工程機(jī)械用Q550E熱軋卷板的研制

供稿|閔洪剛，趙科 / MIN Hong-gang, ZHAO ke

Q550E鋼屬抗拉強(qiáng)度70 kg級高強(qiáng)鋼，主要應(yīng)用于工程機(jī)械、重型汽車等結(jié)構(gòu)上。隨著工程機(jī)械向大型化、輕量化及重載荷等方向的發(fā)展，焊接高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼的強(qiáng)度級別、使用比例和質(zhì)量要求也在不斷的提高。Q550E鋼不僅要求在滿足高強(qiáng)度的前提下還要保證-40 ℃的低溫沖擊性能，通常為滿足上述強(qiáng)韌性要求鋼中需添加Mo、Ni等貴重合金。為適應(yīng)工程機(jī)械發(fā)展的需求，本鋼采用低碳、鈮鈦微合金化和適當(dāng)?shù)目剀埧乩浼夹g(shù)，充分利用Nb、Ti等細(xì)化晶粒和沉淀 強(qiáng)化效應(yīng)，不添加Mo、Ni等貴重合金，在成功開發(fā)了Q550D的基礎(chǔ)上進(jìn)行了更高級別的Q550E的研制開發(fā)。

技術(shù)要求

Q550E熱軋卷板的力學(xué)性能和化學(xué)成分要求見表1、表2。

為了更好的滿足工程機(jī)械行業(yè)的需求，Q550E熱軋卷板不僅要滿足高強(qiáng)度的要求，還要求保證-40 ℃的低溫沖擊韌性和焊接性能的要求，較厚規(guī)格卷板由于組織細(xì)化難度加大，使強(qiáng)韌性的矛盾更加突出。

成分設(shè)計(jì)

采用低碳、高錳、Nb、Ti復(fù)合微合金化，不添加Mo、Ni等貴重元素，降低合金成本，采用低 的硫含量，精煉進(jìn)行鈣處理以便硫化物的球化。充分利用微合金元素Nb、Ti等細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化的作用，提高強(qiáng)度、韌性和焊接性能，主要成分控制如下。

C：C含量范圍要求0.040%～0.070%，低的C含量可提高鋼板的低溫韌性和焊接性能。

Mn：Mn含量要求1.50%～1.80%，通過固溶強(qiáng)化提高強(qiáng)度，補(bǔ)償因碳含量降低而造成的強(qiáng)度損失，Mn可提高奧氏體的穩(wěn)定性，抑制奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，降低Ar3相變溫度，細(xì)化鐵素體晶粒，還可降低析出碳化物的尺寸，強(qiáng)化析出強(qiáng)化效應(yīng)。

Nb：Nb可提高再結(jié)晶溫度[1]，在控軋奧氏體變形過程中通過推遲再結(jié)晶而產(chǎn)生晶粒細(xì)化，是最顯著的晶粒細(xì)化元素。因析出強(qiáng)化造成的韌性損失可通過晶粒細(xì)化得到改善，從而使卷板具有高強(qiáng)韌性的綜合性能。

Ti：由于鈦合金化成本較低，Ti不但可細(xì)化奧氏體晶粒，通過TiC的析出還可大幅度的提高強(qiáng)度， 因此Q550E采用的是高鈦鋼。

S及硫化物形態(tài)控制：S含量越低越好，生產(chǎn)要求不大于0.003%，并進(jìn)行鈣處理使硫化物球化，使Q550E具有高的沖擊韌性和冷彎性能。

表1 Q550E的力學(xué)性能

表2 Q550E的化學(xué)成分范圍（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

關(guān)鍵工藝控制

Q550E熱軋卷板的生產(chǎn)工藝流程：鐵水預(yù)處理脫硫→180 t轉(zhuǎn)爐冶煉→RH+LF（進(jìn)行Ca質(zhì)處理）精煉→寬板坯連鑄→步進(jìn)式加熱爐加熱→2300機(jī)組控軋控冷→卷取→取樣檢驗(yàn)→包裝出廠。

冶煉工藝

由于Ti易和O、N、S形成化合物，Q550E冶煉控制的關(guān)鍵是提高鋼水的潔凈度，得到O、N、S含量較少的潔凈鋼水，從而保證形成TiC的有效Ti含量的穩(wěn)定。Ti與O的親和力很強(qiáng)，鋼液必須用鋁充分脫氧后，才能加入Ti。Q550E采用RH+LF爐精煉工藝，并進(jìn)行Ca質(zhì)處理，化學(xué)成分控制情況見表3。從表3可見碳當(dāng)量和焊接裂紋敏感性指數(shù)均較低，表明鋼板具有良好的焊接性能。

表3 3爐鋼化學(xué)成分平均值（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

軋制工藝

軋制工藝要點(diǎn)：（1） 選擇合適的加熱溫度，不同的加熱溫度影響鈮和鈦碳氮化物的固溶析出量；（2） 增加中間坯厚度，盡可能降低入精軋機(jī)組的溫度，增加未再結(jié)晶區(qū)的累積變形量，細(xì)化奧氏體晶粒從而細(xì)化鐵素體晶粒；（3） 選擇合適的冷速和卷取溫度，使Q550E獲得細(xì)化的組織和析出相。

主要軋制溫度見表4。

為充分發(fā)揮細(xì)晶、析出和相變強(qiáng)化機(jī)制，工藝參數(shù)的選擇對鋼板的力學(xué)性能具有很大影響。生產(chǎn)中必須嚴(yán)格控制的工藝參數(shù)有：加熱溫度、道次變形量、精軋的終軋溫度、冷速及卷取溫度。其中加熱溫度和卷取溫度對鋼的性能有顯著的影響。

表4 主要軋制溫度 ℃

◆加熱溫度

Q550E是以析出強(qiáng)化為主的高Ti鋼，其高強(qiáng)度主要源于TiC、NbC等析出物，為使鑄坯中已經(jīng)存在的大部分Nb和Ti的C，N化物再度固溶，使鑄坯保持較高的Nb和Ti的固溶量，為此選擇了1240 ℃的較高加熱溫度，Nb和Ti的析出相隨后在軋制和卷取過程中析出，起細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化作用。通過高Ti鋼的生產(chǎn)實(shí)踐看，加熱溫度對強(qiáng)度影響較大，加熱溫度偏低往往是造成拉伸強(qiáng)度偏低的主要原因。

◆卷取溫度

Q550E在冷卻和卷取過程中，產(chǎn)生以下三種組織轉(zhuǎn)變[2]：（1）Nb和Ti的析出相在鐵素體晶界和晶粒內(nèi)位錯(cuò)析出，產(chǎn)生析出強(qiáng)化；（2）鐵素體晶粒的回復(fù)和長大使強(qiáng)度下降；（3）析出相粒子非共格化、長大和聚集，對位錯(cuò)移動的阻礙作用減弱使強(qiáng)度下降。

卷取溫度的選擇必須兼顧上述三種轉(zhuǎn)變過程，即不能高也不能過低，較高的卷取溫度，如630 ℃時(shí)，過程（2）和（3）將占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致強(qiáng)度下降；過低的卷曲溫度，如500 ℃時(shí)，過程（2）和（3）很弱或不發(fā)生，由于動力學(xué)的原因過程（1）不能進(jìn)行完畢，Nb、Ti化物的析出被“凍住”而消弱了析出強(qiáng)化效果。因此，確定析出的最佳溫度和獲得較多的非多邊形鐵素體，才能綜合發(fā)揮各強(qiáng)化機(jī)制的作用，大量的研究結(jié)果和生產(chǎn)實(shí)踐表明，600 ℃左右的卷取溫度是析出的最佳溫度。

結(jié)果與分析

力學(xué)性能和工藝性能

試生產(chǎn)的8批Q550E力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表5。

通過表5可見，Q550E各項(xiàng)性能指標(biāo)完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求，并有充分的富裕量。

表5 Q550E的力學(xué)性能

系列沖擊試驗(yàn)

為全面了解Q550E卷板的韌性水平，對Q550E卷板進(jìn)行了系列沖擊試驗(yàn)。圖1為厚度10.0 mm的Q550E系列沖擊功曲線，采用的是7.5 mm×10 mm×55 mm的試樣，通過圖1可見縱向沖擊功高于橫向，橫向-60 ℃沖擊功仍可達(dá)31 J的標(biāo)準(zhǔn)值以上，表明Q550E具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性。

冷彎性能試驗(yàn)

對厚度10.0 mm的Q550E熱軋鋼帶進(jìn)行了180°的橫向彎曲試驗(yàn)，冷彎試驗(yàn)的試樣寬度為50 mm，彎心直徑d=a，結(jié)果合格，見圖2，表明Q550E熱軋鋼帶還具有優(yōu)良的冷彎性能。

Q550E熱軋鋼帶具有優(yōu)良的冷彎性能與鋼中具有低的硫含量，以及硫化物得到了充分球化有關(guān)，從夾雜檢驗(yàn)結(jié)果看A類夾雜均為0級（表6），反映硫化物得到了良好的控制。

圖1 Q550E系列沖擊功曲線

圖2 冷彎試驗(yàn)結(jié)果

金相組織和夾雜檢驗(yàn)

表6為Q550E金相檢驗(yàn)結(jié)果，圖3為Q550E金相組織照片，Q550E是以鐵素體加貝氏體加少量的珠光體為基體組織，鐵素體的晶粒度為12級，晶粒比較均勻、細(xì)小，A類硫化物夾雜為0級，表明成分和軋制工藝設(shè)計(jì)是合理的，冷卻速率比較合理，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表6 Q550E金相檢驗(yàn)結(jié)果

圖3 Q550E金相組織

用戶使用情況

2013年本鋼2300機(jī)組共生產(chǎn)厚度3.5～10 mm 的Q550E高強(qiáng)度卷板450 t，供用戶制作重型車輛底梁等結(jié)構(gòu)件，在下料、焊接等加工過程中未出現(xiàn)任何質(zhì)量問題，板形良好，質(zhì)量穩(wěn)定，用戶滿意。

結(jié)論

本鋼采用低碳、鈮鈦微合金化和適當(dāng)?shù)目剀埧乩浼夹g(shù)，充分利用Nb、Ti等細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化效應(yīng)，不添加Mo、Ni等貴重合金，成功研制開發(fā)了Q550E熱軋卷板。

Q550E熱軋卷板具有高的強(qiáng)韌性、良好的焊接和冷彎性能，可供工程機(jī)械、車輛等行業(yè)使用。

[1] 王有銘, 李曼云, 韋光. 鋼材的控制軋制和控制冷卻. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1995

[2] 沈凱, 李自剛, 溫東輝, 等. 軋制溫度制度對一種高強(qiáng)度耐候鋼性能影響研究. 寶鋼技術(shù), 2007, (2): 18