CN106086639B - 一种超高强工程机械用钢q960d及其生产方法 - Google Patents

一种超高强工程机械用钢q960d及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种超高强工程机械用钢Q960D及其生产方法，钢中各元素成分质量百分比为：C：0.13～0.16，Mn：1.40～1.50，Nb：0.02～0.04，V：0.09～0.11，Ti：0.015～0.025，Cr：0.45～0.55，Mo：0.45～0.55，B：0.0008～0.003，Als≥0.03，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质；本发明采用LF+RH工艺来保证钢质的洁净度，确保钢板内部质量符合探伤要求；采用控轧+（DQ+ACC）冷却+回火处理细化晶粒，在保证较低生产成本的同时生产出Q960D超高强工程机械用钢，力学性能和内部质量满足GB/T16270‑2009要求。

Description

一种超高强工程机械用钢Q960D及其生产方法
技术领域
本发明涉及一种钢材的生产方法，尤其涉及一种超高强工程机械用钢Q960D及其生产方法。
背景技术
Q960D是GB/T16270-2009中强度级别最高的钢种，主要应用于挖掘机、起重机等工程机械领域。目前，国内工程机械厂家主要使用国外进口的Q960D钢板，产品售价较高，而国内具备该类产品生产能力的厂家，如：舞阳钢厂等主要采用调质工艺进行产品生产，工序成本较高。国标GB/T16270-2009将Q960D的厚度规格限定为≤50mm，由于受到国内机械加工用户加工能力的限制，目前市场对Q960D需求量最大的是厚度规格为20mm的产品，占Q960D总需求量的70%以上。因此，开发出一种面向厚度规格为20mm的Q960D产品的低成本生产方法，同时满足国标GB/T16270-2009对于该钢种的力学性能要求，对于钢铁企业而言具有十分重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种超高强工程机械用钢Q960D及其生产方法，通过对成分的优化和采用在线淬火+回火的热处理工艺，在确保Q960D钢板的力学性能符合国标要求的前提下，实现低成本生产。
解决上述技术问题的技术方案为：
一种超高强工程机械用钢Q960D，钢中各元素成分质量百分比为：C：0.13～0.16，Mn：1.40～1.50，Nb：0.02～0.04，V：0.09～0.11，Ti：0.015～0.025，Cr：0.45～0.55，Mo：0.45～0.55，B：0.0008～0.003，Als≥0.03，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。
一种超高强工程机械用钢Q960D的生产方法，采用铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸、控制轧制、DQ+ACC冷却、回火热处理工艺步骤，其中：
转炉冶炼工艺中控制出钢碳C≤0.04%，控制出钢下渣量在钢水量的0.01%以下，确保钢水的洁净度；
LF精炼工艺中控制钢种夹杂物级别总和不超过1.5级；
RH精炼采用本处理模式，真空度在100Pa以下；
连铸工艺中钢水过热温度稳定控制在10～35℃范围内，拉速全程控制在0.8～0.9m/min范围内；
板坯加热工艺中板坯加热终了时刻的表面温度控制在1100～1150℃范围内，加热时间控制为4～5h；
控制轧制工艺中开轧温度1080～1100℃，一阶段终轧温度为＞980℃，二阶段的开轧温度≤920℃，二阶段的待温厚度为钢板成品厚度的3～4倍，终轧温度控制在790～850℃范围内；
在线淬火处理采用DQ+ACC冷却方式控制冷却，冷却速度控制在15～22℃/s范围内，出DQ时的温度≤400℃，钢板的终冷温度≤150℃；
回火处理中回火温度为680±10℃，保温时间为3.5±0.2min/mm。
上述的一种超高强工程机械用钢Q960D的生产方法，所述转炉冶炼工艺采用滑板挡渣；LF精炼采用石灰、铝线造白渣脱硫，出站前10~15min加入钛铁、硼铁进行微合金化操作；RH精炼真空处理时间≥30min，钢水静置时间≥10min；连铸浇注过程中全程保护性浇铸，使用二冷区电磁搅拌和动态轻压下；板坯在步进炉中进行加热；控制轧制采用CR方式轧制。
本发明为确保钢板力学性能满足GB/T16270-2009的要求，向钢中加入了细化晶粒的微合金元素及强硬相形成元素，各元素加入量主要基于以下原理：
C：该元素能够在钢中与Nb、Ti、Cr、Mo等元素形成碳化物，而且主要以固溶态的形式存在于奥氏体中，低温转变后形成贝氏体或者马氏体，回火处理后以碳化物的形式析出；本发明的强度级别在980～1150MPa之间，组织应以低碳的板条贝氏体和马氏体形式存在；经过离线的数值模拟研究确定出：当C含量在0.13-0.16wt%时，能够满足所需组织的生成；当C含量低于0.13 wt %，所形成的强化相粒子数量不够，导致所生成的板条贝氏体和马氏体的含量不满足产品性能要求；当C含量高于0.16 wt %时，则会导致钢板的屈服强度和抗拉强度过高，从而损害钢板韧性;因此，本发明将钢中C含量控制在1.4～1.5 wt %范围内。
Mn：该元素是固溶强化元素，能够稳定提高钢材的屈服强度和抗拉强度；通过离线数值模拟研究表明，当Mn含量提高到1.5 wt %以上后，对钢材的屈服强度和抗拉强度的不再有明显的影响，因此，为控制Q960D的生产成本，本发明将钢中Mn含量控制在1.4～1.5 wt%范围内。
Nb：该元素在钢中与氮、碳具有极强的亲和力，可与之形成稳定的Nb（C,N）化合物，在控制轧制过程中诱导析出，沿奥氏体晶界弥散分布，可以作为相变的形核质点，从而细化铁素体晶粒；在此钢种中，Nb的作用主要为细化晶粒；在实际生产中发现，当Nb的含量为0.02～0.04wt%时，能够起到很好的细化晶粒的作用，但是当Nb含量大于0.04 wt %，会在钢水中析出大量粗大的单质Nb，从而恶化钢材的力学性能。因此，本发明将Nb含量设计为0.02～0.04 wt %。
V：该元素能够细化钢的晶粒组织，提高钢的强度，可以在低温(700℃以下)析出，细化晶粒，而且V在回火过程中的析出能力较强，所形成的碳氮化合物能够在钢中弥散析出，细化晶粒有助于提高强度而不降低韧塑性；此外，现场试验表明：当V、Nb同时在钢中存在时，易于形成贝氏体组织，从而提高钢材的强度；当V含量小于0.09 wt %时，所析出的V的碳氮化合物不足以提高钢材的力学性能；当V含量高于0.11 wt %时，会导致其在贝氏体内过量的沉淀析出，从而降低钢材的焊接性能。因此，本发明将V含量设计为0.09～0.11 wt%。
Ti：Ti的加入可以降低Nb元素造成的裂纹影响，且与C、N元素形成耐高温的粒子钉扎在原始奥氏体晶界，阻止原始晶粒的长大，并改善钢板的焊接性能；但是试验结果表明：过低的Ti含量将不能得到足够体积分数的TiN来有效阻止钢中晶粒的粗化；过高的Ti含量将导致粗大的TiN析出，从而无法阻止钢中晶粒的粗化；试验表明：当Ti含量在0.015～0.025 wt %时，能够在钢中析出细小、充足的TiN，从而有效阻止钢中晶粒的粗大，提升钢材的力学性能。因此，本发明将Ti含量设计为0.015～0.025 wt %。
Cr、Mo：此二元素能够明显提高钢板淬透性，有利于在淬火过程中形成稳定的贝氏体或者马氏体；而且Cr会形成稳定且硬度高的碳化物，Mo可以防止回火脆性并具有二次硬化作用；现场试验表明：当Cr、Mo含量小于0.45 wt %时，对于Q960D钢材的淬透性能影响有限，钢材强度提升效果不明显；但是Cr的含量提高到0.55 wt %后，会较大降低钢的塑性和韧性；而Mo的含量提高到0.55% wt以后，其对钢材强度的影响也趋于稳定，此外Mo合金的市场价格较高，过量使用也会提升Q960D产品的生产成本。因此，本发明将Cr、Mo含量设计为0.45～0.55wt%。
B：该元素内能够显著提高钢的淬透性能，其在奥氏体晶界的偏聚阻碍铁素体的形核而有利于贝氏体的形成，进而提高钢材的力学强度；现场试验表明：当B含量低于0.0008wt%时，对提高Q960D淬透性能的作用甚小；但当B含量高于0.003 wt %时，会使钢中产生的硼相（Fe3(CB)、Fe3(BC)6、Fe2B）沿奥氏体晶界析出，从而产生热脆现象，影响后续的Q960D钢材质量。因此，本发明将B含量设计为0.0008～0.003wt%。
本发明为确保钢板力学性能满足GB/T16270-2009的要求，采用了控制轧制+(DQ+ACC)冷却+回火的工艺流程，各工艺流程的参数设定范围主要是在参照相关冶金原理的基础上，通过现场试验得到的：
a、为了保证钢板的表面质量，在实际的生产过程中发现，依托现有的加热炉设备，选择1100~1150℃的加热温度可以尽可能的减少加热过程中氧化铁皮的产生，便于除鳞箱除鳞；而且在此温度范围内，原始奥氏体晶粒尺寸不会急剧长大，便于细化晶粒；由于钢中Cr、Mo等元素的含量高，扩散不易，需要延长加热时间至4~5h，从而保证奥氏体内元素分布均匀。
b、第一阶段轧制温度控制在980℃以上是为了保证钢板在该阶段的变形能够在奥氏体再结晶温区进行，通过反复的再结晶细化晶粒；将二阶段的开轧温度定在920℃以下是为了保证其变形是在未再结晶温区内进行，从而避开部分再结晶温区，减少混晶现象；钢板的待温厚度为成品厚度的3~4倍，是为了尽可能的提高钢板在未再结晶温度内的累计变形量，为相变提供足够的形核点(位错)和驱动力(变形能)；终轧温度控制在790~850℃是为了减少终轧温度到相变点之间的温差，因为在此过程中组织会发生回复现象，降低位错密度和变形能，不利于细化晶粒。
c、该钢种的gleelbe热模拟结果显示，为了获得马氏体强硬相，钢板在冷却的过程中，其冷速必须≥8℃/s，随着冷速增加至40℃/s，组织相不会发生明显变化，但是马氏体的板条间距会逐渐变小。而且相变由两个过程组成，相变开始温度约为460℃，终了温度大约为250℃，中间存在一个380~400℃的温度拐点。结合生产实际，将此钢板出DQ装置的温度设定为400℃以下，最终的淬火温度设定为150℃以下。既满足了相变要求，也满足了生产线的实际操作需求。
d、由于钢板的Cr、Mo、V等合金元素含量高，导致其回火稳定性非常高；而且钢板系列回火实验结果表明；钢板的回火温度≤640℃时，钢板的组织仍以板条马氏体为主，基体上分布着弥散的碳化物，钢板的强度和延伸率都不符合要求；当回火温度在680±10℃之间时，马氏体分解的形貌比较明显，而且对应的强度和延伸率指标都符合国标要求；随着加热时间的增加，马氏体组织分解的量也随之增加并导致钢板的强度会逐渐下降，钢板的加热时间超过3.7 min/mm后，组织分解的量太多将会导致钢板的强度不符合国标的要求。
本发明的有益效果为：
本发明采用Cr-Mo-Nb-V-Ti-B成分体系，在保证强度的前提下不降低韧性，通过添加细化晶粒的微合金元素Nb及强硬相形成元素Mo、Cr、V、B，确保钢板力学性能；通过 LF+RH工艺来保证钢质的洁净度，确保钢板内部质量符合探伤要求；采用控轧+（DQ+ACC）冷却+回火处理细化晶粒。通过上述措施的有效实施，在保证较低生产成本的前提下，成功生产出Q960D超高强工程机械用钢，钢板的力学性能和内部质量满足GB/T16270-2009要求，内部组织为理想的低碳贝氏体+铁素体组织。
附图说明
图1为实施例1所生产的Q960D放大1000倍的金相组织图；
图2为实施例2所生产的Q960D放大1000倍的内部组织图；
图3为实施例3所生产的Q960D放大1000倍的内部组织图。
具体实施方式
本发明一种超高强工程机械用钢Q960D，钢中各元素成分质量百分比为：C：0.13～0.16，Mn：1.40～1.50，Nb：0.02～0.04，V：0.09～0.11，Ti：0.015～0.025，Cr：0.45～0.55，Mo：0.45～0.55，B：0.0008～0.003，Als≥0.03，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。
一种超高强工程机械用钢Q960D的生产方法，采用铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸、控制轧制、DQ+ACC冷却、回火热处理工艺步骤，其中：
转炉冶炼工艺控制出钢碳C≤0.04%，滑板挡渣，将出钢下渣量控制在钢水量的0.01%以下，确保钢水的洁净度；
LF精炼工艺采用石灰、铝线等造白渣脱硫，出站前10~15min加入钛铁、硼铁等进行微合金化操作，有效控制钢种夹杂物级别总和不超过1.5级；
RH精炼采用本处理模式，在100Pa以下真空度，真空处理时间≥30min，钢水静置时间≥10min；
连铸浇注过程中全程保护性浇铸，使用二冷区电磁搅拌和动态轻压下，钢水过热温度稳定控制在10~35℃范围内，拉速全程控制在0.8~0.9m/min范围内；
板坯加热在步进炉中进行，板坯加热终了时刻的表面温度控制在1100~1150℃范围内，加热时间控制为4~5h；
控制轧制工艺采用CR方式轧制，开轧温度为1080~1100℃；一阶段终轧温度为＞980℃；二阶段的开轧温度≤920℃范围内，二阶段的待温厚度为钢板成品厚度的3~4倍，终轧温度控制在790~850℃范围内；
在线淬火处理采用DQ+ACC冷却方式控制冷却，冷却速度控制在15~22℃/s范围内，出DQ时的温度≤400℃，钢板的终冷温度≤150℃；
回火处理工艺中回火温度=680±10℃，保温时间=3.5±0.2min/mm。
以下通过具体实施例1～3对本发明做进一步说明：
实施例1～3选用260mm大断面连铸坯以保证压缩比，生产厚度规格为20mm的Q960D成品钢，表1列出了实施例1～3钢的化学成分质量百分比，表2列出了实施例1～3控轧+（DQ+ACC）冷却+回火处理工艺参数；表3列出了实施例1～3所生产的Q960D力学性能指标。
表1 实施例1～3的化学成分质量百分比，余量为Fe及不可避免的杂质
实施例 C Mn Als Mo Nb V Ti Cr B
1 0.15 1.48 0.0507 0.49 0.026 0.094 0.025 0.50 0.002
2 0.13 1.40 0.03 0.45 0.02 0.09 0.015 0.45 0.008
3 0.16 1.50 0.06 0.50 0.04 0.11 0.025 0.55 0.003
表2 实施例1～3的控轧+（DQ+ACC）+回火处理工艺
表3 实施例1～3的力学性能

Claims (2)

1.一种超高强工程机械用钢Q960D的生产方法，钢中各元素成分质量百分比为：C：0.13～0.16，Mn：1.40～1.50，Nb：0.02～0.04，V：0.09～0.11，Ti：0.015～0.025，Cr：0.45～0.55，Mo：0.45～0.55，B：0.0008～0.003，Als≥0.03，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质；采用铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸、控制轧制、DQ+ACC冷却、回火热处理工艺步骤，其特征在于：
转炉冶炼工艺中控制出钢碳C≤0.04%，控制出钢下渣量在钢水量的0.01%以下，确保钢水的洁净度；
LF精炼工艺中控制钢种夹杂物级别总和不超过1.5级；
RH精炼采用本处理模式，真空度在100Pa以下；
连铸工艺中钢水过热温度稳定控制在10～35℃范围内，拉速全程控制在0.8～0.9m/min范围内；
板坯加热工艺中板坯加热终了时刻的表面温度控制在1100～1150℃范围内，加热时间控制为4～5h；
控制轧制工艺中开轧温度1080～1100℃，一阶段终轧温度为＞980℃，二阶段的开轧温度≤920℃，二阶段的待温厚度为钢板成品厚度的3～4倍，终轧温度控制在790～850℃范围内；
在线淬火处理采用DQ+ACC冷却方式控制冷却，冷却速度控制在15～22℃/s范围内，出DQ时的温度≤400℃，钢板的终冷温度≤150℃；
回火处理中回火温度为680±10℃，保温时间为3.5±0.2min/mm。
2.如权利要求1所述的一种超高强工程机械用钢Q960D的生产方法，其特征在于：所述转炉冶炼工艺采用滑板挡渣；LF精炼采用石灰、铝线造白渣脱硫，出站前10~15min加入钛铁、硼铁进行微合金化操作；RH精炼真空处理时间≥30min，钢水静置时间≥10min；连铸浇注过程中全程保护性浇铸，使用二冷区电磁搅拌和动态轻压下；板坯在步进炉中进行加热；控制轧制采用CR方式轧制。
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