王勇胜 李道志

(东北特钢集团，辽宁116105)

Q345D钢是一种含有少量合金元素的低合金高强度钢，由于其具有耐腐蚀、耐低温性能，并且具有良好的加工工艺性能、焊接工艺性能和其它特殊性能，被广泛应用于化工、石油、船舶、锅炉、压力容器等领域[1]。

某公司生产的以正火状态交货的∅210 mm Q345D锻造圆钢，经检验后力学性能指标总体偏低，经调整正火工艺后仍不能达到标准要求。为此，对钢材化学成分、非金属夹杂物分布、显微组织等进行分析，找出了力学性能指标偏低的原因并提出改进措施，用以指导实际生产。

1 试验材料及生产方法

1.1 Q345D圆钢的锻造过程为：高炉铁水→转炉+LF+VD+模铸→钢锭加热→16 MN精锻机锻造→正火→检验→精整。

1.2 Q345D圆钢化学成分要求值见表1，其力学性能指标见表2。

表1 Q345D钢要求的化学成分 (质量分数,%)Table 1 Required Chemical composition of Q345D steel (mass fraction,%)

表2 Q345D钢力学性能要求值Table 2 Required mechanical properties of Q345D steel

1.3 锻造工艺

模铸钢锭加热温度为1 170～1 210℃，始锻温度为1 080～1 200℃，终锻温度为800～900℃，锻造比为5.75。

1.4 锻后热处理

锻后正火，正火温度为900℃±10℃，空冷。由于力学性能检测值偏低，重新进行正火处理，温度900℃±10℃，雾冷。

2 试验结果

2.1 化学成分和力学性能

Q345D锻造圆钢的化学成分实测值见表3。力学性能检验值见表4。

从表4结果可知，即使是重新热处理后，性能值仍偏低。

2.2 实际晶粒度

正火后从钢材上取样，经砂纸打磨、抛光后，用4%硝酸酒精溶液腐蚀，测得其实际晶粒度为7.5级，100倍下晶粒形貌见图1。

2.3 显微组织

正火后从钢材上取样，经砂纸打磨、抛光后，用4%硝酸酒精溶液腐蚀，其100倍、500倍显微组织形貌见图2、图3。

2.4 非金属夹杂物

按GB/T10561—2005要求检验钢中非金属

夹杂物，其结果见表5。

图1 晶粒形貌100× 图2 显微组织100×图3 显微组织500×

Figure 1 Actual grain size,100×Figure 2 Microstructure 100×Figure 3 Microstructure 500×

表3 Q345D钢化学成分实测值(质量分数，%)Table 3 Measured chemical composition of Q345D steel (mass fraction, %)

表4 Q345D钢力学性能检测值Table 4 Measured mechanical properties of Q345D steel

表5 钢中非金属夹杂物Table 5 Nonmetallic inclusions of the steel

表6 钢材低倍组织Table 6 Macrostructure of the steel

2.5 低倍组织

从钢材端部取样，按GB/T1979—2001要求检验钢材低倍组织，其结果见表6。

3 结果分析与讨论

3.1 根据表1化学成分分析结果可知，钢材化学成分表现为Si、Mn含量偏低。作为合金含量不高的Q345D钢，C、Mn、Si是主要的强化元素，Si、Mn含量偏低是造成抗拉强度、屈服强度低的内在原因之一。

3.2 Q345D钢为低合金高强度钢。为提高综合性能，对冶炼相关化学成分及细化晶粒元素做了控制。除主要元素外，冶炼中还控制了V、Nb、Ti、Al含量(见表1)。

这四种元素均为细化晶粒元素，目的在于形成细小的碳化物和氮化物(或碳氮化合物)，其质点钉扎在晶界处，在加热过程中阻止奥氏体晶粒的长大，从而细化晶粒，提高钢材综合性能。理论上讲，几种元素的复合作用高于某一元素的单一作用。但由于元素特性，加入钢中的Ti除形成弥散的TiC颗粒，成为形核中心外，还易于形成大颗粒的TiN夹杂，图2箭头所示处即为100倍下呈金红色的TiN颗粒。根据GB/T10561—2005，D类夹杂物粗系、细系均为0.5级。在受到拉应力的作用下，此类的大颗粒夹杂受到尖端作用的影响，易于形成裂纹源，导致钢材提前断裂，表现为抗拉强度不足。此外，曾有研究指出，在钢中的Ti含量大于0.02%后，钢的低温冲击韧性急剧下降[2]，这也是钢低温冲击不合的重要因素。

对于加入钢中的Nb，完全固溶温度较高，要使Nb充分发挥其强化的特点，首先必须固溶于γ-Fe中。通常含铌钢需加热到1 200℃，均热2 h后绝大部分的铌可固溶于奥氏体中，从而达到细化奥氏体晶粒的目的。一般情况下，Nb的加入量在0.05%以下，Nb含量大于0.03%时，强化效果就开始降低，高于0.05%的Nb对强韧化的贡献将不再明显。当Nb含量大于0.06%时,多余的Nb对钢将不再有强化作用[3]。

3.3 通过对钢材高倍组织的观察，显微组织为铁素体+珠光体，珠光体分布不均匀，成块状集结，且没有明显的取向关系，这就造成钢材性能各向异常。出现这种组织主要是由于钢材锻造正火不均匀所致。

4 结论

4.1 钢中Si、Mn含量偏低是造成抗拉强度、屈服强度低的内在原因之一。

4.2 Ti含量控制不理想，大颗粒的TiN易造成材料提前失稳。

4.3 钢锭均热温度偏低，使微合金元素固溶不完全，没有发挥完全作用。

4.4 锻后正火不均匀，造成各向性能不均匀且不稳定。

5 改进措施

5.1 将钢中的Si含量提高至0.25%～0.35%，Mn含量提高至1.40%～1.60%。从成分上强化机体，发挥Mn元素对冲击韧性的有益作用。

5.2 采用Nb、V复合强化代替V、Nb、Ti、Al复合强化，避免大颗粒TiN夹杂。为细化操作，Nb含量控制在0.01%～0.04%， V控制在0.04%～0.08%。

5.3 均热温度控制在1 190～1 220℃，以利于微合金元素的固溶，并且终锻温度控制在850℃以下。

5.4 为使锻后正火均匀化，采用多台风机强制冷却或有效雾冷。

[1] 周许，王立新，胡建成，陈涛，徐玉贵. 提高低合金高强度钢Q345D低温冲击功的工艺研究.大型铸锻件，2011(1).

[2] 李国忠、曹红福、惠荣、高德漫. 钛铝含量对低合金高强度钢Q345D低温韧性的影响.特殊钢，2002，23(1).

[3] 韩孝永. 铌、钒、钛在微合金钢中的作用.宽厚板, 2006，12(1).