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低成本TMCP交货Q550D钢板的开发研究

2021-07-27李新宇张德勇欧阳宇

山西冶金 2021年3期
关键词:贝氏体延伸率细化

李新宇,王 川,张德勇,李 伟,欧阳宇

(五矿营口中板有限责任公司, 辽宁 营口 115000)

工程机械行业是机械制造业的重要组成部分,也是机械工业中最年轻、发展最迅速的行业。工程机械用钢板主要供给机械、煤炭、运输、矿山及各类工程施工等部门所需设备中,如:钻机、翻斗车、挖掘机、装载机、推土机、各类起重设备及煤矿液压支架等[1-4]。所需钢板的型号主要以Q550/690D为主。目前主流厂家大多采用TMCP/DQ+回火“或“调质”方式生产Q550D[5-7]。其成分基本采用C-Mn-Nb-Cr-B系设计,成分和工艺同质化严重,竞争激烈。另外,由于需要进行热处理,导致Q550D制造周期较长且成本昂贵。因此,开发以TMCP(控轧控冷)状态交货的Q550D已经成为各家钢厂的攻关目标。目前,部分厂家已经取得进展,但需添加Mo等贵重金属[8],成本偏高。五矿营口中板有限责任公司(以下简称五矿营口)中板有限责任公司的装备水平较高,拥有2800/3800/5000 mm轧机、离线淬火机以及新一代超快冷设备,其中5000 mm轧机拥有国内最大的12000 t轧制力。本文对成分和工艺进行深入研究,使用“CMn-Nb-Ti”系成分,通过低温大压下和控冷工艺,成功开发出了以“TMCP”状态交货的低成本Q550D钢板。

1 成分设计思路

本文采用C-Mn-Nb-Ti系成分设计,重点提高了w(C)(0.13%~0.16%)和w(Ti)(0.05%~0.07%),分别利用固溶强化和沉淀强化原理增加强度。具体设计思路如下:

1)w(C)越高,钢的淬透性和强度越高。但塑性和韧性就越差,一般低合金钢中,w(C)不超过0.20%。由于本次开发钢板规格较薄(≤20 mm)。轧制后的晶粒较细,钢板的韧性相对较好。故,可以适当增加w(C)(0.13%~0.16%),这样可以在不大幅度降低的韧性的同时,取消Mo、Cr等贵金属的加入,降低成本。

2)锰(Mn)能同时溶于铁素体和渗碳体,细化珠光体组织提高钢的强度、硬度。在低碳钢中,提高锰含量能降低钢材韧脆转变温度,锰还能改善钢材的焊接性能和低温性能,增加奥氏体的稳定性。但锰元素也是促进贝氏体形成的元素,过量的贝氏体会影响钢材的塑韧性。在本钢种成分设计中,w(Mn)控制在≤1.60%。

3)铌(Nb)微合金处理可强烈产生细晶强化和沉淀强化。扩大了奥氏体未再结晶区,通过轧制过程的变形积累,使得组织细化。提高钢的综合性能。

4)钛(Ti)可以与N结合成为细小的的氮化钛,起到细化晶粒的作用。但随着Ti含量的增加,Ti可以与C结合形成TiC(一般为w(Ti)≥0.05%),可产生的强烈的沉淀作用,大幅度提升强度。

因此,Q550D采用中碳成分设计,复合加入Nb、Ti等元素,具体化学成分见表1。

表1 Q550D的化学成分 %

2 工艺设计思路

由于成分中提高了w(C)(0.13%~0.16%)和w(Ti)(0.05%~0.07%),导致冲击和延伸性能下降。而目前能同时增加韧性和塑性的方法只有细化晶粒。因此,本文采用二阶段轧制策略,其中未再结晶阶段采用低温大压下策略细化晶粒。待温厚度≥3倍成品厚度,精轧终轧温度为(800±10)℃,待温后累计压下率≥65%,道次变形率≥12%,道次轧制力≥7000 t,以增加形核位置,细化晶粒。水冷工艺设计方面,由于成分中提高了C和Ti含量,可大幅度提高强度。因此,可适当提高终冷温度(500~600℃),以保证延伸率,实现TMCP状态直接交货。

3 Q550D的制备和检测

3.1 生产工艺

Q550D的生产工艺流程:铁水预处理-转炉冶炼—LF炉精炼—RH真空脱气—连铸—加热炉加热—粗轧—精轧—ACC控冷—精整—成品入库。

根据钢的化学成分特点,将板坯加热温度定为1210~1260℃,在炉时间为3.5 h,轧制采用两阶段控制轧制工艺,开轧温度为1050~1080℃,高温轧制阶段控制在1010~1060℃的奥氏体再结晶区[9],通过轧制道次之间的反复再结晶充分细化奥氏体组织,在约880~1010℃进行待温;在830℃以下未再结晶区控制进行轧制,其中待温后累计压下率≥65%,道次变形率≥12%,增加形核位置。轧制完成后,进入层流冷却装置内(ACC)进行水冷,冷速在10~15℃/s。试验终冷温度在510~630℃。

3.2 试验结果及分析

3.2.1 TMCP状态下的Q550D的性能

对Q550D(规格15 mm×2400 mm),在终轧温度为(810±10)℃时,分别检验水冷温度在510/540/570/600/630℃性能,数据如表2。

表2 TMCP状态下的Q550D的性能(15 mm)

TMCP性能分析。由表2得知:随着终冷温度的下降,强度逐渐提升,延伸率逐渐下降。其中540~570℃终冷区间的性能符合国标Q550D(GB/T 16270—2009)标准。温度低于540℃时,延伸率不足;温度高于570℃时,屈服强度不足。冲击值随着终冷温度的下降而下降,但降幅度不大。在510℃终冷时,仍可满足标准。

3.2.2 TMCP+回火下的性能

终冷温度在540~570℃左右时,TMCP性能可满足Q550D交货要求。但实际生产过程中,此范围偏窄,终冷温度低于540℃时,将导致延伸率不足。需要进行回火挽救(回火后,延伸会有提升强度会下降)。故,对低于540℃的钢板(5号,实际终冷温度为510℃)进行了不同温度下(450/500/550/600℃)的回火挽救试验。结果如表3。

表3 TMCP+回火状态下的Q550D的性能(5号试样)

TMCP+回火下的性能分析。由表3可知:随着回火温度的上升,强度逐渐下降,延伸逐渐上升。回火温度低于500℃时,延伸率不足;回火温度高于550℃时,强度不足。故,回火温度应在500℃左右,回火时间为3 min/mm。

3.3 金相分析

分别对TMCP下的3号试样(终冷温度为540℃)和5-2号试样(经过回火,工艺500℃×30 min)的金相进行了观察,结果见图1和图2。

图1 TMCP(3号终冷温度540℃)

图2 TMCP+回火(5-2号回火温度500℃)

由图1和图2可知,3号试样不同于采用低碳成分的轧制的Q550D的粒状贝氏体和板条贝氏体组织,其中碳成分C-MN-Nb-Ti系成分控轧控冷的组织主要为准多边形铁素体、粒状贝氏体和少量珠光体。

5-2号试样(经过回火,工艺500℃×30 min)的金相组织为仍以准多边形铁素体、粒状贝氏体为主,但是珠光体数量有所增加,另外,部分区域可以看到少量析出的黑色碳化物[10]。

4 结论

1)采用中碳成分C-Mn-Nb-Ti系成分和TMCP控轧工艺设计,利用厚度效应和低温大压下工艺细化晶粒,辅以沉淀强化、位错强化等手段,成功开发出到低成本的薄规格≤20 mm Q550D钢板,屈服强度约为560~600 MPa,抗拉强度约为690~740 MPa。其金相组织为准多边形铁素体、粒状贝氏体和少量珠光体。摒弃了需要热处理的传统工艺,大幅度降低了生产成本。

2)针对终冷温度波动产生延伸偏低的钢板,可通过回火工艺进行挽救,最佳回火温度约为500℃。

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