CN107447167A - 一种低屈强比高强度中厚钢板的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低屈强比高强度中厚钢板的生产方法，钢的化学组成质量百分比为C=0.06～0.09，Si=0.2～0.4，Mn=1.3～1.8，Al=0.02～0.05，Cr=0.30～0.40，Nb≤0.05，Ti=0.015～0.025，Mo≤0.30，B≤0.0010，P<0.02，S<0.005，CEQ＜0.45，Pcm＜0.22，工艺步骤包括轧制与热处理。本发明方法用于轧制低屈强比高强度中厚钢板，特别是工程机械用屈服强度为550MPa级的高强钢中厚板，通过调质工艺或TMCP+回火工艺生产最终获得回火板条贝氏体组织的板材，其屈服强度达到550MPa以上，抗拉强度大于680MPa，屈强比小于0.9，断后伸长率高于17%，‑20℃全厚度V型缺口夏比冲击功达到140J以上。且焊接后性能优异。

Description

一种低屈强比高强度中厚钢板的生产方法
技术领域
本发明属于炼钢技术领域，是一种低屈强比高强度中厚钢板的生产方法。
背景技术
在高端装备制造领域，工程机械成套装备的轻量化是重点突破方向。高强钢应用于臂架、底架等关键作业部件和主承载部件，决定了大型工程机械的性能，也是轻量化的关键所在。超长重载的极端工况条件下，对钢板板形、产品力学性能、冷弯性能、焊接、疲劳性能等也具有较高的要求。随着大型装备制造的发展，除了提高材料减重外，也需要材料在大的载荷下能够具有较好的承受形变的能力，保证结构的安全性，这对材料的屈强比提出了较高的要求，降低高强钢的屈强比成为高强钢的发展趋势。
目前，工程机械用钢的屈服强度主要为Q550～Q960级别，其中Q550和Q690用量最大。该强度级别的钢板组织主要以贝氏体为主，采用调质或TMCP+回火工艺生产，屈强比多集中在0.92～0.96之间。对于调质工艺生产的高强钢，主要通过提高碳含量来增加淬透性，由于要离线热处理，所以生产工序长，增加了生产成本，且调质后的钢板屈强比普遍较高。而TMCP+T工艺生产的高强板主要采用低碳设计，结合其他合金元素的综合作用，通过控制返红温度来获得所需要的组织。碳含量的降低使得钢板的焊接性能大大改善，但通过合金元素的添加来弥补降碳带来的强度损失，不仅增加了合金成本，而且会使得后续的回火需要通过提高回火温度来获得需要的性能，引起屈强比的升高。不管是碳含量相对较高的调质工艺还是低碳设计的TMCP+回火工艺，高强钢的屈强比都较高。
降低材料的屈强比需要引入多相组织，比较常用的方法就是通过离线的两相区淬火处理来获得一定量的铁素体软相组织，这种技术在高Ni钢和高Mn钢中较常见，但在低碳钢的生产中应用较少。
发明内容
本发明旨在提供一种低屈强比高强度中厚钢板的生产方法，特别是工程机械用屈服强度为550MPa级的高强钢中厚板，通过合理的成分设计及热处理工艺获得屈强比在0.85～0.90之间，力学性能符合550MPa级别的低合金钢的要求，并满足工程机械用使用性能的中厚板。钢材经冶炼并轧制成板材，厚度范围为12～45 mm，轧制结束后直接在线进行冷却，最后进行高温回火，获得良好焊接性并且其他力学性能符合工程机械规定的中厚钢板。
本发明的技术方案：
一种低屈强比高强度中厚钢板的生产方法,钢的化学组成质量百分比为C=0.06～0.09，Si=0.2～0.4，Mn=1.3～1.8，Al=0.02～0.05，Cr=0.30～0.40，Nb≤0.05，Ti=0.015～0.025，
Mo≤0.30，B≤0.0010，P<0.02，S<0.005，余量为Fe和不可避免的杂质。碳当量CEQ＜0.45，冷裂纹敏感指数Pcm＜0.22。工艺步骤包括：
（1）轧制工艺：将连铸坯进行轧制，轧制的出钢温度为1200±20℃，轧制采用TMCP+DQ（即热机械轧制和在线淬火工艺），分为粗轧和精轧两阶段。其中，粗轧过程中保证展宽后连续三道次压下率不小于20%；精轧过程中厚度12～30mm的钢板中间坯厚度不小于3倍最终成品板厚，精轧开轧温度低于940oC，开冷温度为780～820oC，返红温度为400～450oC；30～45mm厚度之间的钢板中间坯厚度不小于2.5倍最终成品板厚，精轧开轧温度低于920oC；开冷温度为760～800oC，返红温度为300～350oC。
（2）热处理工艺：厚度30mm以下的钢板回火温度为500～650oC；回火时间为2倍板厚；厚度30～45mm的钢板回火温度为450～650oC，回火时间为2.5倍板厚；然后空冷至室温。
步骤（1）中从轧制工序结束到冷却至返红温度区间时采用的是在线淬火技术，其中12～30mm厚的钢板冷速为30～50oC/s，30～45mm厚的钢板冷速为25～40oC/s。
步骤（2）中的回火时间指钢板从进炉到出炉这一过程的时间，并不是指均热段时间。
用本发明方法获得回火板条贝氏体组织的板材，其屈服强度550MPa以上，抗拉强度大于680MPa，屈强比小于0.9，断后伸长率高于17%，-20oC全厚度V型缺口夏比冲击功达到140J以上。且焊接后性能优异，焊缝、熔合线以及焊接热影响区的-20oC全厚度V型缺口夏比冲击功均在27J以上，3倍板厚弯心直径下弯曲180o后弯曲面不开裂。
本发明的原理：屈服强度550MPa级别的工程机械用钢在性能上要求强度高，焊接性能好，屈强比低。该强度级别的钢板组织以低碳贝氏体为主，但单一的组织会导致材料屈强比偏高，需引进多相组织。在保证材料强度的前提下可以确定，低屈强比的工程机械用550MPa级的钢板以低碳贝氏体和马氏体的多相组织为主。因此，合金设计时需要采用低碳设计，并添加适量的Mo、B等合金元素推迟铁素体相变，能在尽可能大的冷却速度范围内获得贝氏体和马氏体组织。采用低碳设计保证材料的焊接性和低温冲击韧性，采用Nb和Ti微合金化，阻止再加热过程中奥氏体晶粒的粗化以及扩大非再结晶轧制的窗口，使得在精轧过程中能充分细化奥氏体晶粒，添加Cr、Mo和B来提高钢材的淬透性，并使得铁素体相变区右移，推迟冷却过程中铁素体的形成，能够在较大的冷速范围内获得贝氏体组织。合金设计使得该钢的碳当量CEQ小于0.45，裂纹敏感指数Pcm小于0.22。
本发明通过合理的化学成分设计以及热处理工艺，利用在线淬火+回火技术获得贝氏体和马氏体的复相组织，获得高强度和低屈强比的中厚钢板。本发明的优点：（1）采用低碳低合金的设计，保证了材料的焊接性，结合Nb、Ti微合金设计，配合Mo、B等元素能在较大冷速范围内获得低碳贝氏体和马氏体多相组织；（2）采用在线淬火和回火工艺，工艺流程简单，成本低，可实现屈强比在0.90以下的高强度工程机械用钢的批量化生产，较传统的高强钢屈强比有明显降低；（3）相较传统的高强板，该发明的中厚板回火温度窗口比较宽，其中＞12～30mm厚度的回火温度窗口有150oC，＞30～45mm厚度的钢板回火温度窗口有200oC，能保证性能的稳定性，同时回火时间短，能节省成本。
附图说明
图1 是本发明中生产低屈强比中厚板的轧制及热处理工艺示意图。
图2 是发明实施例1所生产的25 mm厚低屈强比中厚板（600oC回火）的金相组织图片示意图。
图3 是发明实施例2所生产的40 mm厚低屈强比中厚板（600oC回火）的扫描电镜组织图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步介绍本发明的内容。
实施例一：25mm厚钢板的轧制
低合金中厚板钢材的冶炼成分为C= 0.07，Si =0.3，Mn =1.56，Cr= 0.33，Nb= 0.04，Ti= 0.016，Mo= 0.15，B= 0.0005，P= 0.011，S= 0.002，余量为Fe和不可避免的杂质，碳当量CEQ =0.43，冷裂纹敏感指数Pcm= 0.19。冶炼后制成厚度为260mm的连铸坯。工艺步骤包括：
（1）轧制工艺：连铸坯经加热炉加热后，出钢温度为1180oC，粗轧7道次后中间坯厚度为80mm，其中粗轧最后三道次压下率均在20%以上，精轧开轧温度为935oC，开冷温度为800oC，经在线淬火后，返红温度为440oC，冷却速率为35oC/s，轧制成厚度为25mm的钢板。
（2）热处理工艺：轧后的钢板在500oC，550oC，600oC，650oC之间进行回火，回火时间为50 min。
钢板的屈服强度为656～709MPa，抗拉强度为734～816MPa，屈强比为0.87～0.90；回火后钢的断后伸长率均在17%以上，-20oC全厚度V型缺口夏比冲击功均在240J以上，如表1所示。焊接拉伸的断裂位置均为母材，抗拉强度在750MPa以上，弯心直径75 mm时，冷弯180o弯曲面无开裂。焊缝、熔合线和热影响区的-20oC全厚度V型缺口夏比冲击功逐渐增加，平均值分别为80J，124J和168J，表现出良好的力学性能和焊接性，满足工程机械用550MPa级钢板的使用要求。
表1 25mm厚低屈强比钢板的力学性能
实施例二：40mm厚钢板的轧制
低合金中厚板钢材的冶炼成分为C 0.08，Si 0.28，Mn 1.61，Cr 0.31，Nb 0.045，Ti0.018，Mo 0.17，B 0.0008，P 0.013，S 0.002，余量为Fe和不可避免的杂技元素，碳当量CEQ0.43，冷裂纹敏感指数Pcm 0.19。冶炼后制成厚度为260mm的连铸坯。工艺步骤包括：
（1）轧制工艺：连铸坯经加热炉加热后，出钢温度为1190oC，粗轧7道次后中间坯厚度为130mm，其中粗轧最后三道次压下率均在20%以上，精轧开轧温度为918oC，开冷温度为785oC，经在线淬火后，返红温度为320oC，冷却速率为30oC/s，轧制成厚度为40mm的钢板。
（2）热处理工艺：轧后的钢板在450oC，500oC，550oC，600oC，650oC之间进行回火，回火时间为50 min。
钢板的屈服强度为631～675MPa，抗拉强度为720～757MPa，屈强比为0.85～0.89；回火后钢的断后伸长率均在19%以上，-20oC全厚度V型缺口夏比冲击功均在148J以上，如表2所示。焊接拉伸的断裂位置均为母材，抗拉强度在720MPa以上，弯心直径120mm时，冷弯180o弯曲面无开裂。焊缝、熔合线和热影响区的-20oC全厚度V型缺口夏比冲击功逐渐增加，平均值分别为53J，92J和130J，表现出良好的力学性能和焊接性，满足工程机械用550MPa级钢板的使用要求。
表2 40mm厚低屈强比钢板的力学性能

Claims (1)

1.一种低屈强比高强度中厚钢板的生产方法，其特征在于：钢的化学组成质量百分比为C=0.06～0.09，Si=0.2～0.4，Mn=1.3～1.8，Al=0.02～0.05，Cr=0.30～0.40，Nb≤0.05，Ti=0.015～0.025，Mo≤0.30，B≤0.0010，P<0.02，S<0.005，余量为Fe和不可避免的杂质，CEQ＜0.45， Pcm＜0.22，工艺步骤包括：
（1）轧制工艺：将连铸坯进行轧制，轧制的出钢温度为1200±20℃，轧制采用TMCP+DQ，粗轧过程中保证展宽后连续三道次压下率不小于20%；精轧过程中，厚度12～30mm的钢板中间坯厚度不小于3倍最终成品板厚，精轧开轧温度低于940oC，开冷温度为780～820oC，返红温度为400～450oC；30～45mm厚度之间的钢板中间坯厚度不小于2.5倍最终成品板厚，精轧开轧温度低于920oC；开冷温度为760～800oC，返红温度为300～350oC；
（2）热处理工艺：厚度30mm以下的钢板回火温度为500～650oC，回火时间为2倍板厚；厚度30～45mm的钢板回火温度为450～650oC，回火时间为2.5倍板厚；然后空冷至室温。
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