HRB400E高速线材性能不合格的分析

杨 斌

(江阴市华西钢铁有限公司，江苏江阴214425)

华西钢铁有限公司线材厂主要以普碳钢和冷墩钢为主，2020年的产能达到70万吨。成品主要工艺流程如图1所示。下游产品客户以出口为主，自2020年初国外大规模爆发新冠病毒引起的肺炎疫情以来，出口受限。在国家扩大内需的响应下，改生产建筑用钢HRB400E，但是在试轧的过程中发现有一批HRB400E盘螺性能不合格，为查找原因，从成分控制、钢材力学性能和金相组织对不合格成品进行了分析。

图1 工艺流程图

1 实验设备

线材的拉伸试验使用美国美特斯E45.305微机控制电子式试验机，成分分析设备为德国ARL直读光谱分析仪，金相组织观察采用德国蔡司金相显微镜Observer.A1 m。

2 实验部分

2.1 实验步骤

首先按照《钢筋混凝土用钢材试验方法》(GB/T 28900—2012)的要求对线材进行拉伸试验，然后针对性能不合格的成品进行成分和金相组织分析。成分分析按照《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》(GB/T 4336—2016)进行测定，金相组织按照《金属显微组织检验方法》(GB/T 13298—2015)进行观察。

2.2 实验结果

力学性能试验，检测结果如表1所示，轧制号R2000025与R2000026的螺纹钢屈服强度异常偏高，比之前合格的高出300 MPa，屈屈比更是达到1.94，不符合国家标准的规定［1］。轧制号R2000028的螺纹钢拉伸曲线如图2所示，没有明显的屈服平台，屈服强度以规定塑性延伸强度Rp0.2标注，为394 MPa，低于国家标准。为进一步分析原因，对上述样品做了成分和组织分析，结果分别如表2、表3和图3所示。

表1 力学性能结果

表2 化学成分检测结果

图2 R2000028螺纹钢拉伸曲线

从化学成分检测结果来看，C、Si等成分在国家标准［1］以内，但轧制号R2000025与R2000026的螺纹钢的Mn含量超标，轧制号R2000028的钢筋的成分正常，但Mn含量也略超内控标准(1.3%～1.5%)。

对性能不合格的螺纹钢做金相分析，将试样磨制、抛光后用4%的硝酸酒精浸蚀5秒，用清水冲洗、滴酒精吹干后，在金相显微镜下观察，检验依据为GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》以及GB/T 6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》，检测结果见表3以及图3(组织均为心部)。

由金相组织检测结果(表3)可知，性能不合格的产品除铁素体+珠光体这类正常的金相组织以外，还出现了回火索氏体和粒状贝氏体这类异常组织。一般而言，在同等轧制工艺条件下，产品金相组织为铁素体+珠光体。就轧制工艺而言，开轧温度930℃，进精轧温度880℃，吐丝温度890℃，该轧制工艺能够满足细晶粒螺纹钢的内控要求。而轧制号R2000025的线材出现回火索氏体，轧制号R2000026与R2000028的线材出现粒状贝氏体的原因极有可能是合金元素过量所致。

表3 金相显微组织检测结果

3 分析与讨论

图3 HRB400E高速线材显微组织

相较于正常组织而言，回火索氏体和粒状贝氏体这类异常组织使得产品屈服强度过高，超出国标中规定的屈屈比上限或是出现无明显屈服现象，而螺纹钢中组织的形成又与冷却工艺和化学成分密切相关［2］，从冷却工艺上看，为避免自回火索氏体的生成，就需要在冷却过程中避免马氏体的出现，所以钢材要以低于临界值的冷却速度进行控制冷却。此外，还需注意该冷却速度应当避开贝氏体产生的温度区间，即需使螺纹钢在终轧温度到350℃的冷却过程中降低冷却速度，使铁素体和珠光体有充分的转变时间。该生产线上通过调整风冷辊道速度以及风机的开关和风量大小等控制冷却方法完全可以满足钢材具有正常的金相组织。钢中化学成分的不同对钢冷却过程的转变也有不同的影响。3种轧制号的成品Mn元素超标极可能影响了冷却过程中组织的转变，随着Mn含量的增加，将导致C曲线向右移动和变形，在同等冷却曲线工艺下，相当于提高了冷却速度。若该冷却速度大于临界冷却速度(冷却曲线向右偏移量较大)将有利于马氏体的产生，当形成马氏体后，由于钢材心部仍具有较高温度，在此温度下易发生自回火，此时钢材的组织将以回火索氏体为主，如轧制号R2000025；如果曲线向右偏移量不大(即Mn元素超标幅度不大)，将会使得冷却速度在到达冷却曲线终了转变线之前，还经过了贝氏体转变区，如轧制号R2000028除铁素体+珠光体外，还有少量贝氏体；当冷却速度正好落在贝氏体转变区，则如轧制号R2000026，组织将以贝氏体为主。

4 结论

原材料钢坯的化学成分Mn超标，会使螺纹钢中产生异常组织，引起力学性能不合格，导致产品报废。建议：

(1)炼钢时应加强对成分的控制，尤其是对Mn这类添加量较多的合金元素含量控制。

(2)针对个别已知合金元素含量出现波动的钢坯，在轧制时应合理的调整冷却工艺，尽量减小合金元素超标对钢材组织和力学性能的影响。