Q420B钢冲击功不合原因分析与改进

石军强，马传庆，温建波

（山钢股份莱芜分公司，山东莱芜　271105）

Q420B钢冲击功不合原因分析与改进

石军强，马传庆，温建波

（山钢股份莱芜分公司，山东莱芜271105）

分析造成Q420B钢冲击功偏低的原因为含钒量过高（0.12%～0.15%）和控轧生产工艺不合理，通过控制钒含量在0.04%～0.08%和终轧温度低于940℃，使Q420B钢20℃的冲击功满足了标准要求。

Q420B钢；冲击功；化学成分；夹杂物

1　前言

Q420B属于GB/T 1591—2008低合金高强度钢，是在碳素钢的基础上加入少量Nb、V、Ti等微合金元素，以提高钢的强度、改善钢的综合性能。该钢种不需热处理直接使用，成本较低，是一种节约能源和资源的环保型钢种，广泛地应用于国民经济建设的各领域，特别是基础设施建设和加工制造业，例如石油平台、桥梁、大型建筑物等的建设和船舶、车辆、容器及机械、化工、轻工设备的制造。

Q420B低合金高强度钢要求20℃的V形冲击功≥34 J。莱钢特钢事业部2013年12月生产的Ф 90、Ф105 mm规格的Q420B低合金高强度圆钢，部分炉次20℃的V形冲击功低值低于34 J，影响了质量稳定性，延迟了交货日期。通过跟踪生产过程和检验分析，找出了原因，通过优化了钢种内控成分，大幅度提高了Q420B钢20℃的V形冲击功检验合格率，满足了用户需求。

2　冲击功不合试样检验

为分析Q420B钢冲击韧性不合原因，在冲击不合炉次钢材上取样分析化学成分，检验晶粒度、夹杂物等，对影响冲击功的因素进行检验、分析。

2.1化学成分

取冲击性能不合格试样进行化学成分分析，成分比较稳定，S、P含量较低，结果如表1所示。

表1　冲击性能不合格试样化学成分%

2.2晶粒度

对冲击性能不合格试样做高倍检验，基体组织为铁素体+珠光体，晶粒较粗大，晶粒度7级，金相组织如图1所示。

图1　冲击性能不合格试样金相组织

2.3夹杂物检验

将冲击不合试样制成高倍试样观察夹杂物，依GB/T 10561—2005标准评级结果见表2，夹杂物级别较低。

表2　冲击性能不合格试样夹杂物级别级

3　冲击性能不合格原因分析

3.1影响冲击功的因素

1）对于低合金高强度结构钢，标准中规定可同时或单独加入Nb、V、Al、Ti等微合金元素以细化晶粒，细化晶粒是提高材料强韧性的主要措施之一。随着晶粒度级别的提高，钢材低温冲击功越高。

2）随着钢中S、P含量的增加，钢的低温冲击功明显降低。在一定范围内，Mn含量的提高，可以削弱硫对低温冲击功的不利影响。

3）钢中的非金属夹杂物越细小，分布越均匀，钢的低温冲击功值就越高。

4）C在低合金钢中形成珠光体组织，是有效的强化元素，可提高钢的强度，但能钢的降低塑性和韧性，使钢的冲击韧性变差。

5）Al、Nb、V、Ti均可细化晶粒，可起到提高冲击性能的作用，V的细化晶粒效果相对较差。而且随含V量的增加，开始时细化晶粒效果显著，当含V量达到0.08%以后，随含V量的增加晶粒尺寸基本不变，但沉淀强化程度增加，钢的脆性转变温度升高，从而降低了冲击功［1］。

6）采用控制轧制技术可改善钢材的组织结构，提高钢材的强韧性［2］。通过控轧控冷，使晶粒得到细化，可以有效提高冲击功。低合金高强度钢随着终轧温度的升高，冲击功缓慢降低，当终轧温度＞850℃后，冲击功下降较快。

3.2冲击不合原因

1）分析冲击性能不合格炉次的炼钢、连铸过程工艺参数控制正常，钢中S、P含量及夹杂物级别均较低，基本可排除炼钢、连铸工艺及洁净度原因。

2）低合金高强度结构钢中加入微量元素能提高强度，但如果轧制工艺不合理，钢的韧性会变差，只有采用合理的控轧工艺，才能使强度和韧性都得到提高。生产此类钢通过控制终轧和冷却温度，可以细化晶粒，从而抵消因微合金元素形成的碳氮化物析出强化引起的韧性恶化，获得较高的强度和韧性。但加入过多的钒（＞0.08%），即使控制轧制也会使钢的脆性转变温度升高，降低冲击功。通过统计分析，确认Q420B钢中含钒量过高（0.12%～0.15%）是导致冲击功检验不合格的原因之一。

3）轧制工序控冷、控轧生产工艺条件不完善，终轧温度高（950～980℃），也是导致冲击功检验不合格的原因之一。

4　改进措施

影响Q420B冲击性能的主要因素有化学成分、晶粒度、非金属夹杂物、显微组织等因素，从上述对冲击不合格试样分析结果看，非金属夹杂物控制级别较低，化学成分相对稳定。因此，在保证钢水洁净度和铸坯成分组织均匀的前提下，改进措施应以化学成分优化、细化晶粒为主。

4.1化学成分控制

钢中过高的钒含量会使强度增加、韧性降低，根据不同钒含量对冲击性能的影响变化规律，在保证碳当量的前提下，适当降低Q420B钢中钒含量，将钒含量内控标准定为0.04%～0.08%，如果钒含量超过0.08%，会使钢的脆性转变温度升高而降低冲击韧性。还要通过控制钢中铝含量细化晶粒提高冲击韧性。炼钢过程加强脱氧、脱硫、脱气、软吹氩操作，保证钢中全氧含量≤17×10-6；连铸稳定拉速、过热度、结晶器液面等工艺参数，优化二冷配水，减轻铸坯成分组织偏析。

4.2轧制工艺改进

严格按工艺规程要求控制加热过程，确保铸坯加热质量，以保证钢材内部组织均匀，无异常组织存在。轧制过程中控制好生产节奏，降低终轧温度，保证低于940℃，充分发挥形变对钢材组织改善和晶粒尺寸控制的作用，使晶粒进一步细化。

5　结语

Q420B低合金高强度钢20℃的V形冲击功低的主要原因是化学成分设计和控轧工艺不合理造成的。采取针对性措施后，进行了试验生产。通过优化成分，控制钒含量在0.04%～0.08%，降低终轧温度细化晶粒，Q420B低合金高强度钢的冲击性韧性明显提高，可以完全满足标准要求。试验结果表明，Q420B钢晶粒度达到了8级，冲击性能得到了明显改善，统计冲击值最小为38 J，平均值达到45 J，杜绝了该钢种低温冲击性能不合格现象。

［1］王有铭，李曼云，韦光.钢材的控制轧制和控制冷却［M］.北京:冶金工业出版社，1995。

［2］温志红.提高Q345系列钢板冲击韧性的轧制工艺探讨［J］.南方金属，2004（6）:27-29。

TG335

B

1004-4620（2016）05-0070-02

2015-12-30

石军强，男，1971年生，1995年毕业于华东冶金学院金属压力加工专业。现为山钢股份莱芜分公司特钢事业部高级工程师，从事工艺技术管理。