Q345B厚钢板显微组织中带状组织的形成原因及工艺改进

陈继雄, 刘卫航, 彭晓枫

(宝钢湛江钢铁有限公司 制造管理部, 湛江 524000)

随着中厚板生产技术的不断成熟，越来越多的用户对Q345B钢板显微组织提出了更严格的要求，特别是对带状组织提出了更高的要求。带状组织的存在会严重降低钢板的低温韧性及止裂性能，可能会导致氢致开裂[1-2]。根据GB/T 34474.1-2017《钢中带状组织的评定 第1部分：标准评级图法》的技术要求，带状组织应不大于3级[3]。某钢铁厂前期生产该型号的钢板时，通过统计分析发现，其带状组织不大于3级的合格率只有53%。为了改善这种现象，笔者通过分析前期带状组织严重的钢板，结合带状组织的形成机理和影响因素，提出了工艺改进措施，并确定了最佳的生产工艺。

1 现有生产工艺及钢板力学性能

该钢厂前期生产Q345B板坯采用低温加热、低温轧制的生产工艺，加热温度为990～1 100 ℃，开轧温度为770～900 ℃，终轧温度为760～800 ℃。生产过程中为保证板坯质量，在其成分上做了适当的调整，其化学成分见表1，满足企业标准的要求。

表1 Q345B钢板的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of Q345B steelplate (mass fraction) %

使用该工艺生产的钢板常规力学性能如拉伸、冲击等性能相对比较稳定，根据生产件批准程序(PPAP)手册进行过程能力评判，可见其制程能力指数ppk不小于1.67，过程控制能力较强。对近半年生产的Q345B钢板根据GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》及GB/T 229-2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》的要求进行试验，其力学性能过程能力控制图见图1。

图1 原钢板力学性能过程能力示意图Fig.1 Process capability diagram of original steelplate mechanical properties:a) tensile strength; b) yield strength;c) elongation after fracture; d) impact absorption energy

可见力学性能比较稳定，过程控制能力较强。从前期生产的钢板中随机抽取3块，分别编号为1，2，3，根据GB/T 34474.1-2017《钢中带状组织的评定 第1部分：标准评级图法》的技术要求分别对该3块钢板试样进行带状组织检验并评级，结果均为B系列4级，其中试样2，3的显微组织形貌见图2，可见该生产工艺对钢板带状组织的控制能力较差。

图2 原钢板不同试样的显微组织形貌Fig.2 Microstructure morphology of different samples of original steel plate:a) sample 2; b) sample 3

2 带状组织形成机理及影响因素

带状组织是铸坯热轧过程中常见的组织缺陷，严重影响钢材后续加工性能和使用性能，在亚共析钢中，最常见的带状组织表现为铁素体和珠光体沿平行于轧制方向成层状或条带状分布，是钢发生固态相变时的产物，且带状组织的不同条带具有不同的成分分布[4]。

Q345B钢中的带状组织一般为呈层状分布的铁素体和珠光体[5]，钢中带状组织的形成主要有两个原因，第一，溶解在奥氏体中的碳和杂质元素的扩散速率有显著差异。碳是间隙原子，其扩散系数要比代位原子的扩散系数大几个数量级。因此，虽然在凝固过程中碳和其他元素一起发生了偏析富集在枝间，但是当钢在奥氏体相区停留时，碳能优先达到相对均匀，而代位原子的均匀化却相对困难，这就形成了碳的树枝状偏析[6]；第二，溶于奥氏体中的杂质元素和合金元素影响奥氏体化温度A3，有些元素如硅、磷、钨、钼、硼能使A3升高，而另外一些元素如锰、镍、铬等会使A3降低。高温时奥氏体的碳浓度已相对均匀，但杂质元素尚未均匀，由于杂质元素会影响A3，导致原枝干处和枝间处的A3出现差异，又由于偏析种类和偏析程度不同，原枝间部分奥氏体的A3可以高于或低于原枝干部分的，于是，当热变形钢从奥氏体相区冷却时，铁素体将在A3较高的区域先产生，铁素体中含有很少的碳，随着温度的降低和铁素体的长大，碳不断地向A3较低的区域扩散和富集，直到温度降低至Ar1时，保留到最后的奥氏体转变成珠光体，珠光体在轧制过程中聚集，最终形成铁素体和珠光体带状组织[7]。

3 改进工艺及钢板力学性能

若需改善及消除带状组织需从两方面考虑，一是减轻原始带状组织的偏析程度，二是抑制或减轻原始带状组织对二次带状组织的影响。转化到产品的设计中，应主要考虑成分设计和后续轧制工艺的制定。成分设计时，应注重升高和降低A3的元素配比，如硅和锰、锰和硫。在发生枝晶偏析后，由于几种元素作用的相互抵消，枝干和枝间两区域A3差异小，从而有利于避免铁素体和珠光体带状组织的产生。工艺设计上可升高板坯加热时的加热温度，使钢中各元素在奥氏体区充分均匀化，且使奥氏体晶粒尺寸超过原始带状宽度，从而消除或减轻带状组织；或在钢板正常轧制后，采用轧后喷水冷却的工艺，增加钢在热变形时的冷却速率，抑制碳在原始带状组织上的扩散[8]。

通过分析前期Q345B钢板生产工艺及考虑市场目前生产成本的竞争力，采用在不改变前期化学成分的情况下，通过提高开轧、终轧温度和增加轧后喷水冷却工艺来改善或消除带状组织，改进后的生产工艺参数见表2。

表2 改进后的Q345B钢板生产工艺参数Tab.2 Improved production process parameters of Q345B steel plate

对采用改进工艺生产的钢板取样并进行力学性能试验，试制钢板力学性能过程能力控制图见图3。可见采用新工艺生产的钢板其拉伸、冲击性能和原工艺的相比稳定性稍有降低，但力学性能都满足用户标准的要求，力学性能合格率为100%。

图3 试制钢板力学性能过程能力示意图Fig.3 Process capability diagram of trial productionsteel plate mechanical properties:a) tensile strength; b) yield strength;c) elongation after fracture; d) impact absorption energy

随机取80块采用改进工艺生产的钢板试样，对其带状组织进行分析，可见带状组织得到明显改善，带状组织评级均在3级以下，合格率100%，其中试样4带状组织评级为B系列1.5级，试样5带状组织评级为B系列2.0级，显微组织形貌见图4。

图4 试制钢板不同试样的显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology of different samples oftrial production steel plates:a) sample 4; b) sample 5

4 结论

(1) 钢在轧制过程中先由奥氏体转变为铁素体，因为铁素体中含碳量少，且随着温度的持续降低，碳不断聚集，直到温度降低至奥氏体转变结束线时，保留到最后的奥氏体转变成珠光体，在轧制过程中珠光体聚集，最终形成铁素体和珠光体带状组织。

(2) 带状组织形成的影响因素主要为加热温度及轧制温度。

(3) 针对带状组织的形成原因及影响因素提出几点工艺改进方法。第一，在加热过程中，通过升高加热温度和延长加热时间，使得钢中元素在奥氏体区尽可能均匀化，另外，高的加热温度还可使奥氏体

晶粒长大，可减少或消除带状组织；第二，在钢板轧制过程中或轧制之后增大钢板的冷却速率，抑制碳在原始带状组织上的扩散，进一步减少带状组织；第三，对轧后钢板进行喷水冷却处理，增加热变形后的冷却速率，进而改善带状组织。