终轧温度及轧后冷却速度对Q460C钢组织和相变的影响

黄 山,高 雅,贠 冰,孙建林,段双霞

(1.北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083;2.太钢集团临汾钢铁有限公司,山西临汾041000)

Q460钢是GB/T 1591《低合金高强度结构钢》标准中最高强度的一个牌号[1],与普通低碳钢相比,Q 460C钢在合金设计上采用微量元素Nb、V、Ti等合金化,钢的碳含量偏低,轧钢工艺采取控制轧制[2-3]。Q460C钢作为高强度结构钢板被广泛应用,但由于其Nb含量较高,易造成连铸坯表面裂纹[4],因此应在成分设计和控轧控冷方面采取优化措施来减少和避免裂纹的产生。为此,本文从轧制过程的控轧控冷入手,研究终轧温度和轧后冷却速度对Q460C钢组织和相变的影响,以期为生产实践提供理论依据。

1 试验与方法

试样取自Q460C连铸坯,其化学成分如表1所示。将连铸坯热锻成厚度为100 mm若干坯样,选取其中几个锻后铸坯,并沿厚度方向切取为圆柱型试样,中间压缩部分为φ8 mm×17 mm,两端夹紧部分为φ10 mm×35 mm,试样数为10件。

表1 Q460C连铸坯化学成分(w B/%)Table 1 Chem ical compositions of Q460C steel

在Gleeble-1500热应力/应变模拟实验机上进行试验测试。图1为试验方案。试验方案分为模拟粗轧和精轧2个阶段。粗轧温度为1 050℃,变形为20%;精轧方案如表2所示,各道次之间的温降时间为Δt=5 s。

图1 试验方案Fig.1 Experimental scheme

表2 精轧方案Table 2 Fine rolling process

对压缩前的锻样进行磨样观察,重点观察压缩后试样中心部位的组织形貌和生成压缩过程的热胀曲线,并对试样组织演变和相变析出进行分析研究。

2 结果与讨论

2.1 试样组织的不均匀性

从锻样、热压缩后的试样中可直观地看到大量C的偏析,造成钢组织中有大量的团簇状珠光体的存在(见图2)。团簇状珠光体的存在造成试样组织中的软硬相带,在轧制过程中,软硬相带交替存在,易造成不均匀变形。珠光体作为硬相,在变形中流动性较差,而铁素体作为软相,在受力变形时优先于珠光体或夹杂等硬脆相先变形,造成位错塞积加剧和组织不均匀性增大,易形成裂纹。

图2 试样基体中分布的团簇状珠光体结构Fig.2 M icrostructure of nodular pearlite in basal body

从试验拍摄的金相组织照片(见图2(b))看,整个试样组织晶粒分布不均匀,有较明显的再结晶不完全现象。这一现象可能与试验条件有关,原因是受试样体积所限,在试验过程中初始变形道次,粗轧温度较低且压下量较小,以致造成再结晶不完全。

2.2 终轧温度对试样组织和相变的影响

2.2.1 终轧温度对晶粒度的影响

终轧温度会改变变形后材料的储存能和晶界迁移率,从而影响N/G(再结晶形核速率N与再结晶晶粒成长速度G之比),降低终轧温度会增加N/G,使得再结晶晶粒细化。但变形温度上升对N/G的影响很小[5-6]。图3为不同终轧温度下以10℃/s冷却后试样的金相组织照片。由图3可看出,780℃时的终轧试样细晶铁素体数量较多,晶粒尺寸相对均匀。

图3 不同终轧温度下以10℃/s冷却后试样的金相组织Fig.3 M icrostructures of the steel after cooling at 10℃/s from differen t fin ishing tem peratures

2.2.2 终轧温度对相变的影响

由热压缩数据所作试样的热膨胀曲线来看(见图4),在620～630℃时有一个明显的膨胀量。由此可判断,在620℃左右时材料发生相变(膨胀),膨胀的原因可能是在低冷却速度下,A→F相变继续,产生的相变热使得材料体积膨胀。一方面这种相变回热会使钢板温度升高,可能引起铁素体晶粒的长大;另一方面,这种相变热造成试样中心部位温度高于表面温度,试样中心部位膨胀量大于表面膨胀量,使表面处于拉应力状态,从而加速表面裂纹的扩展。

通过拟合比较膨胀曲线发现,不同冷却速度下,试样膨胀量、膨胀温度和膨胀速率存在差异。相同轧制工艺下,冷却速度分别为5、10℃/s时,终轧结束后,5#试样在终轧温度和波谷区间内体积随着温度的降低而缓慢收缩,表明在其冷却过程中可能有少量的相变持续发生,而6#试样则收缩相对较快(见图4)。1#～3#试样有同样的情况发生。在终轧温度为820℃时,不同冷却速度下试样的膨胀曲线几乎重合。由此可看出,在较高终轧温度下,快冷速度对试样组织变化的影响很小。相同冷却速度下,比较5℃/s冷却速度下1#、5#、8#试样和10℃/s冷却速度下2#、6#、9#试样的相变起始点温度后发现,随着终轧温度的升高,相变起始点的温度亦升高,这是因为终轧温度的升高增强了相变的热力学动力,促使相变提前发生。

相比终轧温度的影响,冷却速度加快则对相变温度升高影响较小,一方面冷却速度加快使得体积收缩更加明显,另一方面加快冷却速度增强了相变动力。因此,在两者的互相作用下,表现为材料膨胀曲线规律不明显。

3 结论

(1)团簇状珠光体造成钢组织不均,在轧制变形过程中,可能造成局部应力增强,诱导其裂纹产生。

(2)粗轧温度低和粗轧压下量小,可能是造成再结晶不完全的原因,因此粗轧时宜采用高温大压下量轧制,以促进其动态再结晶发生,细化钢组织,可提高钢组织的均匀性。

(3)温度为680～580℃时存在持续相变,在620～630℃时膨胀量达到峰值,提高终轧温度可促进相变提前发生。

(4)在较高终轧温度下,加快冷却速度对钢组织变化的影响很小。

图4 不同试样的膨胀曲线Fig.4 Expansion curves of different samples

[1] 陈永利,朱伏先,陈炳张.新型细晶强化中厚板Q460的控轧控冷工艺研究[J].宽厚板2009,15(1):17-20.

[2] 蒋联民,胡湘红.Q460高性能钢表面裂纹的分析[J].宽厚板,2007,13(1):19-23.

[3] 胡心彬,李麟,吴晓春.铌微合金化在特殊钢中的应用[J].金属热处理,2003,28(6):6-10.

[4] 刘彦春,朱伏先,任培东,等.新型细晶强化Q460级中厚板的研制[J].轧钢,2005,22(2):7-9.

[5] 田村今男.高强度低合金钢的控制轧制与控制冷却[M].王国栋,译.北京:冶金工业出版社,1992:79.

[6] 王有铭,李曼云,韦光.钢材的控制轧制和控制冷却[M].北京:冶金工业出版社,1995:58.