500 MPa級叉車門架型鋼C250b的研制

霍喜偉，高彩茹，宋玉卿，田余東，杜林秀，喬 鵬

(1.山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，濟南 271104；2.東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819；3.安徽美芝精密制造有限公司，蕪湖 241000)

0 引 言

叉車是工業企業和物流行業應用廣泛的一種輕便的裝卸、搬運設備。隨著經濟和物流行業的不斷發展，叉車需求量不斷增加[1-2]，質量要求也相應提高[3-4]。叉車升降部位的內外門架由門架型鋼制作而成，承受著作業載荷和卸貨時的沖擊力[5]，這對門架型鋼的強度、剛度和韌性提出較高的要求;門架型鋼的質量直接影響到叉車的整車質量。目前市場上供應的門架型鋼主要以400～440 MPa級鋼為主[6-8]。隨著叉車市場競爭的日趨激烈，叉車生產企業對門架型鋼提出了高強度、高韌性的特殊需求，例如某企業對C250b門架型鋼提出定制強度和韌性，要求屈服強度不低于500 MPa，抗拉強度不低于610 MPa，斷后伸長率不小于17%，-20 ℃沖擊功不低于27 J。在國內生產企業普遍無軋后冷卻裝置的設備條件下，生產此類特殊要求的異型鋼難度較大，因為在該條件下無法通過控冷實現組織的細化，較難實現異型鋼連軋生產的控軋過程，以及較難實現較高的精軋控軋溫度以滿足矯直生產所需較高溫度的要求。因此，若要同時達到高強度與高韌性的綜合匹配，所采取的措施包括合理的成分體系設計與加熱、控軋過程的參數控制。作者對C250b型鋼的成分進行設計，參考實際生產工藝采用不同的精軋工藝對試驗鋼進行試制，以實現C250b型鋼的屈服強度不低于500 MPa，抗拉強度不低于610 MPa，斷后伸長率不低于17%，-20 ℃沖擊功不低于27 J的定制目標，為此類異型鋼批量生產及推廣應用奠定重要的工藝及技術基礎。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 成分設計與試樣制備

基于C250b門架型鋼的技術條件、使用特點，按照YB/T 4237-2018中門架型鋼的成分體系，根據碳、錳、鉻、鈮、釩、氮等元素對奧氏體相變的影響規律及以固溶強化、析出強化和細晶強化等機制對強度的貢獻[9-11]，并綜合考慮成本因素，確定該鋼的成分體系為C-Mn-Nb-V-Cr-N體系。碳元素是固溶強化效果最強的元素。每添加質量分數0.1%的碳元素，鋼的屈服強度便提高28 MPa[9]；但在大斷面板坯中碳元素易產生中心偏析，甚至會在鋼的心部形成馬氏體/貝氏體組織，極大損害鋼板的韌性。因此，將試驗鋼中碳元素的質量分數控制在0.2%以下，此碳含量可提供50～60 MPa的固溶強化值，占屈服強度目標值的10%～11%。元素錳、硅、鉻、磷對屈服強度的貢獻量分別達130，26，24，3 MPa，總和為183 MPa，占屈服強度目標值的36%左右。鈮元素既有提高未再結晶區溫度、擴大未再結晶區軋制工藝窗口的作用，又有析出強化的作用。從成本因素考慮，鈮按標準中的最小質量分數添加，即0.02%，計算得到的再結晶終止溫度為1 010 ℃，比未添加鈮的提高了130 ℃，為未再結晶區控軋的實施提供較寬的工藝窗口；同時鈮在高溫下的析出有利于奧氏體晶粒的細化，繼而實現鐵素體組織的細化。釩元素在奧氏體區與氮結合成為晶內鐵素體形核核心，從而提高鐵素體的形核率[12]，細化鐵素體晶粒；同時釩可在鐵素體中形成細小且均勻分布的VCN第二相，起到析出強化作用。最終設計的化學成分見表1。按照設計成分稱取原料，采用真空爐冶煉方法鑄造150 kg鑄錠，并將鑄錠鍛造成中間坯體。對坯體取樣進行化學成分分析，得到試驗鋼的實際成分(見表1)。

表1 C250b門架型鋼的化學成分(質量分數)

利用Thermo-calc熱力學軟件計算出試驗鋼的平衡相變點A1(共析鋼發生奧氏體與珠光體間轉變的溫度)、A3(亞共析鋼發生奧氏體與鐵素體間轉變的溫度)分別為516 ℃和817 ℃，在軋制過程中控軋溫度的制定參考A1和A3。C250b門架型鋼的斷面形狀及尺寸見圖1，型鋼的腹板厚度為20 mm。現場C250b門架型鋼的生產流程為粗軋1→粗軋2→精軋。粗軋1階段為孔型中翻鋼軋制階段。粗軋2和精軋階段主要為腹板部位水平軋制階段。由于門架型鋼的性能測試標準規定僅針對腹板部位，因此集中對腹板部位的組織和力學性能進行研究。腹板的厚度相當于中厚板規格，且在精軋最后階段為水平軋制，因此在實驗室條件下，根據中厚板精軋階段無翻鋼的水平軋制方法[13-14]，采用500 mm二輥試驗軋機對尺寸為120 mm×120 mm×200 mm的坯體進行軋制。根據加熱時奧氏體晶粒長大的規律，將精軋加熱溫度設定為1 150～1 190 ℃[15]，950 ℃以下精軋的壓縮比控制在3.0～3.5，軋制道次為7道，壓下率分別為39.2%，37.0%，21.7%，22.2%，10.7%，12.0%，9.1%，鋼板厚度依次為73，46，36，28，25，22，20 mm。試驗鋼的精軋工藝參數如表2所示，軋后冷卻方式為空冷，冷卻速率為1.0～1.3 ℃·s-1。1#工藝的開軋溫度接近再結晶臨界溫度，3#工藝的開軋溫度接近Ar1(冷卻時奧氏體向珠光體轉變的開始溫度),2#工藝的開軋溫度在3#工藝基礎上提高30 ℃。由于在大工業生產C250b門架型鋼過程中，當將坯體厚度由120 mm經7道次精軋至厚度20 mm時，其溫度下降約100 ℃，因此將終軋溫度設置為比開軋溫度低約100 ℃。

圖1 C250b門架型鋼的斷面形狀及尺寸Fig.1 Section shape and size of C250b gantry steel

表2 試驗鋼的精軋工藝參數

1.2 試驗方法

在試驗鋼板長度方向的1/2處沿橫截面取樣，經磨光、拋光，用體積分數4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在BX53M型光學顯微鏡上觀察顯微組織。切取厚度約為0.5 mm的試樣，用砂紙磨制至50 μm厚左右，沖裁成φ3 mm的小圓片，再用電解雙噴減薄儀減薄成透射電鏡試樣， 采用TecnG2F20型場發射透射電子顯微鏡(TEM)觀察析出相形貌。根據GB/T 228.1-2010，沿軋制方向截取尺寸為400 mm×32 mm×20 mm的全厚度拉伸試樣，在WAW-1000D型電液伺服萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為3 mm·min-1。按照GB/T 229-2007，沿軋制方向截取尺寸為55 mm×10 mm×10 mm的標準V型缺口試樣，在9250HV型全數字擺錘沖擊試驗機上進行-20 ℃沖擊試驗。沖擊試驗結束后，采用FEI Quanta 600型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察沖擊斷口形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織與力學性能

由圖2可知，不同精軋工藝下制備得到試驗鋼的組織均為鐵素體+珠光體組織。統計得到，1#,2#,3#工藝下試驗鋼的平均晶粒尺寸分別為8.0，7.0，6.3 μm，可見2#,3#工藝下試驗鋼的晶粒尺寸明顯小于1#工藝的。

圖2 不同精軋工藝下試驗鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of test steel by different finishing rolling processes: (a) 1# process; (b) 2# process and (c) 3# process

由圖3可以看出：不同工藝制備的試驗鋼的屈服強度為570～580 MPa，抗拉強度為713～742 MPa，斷后伸長率約為20%，均達到屈服強度不低于500 MPa，抗拉強度不低于610 MPa，斷后伸長率不小于17%的指標要求；3種工藝下試驗鋼的低溫沖擊功相差較大，1#工藝下試驗鋼的-20 ℃沖擊功為13～15 J，遠低于-20 ℃沖擊功不低于27 J的指標要求，而2#，3#工藝下的-20 ℃沖擊功為28～44 J，達到指標要求。

圖3 不同精軋工藝下試驗鋼的力學性能Fig.3 Mechanical properties of test steel by different finishing rolling processes: (a) yield cool tensile strength and (b) percentage elongation after fracture and impact energy at -20 ℃

2.2 分析與討論

基于控軋控冷理論，未再結晶區軋制參數的控制主要包括未再結晶區累積變形量的控制以及未再結晶區溫度的控制。累積變形量決定變形帶的數量，從而決定鐵素體形核量[16]。1#工藝的開軋溫度設定為1 000～1 020 ℃，且間隙道次內鋼的溫降在10 ℃左右，說明未再結晶區累積壓下量為53 mm，總壓下率為72.6%。而2#，3#工藝的開軋溫度分別為950～970 ℃和930～970 ℃，均低于臨界再結晶溫度(1 100 ℃)，未再結晶區累積壓下量為100 mm，總壓下率達到83.3%。由于2#，3#工藝下的未再結晶區累積壓下量遠大于1#工藝的，單位體積奧氏體內的晶界和變形帶數量多于1#工藝的，亦即鐵素體形核點較多，因此晶粒細化效果較顯著。2#，3#工藝的開軋及終軋溫度比1#工藝的低60～90 ℃，平均晶粒尺寸減小了1～2 μm。應用Hall-Petch關系式，得到1#,2#,3#工藝下晶粒細化對屈服強度的貢獻值分別為165，177，191 MPa。

由圖4可以看出，在不同精軋工藝下試驗鋼中均彌散析出大量第二相粒子，粒子呈球狀、棒狀及蠕蟲狀。使用Image-Pro Plus分析軟件統計得到3種工藝下第二相的析出量、尺寸基本相同，平均尺寸均為6.75 nm，體積分數均約為0.073%。參考文獻[17-18]，計算得到第二相析出對屈服強度的貢獻值約為100 MPa。

圖4 不同精軋工藝下試驗鋼中析出相的TEM形貌Fig.4 Precipitate phase TEM morphology of test steel by different finishing rolling processes: (a) 1# process;(b) 2# process and (c) 3# process

由圖5可以看出：1#工藝下試驗鋼的沖擊斷口由解理面組成，呈明顯的脆性斷裂特征；2#，3#工藝下試驗鋼的沖擊斷口呈韌窩狀，且3#工藝下的韌窩較深、數量較多、尺寸更均勻，說明該鋼韌性更好。結合顯微組織可知，當晶粒尺寸為78 μm時，試驗鋼發生韌脆轉變。為保證試驗鋼的-20 ℃沖擊功不低于27 J，鐵素體晶粒尺寸應細化至7 μm以下。細晶強化可以同時提高強度和韌性[17]。在精軋過程中應保證試驗鋼在未再結晶區發生變形；在設計精軋溫度時，終軋溫度應盡量接近奧氏體-鐵素體相變點A3，即817 ℃左右，然后根據軋制速率及溫降反推出開軋溫度，以保證最大晶粒細化程度。

圖5 不同精軋工藝下試驗鋼的沖擊斷口形貌Fig.5 Impact fracture morphology of test steel by different finishing rolling processes: (a) 1# process; (b) 2# process and (c) 3# process

由力學性能參數可知，2#,3#工藝下試驗鋼的性能均達到指標要求，說明可以在大工業生產中設置較寬的精軋溫度控制窗口。綜合考慮門架型鋼的平直度與軋機負荷，選擇2#工藝為工業試制工藝。

3 結 論

(1)設計了化學成分(質量分數/%)為0.16～0.20 C,0.40～0.50 Si,1.50～1.60 Mn,0.35～0.45 Cr，

微量Nb+V的C250b門架型鋼,該鋼經粗軋、精軋和空冷后的組織為鐵素體+珠光體組織。在奧氏體未再結晶區軋制時，軋制溫度越低，組織的細化效果越好。當開軋溫度控制在920～970 ℃，終軋溫度控制在820～870 ℃時，C250b門架型鋼的晶粒明顯細化，其平均晶粒尺寸不大于7 μm，此時試驗鋼達到屈服強度不低于500 MPa，抗拉強度不低于610 MPa，斷后伸長率不小于17%，-20 ℃沖擊功不低于27 J的指標要求。

(2) 對于滿足技術條件的試驗鋼，其固溶強化對屈服強度的貢獻值約為240 MPa，細晶強化的貢獻值為177～191 MPa，第二相析出強化的貢獻值約為100 MPa。

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