辗环工艺参数对Q345E风电法兰带状组织的影响

杨仁杰　张秀芝　支晨琛(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)



辗环工艺参数对Q345E风电法兰带状组织的影响

杨仁杰张秀芝支晨琛
(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

张秀芝( 1973—)，博士，副教授，主要研究方向:大型锻

造理论与新技术。

支晨琛( 1989—)，硕士研究生，材料学。

摘要:在终辗温度范围为800～920℃、芯辊进给速度为0．3 mm/s～1．0 mm/s工艺条件下对Q345E风电法兰辗环过程进行多组试验，并应用光学显微镜观察不同条件下的组织形态。研究表明，Q345E锻坯在进行辗扩变形时，适当降低终辗温度利于带状组织的减弱，在终辗温度为800℃时得到较为理想的金相组织。提高辗环机芯辊进给速度使铁素体晶粒细化从而得到均匀组织。

关键词:Q345E;带状组织;终辗温度;芯辊进给速度

材料在浇铸过程中由于选择性结晶容易产生枝晶偏析［1］。Q345E系列钢在热加工时极易形成铁素体-珠光体带状组织从而影响钢材力学性能。带状组织作为一种缺陷存在于材料中，对产品力学性能有着极大的影响［2、3］。众所周知，加快冷却速度可抑制带状组织的产生。本文在冷却条件一致的情况下，着重研究了辗环成形时不同辗环机芯辊进给速度和终辗温度对带状组织的影响，分析了芯辊进给速度和终辗温度与形成带状组织之间的联系，为生产实践中有效消除带状组织提供了有力的理论依据。

1　试验材料及方法

试验材料为锻态Q345E连铸板坯坯料，化学成分如表1所示。各合金元素含量均在标准要求范围之内。

Q345E连铸板坯经压力机锻造冲孔成形为外径1 200 mm、内径350 mm、高350 mm的环形坯料，重新回炉加热，经辗环机辗扩成形为外径4 000 mm、内径3 600 mm、高150 mm的风电法兰。

不同参数下的辗环试验工艺如下:

( a)试样以10℃/min加热至1 250℃，保温90 min，芯辊进给速度为0．7 mm/s，在成形终辗道次之前采用待温的方式，使终辗温度处于920℃、880℃、840℃和800℃四个温度，然后以相同的冷却方式空冷至室温。

( b)试样以10℃/min加热至1 250℃，保温90 min，芯辊进给速度分别为0．3 mm/s、0．5 mm/s、0．7 mm/s和1．0 mm/s，在成形终辗道次之前采用待温方式，使终辗温度处于840℃，以相同的冷却方式空冷至室温。

两种工艺中都采用待温来控制温度，如图1所示。

辗扩成形后，沿Q345E钢成品风电法兰辗扩方向切取试样(由于带状组织具有方向性)，并加

表1　Q345E试验用钢化学成分(质量分数，%)Table 1　Chemical composition of Q345E experimental steel( mass fraction，%)

图1　待温成形示意图Figure 1　Diagram of temperature waiting formation

工成为15 mm×15 mm×20 mm的金相试样，将试样机械抛光，并用4%硝酸酒精溶液腐蚀抛光面，应用光学显微镜观察其组织形貌特征。

2　实验结果及分析

2．1终辗温度对带状组织的影响

在风电法兰辗扩过程中，控制终辗温度被认为是对带状组织控制最为关键的参数之一。Q345E风电法兰辗扩成形按工艺a执行，在不同的终辗温度、但冷却条件相同的情况下金相显微组织如图2所示。

由图2可以看出，在相同的冷却条件下，四个不同终辗温度区间的组织中均出现带状组织，珠光体和铁素体分别呈现带状而相间分布。根据GB/T 13299—1991评定，终辗温度为800℃时带状组织级别相对较低，带状等级约为3级，铁素体晶粒度为8级左右;终辗温度为840℃时次之，带状等级约为3．5级，铁素体晶粒度为7．8级左右;终辗温度为880℃时，带状等级约为4级，铁素体晶粒度为7．2级左右;而终辗温度在920℃时带状组织较为严重，其带状等级约为5级，铁素体晶粒度为6．8级左右。

风电法兰属大型锻件，如果不采取强制冷却(风冷或者喷雾冷却)，由于其散热较差，冷却速度较慢，最后所形成的组织中，带状组织均较为严重。

综上所述，关于Q345E钢带状组织，终辗温度和冷却速度对其均有较大的影响。从试验结果来看，适当降低终辗温度可抑制带状组织的产生，随着终辗温度的降低铁素体晶粒尺寸也有所细化。随变形温度的升高，铁素体晶粒有长大的趋势，铁素体、珠光体组织的均匀性变差，低温冲击

图2　不同终辗温度下获得的金相组织Figure 2　 Metallographic structure obtained at different final rolling temperatures

韧性显著降低［4］。

2．2芯辊进给速度对带状组织的影响

Q345E风电法兰辗扩成形按工艺b规定执行，在相同终辗温度和冷却条件下不同的芯辊进给速度获得的金相显微组织如图3所示。

由图3可以看出，随着变形速率的提高，带状组织有逐渐减弱的趋势［5、6］。在终辗温度相同且

图3　不同芯辊进给速度下获得的金相组织Figure 3　 Metallurgraphic structures obtained at different feed speed of core roller

冷却条件一致的前提下，四个不同的芯辊进给速度下最终得到的组织中均有带状组织的出现，珠光体和铁素体分别呈现带状而相间分布。根据GB/T 13299—1991，当芯辊进给速度为0．3 mm/s时带状组织级别较为严重，其带状等级约为4．5级，铁素体晶粒度在6．8级左右;芯辊进给速度为0．5 mm/s时带状组织有所减轻，带状等级约为4级，铁素体晶粒度为7．2级左右;芯辊进给速度为0．7 mm/s时带状组织等级约为3．5级，铁素体晶粒度等级为7．5级左右;而随着芯辊进给速度的增加，当芯辊进给速度为1．0 mm/s时带状组织较轻，其带状等级约为3级，铁素体晶粒进一步细化，晶粒度等级为7．7级左右。

由于此工艺下的成形后冷却速度相同，因此不考虑冷却速度对带状组织的影响。在最终变形量相同而芯辊进给速度不同的情况下，辗环机芯辊进给速度增加，单位时间内材料的变形量增大［7］。随着变形速率的增加，带状组织有逐渐减轻的趋势且所得到的组织较为细小。这是因为在较大变形速率的情况下，组织在形变中储存的能量也较大，在回复动态再结晶过程中使得先共析铁素体形核率增加并且使先共析铁素体加速析出，从而得到细化的组织。

2．3结果讨论分析

2．3．1终辗温度对带状组织的影响机制

根据GB/T 13299—1991的评定方法对带状组织评级和应用直线截点法对铁素体晶粒度评级。研究终辗温度对带状组织等级和铁素体晶粒度等级的影响，可得到如图4所示规律。

图4　带状组织等级与晶粒度等级变化趋势Figure 4　 Variation trend of banded structure grade and grain size degree

观察图4( a)所示终辗温度对带状组织的影响趋势，当终辗温度适当降低时，带状组织有减弱的趋势，所获得的平均铁素体晶粒尺寸较小。文献［8］描述了带状密度定量化的方法和带状密度与晶粒尺寸之间的关系，通过采用显微视场里单位面积内存在大于100 μm连续的珠光体带累积总长，可作为评估带状程度的参数，称为带状密度ρ。式中，F为显微视场面积( mm2) ; li为单位视场内长度≥100 μm的珠光体带平均长度(μm) ; n为单位视场内长度≥100 μm的珠光体条数。

按公式( 1)定义，带状密度ρ的值越大，则带状程度越严重。

带状密度和晶粒尺寸之间的关系，用下列相对晶粒尺寸来分析铁素体平均晶粒尺寸、带状组织带间距与终辗温度之间的关系。式中，d为过冷奥氏体转变为铁素体后的平均晶粒尺寸(μm) ; S为铁素体带和珠光体带带间距(μm)。δd与S之间的关系可以分为3种情况: d = S，d≤S和d≥S。

根据实验结果观察分析，铁素体晶粒度均远小于铁素体-珠光体带间距，所得实验结果符合d≤S的情况。当d≤S时，同样由于两溶质区Ar3温度差，先共析铁素体最先在贫溶质区Ar3温度较高的中心区域形核。但当终辗温度较低时，在中心区域晶粒还未长大时，在贫溶质区中心区域的周围铁素体亦开始形核，铁素体形核后在一定程度上隔断了碳在奥氏体中扩散，并且相变后的铁素体晶间会吸附一定量的碳元素，从而降低碳在富溶质区域的富集，使得带状程度有所减轻。

而当d = S时，最容易有带状组织生成，当处于转变过程中时残存在奥氏体中的过饱和碳原子正好扩散至富溶质区，使得该处碳原子富集，最终转变为珠光体。当d≥S时，正好与d≤S情况相反，较高的终辗温度使得带状组织程度减弱。

终辗温度对铁素体晶粒度有较大的影响。随着终辗温度的降低，过冷度加大，使得铁素体相变过程中形核驱动力加大［9］。根据吉布斯自由能定理［10］:

推导可得:式中，ΔG为单位体积自由能;σ为表面能; r为晶胚半径; Tm为平衡结晶温度; Lm为熔化潜热;ΔT为过冷度。

可以得到晶胚半径和和过冷度的关系:

可见晶胚半径和过冷度关系成反比，降低终辗温度、加大过冷度可使铁素体形核能量增大，动态回复再结晶使铁素体较早和大量的析出，从而得到细小的铁素体-珠光体组织。根据实验结果(图2)，所得到的铁素体晶粒度随终辗温度的降低而有所细化，符合上述分析。

2．3．2辗环机芯辊进给速度对带状组织的影响机制

辗环机芯辊进给速度的不同意味着在辗环变形过程中单位时间内的变形量也有所不同。结合图3实验结果所示，增大辗环机芯辊进给速度使辗环道次降低，其余实验条件不变的情况下，可以使得带状组织减轻和使铁素体晶粒度细化。可分为以下几点:

( 1)锻坯在奥氏体温度区域辗扩时，奥氏体晶粒由于多道次成形而被逐步压扁、拉长，大量高位错密度的变形带将出现在奥氏体晶粒内部。辗环机芯辊进给速度的提高须增加辗环机自身的轧制力，轧制力的提高使得奥氏体畸变能增加，畸变能的增加将促使奥氏体提前产生相变，从而使先共析铁素体形核［11］。而富溶质区由于合金元素较多而使其区域的变形带密度和畸变能高于贫溶质区域，也就是从另一方面提升了Q345E钢Ar3温度，并且富溶质区比贫溶质区Ar3温度提升较多，也就使得贫、富溶质区Ar3温度差减小，所以提高辗环机芯辊进给速度起到减弱或抑制生成带状组织的作用。

( 2)材料辗扩变形时，奥氏体晶粒被压扁、拉长，在奥氏体晶粒内形成了形变带，使Nb、Ti和碳氮化合物等应变诱导析出［12］。提高辗环机芯辊进给速度，增加单位时间内材料的变形量，也就同时加大奥氏体形变量，使被拉长的奥氏体内部变形带密度增大，随着第二相粒子的析出从而使得奥氏体相变为铁素体的形核率和形核点均有所增多，从而使辗环成形后铁素体晶粒细化并且使铁素体-珠光体组织分布更为均匀。

3　结论

( 1) Q345E锻坯在进行辗扩变形时，适当降低终辗温度，变形过程中存储的能量会有所增加而提升铁素体形核率，使得带状组织有所减弱。在终辗温度为800℃左右时得到较为理想的金相组织。

( 2)提高辗环机芯辊进给速度，使奥氏体的变形密度增大。由于富溶质区的合金元素诱导析出，使铁素体的形核点增多，形核率提高，最终使铁素体晶粒细化并且使得组织分布更加均匀。

参考文献

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编辑杜青泉

Influence of Ring Rolling Technological Parameter on Banded Structure of Q345E Flange Used for Wind Power

Yang Renjie，Zhang Xiuzhi，Zhi Chenchen

Abstract:Under the technological conditions of 800～920℃final rolling temperature and 0．3 mm/s～1．0 mm/s feed speed of core roller，the multiple tests for ring rolling process of Q345E flange have been performed．Meanwhile，the morphology of microstructures of different conditions have been observed by adopting the optical microscope．It shows that during rolling deformation process，properly reducing the final rolling temperature for Q345E forging stock can be good for weakening of banded structure．When the final rolling temperature is 800℃，the comparatively ideal metallographic structure could be obtained．By increasing the feed speed of core roller of ring rolling machine，the ferrite grain size could be refined to obtain the uniform microstructure．

Key words:Q345E; banded structure; final rolling temperature; feed speed of core roller

文献标志码:B

中图分类号:TG113．1

作者简介:杨仁杰( 1987—)，硕士研究生，材料加工工程。

收稿日期:2015—03—25