低屈強比Q690MD產品開發

張立超

（河北鋼鐵集團邯鋼公司，河北 邯鄲 056000）

中厚板低合金高強度結構鋼Q690MD屬于低碳貝氏體鋼，應用于煤礦機械、工程機械，如液壓支架、港口起重機、平板運輸機、重型機械、海洋工程、金屬結構等。需要有較高的屈服強度和抗拉強度，優良的焊接性能。鋼的屈強比嚴重影響框架結構的變形能力和極限承載能力，是關系結構安全性的一個重要的力學性能指標，屈強比太高，則結構變形時容易產生脆性破壞，其結果難以預防，低屈強比Q690MD的開發適應了市場需求，為結構件安全使用提供了保障。

1 低屈強比Q690MD成分設計

為獲得較高的強度及優異的焊接性能，本產品采用低C、高Mn、Nb和V復合強化并添加少量Cr、Mo等淬透性較高的合金元素。Cr能降低C的擴散速度，抑制鐵素體和珠光體轉變，使貝氏體轉變向低溫區移動，降低貝氏體的形成溫度。Cr還能夠穩定奧氏體，與Mo和Ni相比，Cr在低溫、中溫階段轉變有較強的奧氏體穩定作用[1]。Mo可以抑制碳化物的析出，提高奧氏體中的碳濃度，較小冷速下也可以提高淬透性，有效阻止奧氏體晶粒的長大，獲得細小組織。具體成分見表1，性能要求見表2。

表1 低碳貝氏體鋼Q690MD成分要求（質量分數） %

表2 低碳貝氏體鋼Q690MD性能要求

2 低屈強比Q690MD生產工藝

生產工藝流程∶鐵水→轉爐粗煉→LF精煉→RH精煉→連鑄→加熱→TMCP工藝→回火。

2.1 加熱制度

加熱段溫度1240℃±20℃，均熱段溫度1210℃±20℃，加熱系數10min/cm～12min/cm，鋼坯厚度260mm，板坯加熱時長≥4.5h。

2.2 軋制及冷卻工藝

從圖1不同冷速下的Q690MD鋼靜態CCT組織與動態CCT組織維氏硬度的變化曲線和圖2 Q690MD鋼顯微組織硬度中可以看出，當靜態冷速為0.1℃/s時， Q690MD鋼的組織為鐵素體+貝氏體的混合組織，且鐵素體較多，硬度僅為164.36HV，隨著冷速的升高，貝氏體含量不斷增加，由于貝氏體的硬度高于鐵素體，因此硬度逐漸升高。當冷速達到5℃/s時，組織中出現少量的板條貝氏體及MA島使硬度提高到227.28HV。采用熱機械軋制工藝，生產20mm厚度規格鋼板，待溫厚度70mm，終軋溫度810℃±20℃，在線淬火，終冷溫度160℃～200℃。冷卻速率選取15℃/ s，鋼板軋制完成后，進行500℃～650℃不同溫度回火試驗，保溫時間60min。

圖1 Q690MD鋼的CCT曲線圖

圖2 Q690MD鋼顯微組織硬度組織

圖3 冷速15℃/S下Q690MD鋼熱軋態1/4組織

3 試驗結果分析

3.1 化學成分

低屈強比Q690MD實際化學成分如表3所示，均符合表1的要求。

表3 低碳貝氏體鋼Q690MD實際化學成分（質量分數） %

3.2 力學性能

Q690MD鋼板具體性能見表4。從各項力學性能指標均滿足GB/T1591中Q690MD的鋼板要求。

表4 25mm厚低碳貝氏體鋼Q690MDTMCP和不同回火溫度下的力學性能

3.3 金相組織分析

當冷卻速度為5℃/s 時，連續相變產物主要 是準多邊形鐵素體和少量的粒狀貝氏體，基體組織中存在彌散分布的細小殘余奧氏體。另外，在準多邊形鐵素體或粒狀貝氏體邊界處，M/A島以較大的深色珠狀組織存在，成為貝氏體鋼中的第二相， MA 島顆粒比較粗大，部分尺寸可達到4μm，且多為不規則的多邊形，當冷卻速度為15℃/S時，相變組織基本為板條貝氏體，此時MA 島組元呈斷續薄膜狀存在于板條貝氏體鐵素體之間;隨著冷卻速度的升高， MA 島的方向性逐漸明晰，呈彌散分布，且顆粒逐漸變細小，數量也增多。

回火組織

在500℃～650℃范圍內回火時，隨回火溫度升高，顯微組織逐漸變化。500℃回火后，貝氏體板條開始回復，位錯重新排列并且密度降低。隨溫度升高，位錯繼續遷移、合并，有的位錯消失。貝氏體板條逐漸合并、粗化，板條數量減少，晶界逐漸變得清晰，M/A島分解為碳化物，在晶界和晶內析出，數量增多。550℃回火后，貝氏體板條進一步粗化，回復階段基本結束，開始進入再結晶階段。此時組織以回火貝氏體為主，并出現少量的回火索氏體。隨著回火溫度升高到600℃，在回火組織晶界處出現大量黑色物質，通過能譜分析得出為雜質元素碳化物偏聚，這種黑色的碳化物惡化晶界阻止裂紋擴展的能力，降低韌性，在金相上觀察，存在大量的碳化物偏聚在晶界處，因此600℃為回火脆性的拐點。隨回火溫度升高到650℃，并未發生碳化物偏聚現象，這是由于溫度升高，原子擴散加快，并且在晶界處發生了少量的再結晶。Mo、V、Ti、Cr元素等強碳化物形成元素與C原子結合力增強，因此抑制了雜質元素在晶界處偏聚的現象。

3.4 改進措施實際應用效果

通過上述工藝措施的實施，對于某廠中厚板薄規格板材邊浪問題取得了如下的實際應用效果。

4 結論

（1）綜合沖擊功與抗拉強度、屈服強度力學性能，Q690MD鋼回火溫度可采取500～560度回火。在540℃時回火

（2）基體組織晶粒大小適中，在不降低塑性的條件下，提高鋼的強度和韌性，同時得到低屈強比。

（3）高硬度相與低硬度相之間強度比率較大。

（4）Q690MD鋼回火后，無拉伸斷口分層現象。屈服強度、抗拉強度隨回火溫度升高逐漸降低、沖擊功隨回火溫度升高逐漸升高，在600度回火時，出現高溫回火脆性區間。

鋼板的凸度值得到了明顯的降低，圖4中給出了措施實施前后鋼板橫向凸度值的變化，從圖中可以看出，采用合理的彎輥使用制度和限制末道次壓下率，鋼板的凸度從0.26降低到了0.10mm以內，凸度值下降明顯。

圖4 冷速15℃/S下 Q690MD鋼回火態1/4組織

5 結語

通過合理控制軋制、開始冷卻溫度和水冷段冷速，尤其將鋼板的開始冷卻溫度控制在奧氏體轉變溫度Ac，附近，可生成10%～20%的先共析鐵素體，在保證強度的前提下，確保將Q690MD鋼板的屈強比控制在0.26以下。