低屈强比工程机械用钢生产探究

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摘要:结合抗拉强度700MPa级低屈强比工程机械用钢HQ550MD的生产实际情况，分析了该钢种的相变规律以及轧制、冷却工艺对组织性能的影响。结果表明:生产过程中可通过将开冷温度控制在770℃附近，使钢板在冷却前发生一定比例的铁素体相变，合理控制铁素体相和贝氏体相的比例，生产出屈强比≤0．80的工程机械用钢。

关键词:冷却;屈强比;工程机械用钢;贝氏体

屈强比指钢材屈服点(屈服强度)与抗拉强度的比值，是衡量钢材强度储备的重要系数。钢铁材料屈强比高通常表明抗变形能力强，不易在外力作用下发生塑性变形，但材料抗外力冲击能力差，发生脆性破坏风险较大，材料的可靠性低［1］;而钢铁材料屈强比较低，表明塑性较好，具有较高的加工硬化率，构件易成型，回弹小。矿山作业环境复杂恶劣，要求高强钢具有良好的抗冲击和抗震性能，但目前高强钢普遍存在强度和屈强比高的问题，无法满足矿山机械应用的需求。

1成分和工艺设计

1．1成分设计思路。700MPa级高强钢HQ550MD的成分采用低碳设计路线，碳含量控制在0．09%以下，以有效改善钢板的焊接性能。将Si含量控制在0．20%以下，有利于减少钢板表面红锈，提高表面质量。Mn具有固溶强化作用，并且可以提高钢板的淬透性，相对成本较低，但Mn含量过高容易产生偏析并降低材料韧性，恶化性能，因此将其含量控制在1．60%左右。复合添加少量Nb、Ti微合金元素则有利于细化奥氏体晶粒，促进过冷奥氏体冷却相变后组织细化，微合金碳氮化物析出也可显著提高钢板强度，保证强韧性。此外，再添加适量的Mo和Cr，可以改善钢板淬透性，促进钢板贝氏体相变，进一步提高钢板强度。HQ550MD钢的具体成分设计如表1所示。2工艺流程。HQ550MD钢板的生产工艺流程:铁水预脱硫→转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→板坯连铸→堆垛缓冷→再加热→控制轧制→快速冷却→热矫直→检验。1．3冶炼过程。转炉出钢终点C≤0．04%、P≤0．015%，出钢温度控制在1610～1660℃，添加适量废钢。LF钢水进站温度控制在1540～1600℃，加入石灰、铝线、铝粒等造白渣，采用硅铁、电解锰、中碳铬铁、铝线进行成分调整，精炼时间≥35min。RH钢水进站温度控制在1560～1580℃，真空度控制在100Pa以下，钙处理后吹氩时间≥6min，钢水液面不裸露。连铸过程中过热度控制在20℃左右，中间包使用专用低碳覆盖剂，防止钢水二次氧化，利用动态轻压下技术和电磁搅拌技术减轻中心偏析。1．4轧制和冷却。在铸坯再加热过程中，一方面考虑轧制难度和生产节奏，另一方面也要防止铸坯奥氏体晶粒过于粗大。鉴于该钢种添加有Ti、Nb微合金元素，能够有效抑制因加热温度升高造成的晶粒粗大，可以适当提高铸坯再加热温度，加热温度设定在1220～1250℃之间。轧制过程实施两阶段控制轧制。控制轧制的第一阶段在高温再结晶区进行，即在奥氏体再结晶终止温度以上的温度(约950℃)轧制，该阶段的主要作用就是初步细化奥氏体晶粒。控制轧制的第二阶段在未再结晶区进行，主要通过较大的未再结晶区累计变形量，避免促进后续的相变组织细化［2］。该轧制阶段一般都要求累计压下率≥60%，并且将终轧温度控制在800～860℃。根据经验公式，高强工程机械用钢HQ550MD的Ac3温度在760℃附近，因此将钢板的开始冷却温度控制在750～770℃，可以实现钢板的内过冷奥氏体组织部分转化为先共析铁素体组织，以获得特定比例的混合组织。冷却方式则采用超快冷+加速冷却模式(以下简称“DQ+ACC冷却”)，其中DQ段冷速控制在20～40℃/s，ACC段冷速控制在10～15℃/s，较快的冷速可促进钢板组织中的贝氏体转变，终冷温度控制在贝氏体转变终止温度以下，即350℃左右。

2力学性能和显微组织工程机械用钢

HQ550MD的主要生产厚度规格为16～30mm，各项性能良好，典型规格性能如表2所示，屈强比＜0．80。可见，组织由粒状贝氏体和部分多边形铁素体构成，其中铁素体比例为10%～20%。

3讨论

钢种的组织构成决定了钢材产品的最终力学性能。对于HQ550MD钢板而言，为确保其强度和屈强比满足要求，必须有效控制钢中软相和硬相的比例［3］，即先共析铁素体和贝氏体的比例。将钢板的开始冷却温度控制在750～770℃，过冷奥氏体析出部分先共析铁素体，铁素体是碳溶解在α－Fe中的间隙固溶体，该种组织具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度偏低，同时冷加工硬化缓慢，可以承受较大减面率的拉拔。未析出先共析铁素体的过冷奥氏体经过快速冷却转变为贝氏体。贝氏体是指过冷奥氏体在中温范围内形成的由铁素体和渗碳体组成的非层状组织［4］。该种组织通常具有较高的强度，但屈强比往往偏高，不利于特殊用途工程机械的安全性能保障。因此，当钢中的贝氏体含量较多时，钢材表现出强度高［5］、韧性差的特点，屈强比偏高;反之，当钢中的铁素体含量较多时，钢材主要表现出强度较小、韧性较大的特点，屈强比偏低。钢材较低的强度或较高的屈强比都无法满足用户对钢材性能的要求。只有合理控制钢中铁素体和贝氏体比例，才能确保高强钢的力学性能和屈强比均能够满足用户要求。通过将钢板开冷温度控制在过冷奥氏体相变温度，即750～770℃，可实现过冷奥氏体部分转化为先共析铁素体组织，占10%～20%，以实现固定比例的混合组织，通过特殊的软相和硬相混合比例控制［6］，实现低屈强比控制。

4结语

在低碳、Nb－Ti微合金化和适当添加Cr、Mo的成分设计基础上，通过合理控制轧制、开始冷却温度和水冷段冷速，尤其将钢板的开始冷却温度控制在奥氏体转变温度Ac3附近，可生成10%～20%的先共析铁素体，在保证强度的前提下，确保将HQ550MD钢板的屈强比控制在0．80以下。

参考文献

1王飞，施刚，戴国欣，等．屈强比对钢框架抗震性能影响研究进展［J］．建筑结构学报，2010，S1:18－22．

2张红梅，刘相华，王国栋，等．低碳贝氏体钢形变奥氏体的连续冷却相变研究［J］．金属热处理学报，2000，21(4):35－40．

3于庆波，段贵生，孙莹，等．粒状贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响［J］．钢铁，2008，43(7):68－71．

4于请波，孙莹，倪宏昕，等．不同类型的贝氏体组织对低碳钢力学性能的影响［J］．机械工程学报，2009，45(12):284－288．

5杨旭宁，康永林，于浩，等．X70针状铁素体管线钢中M/A岛的工艺控制［J］．轧钢，2007，24(4):7－10．

6王建泽，康永林，杨善武．超低碳贝氏体钢的显微组织分析［J］．机械工程材料，2007，31(3):12－16．

作者:孙志溪 孙电强 王会岭 张瑞超 吕德文 单位:1.河钢集团邯郸公司 2.河钢集团舞钢公司