高強度Q550D鋼板的研制及熱處理工藝優化

張 軍 李肅龍 朱曉麗 高 軍

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

高強度Q550D鋼板的研制及熱處理工藝優化

張 軍1李肅龍2朱曉麗1高 軍1

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

工程機械用低成本高強度Q550D鋼板已研制成功。研究了Q550D鋼板的顯微組織、力學性能和回火工藝。研究結果表明，隨著鋼板厚度的增加，其組織也發生變化，由回火貝氏體加少量鐵素體轉變為粒狀貝氏體加少量鐵素體和少量珠光體。Q550D鋼板的屈服強度達600 MPa以上，抗拉強度達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鋼板應在650 ℃左右回火。

Q550D鋼板 軋制 寬厚板 回火

隨著技術革新和工業進步，工程機械向著大型化、輕量化、高效化發展，對工程機械用鋼的強度、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，具有強度高,韌性好,耐磨,耐腐蝕,低溫韌性,加工性能和焊接性能優良等特點，廣泛應用于工程機械、煤礦機械、造船和鋼結構等領域[4- 6]。但由于對Q550D鋼板的性能要求高，加之Q550D鋼板在生產過程中板形難以控制，生產穩定性較差，目前國內只有少數技術較先進的鋼鐵企業能穩定供應Q550D鋼板[7- 10]。

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

1 技術條件與成分和工藝設計

1.1 技術條件

根據GB/T 1591—2008低合金高強度結構鋼的規定，高強度Q550D鋼板的化學成分列于表1，力學性能要求見表2。

表1 Q550D鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the Q550D steel (mass fraction) %

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

1.2 成分設計

低碳貝氏體鋼是近年來發展起來的新型鋼種，具有優異的焊接性能，高的強度和韌性，還具有節省合金資源、生產成本低等特點。因此，包鋼高強度Q550D鋼板的設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(質量分數，下同)。此外，還要添加1.60%～1.80%Mn，以彌補由于降低碳導致的強化效果的損失。但是錳添加過量會引起鋼的錳偏析而造成M/A 組織的產生。

由于采用低碳的設計思路，而且添加的鈮質量分數為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晶溫度，從而可實現高溫軋制，保證了高溫時奧氏體的充分再結晶，改善了非再結晶區的高溫控軋效果。通過實現高溫大壓下，保證了厚鋼板心部組織的細化。

鉻、鉬的添加是必要的，能增加過冷奧氏體的穩定性，提高鋼的淬透性，改善鋼的綜合力學性能。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。為了增強析出強化的效果，加入了0.04%～0.07%V。

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

1.3 工藝流程設計

Q550D低碳貝氏體鋼的組織是通過TMCP和回火控制的。通過成分設計和冶煉、連鑄、軋制工藝設計，為奧氏體晶粒內的針狀鐵素體形成創造條件。針狀鐵素體的形成將奧氏體分割成若干區域，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，從而得到均勻細小的組織。另外通過回火工藝設計可進一步均勻和細化組織。采用低碳成分設計并配以微合金技術，通過TMCP和回火生產的工程機械鋼板具有鋼質潔凈、強韌性好、沖擊韌性和焊接性能良好等優點。

軋制方面，采用優化的鑄坯加熱工藝，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，為后續加工做組織準備。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，確保晶粒細化效果。軋后鋼板采用控制冷卻，終冷溫度≤700 ℃，以獲得細小的貝氏體加少量鐵素體組織。

結合現場生產實際，確定回火溫度為600～700 ℃，保溫時間根據鋼板厚度確定。

包鋼寬厚板線生產的工程機械用Q550D鋼板的生產工藝流程為：

鐵水預處理→鐵水脫硫→頂底復吹轉爐冶煉→LF精煉→RH真空循環脫氣→連鑄→加熱→除鱗→粗軋→精軋→矯直→冷卻→切割→拋丸→回火→檢驗。

包鋼寬厚板生產線高強度Q550D鋼的成分列于表3。

表3 Q550D高強度鋼的設計成分(質量分數)Table 3 Specified chemical composition of the Q550D steel (mass fraction) %

2 試驗結果與分析

2.1 鋼板的顯微組織

分別從軋制態和回火態鋼板上取樣，磨制金相試樣并拋光后用4%硝酸酒精浸蝕。對兩種狀態試樣的顯微組織觀察發現，Q550D鋼板軋制態組織主要是低碳貝氏體，回火態組織為回火貝氏體。對于軋制態厚板而言，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厚板的軋制態組織主要是低碳貝氏體加少量鐵素體；80 mm厚板的軋制態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，厚規格鋼板的心部珠光體發生了分解，為回火后鋼板力學性能的改善提供了保障。

圖1 16 mm(a)和80 mm(b)厚的軋制態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 鋼板的力學性能

目前，包鋼Q550D鋼板的銷量逾21萬t，高強度工程機械用Q550D鋼的屈服強度達600 MPa以上，抗拉強度達700 MPa以上，斷后伸長率大于18%，-20 ℃沖擊吸收能量大于120 J，各項性能指標均遠超標準及用戶要求。

高強度工程機械用Q550D鋼板的力學性能不僅符合GB/T 1591—2008要求，而且裕量合適，性能穩定。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度、抗拉強度和斷后伸長率。同時Ti的加入固定了雜質元素O、N，形成的TiN、TiO更有利于晶粒的細化，還抑制加熱時奧氏體晶粒長大。其次，Nb的加入有明顯的強化作用。含Nb微合金鋼一般采用兩段控軋工藝，即高溫再結晶區軋制和低溫未再結晶區軋制。由于Nb的加入抑制了鋼的再結晶，使含Nb鋼的再結晶溫度提高到了950 ℃左右，因此在再結晶區軋制盡量采用較大的道次壓下率，通過變形再結晶來細化晶粒。而在未再結晶區，Nb的加入大大提高了再結晶終止溫度，未再結晶區變形增加了鐵素體在奧氏體中的形核率，能明顯細化組織。采用ACC(層流冷卻裝置)加速冷卻，使Nb的碳氮化物析出，進一步細化晶粒。V的加入也可細化晶粒，既提高強度，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、側面均無裂紋，證明所開發的高強度工程機械用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。試驗結果見表4、表5。

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

表5 經不同溫度回火后40 mm厚Q550D鋼板的力學性能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鋼板的屈服強度和抗拉強度下降，斷后伸長率和沖擊吸收能量升高。當回火溫度達700 ℃時，鋼板的抗拉強度已經不能滿足國標要求；當回火溫度為550 ℃時，鋼板的斷后伸長率只達到了標準要求的下限。為了使Q550D鋼板具有良好的強韌性，將回火溫度定為650 ℃左右。另外，本試驗發現，Q550D鋼板的回火溫度為550 ℃時，其沖擊吸收能量出現拐點，說明試制鋼板在回火溫度為550 ℃時產生了第二類回火脆性，因此，生產中應避免在這一溫度回火。

3 結論

(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良的高強度Q550D鋼板。

(2)通過控制軋制溫度和回火溫度能使Q550D鋼板達到性能要求，并且隨著鋼板厚度的增加，其組織也發生變化，由回火貝氏體加少量鐵素體轉變為粒狀貝氏體加少量鐵素體和少量珠光體，為鋼板力學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