S355NL钢低温冲击韧度不合格原因分析

陈一满,卢爱凤

(莱芜钢铁集团有限公司,莱芜271104)

S355NL钢低温冲击韧度不合格原因分析

陈一满,卢爱凤

(莱芜钢铁集团有限公司,莱芜271104)

针对某批次S355NL钢冲击韧度不合格的现象,从钢板的化学成分、力学性能、显微组织、夹杂物及断口等方面进行了分析,并重点对冶炼、连铸、轧制工序的主要参数进行了探讨。结果表明:晶粒尺寸不均匀、杂质颗粒粗大是导致S355NL钢冲击韧度低的主要原因。通过优化冶炼工艺制度以控制化学成分和夹杂物,优化轧制工艺参数以保证钢板的晶粒度,有效地提高了S355NL钢冲击韧度的合格率。

S355NL钢;冲击韧度;混晶组织;杂质

S355NL钢是欧洲标准的低合金高强度钢,相当于国标牌号Q345E。某钢厂从2014年开始生产该钢,由于该产品具有优良的综合性能,还具有优异的低温冲击韧度,因此主要供应并使用于北方高寒冷地带,主要用于大型船舶、桥梁、电站设备、容器、重型机械以及其他大型焊接结构件的制造[1-2]。

但是在S355NL钢的实际检验中发现,表征韧性的低温冲击功有明显的波动,并且有不合格现象存在,有些批次产品的初次检验合格率甚至仅为70%。基于该现象,笔者对该批次S355NL钢进行理化检验和分析,查明其低温冲击韧度不合格的原因,以期对稳定生产工艺、保证产品质量有所帮助。

1 理化检验

1.1 化学成分分析

根据EN 10025—3:2004Hot Rolled Products of Structural Steels—Part3:Technical Delivery Conditions for Normalized/Normalized Rolled Weldable Fine Grain Structural Steels和GB/T 4160—2004《钢的应变时效敏感性试验方法(夏比冲击法)》中对钢成分及性能的要求,钢板应采用低碳当量,钢材中其他合金元素的含量可以折算成碳的含量,即以碳当量来衡量钢材的焊接性能[3]。因此,影响钢材焊接性能的主要因素不仅仅是碳含量,更重要的是钢材的碳当量。碳当量的计算公式为[4-5]:wC,eq＝wC+wMn/6+wSi/24+wNi/40+

式中:wC,eq为钢材的碳当量(质量分数);wC,wMn,wSi,wNi,wCr,wMo,wV分别为钢材中碳、锰、硅、镍、铬、钼、钒元素的质量分数。

钢板的碳含量应当取较低值。保证钢板的碳含量不高于0.11%(质量分数,下同),才能确保碳当量不高于0.35%,从而保证钢板具有良好的焊接性能及低温冲击韧度。

该批次S355NL钢的化学成分分析结果见表1,由结果可知,钢材的化学成分控制已经比较精确,说明钢材的生产工艺比较稳定。要提高材料的性能,需要进一步降低材料中硅、硫、磷等杂质元素的含量,否则过高的杂质含量不仅导致可焊性变差,还会导致焊接变形大[6]。尤其是要特别注意降低磷含量,因为磷对于材料的冷脆性影响很大。有研究表明,磷含量应不高于0.18%,否则会严重降低钢材的低温冲击韧度。

表1 S355NL钢的化学成分分析结果(质量分数)Tab.1 Analysis results of chemical compositions of the S355NL steel（mass） %

另外,采用了钒、钛、铌、镍等合金元素对钢材进行复合合金化。钒、钛、铌都是强碳氮化物形成元素,加热时,钒、钛、铌的碳氮化物可以阻止奥氏体晶粒长大,细化奥氏体晶粒,起到细晶强化和弥散强化的作用;同时,还可以提高结晶和再回复的温度,保证了轧制时的变形累积,促进形核以细化晶粒。微量的钛对于改善焊接区域的韧性十分有效。镍可以提高材料的韧性,而且是促进石墨化元素,可以促进碳与钒、钛、铌形成碳化物。铬、钼虽然也是强碳化物形成元素,但在碳含量低的情况下,铬、钼更倾向于与铁形成固溶体,导致材料韧性降低,在细化晶粒方面的作用远不如钒、钛、铌的作用显著,因此,要尽量降低钢板中铬、钼的含量。

1.2 力学性能测试

对该批次S355NL钢产品进行力学性能测试,测试项目为屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和冲击韧度,具体结果见表2。从表2可以看出,该批次S355NL钢的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率均达到国标及内控标准的要求,但低温冲击韧度出现了较大波动。S355NL钢产品在—40℃时的冲击功为17,126,203 J,有一个试样不合格;而在—50℃时的冲击功很低,仅为8,12,14 J,全部不合格。

1.3 金相检验

分别对上述1号(—40℃),2号(—40℃), 2号(—50℃),3号(—40℃)4个试样进行了金相检验,结果如图1所示。

由图1可以看出,S355NL钢试样的显微组织为铁素体+珠光体,晶粒度为7.0～8.5级,均有轻微的混晶组织,1号(—40℃)试样的混晶程度比较严重,2号(—50℃)试样的粗晶比例较大。4个试样中均有轻微的带状组织,评级为1级,并不严重。混晶组织的存在会导致不同尺寸的晶粒微观区域应力状态不均匀,在低温时受到外力的情况下,容易在其交界区域首先形成微裂纹,从而成为脆性开裂的直接裂纹源。因此该因素是导致S355NL钢低温冲击韧度不合格的原因之一。

表2 试样的力学性能Tab.2 Mechanical properties of the specimens

1.4 夹杂物与断口分析

对S355NL钢试样中的夹杂物进行放大分析, A类硫化物基本为0.5级,B类氧化物级别比较高,最大颗粒尺寸长度超过3 mm,见图2。C类硅酸盐很少,有一定D类球状氧化物及DS类单颗粒氧化物,见图3。使用扫描电镜对1号(—40℃)试样断面进行分析,可见脆性断裂所占比例较大,而且断裂面上有夹杂物残留小凹坑。表3为图4断口中夹杂物的能谱分析结果。

图1 S355NL钢试样的显微组织形貌Fig.1 Microstructure morphology of the S355NL steel specimens：

图2 B类夹杂物形貌Fig.2 Morphology of inclusions of type B

图3 DS类夹杂物形貌Fig.3 Morphology of inclusions of type DS

图4 1号(－40℃)试样断口形貌Fig.4 Fracture morphology of the No.1（－40℃）specimen

表3 1号(－40℃)试样中的夹杂物能谱分析结果(质量分数)Tab.3 Energy spectrum analysis result of the No.1（－40℃）specimen（mass） %

2 生产工艺分析

S355NL钢生产的主要工艺流程为:铁水KR (机械搅拌法脱硫)脱硫→转炉吹氧冶炼→LF(钢包精炼炉)精炼→VD(真空脱气炉)真空处理→浇铸→脱模清理→带温送轧→加热→轧制→矫直→堆冷→探伤→热处理→检验→精整→成品。其关键工序为冶炼和连铸轧制两个工序,主要对这两个工序中的关键问题进行分析。

2.1 冶炼工艺分析

生产中铁水经过KR预处理、LF炉外精炼、VD真空处理以充分去除钢液中的杂质和气体。钢液中各元素对钢材的强韧性有重要的影响,碳会增加珠光体的含量,降低材料的韧性和可焊接性能;硫会产生非金属夹杂物,降低材料的韧性,特别是低温冲击韧度;钒、铌、钛等微合金化元素可以起到细晶强化和弥散强化的效果。因此,冶炼过程中必须精确控制钢液的气体、杂质和合金含量,否则材料内部的组织疏松处可能会成为裂纹源,而且由于硫化锰等杂质的聚集,使钢板的Z向(钢板厚度方向)性能不合格[3]。

为了使脱氧前钢中的氧含量尽可能降低,应该对冶炼终点精确控制碳含量,保证钢液中成分均匀,减少钢中夹杂物。为了深度脱氧、精确控制氧含量以及控制夹杂物的形态,精炼过程中在钢包中以喂钙线的方式对夹杂物进行钙处理,主要作用是使减小杂质颗粒尺寸,并且使含硫夹杂物球化,以降低杂质对冲击韧度的不利影响。

钢液中氧的含量不大于0.003%,钢板中的氧含量略大于此值;钢板中氮含量不大于0.004%;钢液中氢含量不大于0.000 5%,板材中不大于0.000 2%。

2.2 连铸轧制工艺分析

连铸过程采用全程保护浇铸,注意控制中间包钢液的温度,浇铸时保持拉速恒定,结晶器出口坯温随着铌钛的含量微调,防止碳氮化物大量快速析出而恶化钢坯的高温性能,防止铸坯产生横纹,同时结晶器采用非正弦振动电磁搅拌[7]。

轧制时主要考虑的工艺参数包括钢坯加热温度、升温速率、保温时间、始轧温度、终轧温度、压下量等。加热速率小于100℃·h—1,最高温度控制目标下降20℃(控制目标范围调整在1 270～1 290℃)。粗轧时采用较大的压下量,以减小板厚对变形的影响,使钢板内部缺陷焊合和消除;另外,较大的压下量还可以细化奥氏体晶粒,改善板坯的性能。粗轧开轧温度为1 050～1 150℃,不低于1 000℃。粗轧在再结晶区轧制,通过形变-再结晶使晶粒细化。此阶段在高温、低速、大压下量的条件下轧制,充分细化钢坯中的树枝晶。精轧温度为860～870℃,不低于820℃。精轧采用较大的累积变形量,使奥氏体晶粒充分变形,在晶粒内部形成更多的滑移带,为铁素体的转变提供能量和形核位置,细化晶粒。

轧制后采用轧后快冷技术(ACC)冷却,要求采用两次冷却工艺,辊速为中等速率1.0 m·s—1左右,返红温度650～680℃,钢板堆垛缓冷之前的温度应高于400℃。

通过对冶炼和连铸连轧工序的参数优化,可以满足产品在成分、晶粒度等方面的要求,保证得到合格产品,提高成品率。

3 结论及改进措施

该批次S355NL钢中存在混晶组织,导致不同尺寸晶粒的微观区域的应力状态不均匀,在低温冲击外力的情况下,容易在其交界区域形成微裂纹,从而成为脆性开裂的直接裂纹源。此外,夹杂物的存在也在一定程度上影响了S355NL钢的低温冲击韧度。

基于以上分析,在S355NL钢轧制过程中,建议在确保终轧温度的情况下,提高轧制节奏、降低加热温度。

措施实施后,S355NL钢的低温冲击韧度改善效果显著,连续生产的30批次中,初验合格有28批,初验合格率达到了93.3%。

[1] 董瀚.先进钢铁材料[M].北京:科学出版社,2008.

[2] 高立福,李灿明,王建景,等.莱钢S355NL海上平台用特厚钢板的开发试制[J].山东冶金,2013,35(5):1-3.

[3] 刘杨.国内外热轧结构钢取样和力学性能试验标准的差异分析[J].理化检验-物理分册,2016,52(7):469-475.

[4] 韩丽华,班新龙.高强韧钢板焊接裂纹敏感性试验研究[J].热加工工艺,2013,42(3):165-167.

[5] 王娟.表面堆焊与热喷涂技术[M].北京:化学工业出版社,2004.

[6] 郭兆彬,于岩,李秋实,等.热矫正温度对S355J2W+ N低合金钢对接接头疲劳性能的影响[J].理化检验-物理分册,2015,51(8):546-549.

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Cause Analysis of Low-temperature Impact Toughness Disqualification of S355NL Steel

CHEN Yi-man,LU Ai-feng
(Laiwu Iron and Steel Company Co.,Ltd.,Laiwu 271104,China)

For the phenomenon of low-temperature impact toughness disqualification of S355NL steel,the steel plates were analyzed from the aspects of chemical composition,mechanical property,microstructure, inclusions,fracture and so on.The main parameters of the smelting,continuous casting,the rolling process were discussed with an emphasis.The results show that:the non-uniform grain size and coarse impurity particles were the main reasons leading to the low impact toughness of S355NL steel.By optimizing the smelting process to control the chemical compositions and inclusions,and optimizing the rolling process parameters to ensure the grain size of the steel plates,the qualified rate of the impact toughness of the S355NL steel was effectively improved.

S355NL steel;impact toughness;mixed crystal structure;impurity

TG142.41

:B

:1001-4012(2017)01-0073-04

10.11973/lhjy-wl201701017

2016-04-13

陈一满(1972—),男,工程师,主要从事生产质量控制及安全管理方面的工作,lzchenyiman2009＠126.com。