高強(qiáng)度Q550D鋼板的研制及熱處理工藝優(yōu)化

張 軍 李肅龍 朱曉麗 高 軍

(1.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司薄板坯連鑄連軋廠，內(nèi)蒙古包頭 014010；2.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司銷售分公司，內(nèi)蒙古包頭 014010)

高強(qiáng)度Q550D鋼板的研制及熱處理工藝優(yōu)化

張 軍1李肅龍2朱曉麗1高 軍1

(1.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司薄板坯連鑄連軋廠，內(nèi)蒙古包頭 014010；2.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司銷售分公司，內(nèi)蒙古包頭 014010)

工程機(jī)械用低成本高強(qiáng)度Q550D鋼板已研制成功。研究了Q550D鋼板的顯微組織、力學(xué)性能和回火工藝。研究結(jié)果表明，隨著鋼板厚度的增加，其組織也發(fā)生變化，由回火貝氏體加少量鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w加少量鐵素體和少量珠光體。Q550D鋼板的屈服強(qiáng)度達(dá)600 MPa以上，抗拉強(qiáng)度達(dá)700 MPa以上，斷后伸長率大于18%，-20 ℃低溫沖擊吸收能量大于120 J。熱軋后的Q550D鋼板應(yīng)在650 ℃左右回火。

Q550D鋼板 軋制 寬厚板 回火

隨著技術(shù)革新和工業(yè)進(jìn)步，工程機(jī)械向著大型化、輕量化、高效化發(fā)展，對工程機(jī)械用鋼的強(qiáng)度、低溫韌性、抗疲勞性能、耐腐蝕性能、冷成形性能以及可焊接性能等提出了更高的要求[1- 3]。Q550D鋼是一種微合金低碳貝氏體鋼，具有強(qiáng)度高,韌性好,耐磨,耐腐蝕,低溫韌性,加工性能和焊接性能優(yōu)良等特點，廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、煤礦機(jī)械、造船和鋼結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域[4- 6]。但由于對Q550D鋼板的性能要求高，加之Q550D鋼板在生產(chǎn)過程中板形難以控制，生產(chǎn)穩(wěn)定性較差，目前國內(nèi)只有少數(shù)技術(shù)較先進(jìn)的鋼鐵企業(yè)能穩(wěn)定供應(yīng)Q550D鋼板[7- 10]。

本文介紹了采用TMCP軋制(熱機(jī)械軋制)和回火工藝制備的高強(qiáng)度工程機(jī)械用Q550D鋼板的化學(xué)成分、顯微組織和力學(xué)性能等。

1 技術(shù)條件與成分和工藝設(shè)計

1.1 技術(shù)條件

根據(jù)GB/T 1591—2008低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的規(guī)定，高強(qiáng)度Q550D鋼板的化學(xué)成分列于表1，力學(xué)性能要求見表2。

表1 Q550D鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the Q550D steel (mass fraction) %

表2 Q550D鋼板的力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical property requirements for the Q550D steel plate

1.2 成分設(shè)計

低碳貝氏體鋼是近年來發(fā)展起來的新型鋼種，具有優(yōu)異的焊接性能，高的強(qiáng)度和韌性，還具有節(jié)省合金資源、生產(chǎn)成本低等特點。因此，包鋼高強(qiáng)度Q550D鋼板的設(shè)計組織為低碳貝氏體。

降低碳含量可顯著提高奧氏體相變溫度，有利于低碳貝氏體鐵素體的形成，有效減少偏析，確保厚板組織的均勻性，故只添加0.08%～0.10%C(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。此外，還要添加1.60%～1.80%Mn，以彌補(bǔ)由于降低碳導(dǎo)致的強(qiáng)化效果的損失。但是錳添加過量會引起鋼的錳偏析而造成M/A 組織的產(chǎn)生。

由于采用低碳的設(shè)計思路，而且添加的鈮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%～0.07%，因此減少了碳氮化鈮的形成，從而提高了奧氏體中鈮的含量。固溶鈮量的增加提高了再結(jié)晶溫度，從而可實現(xiàn)高溫軋制，保證了高溫時奧氏體的充分再結(jié)晶，改善了非再結(jié)晶區(qū)的高溫控軋效果。通過實現(xiàn)高溫大壓下，保證了厚鋼板心部組織的細(xì)化。

鉻、鉬的添加是必要的，能增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，提高鋼的淬透性，改善鋼的綜合力學(xué)性能。本文試驗添加了0.01%～0.30%Mo，0.20%～0.40%Cr。為了改善該鋼的焊接性能，加入了0.010%～0.020%Ti。為了增強(qiáng)析出強(qiáng)化的效果，加入了0.04%～0.07%V。

對有害元素P、S含量提出了嚴(yán)格的限定，以提高鋼水的潔凈度，改善鋼板的力學(xué)性能。

1.3 工藝流程設(shè)計

Q550D低碳貝氏體鋼的組織是通過TMCP和回火控制的。通過成分設(shè)計和冶煉、連鑄、軋制工藝設(shè)計，為奧氏體晶粒內(nèi)的針狀鐵素體形成創(chuàng)造條件。針狀鐵素體的形成將奧氏體分割成若干區(qū)域，在隨后的板條貝氏體相變中，被分割的奧氏體限制了板條束的長大，從而得到均勻細(xì)小的組織。另外通過回火工藝設(shè)計可進(jìn)一步均勻和細(xì)化組織。采用低碳成分設(shè)計并配以微合金技術(shù)，通過TMCP和回火生產(chǎn)的工程機(jī)械鋼板具有鋼質(zhì)潔凈、強(qiáng)韌性好、沖擊韌性和焊接性能良好等優(yōu)點。

軋制方面，采用優(yōu)化的鑄坯加熱工藝，精確控制鋼坯的加熱溫度和均熱時間，實現(xiàn)在鑄坯長度、寬度和厚度方向的溫度均勻一致。加熱溫度控制在1 180～1 250 ℃，保證碳化鈮充分溶解，使其在隨后的軋制過程中析出，以阻止奧氏體晶粒長大。

采用控軋控冷工藝軋制確保組織和晶粒均勻。軋制時加大粗軋道次變形量，嚴(yán)格控制精軋道次的變形量。粗軋始軋溫度為1 160～1 200 ℃，單道次相對壓下率至少有兩道以上控制在25%～40%，確保鋼板心部具有充分的變形量，防止奧氏體晶粒不均勻，為后續(xù)加工做組織準(zhǔn)備。精軋始軋溫度≤950 ℃，至少有兩道壓下率>20%，末道次壓下率控制在10%以上，以增加相變時鐵素體的形核率，確保晶粒細(xì)化效果。軋后鋼板采用控制冷卻，終冷溫度≤700 ℃，以獲得細(xì)小的貝氏體加少量鐵素體組織。

結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實際，確定回火溫度為600～700 ℃，保溫時間根據(jù)鋼板厚度確定。

包鋼寬厚板線生產(chǎn)的工程機(jī)械用Q550D鋼板的生產(chǎn)工藝流程為：

鐵水預(yù)處理→鐵水脫硫→頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→RH真空循環(huán)脫氣→連鑄→加熱→除鱗→粗軋→精軋→矯直→冷卻→切割→拋丸→回火→檢驗。

包鋼寬厚板生產(chǎn)線高強(qiáng)度Q550D鋼的成分列于表3。

表3 Q550D高強(qiáng)度鋼的設(shè)計成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 Specified chemical composition of the Q550D steel (mass fraction) %

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 鋼板的顯微組織

分別從軋制態(tài)和回火態(tài)鋼板上取樣，磨制金相試樣并拋光后用4%硝酸酒精浸蝕。對兩種狀態(tài)試樣的顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，Q550D鋼板軋制態(tài)組織主要是低碳貝氏體，回火態(tài)組織為回火貝氏體。對于軋制態(tài)厚板而言，其心部主要為粒狀貝氏體加少量鐵素體、珠光體，部分顯微組織如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可見， 16 mm厚板的軋制態(tài)組織主要是低碳貝氏體加少量鐵素體；80 mm厚板的軋制態(tài)組織主要為粒狀貝氏體加少量鐵素體和少量珠光體，說明隨著鋼板厚度的增加，鋼板心部的冷卻速率下降，組織也發(fā)生了變化。鋼板回火后的組織主要是回火貝氏體加少量鐵素體，厚規(guī)格鋼板的心部珠光體發(fā)生了分解，為回火后鋼板力學(xué)性能的改善提供了保障。

圖1 16 mm(a)和80 mm(b)厚的軋制態(tài)Q550D鋼板1/2厚度處的顯微組織Fig.1 Microstructures at half thickness of as- rolled (a) 16- mm- and (b)80- mm- thick Q550D steel plates

圖2 16 mm(a)和80 mm(b)厚的回火態(tài)Q550D鋼板1/2厚度處的顯微組織Fig.2 Microstructures at half thickness of as- tempered (a)16- mm- and (b) 80- mm- thick Q550D steel plates

2.2 鋼板的力學(xué)性能

目前，包鋼Q550D鋼板的銷量逾21萬t，高強(qiáng)度工程機(jī)械用Q550D鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)600 MPa以上，抗拉強(qiáng)度達(dá)700 MPa以上，斷后伸長率大于18%，-20 ℃沖擊吸收能量大于120 J，各項性能指標(biāo)均遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)及用戶要求。

高強(qiáng)度工程機(jī)械用Q550D鋼板的力學(xué)性能不僅符合GB/T 1591—2008要求，而且裕量合適，性能穩(wěn)定。首先，在加熱過程中，Nb、V的加入可以阻止奧氏體晶粒長大。隨著加熱溫度的提高及保溫時間的延長，奧氏體晶粒將趨粗大，而粗大的奧氏體對鋼板的加工性能及細(xì)化鐵素體不利。彌散的Nb、V的碳、氮化物能固定奧氏體晶界，阻礙奧氏體晶界的遷移，亦即阻止奧氏體晶粒長大，從而提高了鋼板的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率。同時Ti的加入固定了雜質(zhì)元素O、N，形成的TiN、TiO更有利于晶粒的細(xì)化，還抑制加熱時奧氏體晶粒長大。其次，Nb的加入有明顯的強(qiáng)化作用。含Nb微合金鋼一般采用兩段控軋工藝，即高溫再結(jié)晶區(qū)軋制和低溫未再結(jié)晶區(qū)軋制。由于Nb的加入抑制了鋼的再結(jié)晶，使含Nb鋼的再結(jié)晶溫度提高到了950 ℃左右，因此在再結(jié)晶區(qū)軋制盡量采用較大的道次壓下率，通過變形再結(jié)晶來細(xì)化晶粒。而在未再結(jié)晶區(qū)，Nb的加入大大提高了再結(jié)晶終止溫度，未再結(jié)晶區(qū)變形增加了鐵素體在奧氏體中的形核率，能明顯細(xì)化組織。采用ACC(層流冷卻裝置)加速冷卻，使Nb的碳氮化物析出，進(jìn)一步細(xì)化晶粒。V的加入也可細(xì)化晶粒，既提高強(qiáng)度，又改善韌性。

2.3 鋼板的冷彎性能

鋼板的冷彎性能通過冷彎試驗評定，試驗條件為彎心直徑d=3a，彎曲角度180°，試樣寬度35 mm，冷彎試驗后的試樣見圖3。

從圖3可以看出，冷彎后試樣正面、側(cè)面均無裂紋，證明所開發(fā)的高強(qiáng)度工程機(jī)械用Q550D鋼板冷成形性能良好。

圖3 冷彎試驗后的50 mm厚Q550D鋼板試樣Fig.3 50- mm- thick Q550D steel plate sample subjected to cold- bending test

2.4 回火工藝試驗

為了摸索合理的回火溫度，為用戶提供合適的焊接工藝及焊后熱處理工藝，分別對30和40 mm厚的鋼板在不同溫度回火，以獲得合適的回火溫度。試驗結(jié)果見表4、表5。

表4 經(jīng)不同溫度回火后30 mm厚Q550D鋼板的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of 30- mm- thick Q550D steel plate tempered at different temperatures

表5 經(jīng)不同溫度回火后40 mm厚Q550D鋼板的力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of 40- mm- thick Q550D steel plate tempered at different temperatures

從表4、表5可以看出，隨著回火溫度的升高，Q550D鋼板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下降，斷后伸長率和沖擊吸收能量升高。當(dāng)回火溫度達(dá)700 ℃時，鋼板的抗拉強(qiáng)度已經(jīng)不能滿足國標(biāo)要求；當(dāng)回火溫度為550 ℃時，鋼板的斷后伸長率只達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求的下限。為了使Q550D鋼板具有良好的強(qiáng)韌性，將回火溫度定為650 ℃左右。另外，本試驗發(fā)現(xiàn)，Q550D鋼板的回火溫度為550 ℃時，其沖擊吸收能量出現(xiàn)拐點，說明試制鋼板在回火溫度為550 ℃時產(chǎn)生了第二類回火脆性，因此，生產(chǎn)中應(yīng)避免在這一溫度回火。

3 結(jié)論

(1)通過添加Nb、V、Ti等合金元素及采用TMCP和回火工藝，可以得到低成本和性能優(yōu)良的高強(qiáng)度Q550D鋼板。

(2)通過控制軋制溫度和回火溫度能使Q550D鋼板達(dá)到性能要求，并且隨著鋼板厚度的增加，其組織也發(fā)生變化，由回火貝氏體加少量鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w加少量鐵素體和少量珠光體，為鋼板力學(xué)性能的改善提供了保障。但是要避免回火溫度過高和過低，回火溫度以650 ℃左右為宜。

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收修改稿日期：2017- 03- 21

DevelopmentofHighStrengthQ550DSteelPlateandOptimizationofitsHeatTreatmentProcess

Zhang Jun1Li Sulong2Zhu Xiaoli1Gao Jun1
(1. CSP Plant of Inner Mongolia Steel Union Co.,Ltd.,of Baotou Steel (Group) Corp., Baotou Nei Monggol 014010, China; 2. Sale Company of Inner Mongolia Steel Union Co., Ltd., of Baotou Steel (Group) Corp., Baotou Nei Monggol 014010, China)

A low cost high strength Q550D steel plate for engineering mechanism has been developed successfully. The microstructure, mechanical properties and tempering process of the Q550D steel plate were investigated. The results showed that as the plate became thicker, its microstructures changed from tempered bainite plus a small amount of ferrite to granular bainite plus a small amount of ferrite and pearlite. As to the mechanical properties of the Q550D steel plate, the yield strength reached higher than 600 MPa, the tensile strength reached higher than 700 MPa, the elongation was above 18%, and the impact toughness at -20 ℃ was as high as above 120 J. The hot- rolled Q550D steel plate should be tempered at about 650 ℃ to obtain better properties.

Q550D steel plate，rolling，wide heavy steel plate，tempering

張軍，男，碩士，工程師，主要從事金屬材料的研究，Email: 502313911@qq.com