本鋼700 MPa級(jí)集裝箱用鋼的研制開(kāi)發(fā)

供稿|徐 勇，文小明

本鋼700 MPa級(jí)集裝箱用鋼的研制開(kāi)發(fā)

供稿|徐 勇，文小明

根據(jù)國(guó)際集裝箱市場(chǎng)向高強(qiáng)度、輕量化方向發(fā)展的需求，本鋼在1880 mm 薄板坯連鑄連軋機(jī)組開(kāi)發(fā)的700 MPa超高強(qiáng)集裝箱用熱軋鋼板，根據(jù)不同的奧氏體未再結(jié)晶區(qū)變形量的變化，不僅細(xì)化了晶粒，而且還提高了強(qiáng)度，并成功應(yīng)用，已形成批量生產(chǎn)能力。

目前集裝箱用鋼板在向高強(qiáng)度、輕量化方向發(fā)展。北美和歐洲出現(xiàn)了53英尺、45英尺特種集裝箱。傳統(tǒng)的20英尺和40英尺普通集裝箱采用的是345 MPa鋼級(jí)，而國(guó)內(nèi)特種集裝箱生產(chǎn)企業(yè)大多采用瑞典SSAB公司生產(chǎn)的熱軋DOMEX700MC，其屈服強(qiáng)度為700 MPa，比普通標(biāo)準(zhǔn)集裝箱整體減重約10%～13%，可大量節(jié)約運(yùn)輸成本，極有可能在近幾年內(nèi)大規(guī)模替代常規(guī)集裝箱。為替代進(jìn)口，本鋼從2006年開(kāi)始在薄板坯連鑄連軋機(jī)組研發(fā)熱軋700 MPa級(jí)集裝箱鋼并成功應(yīng)用，已形成批量生產(chǎn)能力。

工藝設(shè)計(jì)

生產(chǎn)工藝流程

工藝流程：鐵水脫S→轉(zhuǎn)爐冶煉→RH處理→LF處理→FTSC(薄板坯連鑄)→FTSR(薄板坯連軋)→取樣→機(jī)能檢驗(yàn)→包裝繳庫(kù)→發(fā)貨。

化學(xué)成分設(shè)計(jì)

近代超高強(qiáng)度鋼的發(fā)展要求降低碳含量，碳含量的降低不但有助于提高鋼的韌性，而且可顯著地改善鋼的焊接性能，因此對(duì)需要高韌性、優(yōu)良焊接性能的超高強(qiáng)集裝箱用鋼采用低碳設(shè)計(jì)。Nb是現(xiàn)代微合金超高強(qiáng)鋼中最主要的元素之一，對(duì)晶粒細(xì)化的作用十分明顯。

由于700 MPa級(jí)鋼對(duì)于強(qiáng)度的要求很高，在冶煉過(guò)程中需加入大量合金元素來(lái)提高鋼材性能，因此對(duì)于精煉處理需進(jìn)行雙工位精煉處理。通過(guò)RH真空處理，進(jìn)行脫N、O處理，提高Nb、Ti等微合金元素的利用率，并通過(guò)LF處理，降低S含量，以提高鋼材韌性。而澆鑄過(guò)程因加入合金量較大，也存在較高難度，容易造成粘結(jié)、漏鋼等問(wèn)題，通過(guò)選用專用保護(hù)渣及控制拉坯速度等工藝手段解決此類問(wèn)題。根據(jù)合金元素的作用、強(qiáng)度級(jí)別的要求，同時(shí)結(jié)合本鋼1880 mm薄板坯連鑄連軋線的冶金物理特性及生產(chǎn)工藝水平，確定了700 MPa級(jí)鋼的冶煉成分，如表1。

表1 700 MPa級(jí)集裝箱鋼冶煉化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

控制軋制工藝

此鋼種強(qiáng)度要求較高，因而控軋控冷工藝至關(guān)重要。利用本鋼FTSR流程的設(shè)備特點(diǎn)，粗軋機(jī)組軋制負(fù)荷能力大，采用高溫奧氏體再結(jié)晶區(qū)大變形量軋制，目的是破壞鑄態(tài)組織并通過(guò)二次再結(jié)晶，最終獲得晶粒度均勻的奧氏體組織；并通過(guò)快速超強(qiáng)冷卻裝置，快速降低中間坯進(jìn)入精軋的溫度，在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)增加變形量軋制，達(dá)到細(xì)化晶粒提高強(qiáng)度的要求。

在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制，采用兩種不同的試制方案。方案一為正常軋制，進(jìn)精軋F(tuán)1的溫度為980～1050 ℃之間；方案二為降低進(jìn)精軋F(tuán)1的溫度，控制在950～960 ℃左右；并分析不同工藝對(duì)組織和性能的影響。標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)及工藝性能要求見(jiàn)表2，對(duì)于終軋及卷取溫度分別設(shè)定為860、600 ℃，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程溫度控制精確，保證性能的穩(wěn)定性。

表2 700 MPa級(jí)鋼力學(xué)性能

試驗(yàn)結(jié)果及分析

變形量對(duì)顯微組織的影響

試驗(yàn)方案一和方案二(厚度以6.0 mm為例)的金相照片顯示組織為針狀鐵素體＋粒狀貝氏體，通過(guò)掃描電鏡下所觀察到在針狀鐵素體的基體上分布有少量M-A組織，但方案二的金相組織明顯比方案一細(xì)小，說(shuō)明在多晶轉(zhuǎn)變前顯微組織得到了較大程度的細(xì)化，見(jiàn)圖1及圖2。

由于奧氏體未再結(jié)晶區(qū)累積變形量增大，變形拉長(zhǎng)的奧氏體使得總的晶界面積增大、同時(shí)變形奧氏體有較大的應(yīng)變能，提高了鐵素體的形核率，相變后鐵素體晶粒細(xì)小，從而提高產(chǎn)品的強(qiáng)度和韌性。

奧氏體中碳含量的富集是形成M-A相的必要條件，在軋后鐵素體轉(zhuǎn)變過(guò)程中，由于溫度足夠高，碳可以長(zhǎng)程擴(kuò)散，隨著鐵素體的生長(zhǎng)，殘余奧氏體中的碳逐漸富集，針狀鐵素體的形成使得殘余奧氏體被侵害成細(xì)小而帶尖角的島狀物，從而形成馬奧島，馬奧島對(duì)于鋼板的屈服強(qiáng)度有較大的影響。

圖1 試制方案一980～1050℃進(jìn)精軋F(tuán)1金相組織(6.0 mm)

變形量對(duì)力學(xué)性能的影響

由于Nb(CN)對(duì)位錯(cuò) 的釘扎、阻止亞晶界的遷移使得再結(jié)晶時(shí)間大大延長(zhǎng)，理論計(jì)算未再結(jié)晶溫度(Tnr)應(yīng)該在940 ℃，通過(guò)在軋制過(guò)程中增加Tnr溫度以下的累積變形量，進(jìn)行晶粒細(xì)化、提高強(qiáng)度非常有益。700 MPa級(jí)鋼屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著Tnr溫度以下累積變形量的增加而有較大的提高。本鋼種的道次和溫度的分配見(jiàn)圖3。

圖2 試制方案二950～960 ℃進(jìn)精軋F(tuán)1金相組織(6.0 mm)

圖3 6.0 mm厚度兩次試驗(yàn)的道次－溫度分配

試制方案一進(jìn)精軋F(tuán)1的溫度控制在980～1050 ℃時(shí)，F(xiàn)2機(jī)架的溫度在980～990 ℃左右，而F3機(jī)架的溫度在960～980 ℃左右，Tnr溫度以下的累積變形量應(yīng)該是F4+F5機(jī)架的累積變形量。 由于Tnr溫度以下的累積變形量集中在F4+F5機(jī)架，精軋階段的前2道次均處于再結(jié)晶軋制，而F4+F5機(jī)架的累積變形量在20%～30%，過(guò)小的Tnr溫度以下的累積變形量影響了力學(xué)性能。

試驗(yàn)方案二降低了進(jìn)精軋F(tuán)1的溫度，控制在950～960 ℃左右，兩次試驗(yàn)方案中6.0 mm厚度規(guī)格各機(jī)架的道次變形量見(jiàn)圖4。

分析工藝參數(shù)可以看出，方案一精軋階段F1～F3道次的溫度在970～1000 ℃之間，也就是說(shuō)精軋階段的前3個(gè)道次都處于未再結(jié)晶溫度以上，大部分試驗(yàn)鋼在F4道次才進(jìn)入未再結(jié)晶區(qū)，F(xiàn)4＋F5兩個(gè)道次的累積變形量不超過(guò)30%，實(shí)際上，大部分鋼卷未再結(jié)晶區(qū)的變形量?jī)H在10%～30%范圍，對(duì)生產(chǎn)高強(qiáng)度微合金鋼是遠(yuǎn)不夠的。試驗(yàn)方案二由于降低了進(jìn)精軋F(tuán)1的溫度，使得F2機(jī)架的溫度在925～945 ℃，而F3機(jī)架的溫度則達(dá)到了880～920 ℃，未再結(jié)晶溫度以下的累積變形量應(yīng)該是從進(jìn)入F2就已經(jīng)開(kāi)始，而進(jìn)入F3之后全部進(jìn)入未再結(jié)晶區(qū)，F(xiàn)3+F4+F5機(jī)架的累積變形量接近50%，增加約20%。

試制方案二與方案一力學(xué)性能對(duì)比可以看出，屈服強(qiáng)度提高20～65 MPa，抗拉強(qiáng)度提高45～75 MPa，說(shuō)明提高未再結(jié)晶溫度以下的累積變形量對(duì)于提高鋼的強(qiáng)度有很大的作用。

圖4 未再結(jié)晶溫度以下累積變形量對(duì)比(6.0 mm)

產(chǎn)品性能結(jié)果

力學(xué)性能

本鋼在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)每批次進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，內(nèi)容包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率及冷彎性能。經(jīng)本鋼熱連軋廠對(duì)所有批次檢驗(yàn)，機(jī)能綜合達(dá)標(biāo)率達(dá)到100%。表3為實(shí)物的各項(xiàng)力學(xué)性能平均值。

表3 BX700C-D鋼力學(xué)性能

沖擊韌性

沖擊試樣沿鋼板橫向取樣，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T2975 、GB/T229。試樣尺寸為5.0 mm× 10.0 mm×55.0 mm的V型缺口半試樣，做低溫系列沖擊試驗(yàn)，測(cè)定不同溫度對(duì)應(yīng)的沖擊韌性值，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果做出沖擊韌性與溫度關(guān)系曲線，如圖5，可以看出，屈服強(qiáng)度700 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼BX700C-D鋼(以下稱BX700C-D)，具有良好的韌性，低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度為-60 ℃以下。

圖5 溫度對(duì)沖擊韌性的影響

顯微組織

BX700C-D鋼組織類型均為：針狀鐵素體＋粒狀貝氏體的理想組織，組織均勻、細(xì)小。相同卷取溫度條件下，厚度規(guī)格為6.0 mm試驗(yàn)鋼的組織較薄規(guī)格試驗(yàn)鋼的組織略為粗大，金相組織見(jiàn)圖6，掃描電鏡顯微組織分析，為典型的針狀鐵素體＋粒狀貝氏體組織，見(jiàn)圖7。

成品鋼帶相分析

表4和表5是兩種厚度成品鋼帶的相分析。由表4和表5可以看出：

鋼中總的Nb含量為0.08%，成品鋼帶中僅析出了0.0432%和0.0348%，析出的Nb量?jī)H占總量的53.75%和42.5%；鋼中總Ti含量為0.13%，成品鋼帶中析出了0.0681%和0.0585%，析出的Ti量占總量的52.4%和45%；厚規(guī)格試驗(yàn)鋼中微合金元素析出的比例要大于薄規(guī)格試驗(yàn)鋼中合金元素的析出百分?jǐn)?shù)，其原因可能是因?yàn)楹褚?guī)格試驗(yàn)鋼冷卻速度較低，有利于合金元素的析出；兩規(guī)格試驗(yàn)鋼中微合金元素的析出量均較低，沒(méi)有充分發(fā)揮其析出強(qiáng)化的作用。

析出物的粒度分析看，大顆粒析出物較多，6 mm規(guī)格試驗(yàn)鋼的析出物中尺寸大于60 nm的顆粒占總析出物的70%以上，3 mm規(guī)格試驗(yàn)鋼析出物中大于60 mm的析出物也占到了總量的60%，加之本來(lái)析出量就偏低，所以有效的小顆粒析出物就很少，因此微合金元素的有效作用沒(méi)有得到充分發(fā)揮。

圖6 成品鋼帶金相組織

圖7 成品鋼帶掃描電鏡組織

用戶使用情況

本鋼在薄坯連鑄連軋生產(chǎn)線生產(chǎn)BX700C-D后，批量供貨給青島某公司，用于制造53英尺特種集裝箱，在制箱過(guò)程中，箱廠對(duì)本鋼的鋼板進(jìn)行了噴丸、剪切、壓型、焊接及噴漆工藝，無(wú)一廢品出現(xiàn)，成品箱投入使用中也未出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，表明本鋼BX700C-D完全滿足用戶制箱要求，并取得了用戶的高度評(píng)價(jià)。

表4 析出物的粒度分布情況

表5 成品鋼帶中MC相各元素占合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)

結(jié)束語(yǔ)

(1) 本鋼在薄坯連鑄連軋生產(chǎn)線采用適當(dāng)?shù)某煞趾蛙堉乒に囋O(shè)計(jì)可以生產(chǎn)高強(qiáng)度和高韌性以及優(yōu)良焊接性能和成型性能的700 MPa級(jí)超高強(qiáng)集裝箱鋼，工藝設(shè)計(jì)合理，產(chǎn)品力學(xué)性能、成型性能、焊接性能等滿足用戶要求。

(2) 奧氏體未再結(jié)晶溫度以下的累積變形量對(duì)于鋼板的顯微組織有很大的影響，當(dāng)未再結(jié)晶溫度以下的累積變形量增加時(shí)，鋼板的顯微組織為針狀鐵素體＋粒狀貝氏體，且組織明顯均勻、鐵素體晶粒尺寸更細(xì)小。

(3) 未再結(jié)晶溫度以下的累積變形量的增加，使得晶粒尺寸明顯細(xì)小，這種細(xì)晶強(qiáng)化作用對(duì)鋼板的強(qiáng)度有很大的影響，增加20%左右的未再結(jié)晶溫度以下變形量可以使屈服強(qiáng)度提高20～65 MPa，抗拉強(qiáng)度提高45～75 MPa。

(4) 本鋼生產(chǎn)的700 MPa級(jí)超高強(qiáng)集裝箱鋼能夠滿足用戶要求，并已得到應(yīng)用，可批量生產(chǎn)。

Research and Development of 700 MPa Ultra High Strength Container Steel of BX Steel

/ XU Yong, WEN Xiao-ming

10.3969/j.issn.1000–6826.2015.03.19

本鋼集團(tuán)公司產(chǎn)品研究院，遼寧 本溪 117000