低成本TMCP交貨Q550D鋼板的開發研究

李新宇，王 川，張德勇，李 偉，歐陽宇

（五礦營口中板有限責任公司， 遼寧 營口 115000）

工程機械行業是機械制造業的重要組成部分，也是機械工業中最年輕、發展最迅速的行業。工程機械用鋼板主要供給機械、煤炭、運輸、礦山及各類工程施工等部門所需設備中，如：鉆機、翻斗車、挖掘機、裝載機、推土機、各類起重設備及煤礦液壓支架等[1-4]。所需鋼板的型號主要以Q550/690D為主。目前主流廠家大多采用TMCP/DQ+回火“或“調質”方式生產Q550D[5-7]。其成分基本采用C-Mn-Nb-Cr-B系設計，成分和工藝同質化嚴重，競爭激烈。另外，由于需要進行熱處理，導致Q550D制造周期較長且成本昂貴。因此，開發以TMCP（控軋控冷）狀態交貨的Q550D已經成為各家鋼廠的攻關目標。目前，部分廠家已經取得進展，但需添加Mo等貴重金屬[8]，成本偏高。五礦營口中板有限責任公司（以下簡稱五礦營口）中板有限責任公司的裝備水平較高，擁有2800/3800/5000 mm軋機、離線淬火機以及新一代超快冷設備，其中5000 mm軋機擁有國內最大的12000 t軋制力。本文對成分和工藝進行深入研究，使用“CMn-Nb-Ti”系成分，通過低溫大壓下和控冷工藝，成功開發出了以“TMCP”狀態交貨的低成本Q550D鋼板。

1 成分設計思路

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

1）w（C）越高，鋼的淬透性和強度越高。但塑性和韌性就越差，一般低合金鋼中，w（C）不超過0.20%。由于本次開發鋼板規格較薄（≤20 mm）。軋制后的晶粒較細，鋼板的韌性相對較好。故，可以適當增加w（C）（0.13%～0.16%），這樣可以在不大幅度降低的韌性的同時，取消Mo、Cr等貴金屬的加入，降低成本。

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

3）鈮（Nb）微合金處理可強烈產生細晶強化和沉淀強化。擴大了奧氏體未再結晶區，通過軋制過程的變形積累，使得組織細化。提高鋼的綜合性能。

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

因此，Q550D采用中碳成分設計，復合加入Nb、Ti等元素，具體化學成分見表1。

表1 Q550D的化學成分 %

2 工藝設計思路

由于成分中提高了w（C）（0.13%～0.16%）和w（Ti）（0.05%～0.07%），導致沖擊和延伸性能下降。而目前能同時增加韌性和塑性的方法只有細化晶粒。因此，本文采用二階段軋制策略，其中未再結晶階段采用低溫大壓下策略細化晶粒。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，細化晶粒。水冷工藝設計方面，由于成分中提高了C和Ti含量，可大幅度提高強度。因此，可適當提高終冷溫度（500～600℃），以保證延伸率，實現TMCP狀態直接交貨。

3 Q550D的制備和檢測

3.1 生產工藝

Q550D的生產工藝流程：鐵水預處理-轉爐冶煉—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。

根據鋼的化學成分特點，將板坯加熱溫度定為1210～1260℃，在爐時間為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℃的奧氏體再結晶區[9]，通過軋制道次之間的反復再結晶充分細化奧氏體組織，在約880～1010℃進行待溫；在830℃以下未再結晶區控制進行軋制，其中待溫后累計壓下率≥65%，道次變形率≥12%,增加形核位置。軋制完成后，進入層流冷卻裝置內（ACC）進行水冷，冷速在10～15℃/s。試驗終冷溫度在510～630℃。

3.2 試驗結果及分析

3.2.1 TMCP狀態下的Q550D的性能

對Q550D（規格15 mm×2400 mm），在終軋溫度為（810±10）℃時，分別檢驗水冷溫度在510/540/570/600/630℃性能，數據如表2。

表2 TMCP狀態下的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，強度逐漸提升，延伸率逐漸下降。其中540～570℃終冷區間的性能符合國標Q550D（GB/T 16270—2009）標準。溫度低于540℃時，延伸率不足；溫度高于570℃時，屈服強度不足。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，仍可滿足標準。

3.2.2 TMCP+回火下的性能

終冷溫度在540～570℃左右時，TMCP性能可滿足Q550D交貨要求。但實際生產過程中，此范圍偏窄，終冷溫度低于540℃時，將導致延伸率不足。需要進行回火挽救（回火后，延伸會有提升強度會下降）。故，對低于540℃的鋼板（5號，實際終冷溫度為510℃）進行了不同溫度下（450/500/550/600℃）的回火挽救試驗。結果如表3。

表3 TMCP+回火狀態下的Q550D的性能（5號試樣）

TMCP+回火下的性能分析。由表3可知：隨著回火溫度的上升，強度逐漸下降，延伸逐漸上升。回火溫度低于500℃時，延伸率不足；回火溫度高于550℃時，強度不足。故，回火溫度應在500℃左右，回火時間為3 min/mm。

3.3 金相分析

分別對TMCP下的3號試樣（終冷溫度為540℃）和5-2號試樣（經過回火，工藝500℃×30 min）的金相進行了觀察，結果見圖1和圖2。

圖1 TMCP（3號終冷溫度540℃）

圖2 TMCP+回火（5-2號回火溫度500℃）

由圖1和圖2可知，3號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多邊形鐵素體、粒狀貝氏體和少量珠光體。

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

4 結論

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

2）針對終冷溫度波動產生延伸偏低的鋼板，可通過回火工藝進行挽救，最佳回火溫度約為500℃。