M u对高Ti低合金高强度钢Q335B组织性能影响 DOI:10.3969/j.issn.l006-110X.2021.03.010
Mn对高Ti低合金高强度钢Q355B组织性能影响
张志坚，杨鹏辉，李帅，李盛豹，王东凯
(日照钢铁控股集团有限公司，山东276906)
［摘要］基于外贸岀口低合金高强度结构钢退税元素的要求,Ti元素含量要求不小于0.05%。为满足退税要求，降低岀口低合金高强度结构钢生产成本，当Ti元素含量设置为0.255-0.277%时，在不同M u含量组成体系和终轧温度体系下，对8〜17mm厚岀口低合金高强度结构钢的微观结构和性能进行分析。经过6次不同的工艺设定试验，结果显示，M u含量在0.33〜0.25%.精轧终轧温度830t、卷取温度600t设定下，高钛低合金Q335B可获得最优的力学组织性能。 ［关键词］Mn合金；卜贸出口低合金钢；组织性能；终轧温度
Effect of Mn on microstructure and properties
of high Ti low alloy high strength steel Q355B
ZHANG Zhi-jian,YANG Peng-hui,LI Shuai,LI Sheng-bao and WANG Dong-kai
(Rizhco SteC Holding Gnop Co.,Ltd.,SHANDONG276806)
Abstract BaseC on tdc recuiremecl of Cement tcx refund fOr foreing tranc cpoio low alloy high strecgtd strpctprat steet,Tz elemect coytect cqpcmects nvt less tdan0.05%.I f orece d med tdc demang of tax refung,decreass tde proycctioy coss of export low alloy high strecgtd strcctcrat steet,in tde coynitioy tdat Tz nUment cobtent is sd at0.252〜0.275%,the microstrncture and proberties of8〜12mm thicC export low alloy high strecgtd strcctcrat steC are analyzeC unnec diflereci M u cobtect compositiob system cd diflerecl finishing rolling temperature system.After sic differecl process setup tests,tde reshlts show that tde obdmat mecCanicat proberties of high titanium ang low toy Q355B ccn beby setting tde Mu cobtect at055〜0.29%,finishing rolling temperature830t,and coiling temperature600t. Key words mangauess XUy,fbCgu trale expoe low toy steet,microstmcture and proberties, finish-rolling temperature
0引言
某钢铁公司外贸出口低合金钢年销量在50万吨以上，在外贸出口产品中占有较高比例。为满足国家进出口退税要求，综合考虑合金强化机理及退税合金元素市场价格，在满足低合金Q355B钢组织及力学
性能要求前提下，开发出高Ti（质量分数！
0.05%）低合金Q355B钢，既大幅降低了外贸出口产品的生产成本，也提升了外贸出口低合金钢的竞争力。
本文主要研究了Ti含量在0.05%以上，不同的
收稿日期：2021-03-05
作者简介：张志坚（198—），工程师，大学本科，现从事日照钢铁控股集团有限公司一贯制管理工作。Mn含量及精轧终轧温度下,Mn-Ti复合微合金的成分设计，组织及力学性能优化，以获得最优的低合金结构钢Q355B的成分设计及生产工艺。
1Mn、Ti微合金元素对低合金结构钢性能的影响1.1Mn合金元素对低合金结构钢性能的影响
在低合金高强度钢中Mn是重要的合金强化元素，对组织和力学性能有着很大的影响。在P、S含量较低的含锰低合金钢中，带状组织主要是锰的枝状偏析与碳的相互作用导致的叫铸坯以枝状结晶的形式凝固，所以枝间锰含量较高，枝内锰含量较低，造成铸坯内的枝间和枝内的原始偏析；2＜。不同的锰含量影响不同区域的奥氏体向铁素体转变的Ar3温度，在轧钢加热、冷却过程中，碳会从枝间向枝内
心〈金属材料及热处理〉心-33-
扩散，在枝间形成珠光体，在枝内形成铁素体，从而
在钢板厚度中间位置形成铁素体/珠光体带状组织冈。 降低锰含量可以减少铸坯的原始偏析，明显改善偏
析造成的带状组织，同时减少锰合金用量可显著降
低成本。1.2 Ti 合金元素对低合金结构钢性能的影响因Ti 元素化学性质较为活泼。据参考文献介 绍：当低合金钢中Ti 含量不大于0.045%时，钢的屈 服强度随着Ti 含量增加缓慢上升,Ti 在钢中主要与
"N ］、"O ］、⑸等元素结合成尺寸较大且稳定的化合物
"TiN ］、［Ti -C 'S '］，在连铸板坯加热过程中［TiN ］可有效 钉扎在奥氏体晶界，阻止奥氏体晶粒长大［4］,Ti 主要
起细晶强化的作用。当Ti 含量大于0.045%而小于
0.098%时，钢的屈服强度随Ti 含量增加呈线性递增
趋势［5］，高温时生成的"TiN ］消耗部分Ti ，钢中剩余Ti
0.020%。
表1试验材料成分体系
序号
质量分数 /%
C
St
Mg
P S Ait Ti N
现成分
0.1-0.160.1-0.220260-027000.03500.2330202-0200.230-0.250
002006成分 10.1-0.160.1-0.220245-0255
00.03500.2330202-0200202-020*******成分 2
0.1-0.16
0.1-0.22
0.33 - 0.45
00.233
00.233
0202-020
0202-0207
002006
2.2试验材料准备铁水经过120 t 转炉、LF 炉冶炼后，经板坯连
铸机浇铸成207 mm 厚度板坯。207 mm 板坯加热至
1 210 "，保温后经2150热轧生产线轧制成8~1
2 mm 厚的高钛低合金结构钢板。
将和C 结合形成TiC ，细小弥散的TiC 粒子可阻止 位错的运动，起到沉淀强化的作用。
2试验材料及试验方案
2.1试验材料成分设计
根据某钢厂现有低合金结构钢成分及生产工
艺，设计高T （质量分数0.052%~0.075% ）成分下降 低Mn 含量的合金体系，成分体系如表1所示。
成分体系中［N ］! 0.006%，实际生产中控制⑸!
0.010%时，依据周建等有效钛（Ti ：）与全钛（⑪讪）、 氮、硫和固溶钛（Tis ）的关系公式：
w （T i E£f ）=w （Ti Total ）-3.4w （N ）-3w （S ）-w （Tis ）
式中:⑪班为有效钛质量分数,T ）t 嗣为全钛质量分
数,Tis 为固溶钛质量分数，固溶钛（Tis ）质量分数按 0.005%计算叫可起到沉淀强化的有效Ti 约0.003~
2150热轧线主要设备包括：3座步进梁式加热
炉，两架四辊可逆粗轧机R1、R2，中间坯卷取的热卷
箱,7架长行程、AGC 液压压下、带窜辊和正弯辊板
形控制系统的四辊精轧机组，层流冷却设施,3台地
下卷取机问。热轧2150线生产工艺路线如图1所示。
粗轧R1.―> 粗轧R2.—> 保温罩"一9 中何坯卷取.
图1热轧2150线生产工线
CN O CN
2.3 试验方案
2.3.1实验步骤
2150热轧线采取不同的精轧终轧温度（如表
2）轧制试验材料；通过不同批次的试验，获得高钛 低合金钢组织及力学性能；通过分析力学性能，获
得最优的成分体系及工艺制度。2.3.2 试样制备
依据《GB/T1591-2018低合金高强度结构钢》中 力学性能及工艺性能要求，在两种不同的工艺温度
控制下，分别取样检验力学性能，分析在不同成分
表2工艺温度控制制度
序号精轧终轧温度/T
卷取温度/T
温度 100
600温度 2
SB 。600温度3
010
600
体系、不同温度工艺制度下，屈服强度、抗拉强度、
延伸率及冲击波动范围。拉伸、冷弯试样采用横向
取样，冲击试验取纵向试样。
3试验结果及分析
3.1 Mn 含量、终轧温度对力学性能影响
-34 - 心〈金属材料及热处理〉
心
Mu 对高T i 低合金高强度钢Q335B 组织性能影响
采用成分1中Mn 含量0.45%~0.55%，精轧终 轧温度分别选择850,830,810 "时，试验结果如表3 所示。
在Mn 含量0.45%~0.55%范围内，屈服强度和 抗拉强度较高，富余量较大，存在抗拉强度超出控
制标准上限的现象。
采用成分 2 中 Mn 含量 0.35%~0.45%，精轧终
轧温度分别选择850,830,810"时，试验结果如表4 所示。
在Mn 含量0.35%~0.45%范围内，屈服强度和
抗拉强度均有明显降低，工艺4断后伸长率余量不 多，容易出现低于标准的情况。
通过由表3、表4综合分析，工艺5在Mn 含量
0.35%~0.45%，精轧终轧温度控制在830"，卷取温 度600 "下，综合力学性能较好。
3.2金相组织分析
3.2.1不同工艺下金相组织结果
对不同工艺下试样进行SEM 检测金相组织，在
500倍下基体组织均为珠光体+铁素体，心部均有少 量氮化物分布。
表3采用成分1不同终轧温度下的力学性能
项目终轧温度 /%晶粒度检测
屈服强度/MPc 抗拉强度/MPc 屈强比断后伸长率/%
22t 冲击功/J
标准要求/M355470 〜930/M22
M34
工艺 18104855780283232219
工艺 2830484
579
0283
2529152
工艺 3
850
47757502822626
157
表4采用成分2不同终轧温度下的力学性能
项目终轧温度 /%
屈服强度/MPc 抗拉强度/MPc 屈强比断后伸长率 /%
25t 冲击功/J
标准要求/M355470〜630
/2034工艺 481046756102832125105
工艺 58304545500283242
134
工艺 6
850
442
530
0283
2528166
图2~4所示为工艺1~3的表面、心部及氮化物
金相组织；图2所示为工艺1晶粒度，表面12.0级,
12.0级，心部11.0级，图4所示为工艺3晶粒度，表
面11.0级，心部10.5级。心部均存在氮化物，尺寸心部10.5级；图3所示为工艺2晶粒度，表面11.0~
8~9⑷。
（2）表面 （b ）心部
（C ）氮化物
图2 工艺1表面、心部及氮化物金相组织（500倍）
（2）表面 （b ）心部
（C ）氮化物
图3工艺2表面、心部及氮化物金相组织（500倍）
心〈金属材料及热处理〉
心
图5~7所示为工艺4~6的表面、心部及氮化物金相组织；图5所示为工艺4晶粒度，表面10.5-12.0级，心部11.0级；图6所示为工艺5晶粒度，表面11.5级，心部11.0级；图7所示为工艺6晶粒度，表面10.5-11.5级，心部10.0级。心部均存在氮化物。
3.2.2不同工艺对金相组织的影响
锰含量降低后金相组织中珠光体含量减少，表面及心部晶粒度均在10.0级以上，两种成分体系下均未有明显的带状组织。低温810"终轧情况下，晶粒度均匀性较好，高温850"珠光体减少。
试验结果证明在不同的工艺制度下，金相组织均存在氮化物，尺寸在8-9!，，因Ti含量（Ti 质量分数0.052%-0.075%）超过了TiN理想化学配比[4],Ti在低合金Q355B钢中主要起沉淀强化作用。在较低的810"精轧终轧温度下，在奥氏体发生相变前,TiN的析出可以抑制奥氏体长大，所以低的终轧温度可以细化转变后铁素体的晶粒。在相同成分设计下，低的精轧终轧温度屈服、抗拉强度更高，在成分1、Mn含量在0.45%~0.55%下，试
00
CN O CM
（7）表面（8）心部（9）氮化物
图4工艺3表面、心部及氮化物金相组织（500倍）
（7）表面（8）心部（C）氮化物
（7）表面（8）心部（9）氮化物
图7工艺6表面、心部及氮化物金相组织（500倍）
-36-心〈金属材料及热处理〉
心
Mu对高T i低合金高强度钢Q335B组织性能影响
验结果存在抗拉强度超国标上限现象存在，力学性能富余量较大。
降低成分体系中Mn含量至0.35%~0.45%,Mn 的固溶强化作用进一步减弱，带状组织进一步优化(如图5~7所示)，屈服强度较Mn质量分数0.45%~ 0.55%降低约20MPa。综合分析，工艺5的组织和性能指标较为理想。
4结语
为降低出口低合金高强度结构钢生产成本，本文研究了Ti含量为0.052~0.075%时，不同Mn含量和终轧温度对低合金高强度结构钢的微观结构和性能的影响，并通过实验确定了最佳的成分及生产轧制工艺。
(1)低合金高强度结构钢Q355B中加入0.052~ 0.075%的Ti,Ti的强化机理主要为沉淀强化，精轧终轧温度的降低有利于提高强度。
(2)Mn质量分数由0.45~0.55%降低至0.35~ 0.45%，试验检测结果表明屈服强度降低约20MPa。
(3)在本试验中Mn的质量分数为0.35~0.45%,
(上接第32页)
材料在890~900"淬火水冷、550~560"回火水冷的热处理工艺下，综合力学性能稳定，低温Akv 大于40J，强度大于1100MPa，满足风电用高强螺栓的力学性能要求。采用微合金Ti处理的样品可以适用更高的淬火温度而不使晶粒长大，可以获得更高强度、更优的低温冲击韧性。
3结语
(1)通过对GB/T3077中42CrMoA材料热处理工艺进行研究,890"淬火、550~560"回火的热处理工艺下综合力学性能最优，低温Akv介于25~28 J，强度介于1021~1057MPa，但是材料综合性能无法满足零件技术要求。
(2)适当提高合金元素Mn含量的优化设计样品2，通过采用870~890"淬火/水冷+550~560"回火/水冷热处理工艺下，综合力学性能有所提高，低终轧温度控制在830"，卷取温度控制600"，高Ti 低合金力学性能控制最为稳定，性能波动小，金相组织检验晶粒度均匀稳定，并且比原低合金成分体系体系降低成本30元/吨。
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温Akv介于25~35J，强度介于1046~1082MPa，材料综合性能可以满足零件技术要求，但是综合力学性能富余量不大。
(3)采用微合金Ti处理的样品可以适用于更高的淬火加热温度而不使晶粒长大，可以获得更高强度、更优的低温冲击韧性。材料在890~900"淬火/水冷、550~560"回火/水冷的热处理工艺下，综合力学性能最优，低温Akv大于40J，强度大于1100 MPa，满足风电用高强螺栓的力学性能要求。
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心〈金属材料及热处理〉心-37-
豫公网安备41160202000603
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