低成本TMCP交貨Q550D鋼板的開發(fā)研究

李新宇，王 川，張德勇，李 偉，歐陽(yáng)宇

（五礦營(yíng)口中板有限責(zé)任公司， 遼寧 營(yíng)口 115000）

工程機(jī)械行業(yè)是機(jī)械制造業(yè)的重要組成部分，也是機(jī)械工業(yè)中最年輕、發(fā)展最迅速的行業(yè)。工程機(jī)械用鋼板主要供給機(jī)械、煤炭、運(yùn)輸、礦山及各類工程施工等部門所需設(shè)備中，如：鉆機(jī)、翻斗車、挖掘機(jī)、裝載機(jī)、推土機(jī)、各類起重設(shè)備及煤礦液壓支架等[1-4]。所需鋼板的型號(hào)主要以Q550/690D為主。目前主流廠家大多采用TMCP/DQ+回火“或“調(diào)質(zhì)”方式生產(chǎn)Q550D[5-7]。其成分基本采用C-Mn-Nb-Cr-B系設(shè)計(jì)，成分和工藝同質(zhì)化嚴(yán)重，競(jìng)爭(zhēng)激烈。另外，由于需要進(jìn)行熱處理，導(dǎo)致Q550D制造周期較長(zhǎng)且成本昂貴。因此，開發(fā)以TMCP（控軋控冷）狀態(tài)交貨的Q550D已經(jīng)成為各家鋼廠的攻關(guān)目標(biāo)。目前，部分廠家已經(jīng)取得進(jìn)展，但需添加Mo等貴重金屬[8]，成本偏高。五礦營(yíng)口中板有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱五礦營(yíng)口）中板有限責(zé)任公司的裝備水平較高，擁有2800/3800/5000 mm軋機(jī)、離線淬火機(jī)以及新一代超快冷設(shè)備，其中5000 mm軋機(jī)擁有國(guó)內(nèi)最大的12000 t軋制力。本文對(duì)成分和工藝進(jìn)行深入研究，使用“CMn-Nb-Ti”系成分，通過低溫大壓下和控冷工藝，成功開發(fā)出了以“TMCP”狀態(tài)交貨的低成本Q550D鋼板。

1 成分設(shè)計(jì)思路

本文采用C-Mn-Nb-Ti系成分設(shè)計(jì),重點(diǎn)提高了w（C）（0.13%～0.16%）和w（Ti）（0.05%～0.07%），分別利用固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化原理增加強(qiáng)度。具體設(shè)計(jì)思路如下：

1）w（C）越高，鋼的淬透性和強(qiáng)度越高。但塑性和韌性就越差，一般低合金鋼中，w（C）不超過0.20%。由于本次開發(fā)鋼板規(guī)格較?。ā?0 mm）。軋制后的晶粒較細(xì)，鋼板的韌性相對(duì)較好。故，可以適當(dāng)增加w（C）（0.13%～0.16%），這樣可以在不大幅度降低的韌性的同時(shí)，取消Mo、Cr等貴金屬的加入，降低成本。

2）錳（Mn）能同時(shí)溶于鐵素體和滲碳體，細(xì)化珠光體組織提高鋼的強(qiáng)度、硬度。在低碳鋼中，提高錳含量能降低鋼材韌脆轉(zhuǎn)變溫度，錳還能改善鋼材的焊接性能和低溫性能，增加奧氏體的穩(wěn)定性。但錳元素也是促進(jìn)貝氏體形成的元素，過量的貝氏體會(huì)影響鋼材的塑韌性。在本鋼種成分設(shè)計(jì)中，w（Mn）控制在≤1.60%。

3）鈮（Nb）微合金處理可強(qiáng)烈產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。擴(kuò)大了奧氏體未再結(jié)晶區(qū)，通過軋制過程的變形積累，使得組織細(xì)化。提高鋼的綜合性能。

4）鈦（Ti）可以與N結(jié)合成為細(xì)小的的氮化鈦，起到細(xì)化晶粒的作用。但隨著Ti含量的增加，Ti可以與C結(jié)合形成TiC（一般為w（Ti）≥0.05%），可產(chǎn)生的強(qiáng)烈的沉淀作用，大幅度提升強(qiáng)度。

因此，Q550D采用中碳成分設(shè)計(jì)，復(fù)合加入Nb、Ti等元素，具體化學(xué)成分見表1。

表1 Q550D的化學(xué)成分 %

2 工藝設(shè)計(jì)思路

由于成分中提高了w（C）（0.13%～0.16%）和w（Ti）（0.05%～0.07%），導(dǎo)致沖擊和延伸性能下降。而目前能同時(shí)增加韌性和塑性的方法只有細(xì)化晶粒。因此，本文采用二階段軋制策略，其中未再結(jié)晶階段采用低溫大壓下策略細(xì)化晶粒。待溫厚度≥3倍成品厚度，精軋終軋溫度為（800±10）℃，待溫后累計(jì)壓下率≥65%，道次變形率≥12%，道次軋制力≥7000 t，以增加形核位置，細(xì)化晶粒。水冷工藝設(shè)計(jì)方面，由于成分中提高了C和Ti含量，可大幅度提高強(qiáng)度。因此，可適當(dāng)提高終冷溫度（500～600℃），以保證延伸率，實(shí)現(xiàn)TMCP狀態(tài)直接交貨。

3 Q550D的制備和檢測(cè)

3.1 生產(chǎn)工藝

Q550D的生產(chǎn)工藝流程：鐵水預(yù)處理-轉(zhuǎn)爐冶煉—LF爐精煉—RH真空脫氣—連鑄—加熱爐加熱—粗軋—精軋—ACC控冷—精整—成品入庫(kù)。

根據(jù)鋼的化學(xué)成分特點(diǎn)，將板坯加熱溫度定為1210～1260℃，在爐時(shí)間為3.5 h，軋制采用兩階段控制軋制工藝，開軋溫度為1050～1080℃，高溫軋制階段控制在1010～1060℃的奧氏體再結(jié)晶區(qū)[9]，通過軋制道次之間的反復(fù)再結(jié)晶充分細(xì)化奧氏體組織，在約880～1010℃進(jìn)行待溫；在830℃以下未再結(jié)晶區(qū)控制進(jìn)行軋制，其中待溫后累計(jì)壓下率≥65%，道次變形率≥12%,增加形核位置。軋制完成后，進(jìn)入層流冷卻裝置內(nèi)（ACC）進(jìn)行水冷，冷速在10～15℃/s。試驗(yàn)終冷溫度在510～630℃。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 TMCP狀態(tài)下的Q550D的性能

對(duì)Q550D（規(guī)格15 mm×2400 mm），在終軋溫度為（810±10）℃時(shí)，分別檢驗(yàn)水冷溫度在510/540/570/600/630℃性能，數(shù)據(jù)如表2。

表2 TMCP狀態(tài)下的Q550D的性能（15 mm）

TMCP性能分析。由表2得知：隨著終冷溫度的下降，強(qiáng)度逐漸提升，延伸率逐漸下降。其中540～570℃終冷區(qū)間的性能符合國(guó)標(biāo)Q550D（GB/T 16270—2009）標(biāo)準(zhǔn)。溫度低于540℃時(shí)，延伸率不足；溫度高于570℃時(shí)，屈服強(qiáng)度不足。沖擊值隨著終冷溫度的下降而下降，但降幅度不大。在510℃終冷時(shí)，仍可滿足標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 TMCP+回火下的性能

終冷溫度在540～570℃左右時(shí)，TMCP性能可滿足Q550D交貨要求。但實(shí)際生產(chǎn)過程中，此范圍偏窄，終冷溫度低于540℃時(shí)，將導(dǎo)致延伸率不足。需要進(jìn)行回火挽救（回火后，延伸會(huì)有提升強(qiáng)度會(huì)下降）。故，對(duì)低于540℃的鋼板（5號(hào)，實(shí)際終冷溫度為510℃）進(jìn)行了不同溫度下（450/500/550/600℃）的回火挽救試驗(yàn)。結(jié)果如表3。

表3 TMCP+回火狀態(tài)下的Q550D的性能（5號(hào)試樣）

TMCP+回火下的性能分析。由表3可知：隨著回火溫度的上升，強(qiáng)度逐漸下降，延伸逐漸上升?；鼗饻囟鹊陀?00℃時(shí)，延伸率不足；回火溫度高于550℃時(shí)，強(qiáng)度不足。故，回火溫度應(yīng)在500℃左右，回火時(shí)間為3 min/mm。

3.3 金相分析

分別對(duì)TMCP下的3號(hào)試樣（終冷溫度為540℃）和5-2號(hào)試樣（經(jīng)過回火，工藝500℃×30 min）的金相進(jìn)行了觀察，結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 TMCP（3號(hào)終冷溫度540℃）

圖2 TMCP+回火（5-2號(hào)回火溫度500℃）

由圖1和圖2可知，3號(hào)試樣不同于采用低碳成分的軋制的Q550D的粒狀貝氏體和板條貝氏體組織，其中碳成分C-MN-Nb-Ti系成分控軋控冷的組織主要為準(zhǔn)多邊形鐵素體、粒狀貝氏體和少量珠光體。

5-2號(hào)試樣（經(jīng)過回火，工藝500℃×30 min）的金相組織為仍以準(zhǔn)多邊形鐵素體、粒狀貝氏體為主，但是珠光體數(shù)量有所增加，另外，部分區(qū)域可以看到少量析出的黑色碳化物[10]。

4 結(jié)論

1）采用中碳成分C-Mn-Nb-Ti系成分和TMCP控軋工藝設(shè)計(jì),利用厚度效應(yīng)和低溫大壓下工藝細(xì)化晶粒,輔以沉淀強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化等手段，成功開發(fā)出到低成本的薄規(guī)格≤20 mm Q550D鋼板，屈服強(qiáng)度約為560～600 MPa，抗拉強(qiáng)度約為690～740 MPa。其金相組織為準(zhǔn)多邊形鐵素體、粒狀貝氏體和少量珠光體。摒棄了需要熱處理的傳統(tǒng)工藝，大幅度降低了生產(chǎn)成本。

2）針對(duì)終冷溫度波動(dòng)產(chǎn)生延伸偏低的鋼板，可通過回火工藝進(jìn)行挽救，最佳回火溫度約為500℃。