低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼Q460C 的生產(chǎn)應(yīng)用

武 振

（南京鋼鐵股份有限公司板材事業(yè)部，江蘇 南京 210035）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，特別是“一帶一路”“擴內(nèi)需”等政策的方向，“一帶一路”沿線國家和國內(nèi)的工業(yè)機械、工程車輛、工程設(shè)備等行業(yè)隨之快速發(fā)展，對結(jié)構(gòu)鋼的需求越來越大，對其強度提出了更高的要求，不僅是高強度，同時還具有良好的低溫韌性和焊接性能[1]。高強度鋼是指根據(jù)不同的使用條件，通過調(diào)整化學(xué)成分或采用強韌化處理工藝，使強度顯著提高的鋼材。在高強度鋼中添加合金元素，鋼的強度、塑性和韌性能夠得到有效提高。微合金鋼的發(fā)展抓住了基礎(chǔ)原料工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，把資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品優(yōu)勢是實現(xiàn)鋼鐵強國目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)[2]。微合金化鋼的發(fā)展是鋼微合金化最突出的技術(shù)進步。因為不僅是需要改進工藝，降低成本，而且大大提高了鋼材的力學(xué)性能和使用范圍。圖1 刮板輸送機用鋼。

圖1 刮板輸送機用鋼

1 國內(nèi)外低合金高強度鋼的發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)合金設(shè)計的分類劃分，國外低合金高強度鋼的發(fā)展經(jīng)主要有三個階段：第一階段是上19 世紀以前。低合金高強度鋼的使用受到限制。主要用于橋梁和船舶。鋼的強化主要依靠碳和等單一合金元素的加入，當(dāng)合金元素含量達到以上時，合金元素的加入量相對較高，達到2% ～3%，甚至更高。第二階段，自上世紀年代以來，焊接技術(shù)已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)制造業(yè)。在某些領(lǐng)域，屈服強度逐漸被用作設(shè)計準則。用戶對鋼種的焊接性提出了更高要求，降低碳含量和碳當(dāng)量是一種發(fā)展趨勢。鋼種朝著低碳、微合金化的方向發(fā)展，其含量普遍降低到0.2% 以下[3]。另外，隨著低合金高強度鋼的使用越來越廣泛，采用更廉價的合金元素，鋼種的經(jīng)濟性首先被重視。第三階段，從上世紀20 年代到現(xiàn)在，鋼中的元素進一步降低到0.1% 以下，一些鋼種甚至進入超低碳范圍，正從單一元素微合金化向多元復(fù)合合金化發(fā)展。現(xiàn)代工藝化生產(chǎn)是合金化、微合金化和先進技術(shù)共同結(jié)合作用生產(chǎn)低合金高強度鋼。

上世紀80 年代以來，我國鋼鐵企業(yè)在冶煉軋制技術(shù)和設(shè)備改造方面取得了顯著進展。建成了一批軋制力強的中厚板軋機和現(xiàn)代化的熱帶鋼軋機。然而，中厚板企業(yè)的工藝和設(shè)備遠遠不能滿足現(xiàn)代低合金高強度鋼的要求，這是影響低合金高強度鋼質(zhì)量的關(guān)鍵。近年來，結(jié)合我國資源特點，開發(fā)生產(chǎn)了多種性能和用途不同的低合金高強度鋼，應(yīng)用于經(jīng)濟建設(shè)的各個方面，有力地支持了國家建設(shè)。目前，我國低合金高強度鋼的發(fā)展方向是發(fā)展清潔鋼，發(fā)展高效微合金鋼，更新冶金技術(shù)和設(shè)備[4]。

2 技術(shù)要求與成分設(shè)計

根據(jù)GB/T 1591-2018的標(biāo)準，Q460C的力學(xué)性能要求如表1。

表1 Q460C 的力學(xué)性能要求

C 是低碳鋼中重要的化學(xué)元素。C 不僅是最經(jīng)濟的元素，而且對材料的塑性、韌性和可焊性有很大的影響。在高強度低合金鋼中，其含量一般低于可用的最低水平。然而，碳含量太低會對使鋼的性能顯著下降，因為碳作為間隙元素存在于鋼中。當(dāng)碳含量低于一定值時，會降低晶界結(jié)合強度，鋼的韌性就會降低，使晶界處于完全脆性狀態(tài)。鋼中的碳含量應(yīng)該控制在中下限，保證高強度鋼具有良好的塑性、韌性和焊接性能。錳作為鋼中的固溶強化元素，是提高低碳鋼強度的主要元素。錳含量越高，鋼的強度越高。是提高高強度低合金鋼強度的有利因素。對于高強度低合金鋼，降低碳含量，增加錳含量是可以增強強度、獲得良好的韌性。當(dāng)含量超過這個范圍時，韌性會下降。因此，錳的目標(biāo)含量控制在1.45%。硅也是一種重要的固溶強化元素。硅在鋼中不形成碳化物，但溶于鐵素體中。固溶體的強化作用很強，使鋼的強度和硬度顯著提高。Nb、Ni、Cr 等元素為微合金化元素，可以阻礙奧氏體晶粒的生長，抑制奧氏體再結(jié)晶，細化鐵素體晶粒，提高焊接性能。表2 給出了Q460C 的化學(xué)成分指標(biāo)。

3 生產(chǎn)工藝

Nb（CN）作為控軋控冷鋼中最重要的合金元素，在鋼中形成。當(dāng)加熱到950℃時，只有少量Nb（CN）溶解在奧氏體中；當(dāng)加熱溫度高于1250℃時，Nb（CN）大部分溶解在奧氏體中。當(dāng)Nb（CN）完全溶解在奧氏體中時，奧氏體晶粒迅速長大。根據(jù)本研究鋼的化學(xué)成分設(shè)計，加熱溫度宜控制在1180℃～1220℃，以保證Nb（CN）和TiN 顆粒不完全溶解，使未溶解的Nb（CN）和TiN 顆粒通過釘扎位錯和晶界遷移，從而有效地防止奧氏體晶粒長大。在控制軋制過程中，變形量和總變形量對鋼的組織和性能有很大的影響。為了獲得細晶組織，在精軋區(qū)不能再結(jié)晶，變形后的奧氏體不發(fā)生再結(jié)晶。對于無再結(jié)晶軋制，應(yīng)降低終軋區(qū)溫度。當(dāng)終軋溫度遠高于相變點Ar3 時，最終組織不能完全細化，從而導(dǎo)致鋼板韌性的惡化。當(dāng)鐵素體含量低于Ar3時，鐵素體在加工過程中會發(fā)生變形，并在緩慢冷卻和回復(fù)后變粗，使鋼的韌性變差。根據(jù)鋼材性能要求，最終軋制溫度設(shè)定在800℃～850℃。在軋制過程中，應(yīng)控制每道次的壓力降和每道次的壓力降，使鋼板在厚度方向上的晶粒度均勻。在奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制時，變形完全穿透厚度方向的中心，充分進行奧氏體再結(jié)晶，實現(xiàn)晶粒尺寸的均勻和細化。在軋制過程中，晶粒沿非晶態(tài)方向進一步細化，晶粒沿非晶態(tài)方向進一步細化?？刂评鋮s采用快速冷卻，傳熱效率高，冷卻均勻。最終冷卻溫度控制在600℃～630℃。圖2 位生產(chǎn)工藝流程，圖3 為生產(chǎn)線。

表2 Q460C 化學(xué)成分目標(biāo)（Wt/%）

圖2 生產(chǎn)工藝流程圖

圖3 生產(chǎn)線圖

4 試驗結(jié)果

經(jīng)過試驗生產(chǎn)檢測，試驗鋼屈服強度460MPa ～490MPa，圖4 為屈服強度；抗拉強度565MPa ～625MPa，圖5 為抗拉強度；延伸率18% ～28%，圖6 為延伸性能。

圖4 30mm 屈服強度分布

圖5 30mm 抗拉強度分布

圖6 30mm 試樣延伸率分布

5 結(jié)論

采用合理的化學(xué)成分，利用TMCP 工藝，規(guī)范化的檢驗等生產(chǎn)工序，生產(chǎn)的Q460C 各項性能良好，達到GB/T 1591-2018 的要求，已經(jīng)批量供貨，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會貢獻。