轧制及热处理工艺对Q345E组织及力学性能的影响

秦 亚，席静静

（江苏沙钢集团有限公司，江苏 张家港 215625）

正火Q345E低合金钢主要用于服役条件恶劣、安全性要求高的工程结构，生产难度较高，尤其是80 mm以上厚板的-40℃冲击韧性较难保证。通过对冲击不合钢板的组织进行分析，发现组织类型、晶粒尺寸、带状组织和珠光体特征等组织参数对冲击韧性有较大的影响，而这些组织参数又与轧制工艺和正火工艺的设计和控制有关[1-3]。因此，研究了轧制及热处理工艺对厚规格Q345E力学性能的影响，确定最优的轧制及热处理工艺，改善试验钢低温冲击韧性。

1 试验材料及方法

试验材料为钢板总厂采用K50EZHH1连铸坯轧制的钢板。其成分见表1。

表1 试验钢的化学成分（wt.%） 单位：质量分数，%

将连铸坯在试验轧机上进行轧制，成品厚度为80 mm，轧制工艺及编号见表2。

表2 实验室轧制及热处理工艺

2 试验结果及分析

2.1 轧制工艺对试验钢组织及力学性能的影响

1#～5#试验钢为两阶段轧制，6#、7#为常规轧制，不同工艺下钢板轧态的力学性能见表3。由表3可知，两阶段轧制时，采用轧后空冷工艺的5#试验钢冲击韧性最好，降低终轧温度、降低终冷温度，增加待温厚度，冲击韧性变差，对强度的影响相反。常规轧制冲击韧性最差，水冷后强度增加，冲击韧性仍较低。

不同轧制工艺下的轧态钢板的金相组织如图1所示，轧态组织和晶粒尺寸差别明显。由1#、2#、3#、5#可以看出，两阶段轧制的终轧、终冷温度较高时，组织为铁素体和珠光体，晶粒粗大；终冷降低，晶粒变细，组织中出现贝氏体；降低终轧，晶粒细化。在两阶段轧制时，降低终轧和终冷温度能细化晶粒。由6#、7#的轧态组织可以看出，常规轧制晶粒尺寸明显增加。

图1 不同轧制工艺下的轧态组织

正火后的力学性能见表4，常规轧制钢板冲击韧性相同，比两阶段轧制冲击韧性差，强度低，轧后冷却方式对性能影响较小。两阶段轧制条件下，终轧温度降低或者待温厚度增加，冲击韧性稍有降低，强度有所增加。相同轧制温度，轧后是否控冷对性能影响很小。

表4 试验钢正火后的力学性能

不同轧制工艺下正火后的金相组织如图2所示。采用两阶段轧制，正火后晶粒尺寸细小；常规轧制钢板正火后晶粒尺寸大，晶界处存在较多条状分布的碳化物。

图2 不同轧制工艺钢板正火后的金相组织

由以上分析可知，轧制工艺对钢板的强度和韧性有一定的影响，轧后控冷工艺对钢板性能影响较小，两阶段轧制钢板强度和韧性优于常规轧制。

2.2 正火保温时间对试验钢组织及力学性能的影响

对钢板总厂轧制的轧态钢板，进行880℃正火，不同正火保温时间及力学性能见表5。随着正火时间的延长，强度先增加后降低，冲击韧性先增加后保持稳定。当正火时间达到2 h时，钢板强韧性匹配较好，正火时间继续延长，冲击韧性变化不大，强度降低。

表5 现场轧态钢板不同正火热处理时间下的力学性能

不同正火保温时间下的金相组织如图3所示。钢板轧态晶粒组织粗大，正火时间较短时，合金元素扩散不充分，保留了部分的轧态组织形貌。随着正火时间的延长，组织开始细化。当正火时间达到3.5 h时，珠光体团大小不一，出现较多的条状渗碳体组织。

图3 现场轧态钢板不同正火热处理时间的金相组织

3 轧制及热处理工艺的优化及效果

根据以上试验结果，提出以下改进方案。（1）改善轧钢工艺：保证钢板的两阶段轧制，终轧温度对性能影响较小，可以适当提高终轧温度，提高轧机生产效率，轧后控冷对正火后性能影响不大，但对板型有一定的影响[4]，可以适当放宽。（2）优化热处理工艺：保证正火加热时间，优化前后的生产工艺见表6和表7。

表6 优化前后的轧制工艺对比

表7 优化后的正火工艺对比

根据优化后轧制及热处理工艺生产出钢板的金相组织如图4所示，组织为铁素体和珠光体，晶粒较细，珠光体团较小，带状组织不明显。

图4 工艺优化后Q345E钢板金相组织

工艺优化后共400余吨规格为117～125mm厚的正火Q345E钢板，其冲击韧性结果如图5所示，平均值为179J。结果表明，该工艺生产的Q345E钢板冲击性能优异，稳定性明显提高，一次合格率达到100%，工艺优化达到预期效果。

图5 现场生产Q345E冲击韧性分布图

4 结论

（1）轧制工艺对钢板的强度和韧性有一定的影响，轧后控冷工艺对钢板性能影响较小，两阶段轧制钢板强度和韧性优于常规轧制。

（2）正火保温时间较短时，合金元素扩散不充分，保留了部分的轧态组织形貌，使得钢板的韧性较差，随着正火时间的延长，组织开始细化，韧性提高，当正火时间达到3.5h时，珠光体团大小不一，出现较多的条状渗碳体组织后，韧性又有所下降。

（3）通过优化轧钢工艺及热处理工艺，保证钢板的两阶段轧制，保证正火加热时间，可以大幅改善厚规格正火Q345E钢板的冲击韧性，该结果也可以应用于其他类似正火钢种的生产。