终冷温度对Q345R钢组织及性能的影响

张德勇， 冯仰峰， 李维娟， 李 伟， 许继勇， 祁敏翔

(1. 日钢营口中板有限公司 辽宁省中厚板专业技术创新中心， 辽宁 营口 115000；2. 辽宁科技大学 材料与冶金学院， 辽宁 鞍山 114000)

控制冷却技术是利用轧材余热进行热处理的技术，特别对于中厚板生产，更是提高钢板综合性能的一种有效而经济的生产方法，目前已成为钢板轧后冷却的主要处理技术，控制冷却的目的是通过对开始与终止冷却温度、冷却速度、冷却模式等冷却参数的控制与优化来实现对钢相变过程的控制，从而得到最终需要的组织和性能[1-3]。

Q345R钢属于低合金高强度钢，是生产压力容器的主要材料，广泛应用于储气罐、气瓶、反应器、换热器等压力容器的制造，这种钢具有高强度、高韧性及良好的焊接性能和耐蚀性，通常有些高质量的Q345R钢板还需进行正火处理，GB/T 713—2014《锅炉和压力容器用钢板》要求在0 ℃或-20 ℃的冲击吸收能量达到41 J[4-7]，要达到这些性能要求指标，在冶炼、轧制、冷却、热处理等环节都需要制定合理的工艺。本文主要以正火Q345R钢板为试验对象，在国内某钢厂5000 mm产线开展正火Q345R钢的终冷试验，拟为进一步提产增效、节约能源提供数据参考。

1 试验材料及方法

试验材料为3号铸机生产的250 mm断面压力容器用钢Q345R，其化学成分见表1。

表1 Q345R钢的化学成分(质量分数，%)

试验钢板挑选成品厚度为42 mm的Q345R钢，终轧温度统一设定为820 ℃，选取不同的终冷温度650、700、735 ℃及轧后直接空冷进行试验，冷却到室温后对试样进行温度为880 ℃的正火处理，在炉时间为2.0t(t为钢板厚度)，冷却方式为880 ℃出炉后空冷，具体工艺参数见表2。

表2 Q345R钢的轧制工艺Table 2 Rolling processes of the Q345R steel

从轧态及正火态钢板宽度1/4、1/2处分别取拉伸、冲击、金相试样，拉伸试样在Z600材料拉伸试验机上进行拉伸试验，冲击试样在ZBC2602冲击试验机进行冲击试验，金相试样经打磨、抛光、4%硝酸酒精溶液腐蚀后通过DM15000M光学显微镜进行组织观察。

2 试验结果与分析

2.1 力学性能

2.1.1 轧态力学性能

不同终冷温度下Q345R钢轧态试样的性能结果见表3。在终冷温度为650、700 ℃时，屈服强度、抗拉强度接近，在终冷温度为735 ℃及轧后直接空冷时，强度都明显降低，尤其是直接空冷时，屈服强度为329 MPa，抗拉强度为539 MPa。不同终冷温度下的冲击吸收能量均值均较GB/T 713—2014要求有较大余量，在终冷温度为650 ℃时冲击吸收能量余量值最大。

表3 轧态Q345R钢的力学性能Table 3 Mechanical properties of the as-rolled Q345R steel

2.1.2 正火态力学性能

抽取不同终冷温度下Q345R钢正火态试样进行性能检验。正火后钢板屈服强度和抗拉强度均有明显降低，但冲击性能有显著提高。整体来看，终冷温度为650 ℃时正火后屈服/抗拉强度以及冲击吸收能量余量值都较高，具体性能见表4。

表4 正火态Q345R钢的力学性能Table 4 Mechanical properties of the normalized Q345R steel

通过热轧及正火态试样的力学性能数据可得出，随着终冷温度的升高，屈服强度、抗拉强度、冲击吸收能量均有下降趋势；正火后钢板的屈服强度和抗拉强度均有明显降低，冲击性能有显著提高；终冷温度为650 ℃时热轧及正火态试样的力学性能最优。

2.2 显微组织

2.2.1 轧态微观组织

轧态试样的微观组织为典型的铁素体+珠光体，随终冷温度的升高，板厚1/4处组织粗化，晶粒度由8.5级降为7.0级，板厚1/2处组织有类似变化规律，其显微组织见图1。

图1 轧态Q345R钢的微观组织(a～d)1/4厚度处;(e～h)1/2厚度处;(a,e)650 ℃;(b,f)700 ℃;(c,g)735 ℃;(d,h)轧后直接空冷Fig.1 Microstructure of the as-rolled Q345R steel(a-d) at 1/4 thickness; (e-h) at 1/2 thickness; (a,e) 650 ℃; (b,f) 700 ℃; (c,g) 735 ℃; (d,h) directly air cooling after rooling

2.2.2 正火态微观组织

正火态试样的微观组织也为珠光体+铁素体，但晶粒较细小。随终冷温度的升高，板厚1/4处组织粗化，晶粒度由9.5级降为7.5级，板厚1/2处组织有类似变化规律，其显微组织见图2。

图2 正火态Q345R钢的微观组织(a～d)厚度1/4位置;(e～h)厚度1/2位置;(a,e)650 ℃;(b,f)700 ℃;(c,g)735 ℃;(d,h)轧后直接空冷Fig.2 Microstructure of the normalized Q345R steel(a-d)at 1/4 thickness; (e-h) at 1/2 thickness; (a,e) 650 ℃; (b,f) 700 ℃; (c,g) 735 ℃; (d,h) directly air cooling after rolling

综上，正火态试样的晶粒度都高于热轧态，即正火处理有助于细化晶粒，这是因为在正火过程中珠光体重新向奥氏体转变，获得均匀且细小的原始奥氏体晶粒，在合理的保温时间下，晶粒长大倾向较小，从而形成较轧态更加均匀、细小的晶粒，这也是正火后冲击性能有所提高的原因[8]。在热轧态及正火态试样中均存在随着终冷温度的升高，组织逐渐变粗大的现象，热轧态及正火态组织中均存在带状组织，板厚1/2位置更为严重，这是因为钢板轧制过程中枝晶偏析沿变形方向呈条状或带状分布，在正火冷却过程中，由于冷却速度较慢，先在这些部位形成铁素体，碳扩散到枝干形成珠光体，从而产生带状组织[9-11]。不同终冷温度下轧态及正火态不同位置试样的晶粒度见图3。

图3 不同终冷温度下试样的晶粒度Fig.3 Grain size of the specimens at different final cooling temperatures

3 结论

1) 不同终冷温度下轧态及正火态Q345R钢的力学性能均满足标准要求，但轧后直接空冷时，性能余量较小，存在单值低的风险，在终冷温度为650 ℃时，力学性能较优。

2) 随着终冷温度的升高，Q345R钢板的屈服强度、抗拉强度、冲击性能均有下降趋势，组织逐渐粗化。

3) 轧态及正火态Q345R钢的微观组织均为典型的铁素体+珠光体，正火态比热轧态钢板的屈服强度和抗拉强度均明显降低，冲击性能显著提高，且正火后组织有所细化。