Ti微合金化Q420B热轧钢带组织和性能

2020-06-25吴汉科张玉文

天津冶金 2020年3期

闫萍，吴汉科，张玉文

（唐山不锈钢有限责任公司，河北063105）

0 引言

近年来，在普通C-Mn钢或低合金钢基体化学成分中添加微量金属元素的微合金化热轧高强钢在汽车、工程机械、集装箱、桥梁、建筑、铁道车辆等领域得到了广泛应用，通过微合金化技术达到产品性能标准要求、满足用户使用已逐步成为钢材生产的主流技术。而在微合金元素中一般采用铌、钒、钛进行强化，从成本角度考虑，Ti微合金化的价格相对是最低的，故将Ti微合金化钢工艺进行优化和合理的控制，可有助于提高企业开发高强钢产品的能力和产品在市场上竞争力，因此研究Ti微合金钢的应用和推广更具意义。微合金元素Ti在钢中主要以碳化钛（TiC）或碳氮化钛（Ti（C，N））的形式沉淀析出，可以提高钢的强度，从而改善钢材的性能。

通过1580热轧线进行Ti微合金化Q420B带钢的生产试验，结果表明，产品组织和性能均达到客户使用要求，该产品实现批量化生产，为拓展Ti合金高强钢的生产应用打下了坚实基础。根据调研及生产数据对比，1580热轧线生产的Ti微合金化Q420B带钢与普碳Q420B带钢相比，性能完全符合冷弯型钢国标GB/T 33162-2016中Q420强度级别，而且强度均匀、性良好，具有较高的延伸率和成型性，可用于冷弯型钢行业对成型性要求较高的产品。目前，唐山不锈钢公司生产的6.0 mm以下薄规格Ti微合金化Q420B带钢可应用于光伏支架横梁、工程塔基、船舶、建筑、铁路车辆等用途，可替代厚规格的Q235B或Q355B钢带，起到很好的瘦身减重效果。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料成分及力学性能要求

Q420B试验钢化学成分设计主要采用低C和Ti微合金化工艺，Ti元素是强碳化物形成元素，它与O、N、C等元素都有极强的亲和力，由于Ti固定了钢中的N并形成TiC或Ti（C，N），可以提高钢的强度。

本次试验选取 3.0 mm×1 150 mm、4.0 mm×1 130 mm Q420B规格的成品带钢，根据GB/T3274-2007要求，试验钢中化学成分及力学性能要求。见表 1，表 2。

表1 钢中的化学成分/%

表2 Q420B的力学性能要求

1.2 Q420B生产工艺

Q420B生产工艺流程：（铁水预处理）→转炉→LF炉→连铸→1580热轧机组。

1580热轧机组控轧控冷工艺：Q420B板坯经加热炉加热至1 250±30℃，经过四辊可逆式粗轧机5道次轧至35 mm中间坯，后进入精轧机组，精轧入口温度控制在1 050±15℃，终轧温度控制在870±20℃，卷取温度570±20℃，增加层冷精调段的水量，中间测温点目标温度680±20℃。

终轧温度控制Ti（C，N）和Ti4C2S2奥氏体形变诱导析出，中间控冷温度控制在铁素体转变C曲线鼻尖处，Ti（C，N）铁素体相变诱导析出，卷取温度是按照设定的控制使Ti在铁素体晶内析出和细晶强化均按达到强化效果峰值设计，发挥Ti强化的最大作用，同时可获得比较多的细晶粒铁素体组织，可达到高延伸率效果。

1.3 性能测试和组织观察

按照GB/T 228.1-2010金属材料室温拉伸试验方法，对Q420B钢板在宽度的四分之一和二分之一位置分别沿横向和纵向进行力学性能检验。按照GB/T6394制备金相试样进行光学显微镜观察，分析其组织构成、晶粒度和夹杂物形态分布。

2 试验结果与分析

2.1 力学性能

表3为各试样检测结果，结合表2力学性能要求得知，生产的Q420B抗拉强度、屈服强度、延伸率和冷弯均满足标准和客户使用要求，典型拉伸曲线见图1。同时将Ti微合金化生产的Q420B试样力学性能与S420MC和QStE420TM标准对比，见表4。

表3 各试样力学性能检测结果

图1 0109DB1420 1/4处横纵拉伸曲线

表4 试样力学性能与S420MC和QStE420TM标准对比

从表4的对比结果上看，Ti微合金化生产的Q420B物理性能已完全满足S420MC、QStE420TM性能要求，在特定使用领域（工程机械开口方管等）可取代S420MC、QStE420TM等Nb微合金化钢材，降低生产成本。

2.2 显微组织

对试样截面进行光学显微镜观察，组织以铁素体和珠光体为主，晶粒相对细小、均匀，晶粒度评级为11~12级，带状组织0.5~1级。如图2所示

2.3 钢中夹杂物

图2 试样光学显微镜下的晶粒度、带状组织及夹杂物

试验钢中观察到的夹杂物主要B类氧化铝类夹杂物，细系1级，细长条形状，如图3。

图3 光学显微镜下的夹杂物

2.4 钢中析出物

图4 Q420B钢中析出物形貌及能谱图

如图4所示，在透射电镜下观察到的钢中析出物为TiC，析出物尺寸为5 nm左右。

2.5 强化机理分析

Ti在钢中与各种元素结合可以形成一系列的氧化物、硫化物、碳化物、碳氮化物和氮化物等化合物，但是Ti与合金元素亲和力各不相同，Ti的各类化合物稳定性也不尽相同，其递减顺序为：Ti2O3→TiN→Ti4C2S2→Ti（C、N）→TiC[1]。

研究表明，钛与钢中的硫有较强的亲和力，可生成Ti4C2S2，被用来进行夹杂物形态控制，从而改善钢板的纵横向性能差[2-3]。当Ti含量较低时，Ti首先结合钢中的氮元素，几乎全部形成TiN，其质点钉扎在晶界处，在再加热时阻止晶粒长大，细化初始奥氏体晶粒，在轧制过程中阻止形变奥氏体再结晶，延缓再结晶奥氏体晶粒长大，可改善钢板的焊接性能和韧性，但对提高钢材的强度作用不大。当[Ti]%增加并超过3.4[N]%时，开始形成Ti4C2S2，此时MnS与Ti4C2S2共存；当[Ti]%增加到将钢中的碳和氮全部固定时，即[Ti]%=3.4[N]%+3[S]%时，Ti4C2S2将全部取代MnS，此时Ti的沉淀强化作用很小。当[Ti]%继续增加时，碳与多余的Ti结合形成TiC，钢带在冷却和卷取过程中析出细小而弥散的TiC起到沉淀强化的作用。

结果表明本次试制与Ti析出强化理论相符，通过优化层冷前段水量，使钢带快速冷却到靠近铁素体转变温度；利用1580热轧生产线层流冷却长度长的特点，弛豫冷却；通过优化层冷前段水冷结束温度，使铁素体相内析出（尺寸约5 nm）的TiC达到峰值，铁素体相变诱导TiC的析出有利于提升钢的强度。经检测，Q420B热卷各项性能指标全部符合客户标准和要求。