摘 要:采用對鋼板縱向和橫向不同位置進(jìn)行力學(xué)性能測試和金相檢驗(yàn)的方法,分析了超快冷工 藝下低合金 Q355B鋼板的性能均勻性,驗(yàn)證了工藝的可靠性。結(jié)果表明:鋼板頭部的強(qiáng)度和韌性略 高,但鋼板的屈服強(qiáng)度同板差≤40MPa,抗拉強(qiáng)度同板差≤19MPa,斷后伸長率同板差≤4.0%,沖擊 韌性同板差≤35J,鋼板具有較好的性能均勻性;鋼板上、下表面的顯微組織存在差異性,說明上、下表 面冷卻能力不同,需要增加下集管流量以對下表面換熱能力進(jìn)行補(bǔ)償,使厚度方向冷卻均勻。

關(guān)鍵詞:超快速冷卻;Q355B鋼;力學(xué)性能;均勻性;顯微組織

中圖分類號:TG131 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)07-0010-03

新一代多功能中厚板軋后冷卻技術(shù)以超快冷工 藝為代表,其采用射流沖擊換熱設(shè)計(jì)[1],綜合了析出 強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化等多種強(qiáng)化手 段[2],充分挖掘熱軋及冷卻過程的工藝潛力,可以用 節(jié)約型合金成分設(shè)計(jì)以及減量化制造方法的方式生 產(chǎn)具有良好力學(xué)性能及使用性能的板帶鋼產(chǎn)品,對 于實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、提升產(chǎn)品使用性能、推動熱軋產(chǎn)品 綠色化生產(chǎn)具有重大作用[3-4]。目前,很多中厚板生 產(chǎn)線的水冷鋼板比例已經(jīng)超過70%,但水冷鋼板同 板強(qiáng)度差較大,有的品種鋼板頭、中、尾強(qiáng)度差甚至 超過100MPa,影響了產(chǎn)品質(zhì)量[5],確保水冷鋼板的 性能均勻也成為超快冷技術(shù)的開發(fā)重點(diǎn)[6-10]。為確 保鋼板在超快速冷卻條件下能夠獲得良好的冷卻均 勻性,從集管本體設(shè)計(jì)及其排布形式、殘余水清除措 施、鋼板上下表面均勻性控制方法以及輥道速度設(shè) 定等方面進(jìn)行了調(diào)試。筆者以低合金 Q355B 鋼為 測試對象,分析了超快冷工藝下鋼板的性能均勻性, 驗(yàn)證了工藝的可靠性并提出了改進(jìn)方向。

1 試驗(yàn)材料與方法

以厚度為20mm 的低合金 Q355B鋼為測試對 象,開水集管組數(shù)為4組,冷卻速率為39 ℃/s,頭尾不遮蔽,板寬邊部遮蔽,側(cè)噴和吹掃全開。分別取板 縱向的頭、中、尾部位,鋼板橫向邊部和中間不同位 置制備試樣,進(jìn)行力學(xué)性能測試和顯微組織分析,不 同取樣位置如圖1所示。

根據(jù) GB/T1591—2018 《低 合 金 高 強(qiáng) 度 結(jié) 構(gòu) 鋼》,Q355B鋼的拉伸試樣為全截面矩形,名義加工 寬度為30mm,分別對鋼板縱向和橫向不同位置的 試樣 進(jìn) 行 加 工,采 用 橫 梁 位 移 控 制 方 法[11],在 WAW-600型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試。沖擊試樣為 縱向 KV2 型,尺 寸 為 10 mm×10 mm×55 mm (長×寬×高)。測試前確保試樣加工面和軋制面的 表面 質(zhì) 量 完 好。 將 試 樣 加 工 成 截 面 尺 寸 為 20mm×10mm(長×寬)的小樣,磨制其縱向截面, 在厚度不同的位置進(jìn)行顯微組織觀察[12]

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋼板不同位置強(qiáng)度和塑性均勻性

2.1.1 鋼板縱向

在鋼板縱向,即長度方向,取頭、中、尾不同位置 的試樣進(jìn)行拉伸測試,結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明: 鋼板縱向頭部抗拉強(qiáng)度和上屈服強(qiáng)度略高于中、尾 部,尤其是上屈服強(qiáng)度差異較明顯,這可能與鋼板頭 部在軋制時溫度下降較快有關(guān)。采用最大值減去最 小值方法計(jì)算鋼板的力學(xué)性能極差,可得上屈服強(qiáng) 度極差為40 MPa,抗拉強(qiáng)度極差為 19MPa,斷后 伸長率極差為4%。從上述極差可以看出:該工藝 下所得的鋼板縱向強(qiáng)度和塑性均勻性較好。

2.1.2 鋼板橫向

鋼板橫向(寬度方向)不同位置的拉伸測試結(jié)果 如圖3所示。結(jié)果表明:鋼板橫向上屈服強(qiáng)度極差 為16MPa,抗拉強(qiáng)度極差為14MPa,斷后伸長率極 差為3%,強(qiáng)度和塑性均勻性好。軋制過程中,軋件 邊部和中間部分的冷卻條件有一定的差異,冷卻速 率不同。通常邊部溫度比中間部分低,溫度差可以達(dá)到60~80 ℃。邊部遮蔽技術(shù)是在層流冷卻系統(tǒng) 設(shè)置擋水裝置,通過對鋼板邊部一定范圍進(jìn)行遮蔽, 使精軋機(jī)軋出的帶鋼橫向溫度均勻分布[13]。進(jìn)入 冷卻段,采用邊部遮蔽作用,可以提高板寬方向的性 能均勻性。

2.2 鋼板不同位置沖擊韌性的均勻性

分別在鋼板縱向的板頭、板中和板尾,鋼板橫向 (板寬方向)的板中、板寬1/4和板邊處取樣,并制備 沖擊試樣,試樣為 V 型缺口,采用全自動擺錘沖擊 試驗(yàn)機(jī)在20℃下進(jìn)行沖擊試驗(yàn),鋼板不同位置的沖 擊韌性測試結(jié)果如表1所示?？梢钥闯鲣摪蹇v向頭 部的沖擊韌性略高于中部和尾部,極差為35J;鋼板 橫向沖擊韌性的極差為8J。

2.3 鋼板厚度方向組織的均勻性

板帶在冷卻過程中,上、下表面冷卻速率較高, 溫度較低;心部冷卻速率較低,溫度較高。從表面到 心部的溫度梯度與邊界條件及材料的熱傳導(dǎo)性有 關(guān)。以板帶鋼厚度中心線為對稱線,維持板帶上、下 表面到心部的溫度分布互相對稱,可以防止板帶發(fā) 生翹曲。實(shí)際上,板帶上、下表面的冷卻條件不同, 上表面積水排出需要一定的時間,積水和鋼板的熱 交換又與沸騰狀態(tài)有關(guān);下表面水噴射到鋼板表面 后會離開鋼板而散落下來。為了達(dá)到相同的冷卻效果,需要在鋼板的下表面采用更大的冷卻水量[13], 上、下冷卻水的體積比為1∶1.2。

在鋼板中心位置取樣,用3%(體積分?jǐn)?shù))的硝 酸酒精溶液侵蝕后,用光學(xué)顯微鏡觀察厚度方向上 不同位置的顯微組織,即上、下表層、板寬1/4處和 心部,取樣位置如圖4所示。

鋼板厚度方向不同位置金相檢驗(yàn)結(jié)果如表2所 示,其顯微組織形貌如圖5所示,將冷卻面及其附近 出現(xiàn)的鐵素體細(xì)晶粒層或非鐵素體+珠光體組織定 義為過冷層,用表層產(chǎn)生的過冷層厚度和組織的對 稱性判斷厚度方向的冷卻均勻性。結(jié)果表明:上表層過冷層厚度約為5 mm,顯微組織為鐵素體+粒 狀貝氏體;下表層過冷層厚度約為0.47mm,顯微組 織為鐵素體+粒狀貝氏體+珠光體;板寬上1/4處 的顯微組織為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體,板寬 下1/4處的顯微組織為鐵素體+珠光體;心部區(qū)域 的顯微組織為鐵素體+珠光體。上表層的鐵素體晶 粒較細(xì)小,過冷組織產(chǎn)物中粒狀貝氏體較多,證明 上冷卻面的冷卻速率較下冷卻面快,上、下冷卻面 的不均勻性在板形不良上也有所體現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)鋼 板上、下 冷 卻 面 的 對 稱 換 熱,需 要 增 加 下 集 管 流 量,調(diào)整上、下 冷 卻 水 的 體 積 比,對 下 表 面 換 熱 能 力進(jìn)行補(bǔ) 償,實(shí) 現(xiàn) 厚 度 方 向 的 冷 卻 均 勻 性。性 能 的變化是過 冷 層 厚 度、顯 微 組 織 和 晶 粒 尺 寸 相 互 協(xié)調(diào)的結(jié)果。

3 結(jié)論

(1)鋼板的屈服強(qiáng)度同板差≤40 MPa,抗拉強(qiáng) 度同板差≤19 MPa,斷后伸長率同板差≤4.0%,沖 擊韌性同板差≤35J,鋼板具有較好的性能均勻性。

(2)鋼板頭部有限進(jìn)入冷卻區(qū),過冷度大,組織 細(xì)小,力學(xué)性能較好。

(3)鋼板尾部溫度下降幅度大,低溫軋制后進(jìn) 入冷卻區(qū),開冷溫度低,冷卻時鋼板尾部已發(fā)生相 變,未能得到過冷組織。

(4)鋼板上、下過冷層的厚度、表層組織和鐵素 體晶粒度均存在差異,板厚中心晶粒度不對稱,說明 上、下表層的冷卻能力不同。上表層的鐵素體晶粒較 細(xì)小、過冷層厚且過冷組織中粒狀貝氏體較多,說明 上表面冷卻速率較快,上、下冷卻水體積比需要進(jìn)一 步調(diào)試。

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<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊>58卷>7期(pp:10-12)>