低温高韧性低合金Q345B钢的开发与应用

温 斌 李 娜 万国喜

（安阳钢铁股份有限公司）

0 前言

低合金Q345B卷板因具有良好的综合力学性能、焊接性、成型性、经济性等优点，产量大、使用面广，常被用做一般金属结构件、承载结构件、机械零件等。随着钢铁行业的快速发展，钢铁材料产能急剧增加，同时伴随着钢铁产品的同质化，钢材市场竞争激烈，在这种严峻的钢铁市场经济形势下，提高产品的质量和提供优质的服务来满足客户的需求变得尤为重要。低合金卷板约占安钢卷板产量的20%，随着低合金卷板使用面的扩大，用户对材料性能的使用要求也存在差异，对材料的某一方面的特性要求较高，为了满足不同用户对钢铁材料的个性化需求，相应开发了不同用途的专用钢材。笔者主要结合用户的加工使用特点和需求，介绍了一种优质的低温高韧性低合金Q345B钢材的研发和应用。

1 用户加工使用特点及需求

1.1 用户加工使用特点

用户使用低合金板一般是在裁剪后进行冲压、折弯、焊接等工序，但往往在折弯加工过程中易出现端部开裂现象。笔者对用户折弯加工时的使用特点进行了总结，发现：（1）根据用户使用剪板机的特点，分切钢板的同一表面两端存在一个上剪口和一个下剪口，一般下剪口的剪切质量相对较差，在用户进行折弯加工时，在弯曲面的侧面会产生应力集中，容易沿钢板下剪切口的边部和剪切质量不良处形成裂纹，并向钢板里面扩展；（2）下料加工时，用户为充分利用钢板材料，会沿不同方向进行下料和折弯加工，当折弯线平行于轧制线时，更易开裂；（3）在折弯时用户为提高效率，剪切边不打磨，且弯心直径一般较小，弯曲变形时容易形成应力集中，最终导致开裂。

1.2 用户对材料加工特性的需求

针对目前市场用户的加工特点，材料必须有良好的韧性、均匀塑性和低的各向异性，不能再拘泥于材料只满足技术标准，须从用户的使用要求方面考虑，满足用户的使用要求，降低材料加工开裂率,而且生产成本需要与原成本相当，否则用户不易接受。

1.3 现有低合金钢折弯加工的主要问题

对现有低合金钢做模拟用户折弯加工试验，试验结果表明，材料本身的横向性能指标偏低，在韧性方面表现出明显的各向异性，尤其是横向冲击功与折弯加工开裂显著相关，试验数据见表1，冲击试样尺寸：5 mm×10 mm×55 mm。

表1 模拟用户折弯加工试验数据

2 成分设计与技术要求

2.1 技术原理

一般普通低合金Q345B钢在成分上采用C元素的间隙固溶强化、Mn元素的置换固溶强化和位错强化来提高其强度。从强化理论来讲，间隙固溶强化能同时提高材料的流变应力和加工硬化率，但前者的提高幅度大于后者，因而会造成均匀塑性明显下降。同时，高的Mn、S含量促进了带状组织和MnS夹杂的产生，从而导致材料性能的各项异性。随着现代冶金技术的发展，微合金化和控轧控冷技术得到广泛应用。通过微合金化技术采用析出强化的方式来提高强度，降低C、Mn含量，并在加工过程中采用控制轧制和控制冷却工艺，可以使钢的组织得以细化，获得高强度、高韧性、高可焊性和良好的成型性能。

2.2 成分设计

折弯用低合金钢的基本要求是材料应具有良好的韧性和均匀塑性，因此必须在满足国标要求的条件下，根据不同合金元素对材料性能的影响关系优化合金成分，改善材料韧性和塑性。

C元素作为最经济的强化元素，可显著提高材料的强度，但同时会降低钢的韧塑性。采用适当低的C含量，可降低钢中硬相组织珠光体的比例，提高塑性，同时减轻因C元素的间隙固溶强化对材料韧性的影响。

Mn作为固溶强化元素，具有细化晶粒、提高强度的作用，但随着Mn含量的提高，提高强度的作用会减弱，且高的Mn含量易形成中心偏析，恶化塑性。一般低合金Q345B钢的Mn含量为1.3%，可通过添加微合金元素以第二相离子的析出强化来提高强度，适当降低Mn含量可以减轻中心偏析和带状组织，这样也可以大大降低合金成本。

Ti作为目前常用的微合金化元素，相对Nb、V更具有经济性。添加适量的Ti元素，可通过控轧控冷、析出强化的方式，弥补降C、降Mn后带来的强度损失，同时起到固碳、固氮和细化晶粒的作用。但对钢的N含量要求很高，在冶炼过程中需严格控制较低的N含量，避免产生TiN等有害夹杂物影响材料塑性。加入Ti的另一个有效作用是Ti可以和钢中的S/C元素形成球状的Ti4C2S2颗粒，减轻材料性能的各项异性。

P、S元素含量也要求尽量低，避免P、S元素对断裂韧性的损害，避免形成MnS夹杂对材料各向性能差异的影响。

2.3 技术要求

折弯用Q345B钢带的化学成分和性能指标必须满足低合金钢标准的技术要求，具体分别见表2和表3。

表2 折弯用优质Q345B钢化学成分设计 %

表3 折弯用优质Q345B钢需达到的力学性能和工艺性能要求

折弯用低成本优质Q345B钢在性能方面比国 标要求更高，冷弯性能检测更严，且采用横向试样进行冲击功检测，要求0 ℃冲击功≥60 J，这主要是因为卷板的横向冲击功为性能薄弱点，同时相对高的低温冲击韧性而言对材料止裂性能有显著的有益影响。

3 生产工艺

3.1 工艺路线

铁水预处理—转炉—LF炉—板坯连铸机—热连轧。

3.2 冶炼工艺

铁水脱硫终点[S]≤0.005%，铁水脱硫扒渣干净，保证扒渣亮面≥90%；转炉采用优质入炉原辅料，严格控制下渣量；精炼前期要快速造渣脱硫，并严格控制Ti合金加入时机，避免长时间大氩气搅拌，减少钢液增N和Ti被氧化；连铸保护浇注良好，冷却水采用弱冷模式，保证铸坯表面质量。

3.3 轧制工艺

优质Q345B钢铸坯均可直装、热装、冷装，在炉时间需大于130 min，均热温度1 210～1 260 ℃，精轧压下率≥50%，精轧终轧温度800～900 ℃，卷曲温度550～650 ℃。优质Q345B钢在层流冷却过程中宜采用前段快速冷却模式，抑制微合金元素碳氮化物的过分长大，使其低温弥散析出，这样在起到好的析出强化效果的同时能获得良好的塑性。

4 实物质量

4.1 化学成分

折弯用Q345B钢的熔炼成分见表4。

4.2 力学性能

拉伸试验选取全厚度横向试样，冲击试样的尺寸是5 mm×10 mm×55 mm，性能检验结果见表5。

5.75 mm、7.75 mm厚度规格的批量试验力学性能分布如图1所示，屈服强度为440～520 MPa，抗拉强度为500～600 MPa，伸长率为23%～29%，0 ℃横向冲击功为60～100 J，低温冲击韧性稳定。

表4 折弯用优质Q345B钢熔炼成分 %

表5 折弯用优质Q345B钢力学性能和工艺性能检验结果

图1 批量试验力学性能控制水平

4.3 金相组织

对7.75 mm规格的金相组织进行检验，折弯用Q345B钢厚度1/4处的显微组织如图2所示。其组织主要为块状铁素体

和珠光体，晶粒度9.5级，珠光体比例约为20%，且细小均匀弥散分布，无明显珠光体条带。

4.4 模拟用户折弯加工试验

在钢板剪切后，模拟用户折弯加工试验，试验用钢取厚度5.75 mm的钢板，折弯加工试样折弯线平行于轧制线，试验后试样无开裂倾向，试验钢的性能数据和模拟用户折弯加工试验结果见表8 。厚度5.75 mm模拟用户折弯加工后折弯样外观形貌 如图3所示。

图2 7.75 mm折弯用Q345B钢厚度1/4处的显微组织

表8 不同轧制工艺性能与折弯试验结果

图3 厚度5.75 mm模拟用户折弯加工后折弯样外观形貌

5 结语

现有低合金Q345B钢的低温冲击韧性在横向和纵向上表现出明显的各项异性，在材料加工方面存在横向折弯加工开裂的问题，原因是材料本身横向韧性较差，抗裂纹扩展能力差。重新设计的低温高韧性低合金Q345B卷板采取降低C、Mn元素含量、增加Ti含量和轧制工艺优化等措施，在满足低合金Q345B钢技术要求的基础上显著改善了钢的横向韧性，避免了折弯加工开裂的现象，同时确保不增加合金成本，使用效果和经济效益显著。对于下游用户而言，折弯加工用低合金Q345B钢的开发可以提高其生产效率和材料利用率，降低材料加工质量损失。