加热温度对S355J2奥氏体晶粒度的影响

张 蕾， 宋红燕， 管丙雨， 耿方利

（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司， 山东 莱芜 271104）

S355J2级欧标热轧H型钢具有良好的强度、韧性以及焊接性能，同时以其在钢结构建设领域卓越的便利性和优良的使用性能，近年来逐渐在大型起重运输机械、重型机械基础、大跨度支架、海洋石油平台、石油能源等大、重型钢结构领域得到广泛应用。

莱钢S355J2型钢采用钒氮微合金化工艺生产，利用微合金元素的析出及细晶机制产生细晶强化、析出强化提高最终产品的性能。而微合金化元素碳氮化物的析出与其本身的浓度及在钢中的溶解度有关，为获得良好的强韧性能，需要对轧制工艺参数进行良好控制。

钢坯的加热工艺参数是控制轧制工艺中的主要控制参数之一。对于微合金化钢来说，加热温度高低和保温时间长短不仅直接影响高温下初始奥氏体晶粒的大小和均匀性，而且影响微合金元素的固溶情况[1]。加热过程中既要保证奥氏体成分均匀（表现为钢要烧透，断面温度均匀，钢坯的头尾与中间部位温差小），又要保证加热后的原始奥氏体晶粒小。提高钢材的加热温度可以加快奥氏体的形成速度，增加保温时间可以使奥氏体组织、成分更加均匀，但是过高的加热温度以及过长的保温时间，增加了奥氏体晶粒的长大倾向。所以，在钢坯加热过程中，不允许采用过高的加热温度以及长时间的保温，以防出现过烧、过热等缺陷出现，但又必须通过加热，保证钢坯的加工性能，使奥氏体成分、组织均匀。

因此需要采用合适的加热温度和时间，必须对加热工艺参数进行试验研究，以使加热温度既能保证奥氏体晶粒度，又能使奥氏体均匀化。

1 试验方法

样品取自莱钢近终型异型坯翼缘处无缺陷部位，见图1阴影区域，将取自异型坯的材料加工成20 mm×20 mm×25 mm的样品，采用箱式电阻炉加热，为模拟现场，试样随炉升温至各设定温度，分别为850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃等8个温度，将样品在每个温度下分别保温30 min后淬火，然后在显微镜下观察奥氏体晶粒组织，检测奥氏体晶粒度，分析加热过程中奥氏体晶粒的生长行为及规律。样品的的化学成分见表1。

图1 样品在近终型异型坯料的取样区域

表1 样品的化学成分熔炼分析 %

2 试验结果与分析

2.1 试验过程及结果

在各温度下分别将试验钢保温30 min后，奥氏体长大行为照片见下页图2，加热温度与平均奥氏体晶粒度的规律见下页图3。

图2 不同温度下奥氏体组织演变

图3 加热温度对奥氏体晶粒度的影响

2.2 加热温度对奥氏体晶粒度的影响

如图2、3所示，随温度的升高，奥氏体晶粒逐渐长大，当加热温度由850℃提高至1100℃时，奥氏体晶粒度未发生明显变化，在7.5～8.5级之间，晶粒未发生急剧长大行为，说明钢材在该温度范围内，具有较好的抗晶粒粗化能力；当温度升高至1150℃时，奥氏体晶粒度急剧下降至5.5级，奥氏体晶粒粗化明显；当温度升高至1200℃时，奥氏体晶粒度下降至4级。说明S355J2级钢加热过程的奥氏体晶粒粗化温度约在1100～1200℃之间。

各温度阶段奥氏体晶粒变化明显，而且在某一温度阶段具有明显的抗晶粒粗化能力，主要是因为钢中含有的V、Ti微合金元素与钢中的C、N元素形成一定量的高温难溶的碳氮化物，均匀分布在奥氏体晶界上，有效钉扎晶界，从而起到阻碍晶界迁移、阻止奥氏体晶粒长大的作用。根据微合金元素碳氮化物的溶解度公式[2]：

结合样品的化学成分，计算得到VN、TiN的全固溶温度分别为950℃、1570℃、1100℃时，VN以及固溶温度更低的VC均已经完全固溶，阻止奥氏体晶粒长大的最有效粒子为固溶温度很高的TiN粒子，使得该温度下奥氏体晶粒尺寸较为细小。

3 S355J2级H型钢试制

3.1 加热温度控制

在确保钢中微合金元素钒的碳氮化物溶解的前提下，应尽可能采用低的出炉温度，以获得细小的原始奥氏体组织，根据加热工艺试验研究，所得S355J2级钢的奥氏体粗化温度为1100～1200℃。根据生产现场的设备能力及工艺条件，确定均热段温度为1120～1200℃，同时为保证微合金元素的固溶以及成分的均匀性，确定钢坯的在炉时间为150～240min。

3.2 成品力学性能（见下页表2）

对批量试制的HE260B—HE900B等10个不同厚度规格H型钢进行力学性能检测，平均屈服强度为408 MPa，抗拉强度为524 MPa，延伸率为30%，-20℃冲击功为154 J，相较EN 10025-2标准要求，均有较大的力学性能富余量。

3.3 金相组织

分别选取 HE300B（19 mm厚）、HE400B（24 mm厚）、HE500B（28 mm厚）等三个规格的S355J2级热轧H型钢产品的翼缘部位取样进行金相组织检验分析，结果如下页图4示。可知，钢材的微观组织为铁素体、珠光体组织，铁素体的晶粒度约在8.0～9.0级之间。三个规格的H型钢在轧制过程中，尽管轧制的压下率有所不同，但是轧制的渗透率以及组织的均匀性均较好。

表2 力学性能对比统计

通过对S355J2级H型钢的加热工艺进行优化控制，将均热温度控制在奥氏体粗化温度范围内，对加热高温阶段奥氏体的长大行为进行了有效控制，抑制了奥氏体晶粒的过快长大，最终确保厚度在17.5～35.0 mm之间的H型钢均具有较为均匀细小的晶粒组织，充分发挥了V、Ti微合金元素在轧制过程中的晶粒细化以及析出强化等作用，保证H型钢具有良好的力学性能。

4 结语

1）S355J2级微合金化钢材在高温加热条件下具有较好的抗晶粒粗化能力，其奥氏体晶粒粗化温度约在1100～1200℃之间，1100℃以上晶粒出现明显的长大及粗化行为。

图4 H型钢金相组织（×100）

2）通过对轧制过程中的加热温度进行有效控制，将温度控制在奥氏体晶粒粗化温度方位内，均热温度控制在1120～1200℃，在炉时间控制在150～240 min之间，所生产的不同厚度规格的H型钢产品均具有较好的力学性能和均匀细小的微观组织。

[1]方金林，李超，武玉利.加热工艺制度对微合金化热轧H型钢组织及性能的影响[J].莱钢科技，2006（5）：1-5.

[2]齐俊杰，黄运华，张跃.微合金化钢[M].北京：冶金工业出版社，2006：77.