CN112725686B

CN112725686B - 屈服强度为960MPa的起重机吊臂用钢及其生产方法

Info

Publication number: CN112725686B
Application number: CN202011282503.4A
Authority: CN
Inventors: 李耀强; 孙电强; 李玉谦; 成慧梅; 张瑞超; 王春莉; 徐晓; 王丽敏
Original assignee: Handan Iron and Steel Group Co Ltd; HBIS Co Ltd Handan Branch
Current assignee: Handan Iron and Steel Group Co Ltd; HBIS Co Ltd Handan Branch
Priority date: 2020-11-17
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2040-11-17
Also published as: CN112725686A

Abstract

本发明涉及屈服强度为960MPa的起重机吊臂用钢及其生产方法。钢中各元素的质量百分比为：C：0.14～0.16%，Si≤0.07%，Mn：1.15‑1.25%，P≤0.012%，S≤0.005%，Als：0.020～0.040%，Nb：0.015～0.025%，V：0.030～0.040%，Ti：0.008‑0.018％，Cr：0.40～0.50%，Mo：0.58～0.66%，Ni：0.16～0.24%，B：0.0010~0.0018%，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。本发明通过合理的冷却温度、轧后缓慢冷却、提高回火温度的措施减少钢板内部残余应力，同时对铸坯采取火焰清理、采用投用机架间冷却水等措施提高钢板表面质量，生产的高强钢表面质量良好，氧化铁皮压入、结疤等缺陷深度≤0.05mm，且缺陷影响面积小于检测面积的3%，切割后钢板平直度≤1mm/5m。

Description

屈服强度为960MPa的起重机吊臂用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及级高强钢及其生产方法，尤其涉及屈服强度为960MPa的起重机吊臂用钢及其生产方法。

背景技术

960MPa级高强钢即Q960E，属于高强度结构用调质钢板，具有良好的综合力学性能和工艺性能，其中4～10mm薄规格产品广泛应用于起重机吊臂上，以实现起重车辆减重，但此类钢在实际运用过程中因为机加工、装配、安全因素等需求，对该类钢在表面质量、钢板平直度和机械性能方面提出了更高的要求。

国内中板厂生产该钢种的钢板，主要分两种工艺路线，一种是热机械轧制和回火，成分设计主要采用低碳成分设计，添加有Mn、Nb、V、Cr、B等元素，其中C含量控制0.11wt%以下，利用良好的淬透性，通过快速冷却得到贝氏体组织，再经过500℃上下的回火，组织内析出碳氮化物，起到提高屈服强度和改善韧性，该工艺路线具有流程短，焊接性能良好等优点；另一种工艺路线为离线淬火和回火，成分设计中C含量主要控制在0.18wt%以下，再添加有Cr、Mo和B、Ni等增加淬透性的合金元素，经过淬火后得到马氏体组织，再经过高温回火获得回火索氏体，以使钢板获得良好的综合力学性能，该工艺路线简单可控，且钢板性能均匀性好。

从上述内容可知，现有Q960E产品的设计思路在于通过添加淬透性元素Mo、Cr、B等，以及快速冷却得到的相变强化来保证产品的强度，并通过适当的回火来改善钢板的韧性和塑性。目前多数Q960E或同类产品，通过一定的工艺和成分设计，获得特定的性能范围。如CN102618793B的中国专利公开了《一种屈服强度960MPa级钢板及其制造方法》，通过控制快速冷却得到贝氏体组织，并通过回火促进钢板内部细小第二相粒子的析出，实现增加屈服强度和改善钢板韧性和塑性。该类专利实现了短流程工艺路线生产Q960E，获得了预期的机械性能，但该类工艺路线往往要对钢板或钢带进行快速冷却和中低温回火处理(多在500℃以下回火处理)，快速冷却会带来因冷却不均造成明显钢板内应力，甚至浪板，且中低温回火处理不足以有效消除钢板内应力，会造成钢板切割后的变形。

在内应力控制方面，如CN 110066966A的中国专利申请公开了《一种低内应力含钛高强钢及生产方法》、专利公开号为CN 110257612A的中国专利申请公开了《一种低残余应力低合金高强钢板的制备方法》，主要通过大量添加Ti，并适当提高回火温度，来实现降低钢板残余应用和保证强度，但该类工艺路线多限于700～850MPa级别钢种，无法应用于更高强度级别钢种，且不涉及表面质量控制方面内容。

残余应力指留在物体内的自相平衡的内应力。钢带或钢板在加热、轧制、冷却或切割过程中因不均匀塑性变形或相变都可能引起残余应力。钢板在不适当的焊接或切割加工后，加工应力与残余应力发生叠加，会引起钢板或零件发生翘曲或扭曲变形，甚至开裂。

在残余应力中，第三类内应力，即点阵畸变为其主要组成部分，占比80-90%，主要表现形式为空位、位错等。而减少点阵畸变的主要方法有减少不均匀塑性变形和相变，或者通过充分的加热处理去除位错等缺陷。

综上所述，现有技术中生产的960MPa级高强钢由于内应力的存在容易产生诸如切割后翘曲、开裂等表面质量缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供屈服强度为960MPa的起重机吊臂用钢及其生产方法，生产的高强钢表面质量良好，氧化铁皮压入、结疤等缺陷深度≤0.05mm，且缺陷影响面积小于检测面积的3%，切割后钢板平直度≤1mm/5m。

C：控制在0.14～0.16wt%，避开包晶区和铸坯收缩值最大的碳含量成分区间。是确保钢板强度所需的元素，但为了使钢板具有良好的焊接性能，较好的低温冲击韧性，必须降低钢中的含碳量，因为碳是较强的固溶强化元素，能显著提高钢板强度，但同时降低钢的韧性和塑性，显著恶化钢板的焊接性能。

Si:当Si含量控制在0.07wt%以下，可消除红色氧化氧化铁皮，利于钢板除鳞和减薄氧化铁皮。

Mn：Mn在调质钢中是重要元素，主要起细化晶粒、提高淬透性的作用。但为了降低钢的偏析，Mn含量不能控制过高，所以通过添加1 .15～1 .25wt％的Mn来保证钢板强度的同时防止铸坯偏析，提高钢板的疲劳性能。

Cr：在调质结构钢中，铬的主要作用是提高钢的淬透性，使钢经过调质处理后具有较好的综合力学性能，但当铬的含量过高时，会增加钢的回火脆性倾向，所以本发明铬的含量控制在0.40～0.50wt％。

Mo：钼能显著提高钢的淬透性，作用强于铬，钼还可以提高钢的回火稳定性，而且与铬、锰等并存时，钼又降低或抑制因其他元素所导致的回火脆性。为保证高温回火下钢的强度，钼的含量控制在0.58～0.66wt％。

Nb：在一般淬火温度900℃附近时，Nb具有较低的溶解度，但在一般情况下，铌元素对晶粒和热轧显微组织起到细化作用，可改善调质钢的最终韧性，铌的含量控制在0.015～0.025wt％。

V：钒可有效提高钢的淬透性，同时在回火过程中其碳化物弥散析出提高钢板强度，少量的钒可使晶粒细化、韧性改善，但含量过高时，其碳化物在晶内析出会降低低温韧性，故钒的含量控制在0.030～0.040wt％。

Ti：钛的主要作用是固氮和脱氧，钛的含量过高，会造成材料的韧性降低，根据钢水中氮含量，钛含量控制在0.008～0.018wt％。

B：硼能显著提高钢板的淬透性，但含量一旦过量，会在晶界偏聚，降低钢的韧性和塑性，硼的含量控制在0.0010～0.0018wt％。

Ni：镍是一种能明显提高钢的低温冲击韧性的合金元素，但镍作为一种稀缺合金元素，尽量减少该元素的添加，镍的含量控制在0.16～0.24wt％。

Als：铝作为有效的脱氧元素，可高效去除钢水内的氧，提高钢水纯净度，但铝的添加过高反而会造成钢内夹杂物的增大，作为铝添加的衡量指标酸溶铝含量控制在0.020～0.040%。

P、S：磷、硫作为钢中的有害元素，对钢的低温韧性和抗疲劳性能有损害作用，理论上含量越低越好，但考虑到冶炼的成本和可行性，控制P≤0.012%，S≤0.005%。

解决上述技术问题的技术方案为：

屈服强度为960MPa的起重机吊臂用钢，钢中各元素的质量百分比为：C：0.14～0.16%，Si≤0.07%，Mn：1.15-1.25%，P≤0.012%，S≤0.005%，Als：0.020～0.040%，Nb：0.015～0.025%，V：0.030～0.040%，Ti：0.008-0.018％，Cr：0.40～0.50%，Mo：0.58～0.66%，Ni：0.16～0.24%，B：0.0010~0.0018%，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。

一种屈服强度为960MPa起重机吊臂用钢的生产方法，包括铸坯火焰清理、加热、控制轧制、控制冷却、横切、淬火、回火工序；所述铸坯中各元素的质量百分比为：C：0.14～0.16%，Si≤0.07%，Mn：1.15-1.25%，P≤0.012%，S≤0.005%， Als：0.020～0.040%，Nb：0.015～0.025%，V：0.030～0.040%，Ti：0.008-0.018％，Cr：0.40～0.50%，Mo：0.58～0.66%，Ni：0.16～0.24%，B：0.0010~0.0018%，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。

上述的屈服强度为960MPa起重机吊臂用钢的生产方法，所述铸坯表面经过火焰清理，清理深度3～5mm，可有效清理铸坯表面隐藏的微裂纹、夹杂等缺陷；加热工序中加热终了时刻铸坯表面温度控制在1210～1250℃范围内，加热时间≥180min，适当提高加热温度有利于钢板轧制稳定性，提高板形质量。

上述的屈服强度为960MPa起重机吊臂用钢的生产方法，所述控制轧制工序，精轧终轧温度控制在860～890℃；精轧过程投用机架间冷却水，将精轧过程带钢表面温度控制在600-700℃，可有效减少该类高强钢的轧制过程中氧化铁皮生产，进而减少轧制过程中的氧化铁皮压入的问题。

上述的屈服强度为960MPa起重机吊臂用钢的生产方法，所述控制轧制工序，采用2台粗轧机、7台精轧机轧制，精轧过程中投用机架间冷却水，上下集管水量分别为130m³/小时和230m³/小时，将精轧过程带钢表面温度控制在600-700℃。

上述的屈服强度为960MPa起重机吊臂用钢的生产方法，轧后控制冷却工序采用层流冷却，带钢冷却至640～670℃进行卷曲，卷取后钢卷转移至保温罩内，缓冷72小时释放内应力，通过调整缓冷钢卷数量将缓冷速率控制在4-8℃/小时。

上述的屈服强度为960MPa起重机吊臂用钢的生产方法，钢卷经保温罩缓冷后，开平横切至目标长度，横切钢板在895～905℃加热，加热时间为(1.4a+15)min；a表示钢板厚度，单位为mm；

所述淬火和回火工序，横切钢板加热完成后进入淬火机进行水淬，淬火后钢板在4小时内转至回火炉，回火温度620～650℃，回火时间(1.4a+35)min；a表示钢板厚度，单位mm，回火后钢板空冷至室温。

上述的屈服强度为960MPa起重机吊臂用钢，钢板厚度规格为4～10mm。

影响表面质量的主要缺陷为铸坯表层裂纹、表层夹杂及氧化铁皮缺陷等，其中铸坯裂纹主要是连铸过程中铸坯受力学和自身冶金特性综合作用的结果。为减少铸坯裂纹，可通过减少杂质性元素P、S及其他合金元素，降低或控制该类元素因枝晶间偏析对钢的塑性危害，同时对于已发生的表层裂纹和夹杂问题，可通过对铸坯表面火焰清理以保证钢板最终表面质量。

本发明基于目前现状，提出了一种屈服强度为960MPa高品质高强度的化学成分设计思路，以及与这种化学成分特点相匹配铸坯处理，轧制和淬火+回火热处理工艺，其特点是通过减少不均匀的相变、适当提高回火的温度减少钢板内部残余应力，同时对铸坯采取火焰清理、采用投用机架间冷却水等措施提高钢板表面质量。本发明轧制及热处理工艺简单易行，在保证机械性能的前提下，还保证了工程机械用户对高表面和板形质量的高品质高强钢的要求。

本发明在确保Q960E板性能满足GB/T 16270-2009的同时，确保Q960E钢板表面质量、切割变形满足起重机吊臂要求。生产工艺参数的的设计主要基于以下原理：

a.对铸坯表面经过火焰清理，清理深度3～5mm，可有效清理铸坯表面隐藏的微裂纹、夹杂等缺陷，避免钢板表面夹杂、裂纹等缺陷。

b.将铸坯经加热炉加热之后的表面温度控制在1210～1250℃之间，可以保证再加热后铸坯除鳞前温度高于硅酸亚铁熔点1170℃，便于除鳞箱除鳞；而且在此温度范围内，可提高铸坯的可加工性，提高板形控制质量。

c.将终轧温度控制在860～890℃范围内，经7台精轧机轧制过程中，投用机架间冷却水，上下集管水量分别为130m³/小时和230m³/小时，将精轧过程带钢表面温度控制在600～700℃，可有效减少该类高强钢的轧制过程中氧化铁皮生产，进而减少轧制过程中的氧化铁皮压入的问题。终轧温度860～890℃可保证带钢内累计一定量的位错密度，有利于后续晶粒细化，为调质处理做好组织准备。

d.将带钢冷却后温度控制在640～670℃，适当的水冷有利于提高调质后钢板强度，同时也可避免温度过低造成冷却应力过大。冷却后钢卷转移至保温罩内缓冷72小时，缓冷冷却速率控制在4-8℃/小时，可有效消除钢板变形、冷却过程中产生的内应力。

e.横切后钢板在895-905℃保温(1.4a+15)min，实现钢板充分奥氏体化，充分加热后的钢板立即进入淬火机内水淬至室温，淬火后钢板应在4小时内转至回火炉避免氢致裂纹，确保表面质量，淬火后钢板在620～650℃保温(1.4a+35)min，在该高温度回火，可有效降低钢板内部位错密度，减少钢板切割后变形问题。

本发明的有益效果为：

本发明生产的钢板表面质量良好，氧化铁皮压入、结疤等缺陷深度≤0.05mm，且缺陷影响面积小于检测面积的3%，切割后钢板平直度≤1mm/5m。本发明轧制及热处理工艺简单易行，在保证机械性能满足GB/T 16270-2009的前提下，还保证了起重机吊臂对高表面质量和板形质量的高品质高强钢的要求。

附图说明

图1为实施例1所生产的Q960E的10000×透射图；

图2为实施例2所生产的Q960E的10000×透射图；

图3为实施例3所生产的Q960E的10000×透射图；

图4为实施例4所生产的Q960E的10000×透射图；

图5为实施例5所生产的Q960E的10000×透射图。

具体实施方式

以下通过具体实施例1～5对本发明做进一步说明：

实施例1～5生产厚度规格为4-10mm的Q960E成品钢，根据本发明方法试验的厚度规格为4-10mm的Q960E成品钢，化学成分质量百分含量（wt%）如表1所示，轧制、冷却工艺和热处理工艺如表2所示，力学性能板形检测结果如表3所示：

表1 各实施例的化学成分( wt%，余量为Fe)

表2 各实施例的控轧+控冷+热处理工序参数

表3 各实施例的力学性能和板形情况

注：5mm及以下厚度钢板不做低温冲击试验。

实施例1～5表明，所生产的Q960E钢板力学性能和钢板质量完全满足国标GB/T16270-2009的要求及起重机用钢的吊臂要求；图1～图5可以看出，各实施例钢板的晶粒内部几乎不存在位错，表面实施例钢板具有较低的内应力，所以钢板不会产生切割后变形、翘曲等缺陷。

Claims

1.一种屈服强度为960MPa的起重机吊臂用钢，其特征在于：钢中各元素的质量百分比为：C：0.14～0.16%，Si≤0.07%，Mn：1.15-1.25%，P≤0.012%，S≤0.005%，Als：0.020～0.040%，Nb：0.015～0.025%，V：0.030～0.040%，Ti：0.008-0.018％，Cr：0.40～0.50%，Mo：0.58～0.66%，Ni：0.16～0.24%，B：0.0010~0.0018%，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质，所述吊臂用钢钢板厚度规格为4～10mm，为调质钢板；所述钢板由下述方法生产：包括铸坯火焰清理、加热、控制轧制、控制冷却、横切、淬火和回火工序；所述淬火和回火工序，横切钢板加热完成后进入淬火机进行水淬，淬火后钢板在4小时内转至回火炉，回火温度620～650℃，回火时间(1.4a+35)min；a表示钢板厚度，单位mm，回火后钢板空冷至室温。

2.一种如权利要求1所述屈服强度为960MPa起重机吊臂用钢的生产方法，包括铸坯火焰清理、加热、控制轧制、控制冷却、横切、淬火和回火工序；其特征在于：所述淬火和回火工序，横切钢板加热完成后进入淬火机进行水淬，淬火后钢板在4小时内转至回火炉，回火温度620～650℃，回火时间(1.4a+35)min；a表示钢板厚度，单位mm，回火后钢板空冷至室温。

3.如权利要求2所述的屈服强度为960MPa起重机吊臂用钢的生产方法，其特征在于：所述铸坯表面经过火焰清理，清理深度3～5mm；

所述加热工序，加热终了时刻铸坯表面温度控制在1210～1250℃范围内，加热时间≥180min。

4.如权利要求2所述的屈服强度为960MPa起重机吊臂用钢的生产方法，其特征在于：所述控制轧制工序，精轧终轧温度控制在860～890℃；精轧过程带钢表面温度控制在600-700℃。

5.如权利要求2或4所述的屈服强度为960MPa起重机吊臂用钢的生产方法，其特征在于：所述控制轧制工序，采用2台粗轧机、7台精轧机轧制，精轧过程中投用机架间冷却水，上下集管水量分别为130m³/小时和230m³/小时，将精轧过程带钢表面温度控制在600-700℃。

6.如权利要求2所述的屈服强度为960MPa起重机吊臂用钢的生产方法，其特征在于：所述轧后控制冷却工序采用层流冷却，带钢冷却至640～670℃进行卷取，卷取后钢卷转移至保温罩内，缓冷72小时释放内应力，缓冷速率控制在4-8℃/小时。

7.如权利要求2所述的屈服强度为960MPa起重机吊臂用钢的生产方法，其特征在于：钢卷经保温罩缓冷后，开平横切至目标长度，横切钢板在895～905℃加热，加热时间为(1.4a+15)min；a表示钢板厚度，单位为mm。