正火工艺对S275NL风电用钢组织和性能的影响

高立福（山钢股份莱芜分公司宽厚板事业部，山东莱芜271104）



正火工艺对S275NL风电用钢组织和性能的影响

高立福
（山钢股份莱芜分公司宽厚板事业部，山东莱芜271104）

摘要：采用光学显微镜和力学性能测试设备研究了不同正火工艺对S275NL高韧性风电用钢组织和性能的影响。试验结果表明，随着正火温度的提高，钢板强度有所降低，伸长率和Z向性能逐步提高，低温冲击韧性得到改善；正火保温时间对力学性能的影响不显著。适宜的正火加热温度为900℃，保温时间175 min，该工艺处理后，钢板组织为细小均匀的铁素体和珠光体，钢板强度富余量合理，强韧性匹配和综合力学性能良好。

关键词：高韧性风电用钢；S275NL；正火；组织；力学性能

1　前言

随着风电工业的高速发展，对高韧性风电用钢的需求迅速增长［1-3］。目前，为提高钢的综合力学性能，钢厂普遍在冶炼方面采用精炼及微合金化工艺，在轧钢方面采用控轧（控冷）工艺控制钢的晶粒度，以获得材料的高韧性。85 mm厚S275NL高韧性风电用钢，要求-50℃低温冲击韧性，采用控轧（控冷）工艺，带状组织严重，铁素体和珠光体分层沿着轧制方向分布。带状组织使钢板的力学性能呈各向异性，并降低其塑性和韧性。为了消除带状组织，改善钢的综合力学性能，本研究探讨了正火工艺对S275NL高韧性风电用钢组织和性能的影响，制定合理的正火工艺。

2　试验材料及方法

2.1试验选材

试验所用材料取自莱钢型钢炼钢厂，规格为300 mm×1 800 mm断面的连铸板坯。板坯冷装加热6.0 h，出炉温度1 210℃，粗轧开轧温度1 100～l 150℃，精轧开轧温度在900℃以下，精轧终轧温度在840℃以下，经加热、粗轧、精轧、矫直、冷却等工序轧出85 mm×2 500 mm规格S275NL高韧性风电用钢。钢的化学成分见表1。

表1　S275NL钢设计化学（熔炼）成分%

2.2正火工艺参数选择

正火是将钢材或钢件加热到Ac3（或Accm）以上适当温度，保温适当时间后在空气中冷却的热处理工艺［4］。通过正火不仅可以消除金属材料的工艺缺陷，而且对改善钢材或钢件的硬度，细化晶粒，获得比较均匀的组织和性能具有重要作用。

1）加热温度。实践证明，钢的正火加热温度需根据钢的临界点来确定性［5］，即亚共析钢加热到AC3+（30～50）℃，保温一段时间，空冷后获得细小均匀的等轴铁素体+珠光体组织，以改善钢的力学性能。为找到合适的加热温度，根据S275NL高韧性风电用钢的化学成分和Fe-C相图相关理论，确定3个加热温度（860、880、900℃）进行试验。

2）保温时间。保温时间需考虑钢板的厚度、在热处理炉内的排布方式、化学成分等。根据S275NL钢的实际情况，确定采用3个保温时间（160、175、190 min）进行试验。

2.3试验方法

将试制的S275NL钢按不同的正火工艺进行处理，并按欧洲标准加工拉伸试样和夏比V型缺口纵向冲击试样，进行相应的力学性能检测。切取尺寸为1.5 cm×2.0 cm全厚度小块试样，沿轧制方向纵剖面磨平抛光，用4%硝酸酒精溶液浸蚀，制成金相试样观察金相组织，用扫描电子显微镜观察试样的冲击断口形貌。

3　试验结果与分析

3.1正火工艺对S275NL钢性能的影响

不同正火工艺下S275NL钢的横向拉伸、纵向冲击和厚度方向性能如表2所示。

表2　不同正火工艺下S275NL钢的性能

由表2可见，随着正火温度的提高，S275NL钢的屈服强度、抗拉强度均有不同程度下降，屈服强度整体降幅为37～43 MPa，抗拉强度整体降幅为18～31 MPa，但伸长率与低温冲击韧性值均提高。

当正火温度为900℃时，钢板综合力学性能较其他正火温度下优异；在900℃正火温度下，延长保温时间后，强度变化不大，伸长率和冲击性能表现出先升高后降低的趋势，当保温时间为175 min时，钢板综合力学性能较其他保温时间下优异。

因此，正火温度900℃、保温时间175 min正火处理后，S275NL钢各项力学性能最优。

3.2金相组织

对正火温度为900℃的3-1、3-2和3-3试验钢板取样进行金相分析，钢板金相组织如图1所示。各试验钢板组织均由铁素体和珠光体组成，整个钢板厚度方向组织较为均匀，尤其是3-2试样，在保温175 min时晶粒尺寸更细小和均匀，晶粒度高于10级，珠光体弥散分布，带状组织得到很好的改善（图1c、图1d）。从钢板表面到中心处晶粒尺寸有增大趋势。由于铸坯组织的遗传性和特厚钢板的生产特点，在正火钢板心部可观察到碳的偏聚现象，但是带状组织不明显，对后续性能影响不大［6］。

图1　试验钢板900℃正火处理后的金相组织

3.3冲击试样断口形貌

试验钢板900℃正火温度后试样（3-1、3-2和3-3）冲击断口扫描电镜形貌如图2所示。可以看出试样均为韧性断裂，断口均为韧窝状形貌，其中3-2韧窝更深一些，断口形貌整体差别不大。

4　结　论

4.1S275NL高韧性风电用钢随着正火温度的提高，强度有所下降，但伸长率和Z向性能进一步改善，低温冲击韧性改善明显。

4.2正火温度是影响力学性能的主要参数，正火保温时间对力学性能的影响不显著。

4.3本试验条件下，适宜的正火处理工艺参数：加热温度900℃，保温时间175 min。钢板组织为细小均匀的铁素体和珠光体，屈服强度317 MPa，抗拉强度428 MPa，断后伸长率33%，-50℃夏比V型缺口纵向冲击221 J，Z向收缩率49%。钢板强度富余量合理，强韧性匹配和综合力学性能良好。

图2　试验钢板900℃正火处理后冲击试样断口形貌

参考文献：

［1］金翔.风电产业在中国的发展前景［J］.中国商界，2011（2）：192.

［2］黄栋，李怀霞，张振.风电产业全球态势与政府政策［J］.电网与清洁能源，2009，25（2）：46-49.

［3］张明锋，邓凯，陈波，等.中国风电产业现状与发展［J］.机电工程，2010，27（1）：1-3.

［4］崔忠圻.金属学与热处理［M］.北京：机械工业出版社，2000：25-28.

［5］李梅广.调质工艺在中厚板产品开发方面的应用探讨［J］．山东冶金，2007，29（6）：15-17.

［6］马光亭，汤化胜，王月香，等.130 mm Q345EZ35风电塔简用特厚钢板的研制开发［J］.山东冶金，2012，34（2）：13-15.

Influence of Normalizing Process on the Microstructure and Mechanical Properties of S275NL High-toughness Steel for Wind Towers

GAO Lifu
（The Heavy Plate Business Division of Laiwu Company of Shandong Iron and Steel Co., Ltd., Laiwu 271104, China）

Abstrraacctt:: The influence of different normalizing processes on the microstructure and mechanical properties of S275NL hightoughness steel for wind towers was studied by optical microscope and mechanical performance testing equipments. The results showed that, with the increasing of normalizing temperature, the strength of plates was decreased, the elongation and Zproperty were gradually increased, and the impact toughness at low temperature was improved. The influence of holding time in normalizing process on the mechanical properties was not significant. After normalizing process at 900℃suitable temperature plus 175 minutes holding time, the plate microstructure is fine and get uniform ferrite and pearlite, it has reasonable strength margin, matching strength with toughness and good comprehensive mechanical properties.

Key worrddss:: high-toughness steel for wind tower; S275NL; normalizing; microstructure; property

作者简介：高立福，男，1983年生，2008年毕业于山东科技大学金属材料工程专业。现为莱钢宽厚板事业部工程师，从事宽厚板新产品开发和工艺优化工作。

收稿日期：2015-10-26

中图分类号：TG156.4；TG142.41

文献标识码：A

文章编号：1004-4620（2015）06-0040-03