鋼板的綜合力學性能。
參考文獻
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[3] 余燕,謝利群,高吉祥,等. CSP 工藝熱軋鋼板顯微組織混晶問題分析[ J] . 冶金叢刊,2008,(8) :10 ~ 12.
[4] 劉云旭. 低碳合金鋼中帶狀組織的成因、危害和消除[ J] . 金屬熱處理,2000,(12) :1 ~ 3.
[5] 劉清友,董瀚,孫新軍, 等. CSP 工藝中含 Nb 鋼的混晶問題及改善方法[ J] . 鋼鐵,2003,(8) :16 ~ 19.
作者:
王麗云,王運苗,秦 坤,王麗霞,候 蕾
( 河鋼唐鋼中厚板材有限公司,河北 唐山 063100)
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