低碳铌微合金化Q370qE- HPS钢的控轧控冷工艺研究

洪 君 李旭超 魏 旭 史根豪 谯明亮 王青峰

(1.南京钢铁股份有限公司，江苏 南京 210035； 2.燕山大学材料科学与工程学院，河北 秦皇岛 066000)

高铁的快速发展需要建造承载性能优良、跨度大、安全耐久的大型铁路桥梁，因此迫切需要研发和应用具有高强度、高韧性、低屈强比、易焊接等性能的新一代高性能钢(high performance steel, HPS)[1- 2]。长期以来，普通正火态Q370qE钢是我国主要的铁路桥梁用钢，力学性能良好。但其含碳量(wC≥0.14%)和碳当量(CCE≥0.42%)偏高，焊接接头的-40 ℃冲击吸收能量(KV2)难以达到要求(41 J)；钢板中心偏析也时而严重，甚至产生熔透角焊缝层状撕裂等质量缺陷。为此，开发了新一代易焊接的高性能Q370qE- HPS桥梁钢[3- 4]，以替代正火态Q370qE钢。

与正火态Q370qE钢相比，Q370qE- HPS钢含碳量(wC≤0.10%)和碳当量(CCE≤0.40%)较低，并含有微量Nb(wNb=0.030%)[5]，因此钢板的中心偏析轻微、焊缝韧性更好。然而，为了弥补因降低含碳量造成的强度损失[6]、兼顾母材的强度(ReL≥370 MPa、Rm≥510 MPa)、屈强比(ReL/Rm≤0.80)和韧性(-40 ℃KV2≥120 J、FATT50≤-40 ℃)要求[7- 9]，还必须探索和优化控轧控冷工艺。大量研究表明:随着铁素体的细化，钢的强度和韧性[10- 11]及屈强比[8,12]均提高；随着珠光体量的减少，抗拉强度降低[7]、屈强比相应提高[8,12]。因此，Q370qE- HPS钢应具有适度细化的铁素体和适量的珠光体。前期研究提出:Q370qE- HPS钢的铁素体晶粒尺寸应控制在6.0～9.5 μm，珠光体体积分数为7.0%～9.5%[13]。由于轧制温度、轧后冷速等对钢的铁素体晶粒尺寸和珠光体含量有一定的影响，因此需要制订合理的控轧控冷工艺，以使钢达到上述组织和性能要求。

本文对Q370qE- HPS钢进行了不同温度的双道次热压缩变形和两段控扎控冷试验，测定了钢的真应力- 真应变曲线和连续冷却热膨胀曲线，建立了钢的静态再结晶图和形变奥氏体连续冷却转变(continuous cooling transformation, CCT)曲线，据此制定了两段控轧控冷工艺；试制了典型厚度的Q370qE- HPS钢板，验证了该控轧控冷工艺的合理性。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验用Q370qE- HPS钢采用100 kg真空感应炉冶炼，其化学成分(质量分数)为0.08%C、0.25%Si、1.45%Mn、0.012%P、0.002%S、0.030%Nb、0.012%Ti、0.035%Al，碳当量CCE=0.36%。

1.2 试验方法

1.2.1 静态再结晶图测定

制备尺寸为φ10 mm×15 mm的试样，在Gleeble- 3500热/力模拟试验机上进行双道次热压缩变形，工艺示意图如图1(a)所示。具体工艺参数为：将试样以10 ℃/s速率加热至1 200 ℃保温10 min使奥氏体均匀化，然后以5 ℃/s速率冷却至900、925、950、975、1 000 ℃，以1 s-1的应变速率压缩变形30%，保温1、2、5、10、25、100、500 s后继续以1 s-1的应变速率压缩变形30%，最后空冷至室温。变形过程中实时采集真应力- 真应变曲线。采用2%补偿法[14]提取所采集曲线的特征参数，计算钢在不同道次间隔的静态软化率和再结晶体积分数，建立静态再结晶图，分析并优化两段控轧工艺[15]。

1.2.2 形变奥氏体CCT曲线测定

在Gleeble- 3500试验机上模拟φ10 mm×85 mm试样的两段控轧控冷过程，工艺示意图如图1(b)所示。具体工艺参数为：将试样以10 ℃/s速率加热到1 200 ℃保温10 min，然后以5 ℃/s速率冷却至1 100 ℃，以1 s-1的应变速率压缩变形30%；之后将试样以10 ℃/s速率冷却至850 ℃，以1 s-1的应变速率压缩变形30%，然后分别以0.5、1、2、5、10、15、20、30 ℃/s的速率冷却至300 ℃以下。实时采集控冷过程中试样的热膨胀曲线，用切线法确定相变的开始和结束温度。将以不同速率冷却的试样沿电偶丝所在截面切开制备金相试样，测定硬度(HV10)，检验显微组织，采用截线法统计铁素体晶粒尺寸，采用图像法统计珠光体含量。综合以上结果建立形变奥氏体的CCT曲线，分析并优化控冷工艺。

图1 模拟的Q370qE- HPS钢双道次热压缩(a)和两段控轧控冷(b)工艺Fig.1 Simulated double- pass hot compression (a) and double- stage controlled rolling and controlled cooling (b) processes for the Q370qE- HPS steel

1.2.3 工业试制

采用150 t转炉和5 m宽厚板轧机，根据优化的两段控轧控冷工艺参数，按冶炼、炉外精炼、保护性连铸、坯料加热、控轧、控冷、检验的工艺流程，试制16、32、50 mm厚Q370qE- HPS钢板。检测钢板的室温拉伸性能和-40 ℃冲击性能，采用光学显微镜和透射电子显微镜观察钢的显微组织。

2 试验结果与分析

2.1 再结晶规律与控轧工艺

2.1.1 静态软化和再结晶体积分数

经过多道次热压缩变形的低合金钢，如在任意相邻道次的间隔时间内产生静态回复和再结晶而发生静态软化，则该相邻道次的流变应力一般呈非连续分布而存在流变应力落差，且该应力差值能反映静态软化的程度[14]。Q370qE- HPS钢在不同温度(900～1 000 ℃)以不同道次间隔时间(1～500 s)进行双道次热压缩变形时，典型的真应力- 真应变曲线如图2所示。钢在1 000 ℃压缩变形时发生不同程度的静态软化；随着热压缩温度降低至900 ℃，静态软化程度显著降低。在1 000 ℃压缩变形时，随着道次间隔时间的延长，钢的静态软化程度显著增大；热压缩温度从1 000 ℃降低至900 ℃，则随着道次间隔时间的延长，钢的静态软化程度明显降低甚至不发生软化。因此，Q370qE- HPS钢双道次热压缩变形的静态软化程度随着变形温度的升高和道次间隔时间的延长而提高。

采用2%补偿法[14]计算了Q370qE- HPS钢经上述双道次热压缩变形时的静态软化率，如图2所示。在钢的双道次压缩的真应力- 真应变曲线上提取特征参数[15]σ1、σ2和σm，σ1和σ2分别为第1次和第2次热变形时的屈服应力，对应的塑性应变为0.02；σm为第1次热变形时的峰值应力。如果钢在道次间隔时间内发生软化，则σ2低于σm。软化率以Fs表示，按式(1)计算。一般认为，由于再结晶而产生的软化在Fs=0.2时开始。

图2 Q370qE- HPS钢在1 000(a)和900 ℃(b)以不同道次间隔时间双道次压缩时的真应力- 真应变曲线Fig.2 True stress- true strain curves during compression at different pass interval times at 1 000(a) and 900 ℃(b) for the Q370qE- HPS steel

因此，钢在道次间隔时间内发生静态再结晶的体积分数以Xsrx表示，按式(2)计算，结果见图3。

图3 Q370qE- HPS钢在900～1 000 ℃以不同道次间隔时间双道次压缩时的静态再结晶曲线Fig.3 Static recrystallization curves during double-pass compression at different pass interval times at 900 to 1 000 ℃ for the Q370qE- HPS steel

Fs=(σm-σ2)/(σm-σ1)

(1)

Xsrx=(Fs-0.2)/(1-0.2)

=(Fs-0.2)/0.8

(2)

图3反映了Q370qE- HPS钢双道次热压缩变形的静态再结晶规律，即静态再结晶体积分数Xsrx随变形温度升高、或随停留时间延长而增大。该变化规律可作如下解释：随着变形温度的升高，热变形储能因动态回复而减小，导致静态再结晶的驱动力下降，形核率降低，Xsrx减小；但另一方面，随着温度的升高，位错运动加强、原子扩散加快，静态再结晶晶粒长大速率提高[16]，Xsrx增大。

总体上，热变形温度对钢的静态再结晶的促进作用大于抑制作用，使Xsrx随变形温度升高而增大。随着道次间隔时间的延长，静态再结晶形核数量增加，再结晶晶粒长大更为充分，使Xsrx持续增大，直至晶界相遇、完全再结晶。

2.1.2 两段控轧工艺

由图3可知，在1 000 ℃压缩变形的Q370qE- HPS钢，当道次间停留时间≥10 s时，静态再结晶体积分数Xsrx≥80%，即形变奥氏体晶粒的再结晶已足够充分，可作为第I段粗轧工艺；在925 ℃压缩变形的Q370qE- HPS钢，当道次间停留时间≤20 s时，形变奥氏体晶粒的静态再结晶体积分数Xsrx≤20%，即形变奥氏体晶粒不发生静态再结晶而保留形变位错与亚晶，在后续冷却过程中，这些位错与亚晶能促进铁素体转变而使最终组织细化，可作为第II段精轧工艺。

值得注意的是，如果Q370qE- HPS钢在950～975 ℃以10～25 s的常规道次间隔时间轧制，形变奥氏体再结晶体积分数Xsrx为20%～80%，再结晶晶粒和未再结晶晶粒同时存在，可能导致最终组织中铁素体晶粒大小不均匀[17]，应予避免。

2.2 连续冷却转变规律与控冷工艺

2.2.1 连续冷却转变组织与CCT曲线

Q370qE- HPS钢经1 100和850 ℃两段压缩变形、以0.5～30 ℃/s的速率连续冷却后的显微组织如图4所示，采用膨胀法建立的CCT曲线如图5所示。以0.5～5 ℃/速率冷却的钢的组织为铁素体和珠光体；随着冷速的增大，铁素体晶粒显著细化，平均尺寸从14.6 μm减小至8.8 μm，珠光体细化、数量减少，体积分数从12.5%减小至7.7%。当冷速增大至10～15 ℃/s时，出现准多边形铁素体、针状铁素体和粒状贝氏体，铁素体进一步细化，珠光体减少、细化、退化、甚至基本消失。当冷速继续增大至20～30 ℃/s时，出现板条贝氏体，针状铁素体和粒状贝氏体逐渐减少。

图4 Q370qE- HPS钢两段热压缩变形后以 0.5 (a)、5 (b) 、10 (c) 和20 ℃/s(d)速率冷却后的显微组织Fig.4 Microstructures of the Q370qE- HPS steel subjected to double- stage hot compression and followed by cooling at rate of 0.5(a), 5(b), 10(c), and 20 ℃/s(d)

图5 Q370qE- HPS钢两阶段热压缩变形后的连续冷却转变曲线Fig.5 CCT diagram for the double- stage hot compressed Q370qE- HPS steel

从图5可以看出：随着冷速从0.5 ℃/s增加至5 ℃/s，奥氏体转变的开始温度(Ar3)从766 ℃降低至711 ℃，在此温度范围仍发生多边形铁素体和珠光体转变，但转变的过冷度相应增大，导致领先相铁素体转变的形核率提高，晶粒细化且数量增多[18]；相应地珠光体在更低温度转变，数量减少且尺寸减小[13]。冷速增大至10 ℃/s时，渗碳体片层结构因碳扩散受限而不规整[18]，形成结构退化的珠光体。

2.2.2 控冷工艺

根据图4和图5，Q370qE- HPS钢两段热压缩变形后的冷却速度从0.5 ℃/s增大至5 ℃/s时，形成了细小的铁素体和少量珠光体，前者平均尺寸从14.6 μm减小至8.8 μm，后者的体积分数从12.5%降低至7.7%，可获得良好的强韧性和较小的屈强比(ReL/Rm≤0.85)[13]；以大于5 ℃/s的速率冷却的钢，尽管铁素体进一步细化，但珠光体量急剧减少、结构退化，且在冷却至580 ℃以下时形成粒状贝氏体，尽管强韧性可进一步提高[12- 13]，但屈强比可能大于要求的≤0.85[9,13]。此外，文献[3- 4,19- 20]指出，Q370qE- HPS钢在850 ℃终轧后，形变位错及亚晶等亚结构数量可能偏多，实际生产时宜冷却20～40 s降温至800～760 ℃，使这些亚结构适当驰豫发生回复，再进入层流冷却系统加速冷却，以防止铁素体过度细化而使屈强比大于0.85。据此，将Q370qE- HPS钢的轧后控冷工艺确定为：两段热压缩变形后，降温至800～760 ℃，再以约5 ℃/s的速率冷却至不低于580 ℃后返红。

2.3 工业试制和控轧控冷工艺验证

按上述成分和工艺试制了典型厚度的Q370qE- HPS钢板，其力学性能和组织特征如表1所示。可见钢板的屈服强度(ReL)、抗拉强度(Rm)、断后伸长率(A)、屈强比(ReL/Rm)和-40 ℃冲击吸收能量(KV2)均符合GB/T 714—2008 《桥梁用结构钢》要求。随着铁素体晶粒尺寸dα的减小、珠光体体积分数fp的减少，ReL、Rm和低温冲击吸收能量均提高，但因ReL的增量大于Rm，屈强比升高。因此，适度细化铁素体，将dα和fp分别控制在6～10 μm和7%～11%，钢板将具有优异的力学性能。

表1 工业试制的Q370qE- HPS钢板的力学性能和组织特征Table 1 Mechanical properties and microstructural feature of the industrially trial- produced Q370qE- HPS steel plates

3 结论

(1)在≥1 000 ℃以≥10 s的道次间隔时间压缩变形的Q370qE- HPS钢，静态再结晶体积分数Xsrx≥90%，可作为粗轧工艺；Xsrx随着变形温度的下降、道次间隔时间的缩短而减小；在≤925 ℃以≤20 s的道次间隔时间压缩变形的Q370qE- HPS钢，Xsrx≤20%，可作为精轧工艺。

(2)Q370qE- HPS钢经两段热压缩变形后，当冷速从0.5 ℃/s增大至5 ℃/s左右时，因转变温度降低、奥氏体转变过冷度增大，铁素体晶粒细化、珠光体减少，终冷至580 ℃可避免粒状贝氏体形成，可作为控冷工艺。

(3)采用优化的控轧控冷工艺试制的典型厚度Q370qE- HPS钢板，由于适度细化了铁素体和珠光体组织，力学性能符合标准要求。