高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q550C的開發(fā)

呂苗苗， 任振遠(yuǎn)， 吳漢科

（唐山不銹鋼有限責(zé)任公司客戶服務(wù)中心， 河北 唐山 063000）

低碳貝氏體鋼是實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)、高韌同時(shí)具備良好沖壓性能的最具潛力鋼種[1]，與普通低合金鋼相比，低碳貝氏體鋼板由于碳含量較低，在保證鋼板高強(qiáng)度的同時(shí)仍能保證較高的韌性。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q550C 是一種微合金化低碳貝氏體鋼，它具有強(qiáng)度高、低溫韌性優(yōu)良、焊接性能、沖壓性能好等特點(diǎn)。唐鋼不銹鋼公司在2014 年對(duì)1 580 mm 軋機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造，該軋機(jī)設(shè)備先進(jìn)，軋制力達(dá)42 000 kN。通過(guò)采用微合金元素成分設(shè)計(jì)和優(yōu)化軋制工藝，采用細(xì)晶強(qiáng)化和控制組織相變細(xì)化相變產(chǎn)物等手段，成功開發(fā)出適合用戶使用的低合金高強(qiáng)度鋼Q550C。本文通過(guò)研究不同軋制工藝對(duì)鋼板組織和性能的影響，從而得出了生產(chǎn)該鋼板的最佳工藝方案。

1 唐鋼不銹鋼Q550C熱軋卷板的開發(fā)

1.1 Q550C熱軋卷板技術(shù)要求

產(chǎn)品牌號(hào) Q550C，規(guī)格范圍：（3.0～12.0）mm×（820～1 450）mm；用戶要求的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1 和表2。

表1 化學(xué)成分 %

表2 Q550C 力學(xué)性能

1.2 Q550C成分設(shè)計(jì)

高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼要求具有較高強(qiáng)度的同時(shí)仍能保證較高的韌性，針對(duì)該技術(shù)要求，結(jié)合唐鋼不銹鋼煉鋼的工裝特點(diǎn)，其成分體系采用低碳、稍高的錳和添加適量的合金元素。降低C 含量，抑制珠光體組織轉(zhuǎn)變，同時(shí)有利于消除貝氏體鐵素體基體中的滲碳體，改善鋼板的韌性和可焊性；通過(guò)添加適量的Nb，由于鈮原子固溶在奧氏體基體，趨向于偏聚到晶界區(qū)，阻礙奧氏體形變后再結(jié)晶新晶界的運(yùn)動(dòng)，減緩再結(jié)晶速度，阻礙新相在晶界處形核，保證在較寬的范圍內(nèi)得到均勻的貝氏體組織；添加少量的Ti，形成TiN起到固氮的作用，同時(shí)通過(guò)細(xì)微TiN 析出，抑制加熱時(shí)奧氏體晶粒的快速長(zhǎng)大[2]，具體成分見表3。

表3 試驗(yàn)鋼成分 %

1.3 工藝路線及生產(chǎn)工藝

鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→LF→板坯連鑄→加熱→1 580 mm 軋機(jī)→層流冷卻→卷取。冶金質(zhì)量，即較高的鋼水潔凈度是提高鋼帶的韌性、成形性能基礎(chǔ)。為滿足汽車結(jié)構(gòu)件的加工和使用要求，通過(guò)鐵水預(yù)處理降低硫含量。采用轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉及LF 精煉處理等技術(shù)來(lái)提高鋼水的潔凈度。熱軋過(guò)程，板坯加熱到1 250 ℃，經(jīng)由五道次粗軋，七架四輥式精軋機(jī)和層流冷卻獲得熱軋卷。

為了達(dá)到試驗(yàn)鋼要求的高強(qiáng)度，必須通過(guò)貝氏體組織中高密度的位錯(cuò)和微合金元素的析出產(chǎn)生的釘軋作用來(lái)獲得[3]。故軋后冷卻的工序尤為重要，為了協(xié)調(diào)好鋼板強(qiáng)度和塑韌性，必須確定合理的冷卻制度，獲得合適的組織。首先通過(guò)JMatPro 軟件模擬該鋼種靜態(tài)CCT 曲線，如下圖1 所示。根據(jù)CCT 曲線可以得知：在600 ℃開始出現(xiàn)奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變。根據(jù)本廠1 580 mm 線冷卻能力及低碳貝氏體鋼的特點(diǎn)，冷卻速度控制在10～20 ℃/s 范圍內(nèi)，若冷卻速度過(guò)低會(huì)得到P 組織，影響鋼板性能。實(shí)際生產(chǎn)中采用了高溫卷曲與低溫卷曲兩個(gè)溫度進(jìn)行了摸索試驗(yàn)，具體方案見表4。

圖 1 Q550C 的 CCT 曲線

表4 軋制工藝方案

2 分析與討論

2.1 試制結(jié)果

性能檢測(cè)結(jié)果見表5，拉伸曲線見圖2。

表5 性能檢測(cè)結(jié)果

圖2 拉伸曲線對(duì)比

沖擊試驗(yàn)斷口情況：分別觀察A、B 兩個(gè)方案試制鋼卷的沖擊斷口，見圖3、圖4。

圖3 A 方案

圖4 B 方案

金相情況：分別觀察A、B 兩個(gè)方案試制鋼卷的晶粒度以及組織狀況，見圖5、圖6。

圖5 A 方案 200×

圖6 B 方案 200×

2.2 性能對(duì)比

對(duì)比論證A、B 兩套軋制方案軋后力學(xué)性能，兩套方案的力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求。A 方案的抗拉強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度較B 方案均高約40 MPa，伸長(zhǎng)率高3%。對(duì)比A 方案與B 方案的拉伸曲線，B 方案的無(wú)屈服延伸，A 方案有屈服延伸，無(wú)屈服延伸的鋼不容易變形，有利于后續(xù)加工產(chǎn)品的抗疲勞性能。試驗(yàn)鋼板均取兩個(gè)試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，沖擊試驗(yàn)結(jié)果顯示B 方案的沖擊功明顯高于A 方案。對(duì)比A 方案與B 方案的沖擊試驗(yàn)斷口，A 方案發(fā)生脆性斷裂且斷口分層，B 方案的沖擊斷口良好。

兩套方案軋后熱板在拉伸性能和沖擊性能兩個(gè)方面差異明顯，但在材料的實(shí)際使用過(guò)程中，其沖壓加工對(duì)材質(zhì)的成形性能要求比實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境要求高，所以該兩套方案材質(zhì)的使用性能需通過(guò)進(jìn)一步試用來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 金相組織分析

金相組織是決定鋼板性能的重要因素。經(jīng)金相觀察，兩套方案熱板的顯微組織均為鐵素體+貝氏體，組織沒有特別明顯的區(qū)別。但二者晶粒度存在差別，A 方案晶粒度為11.5 級(jí)，B 方案晶粒度為12.5級(jí)。從金相分析對(duì)比結(jié)果來(lái)看，方案B 工藝生產(chǎn)鋼板優(yōu)于方案A。

3 材料試用結(jié)果及分析

兩套試制方案的Q550C 熱軋鋼板，在某零件制造廠進(jìn)行了對(duì)比試用，分別進(jìn)行了沖壓和疲勞試驗(yàn)。

沖壓及疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明：方案B 鋼帶的沖壓成形和疲勞情況良好，所有尺寸滿足裝配要求，合格率為100%。方案A 鋼帶的沖壓成形性良好，但抗疲勞性能存不滿足用戶使用要求。

跟蹤用戶使用過(guò)程，對(duì)A、B 兩方案沖壓樣品進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)A 方案沖壓零件邊部存在毛刺和分層現(xiàn)象，經(jīng)分析認(rèn)為是因材料強(qiáng)度控制偏高導(dǎo)致沖件料片的邊緣存在分層和毛刺，最終影響樣件疲勞強(qiáng)度。

對(duì)兩套軋制工藝方案的Q550C 鋼板在廠家的試用情況論證，按方案B 生產(chǎn)的Q550C 熱軋鋼板沖壓成形性能以及疲勞試驗(yàn)明顯優(yōu)于方案A，其力學(xué)性能滿足技術(shù)要求，使用性能優(yōu)良，獲得用戶認(rèn)可。

4 結(jié)語(yǔ)

唐鋼不銹鋼公司，采用低碳高錳添加鈮、鈦微合金的成分體系，通過(guò)兩套工藝方案的對(duì)比論證及用戶試用，確定了低溫卷曲的軋制工藝，獲取優(yōu)良的鐵貝組織，力學(xué)性能符合技術(shù)要求，符合用戶使用要求。采用低溫卷曲的軋制工藝的Q550C 大幅度提高了鋼卷的沖擊韌性，降低了裂紋的敏感性，提高抗疲勞性能。采用低溫卷曲的軋制工藝的Q550C 拉伸曲線無(wú)屈服延伸，不容易引起變形，有利于產(chǎn)品的抗疲勞性能。