CN113846260B

CN113846260B - 一种工程机械用高强度钢板的生产方法

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Publication number: CN113846260B
Application number: CN202111000624.XA
Authority: CN
Inventors: 彭宁琦; 杨建华; 周文浩; 李红英; 倪川皓; 罗登; 刘丹; 张勇伟; 刘海浪; 姚建华; 赵军; 钱亚军; 张青学
Original assignee: Central South University; Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Co Ltd; Hunan Valin Xiangtan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Central South University; Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Co Ltd; Hunan Valin Xiangtan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2021-08-30
Filing date: 2021-08-30
Publication date: 2022-05-24
Anticipated expiration: 2041-08-30
Also published as: CN113846260A; WO2023029282A1

Abstract

一种工程机械用高强度钢板的生产方法，钢的组成及重量百分比为：C=0.10%~0.25%，Si≤0.80%，Mn=0.80%~1.20%，P≤0.010%，S≤0.0015%，Al=0.005%~0.015%，Cr≤1.0%，Mo≤1.0%，Ni=0.30%~2.0%，Cu≤0.30%，Ti≤0.015%，Nb≤0.020%，V≤0.080%，B≤0.0040%，N≤0.0040%，O≤0.0010%，H≤0.00015%，余量为≥95%的Fe和不可避免的杂质；钢板的工艺步骤包括：冶炼、精炼、连铸、轧制、热处理；钢板的组织为板条马氏体基体和少量残余奥氏体，其中钢板上表面有5%~10%的残余奥氏体、钢板下表面有2%~5%的残余奥氏体。本发明钢板具有良好的综合力学性能，可用于吊车、泵车等大型工程机械的制造。

Description

一种工程机械用高强度钢板的生产方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种工程机械用高强度低合金钢宽厚钢板的生产方法。

背景技术

工程机械是指用于国防、交通运输、建筑、水利、矿山、能源工业等工程建设施工所需的机械设备的总称。由于工程机械的主要构件往往承受复杂多变的重载荷，所以对其用材的质量要求极为严格。低合金高强度钢具有良好的强韧性、可焊性、抗裂性、耐疲劳性以及加工成型性，在工程机械用钢领域得到广泛应用。

随着现代装备制造技术的进步以及大型工程项目对提高施工效率、降低能耗、节约成本的要求不断提高，工程机械向大型化和轻量化方向发展，为此要求应用更高强度级别的钢材。目前，工程机械用低合金高强度钢逐渐由Q550、Q690发展到Q960、Q1100，甚至到Q1300。随着钢的屈服强度提高至960MPa以上，其塑性和韧性明显下降，焊接性能恶化。根据经典塑性理论，材料弯曲时，外表面被拉伸会产生塑性变形，当超出材料的延伸极限时将发生破裂。因此对屈服强度≥960MPa的高强度钢板，由于塑性低，冷弯抗力大，折弯时容易产生裂纹和尺寸精度不准的问题，而这已成为该类钢种实际使用时的一个突出问题。所以在满足工程机械用钢板高强度要求的同时，如何更好地通过新工艺或新技术来提高钢板的塑性和折弯能力，是当今国际宽厚板钢铁企业期望解决的难题。

对以马氏体基体为主的低合金高强度钢，提高残余奥氏体量能有效改善钢的塑性和韧性，这早已被广大学者所接受。但是，如何提高淬火钢中残余奥氏体的稳定性呢，人们普遍认为，除加入较多的碳和合金元素并控制过冷奥氏体晶粒尺寸和冷却速度以降低马氏体相变开始温度M _s和结束温度M _f使残余奥氏体量增加之外，主要还有2种方式：（1）将过冷奥氏体淬火至M _s与M _f之间某一温度，保温一段时间再继续冷却，能使未转变的奥氏体更为稳定，后续转变将在更低温度下进行，转变量也会比连续冷却时的转变量要少，即奥氏体的热稳定化。Speer等利用此现象提出Q+P热处理工艺，即淬火（Quenching）+碳分配（Partitioning）。为加强碳分配效果，阻碍Fe₃C析出，他们设计的Q+P钢中含有1%~2%的Si。这在TRIP（Transformation-Induced Plastic）钢中获得应用。但毫无疑问，马氏体量的减少不利于钢的强度。徐祖耀在Q+P工艺基础上引入沉淀硬化机制，提出了Q+P+T工艺，即在钢中添加碳化物形成元素Nb、Mo等，然后在碳自马氏体分配至残余奥氏体后，继续在一定温度下回火（Tempering），使马氏体基体上析出复杂碳化物，以获得更高强度及韧性配合；（2）对淬火前奥氏体进行塑性变形或使其受压应力，可使随后的马氏体转变变得困难，转变量减少，即奥氏体的机械稳定化。低碳钢中残余奥氏体就与奥氏体机械稳定化密切相关，奥氏体向马氏体转变时，发生体积膨胀，使尚未转变的奥氏体受到周围马氏体的附加压力而失去继续转变的条件，所以即使冷却到M _f点以下仍然得不到100%的马氏体，而保留一部分残余奥氏体。

半个世纪前发展起来的DQ工艺（Direct quenching），充分利用形变亚稳奥氏体的压扁晶粒和高位错，使马氏体相变时能够获得细小均匀的晶团（Packet）和板条团（Block）以及数量更多的残余奥氏体和奥氏体膜（Austenite film），从而获得高强度的同时提高钢的塑韧性。采用DQ工艺生产高强度钢和超高强度钢的技术已比较成熟，发展起来的超快冷设备主要有CRM的UFC、JFE的Super-OLAC、SIEMENS VAI的MULPIC、东北大学RAL的ADCOS-PM等。基于Q&P理念，Thomas等发展出一种新的DQ+P工艺，并引入热连轧生产线实践。李晓磊等人的研究表明，采用DQ+P工艺，即使对碳含量仅0.078%的低碳钢，也可获得高达7.2%的残余奥氏体。DQ+P工艺的另一典型应用是JFE开发的在线热处理设备HOP，并利用其开发出如低屈服比抗震建筑用高强度钢板等一些高技术含量的产品，效果显著。

检索现有技术专利可知：屈服强度960MPa及以上高强度钢板主要通过Q+T或DQ+T工艺生产，组织设计常为较单一的回火马氏体或者回火索氏体组织，残余奥氏体在回火过程中大量被分解，其性能表现为屈强比高、延伸率通常在8%~15%之间，例如中国专利CN103882332A、CN104513936B、CN102747303B、CN102505096B等。但是，为使折弯性能优良，用户期望能将钢的延伸率提高至15%以上。因此，特别是对强度级别更高的Q1100钢和Q1300钢，传统的回火工艺难以实现这样高的延伸率要求。中国专利CN102226248B采用Q+P工艺，可以在马氏体基体中获得超过10%的残余奥氏体，但钢的强度较低，延伸率为15%时，屈服强度仅达到870MPa。中国专利CN102925802B同样采用Q+P工艺，其添加较高的Mn，以及较多的微合金化元素Nb、V、Ti，以弥补马氏体减少带来的强度损失，但Mn、Nb容易中心偏析，对高强钢尤为有害，而且加入过量的Ti（0.035%~0.045%）会形成不可变形的具有尖锐棱角的大尺寸TiN、TiC粒子，不仅对均匀延伸率不利，而且严重影响高强钢的疲劳性能。中国专利CN107557548B在实验室采用Q+P+T工艺，获得屈服强度≥1200MPa，延伸率≥15%的Cr-Ni-Mo系低合金超高强钢，但其加入0.20%~0.40%的碳以及较多的Cr、Ni、Mo等合金元素，显然将恶化钢的焊接性能。中国专利CN104046908B采用DQST工艺（即DQ+P工艺），使用较少合金元素即可获得超高强度和良好的低温塑韧性、抗延迟裂纹及焊接性，但与离线淬火相比，在线淬火钢板板形更难以控制，而且钢板头、中、尾的淬火温度不可避免地存在一定差异，导致轧向方向上性能均匀性较差，尤其是对16mm厚度以下宽厚板，实际应用还存在一定局限性。中国专利CN106191673B为使残余奥氏体能够保留下来，采用Q+强力矫直的工艺，生产一种淬火态超高强度钢板，并使用强力冷矫直代替低温回火去除淬火残余应力，但需要强力冷矫直设备，而且因矫直能力限制板厚仅为4~20mm。

所以，现有技术的主要问题是：对淬火马氏体钢，若采用传统回火工艺，塑性低，若利用奥氏体的热稳定化或机械稳定化以提高塑性，又使强度下降；或者要以牺牲焊接性能、疲劳性能、板形精度、表面质量、性能均匀性等为代价；或者会导致较高残余应力特别是微观应力等问题。另外，现有技术大多着眼于提高钢板的塑性来提高钢板的折弯性能，然而高强钢中夹杂物、中心偏析、带状组织、平直度、表面质量及组织和性能均匀性等对钢板的折弯能力也有不容忽视的影响；而且钢板折弯时，如何匹配强塑性对改善钢板回弹程度的影响更是从未涉及。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工程机械用高强度钢板的生产方法，通过用较低的碳当量和巧妙的热处理工艺设计控制钢板厚度上残余奥氏体的分布，同时减少钢中对折弯性能不利的夹杂物、中心偏析和带状组织，提高钢板的平直度、表面质量以及组织和性能均匀性，使生产的钢板具有良好的强塑性匹配和优异的整板沿轧向折弯能力。

本发明的技术方案：

一种工程机械用高强度钢板的生产方法，钢的化学组成重量百分比为C=0.10%~0.25%，Si≤0.80%，Mn=0.80%~1.20%，P≤0.010%，S≤0.0015%，Al=0.005%~0.015%，Cr≤1.0%，Mo≤1.0%，Ni=0.30%~2.0%，Cu≤0.30%，Ti≤0.015%，Nb≤0.020%，V≤0.080%，B≤0.0040%，N≤0.0040%，O≤0.0010%，H≤0.00015%，余量为≥95%的Fe和不可避免的杂质；钢板的组织为板条马氏体基体和少量残余奥氏体，其中钢板上表面有5%~10%的残余奥氏体、钢板下表面有2%~5%的残余奥氏体；生产工艺步骤包括：

（1）冶炼：采用转炉冶炼并挡渣出钢；控制终点O≤0.03%；

（2）精炼：先后进行RH真空轻处理脱氧、喂线沉淀脱氧、LF升温脱硫及合金化、真空深处理脱气，之后软吹时间≥12min；

（3）连铸：进行全程保护浇注；控制中包过热度5~15℃，并采用动态轻压下，以控制铸坯低倍符合Mannesmann标准中心偏析1~2级；

（4）轧制：将铸坯加热至1100~1250℃出炉，经高压水除鳞后进行轧制；轧后冷却至300℃前完成热矫直，然后以低于15℃/h的冷速缓冷至室温，进行扩氢处理；

（5）热处理：热处理前对钢板进行探伤和表面抛丸；之后加热至820~930℃，加热时间为(1.0~2.0)min/mm×H+(10~20)min，然后开始淬火冷却，控制淬火开始温度T ₁至停冷温度T ₂之间的冷却速度为10~30℃/s，并通过水比控制使上表面的T ₂落入M _f+(20~50)℃温度范围内，下表面的T ₂落入M _f-(20~50)℃温度范围内；淬火后将钢板快速送入回火炉中进行保温，保温温度为200~300℃，保温时间为(2.0~4.0)min/mm×H+(10~20)min；其中H为钢板厚度，以mm计；M _f为马氏体相变结束温度，在250~350℃之间随淬火冷速而变化。

进一步地，对钢级为Q960的高强度钢，优选地，C=0.10%~0.15%，CEV≤0.52%。

进一步地，对钢级为Q1100的高强度钢，优选地，C=0.15%~0.20%，CEV≤0.62%。

进一步地，对钢级为Q1300的高强度钢，优选地，C=0.20%~0.25%，CEV≤0.72%。

所述CEV为碳当量，CEV=C+Mn/6 +(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。

更进一步地，

所述高强度钢的组成，优选地，Si=0.30%~0.50%、Nb=0.010%~0.020%。更优选地，Ti≤0.008%，最好Ti≤0.003%且N≤0.0030%。进一步优选地，控制固溶硼含量，当钢板厚度≤20mm时，B^*=0.0008%~0.0015%；当钢板厚度在20~50mm之间时，B^*=0.0012%~0.0020%；当钢板厚度≥50mm时，B^*=0.0015%~0.0025%；其中B^*=B-0.77×N+Ti/5。再优选地，所述不可避免的杂质包含As≤0.008%、Sn≤0.005%、Sb≤0.005%。上述均以重量百分比计。

所述步骤（1）中，优选地，使用顶底复吹转炉，并控制冶炼和出钢过程全程底吹氩；选用的铁水经KR预处理脱硫，控制S≤0.005%、且P≤0.15%；选用的造渣料包括石灰、轻烧白云石、萤石和铁矿石，控制渣量≥82kg/t；选用的冷却剂包括重废（Heavy scrap）、钼、镍、铜的合金料，控制铁水比≥90%。

所述步骤（2）中，优选地，真空轻处理脱氧的真空度≤10kPa，处理时间≥12min；升温脱硫的处理时间≤60min；真空深处理脱气的真空度≤67Pa，控制保真空时间使氢小于0.00012%，最好选用VD炉进行强搅拌，底吹氩气流量≥600L/min。更优选地，真空脱氧后O≤0.004%，之后采用先喂钙线再喂铝线的方式沉淀脱氧，控制Ca=0.0015%~0.0040%。

所述步骤（3）中，优选地，保护渣和覆盖剂的水分低于0.25%；中间包烘烤温度不低于1100℃，烘烤时间150~300min；控制动态轻压下率在1.0~1.2mm/m之间；铸坯采用堆垛冷却，最好加盖保温罩，当冷至300℃以下时拆垛，对铸坯上、下表面进行整板火焰清理，清理深度≥5mm，清理温度最好≥150℃；

所述步骤（4）中，优选地，加热炉预热段炉膛温度≤600℃，预热段时间≥120min，均热段均热温度控制为1150~1200℃；控制加热炉所用燃料中焦炉煤气比例≤20%，控制炉内压力在5~20Pa范围内；保证除鳞水压力≥22MPa，且板坯表面温度在880~980℃之间轧制时要除鳞；控制再结晶区轧制压缩比≥2.5，展宽比≥1.5，控制未再结晶区轧制压缩比≤3.0，道次压下率≤15%；控制终轧温度820~860℃；轧后当钢板冷却至300~350℃时进行热矫直，矫直后将钢板快速吊入缓冷坑或堆垛冷却至室温，控制冷却时间≥24h。

所述步骤（5）中，优选地，热处理前增加一道正火预处理工序，正火温度850~930℃，正火后再进行该步骤的最终热处理；控制最终热处理的加热温度820~850℃，然后空冷至600~650℃才开始淬火；淬火保温后空冷或堆冷至室温，并根据钢板平直度情况决定是否追加冷矫工序。

本发明的技术原理：

本发明在钢的组成设计上，采用低Mn，低S、P、O、N、H，低As、Sn、Sb，以及控制B、Ti、Nb、V、Al的氮化物、碳化物、氧化物、硫化物的种类和形态，并添加Cr、Mo、Ni、Cu、B等淬透性元素，钢的纯净度高，碳当量低，使钢具有良好的综合力学性能。具体地，各组成的设定依据如下：

C：碳是固溶强化元素，淬火马氏体钢的强度主要取决于马氏体中的碳含量；碳又是淬透性元素，有助于低温马氏体相变；碳化物的析出也能有效提高钢的强度；同时作为奥氏体稳定化元素，碳含量对残余奥氏体的量有很大影响。因此，为获得一定强度的高强度钢，同时改善其塑性，需要保证至少的碳含量下限，但是碳对钢的焊接性能不利，而且碳含量过高，会导致中心偏析严重、韧脆转变温度升高、淬火易产生裂纹等问题，所以在可以达到钢的强度要求的条件下，碳含量应尽可能降低。本发明控制碳含量在0.10%~0.25%之间，且对Q960钢，优选碳含量为0.10%~0.15%；对Q1100钢，优选碳含量为0.15%~0.20%；对Q1300钢，优选碳含量为0.20%~0.25%。

Si：硅同样有较强的固溶强化作用，但是过高的硅含量对钢的表面质量不利，易生成难以去除的不均匀分布的氧化铁皮，而且由于其促进晶团和板条团的粗化，对马氏体基体的低温韧性不利。本发明中，进一步考虑硅能有效阻碍碳化物的形成，一方面有利于残余奥氏体的稳定，提高残余奥氏体的量，对钢的塑性有利；另一方面能够延缓Partitioning过程马氏体的分解，提高200~300℃保温的回火稳定性，抑制低温回火脆性。因此，本发明设计硅含量不大于0.80%，且优选硅含量在0.30~0.50%之间。

Mn：锰是淬透性元素，降低钢的临界淬火速度和M _s点，提高残余奥氏体的稳定性和数量，同时细化packet结构尺度、增大block结构之间的位向差，从而有利于提高钢板的强度和塑韧性。但是锰在钢水凝固过程中容易发生偏析，尤其钢中碳含量较高时，发生的共轭偏析现象将使铸坯产生严重的中心偏析，导致钢板中心部位易形成异常组织而影响焊接性等，更重要的是偏析区较多的长条状MnS夹杂物极易聚集氢原子，导致裂纹在MnS处形核，并沿偏析区扩展，形成严重的延迟裂纹；另外Mn还促进有害元素在晶界上的偏聚，从而加重了钢的回火脆性倾向。因此，选择适宜的Mn含量范围对于高强度马氏体钢极其重要。本发明控制锰含量在0.80%~1.20%之间。

P：磷是钢中有害元素，对塑性和韧性不利，也影响焊接性能，尤其是偏析后，影响更大。理论上要求越低越好，但考虑炼钢的可操作性和经济性，本发明控制磷含量不大于0.010%。

S：硫同样是钢中的有害元素，特别是与Mn结合，形成MnS夹杂物，在热轧过程中，MnS的可塑性使MnS沿轧向延伸，形成沿轧向的MnS夹杂物长条，严重损害高强度钢板的横向力学性能、以及Z向性能、沿轧向折弯性能和抗氢致延迟裂纹特性等。本发明未要求Ca等硫化物改性元素的含量，因为钙非常容易在真空中蒸发，而真空脱气后喂钙线又常使钢水被二次污染，带来更多夹杂物。本发明通过降低Mn含量和超低S控制，并控制偏析程度，以减少MnS夹杂物数量，以及控制MnS大量析出的温度区间从而控制其尺寸和分布。进一步地，本发明利用Ca沉淀脱氧使钢水中滞留少量CaO、CaS，以及利用在较高温度下析出的BN粒子，使其成为MnS的形核核心，从而可明显减少长条状MnS夹杂物。本发明优选铁水预处理和LF+VD精炼脱硫，有效控制≤0.0015%的超低硫要求。

Al：铝是强脱氧元素，为控制钢中的氧含量≤0.0010%，需要足够的铝含量（≥0.005%），但是过多的铝会导致炼钢过程中有更多的Al₂O₃等夹杂物残留，而且本发明为避免AlN去跟BN、(Nb,V)(C,N)竞争析出，应控制铝的上限。所以本发明控制铝含量在0.005%~0.015%之间。

Cr：铬是淬透性元素，对推迟贝氏体相变作用尤为强烈。铬能改善锰的偏析；使残余奥氏体的分解温度向高温方向推移；使马氏体板条团间的位向差增大。所以马氏体钢中添加一定量的铬，在提高强度的同时不会影响钢的塑性和韧性。但是铬含量太高，会导致碳当量增加，恶化钢的焊接性能，尤其易在焊接热影响区形成上贝氏体组织而使其脆化。另外，铬还增加回火脆性倾向。因此，本发明控制铬含量不大于1.0%。

Mo：钼是淬透性元素，抑制块状铁素体的形成，促进马氏体转变，而且能细化马氏体板条尺寸，但板条团间的位向差较小，因此适量钼含量可改善马氏体的韧性，但超过一定量，反而使韧性降低。另外，钼还有减轻回火脆性倾向的作用；与铬相比，钼的碳化物颗粒更为细小。淬火钢中，通常同时加入铬和钼，使钢具有足够的淬透性，同时获得较好的综合力学性能。本发明控制钼含量不大于1.0%。

Ni：镍是奥氏体稳定化元素，能显著改善钢的低温韧性，还能有效防止钢的铜脆，是本发明中非常重要的元素，需要添加至少0.30%。镍是贵重金属，价格较高，且含量过高易造成氧化铁皮压入而影响钢板的表面质量。本发明确定镍含量的范围为0.30%~2.0%。

Cu：铜是奥氏体稳定化元素，可提高钢的强度和低温韧性。铜具有优越的耐大气腐蚀作用，对应力腐蚀也有明显改善。但铜添加量过多，容易造成铜脆、铸坯表面质量及内裂问题。本发明控制铜含量不大于0.30%。

Ti：钛与氮具有极强的亲和力，形成TiN，为避免TiN在钢水中液析，应控制钛和氮的含量，同时应根据氮的控制水平和要求（N≤0.0040%），来控制焊接时过量钛在马氏体中以TiC共格析出造成的明显脆化现象，所以本发明规定Ti≤0.015%；进一步考虑焊接时Ti/N比在2.0左右时具有更优的韧性，本发明优选Ti≤0.008%；由于TiN析出物坚硬、带有尖角、不易变形，对折弯性能不利，因此本发明更优选不添加钛，只保留残存的钛，控制Ti≤0.003%且N≤0.0030%。

Nb：铌的溶质拖曳作用和纳米级析出物对奥氏体晶界有钉扎作用，阻碍奥氏体的再结晶和晶粒长大，在轧制时和淬火加热时起细化奥氏体晶粒的作用，试验表明0.01%的铌即能开始发挥作用。但是对碳含量较高的高强钢，过高的铌并不能发生充分固溶而失去有效作用，甚至在中心偏析部位常遗留微米级的NbC，对冷弯性能相当不利，而且增加氢致裂纹风险。因此，本发明控制铌的上限不大于0.020%，并添加钒，依赖铌和钒的复合析出，控制奥氏体晶粒尺寸。本发明优选铌含量控制范围为0.010%~0.020%。

V：钒既有沉淀析出强化作用，又能与铌一起发挥细化晶粒作用，但添加量大于0.080%时析出物数量较多，影响钢的韧脆转变温度，所以本发明限制V≤0.080%。

B：硼是淬透性元素，固溶的微量硼，易在晶界上内吸附，可显著阻止铁素体和珠光体相变，提高奥氏体的稳定性，尤为重要的是，可减小淬火钢的硬度梯度，改善表面层的过度淬火，固溶量愈多，效果愈明显。但是硼在α-Fe中的固溶度有限，形成的Fe₂₃C₃B₃等硼化物对钢的韧性不利。因此，本发明控制B≤0.0040%，且考虑BN和TiN的影响，固溶硼B^*约为B^*=B-0.77×N+Ti/5，这样优选地，当钢板厚度≤20mm时，B^*=0.0008%~0.0015%；当钢板厚度在20~50mm之间时，B^*=0.0012%~0.0020%；当钢板厚度≥50mm时，B^*=0.0015%~0.0025%。

N：氮是钢中不可避免的元素，由于固溶或游离的氮对钢的冲击韧性尤其是时效冲击韧性非常不利，因此必须形成氮化物以避免自由氮的存在。本发明中主要形成TiN和BN，其具有阻碍1100~1400℃高温下奥氏体晶粒长大的作用，但这种作用只要极少量的氮即可体现，尤其是BN的相对质量小，对相同重量的N，其析出体积分数更多。考虑炼钢的控制能力和经济性，本发明控制N≤0.0040%，并且不有意添加钛时，优选N≤0.0030%。

O：氧是有害元素，含量高，夹杂物多，对钢板的折弯性能不利。本发明采用RH真空脱氧、喂线沉淀脱氧、LF炉造白渣脱硫时扩散脱氧的方式，并从源头上控制转炉出钢含氧量、以及采取挡渣、软吹、保护浇注、避免二次氧化等措施，能够控制O≤0.0010%。

H：氢是有害气体元素。氢致延迟裂纹是马氏体高强钢切割、折弯等使用过程产生失效的主要原因之一。本发明严格控制H≤0.00015%，并通过纳米析出相，形成氢陷阱，减少可扩散氢的数量及其聚集，有效阻碍氢致延迟裂纹的发生。

杂质元素As、Sn、Sb：砷、锡、锑在炼钢过程中难以被去除，需要从铁水、废钢、渣料、合金料等原辅料质量加以控制。对本发明的高强钢而言，其有害性更大，最好控制As≤0.008%、Sn≤0.005%、Sb≤0.005%。

本发明在工艺制定上，为满足钢的组成设计要求，采用纯净化炼钢，包括：(a)采用优质原辅料，如使用重废、限制入炉铁水P含量、使用低水分保护渣和覆盖剂等；(b)采用铁水预处理、LF精炼和VD强搅拌真空处理进行超低S冶炼；(c)采用顶底复吹转炉并大渣量冶炼进行脱P，严格进行出钢挡渣防止回P；(d)转炉大渣量、全程底吹氩、提高铁水比、禁止补吹、出钢不脱氧保持钢水中氧的活度、控制LF精炼时间、确保真空脱气的真空度和保真空时间、避免真空后添加合金料和喂线、进行全程保护浇注等措施，都有利于控制N含量；(e)采用真空、沉淀和扩散三种脱氧方式，以及限制转炉终点O含量以控制钢水过氧化、控制铝含量和使用钙脱氧来控制氧化物的种类和形态、保证软吹时间使氧化夹杂充分上浮、避免真空后钢水二次氧化等手段，有效实现低O和低夹杂物的控制；(f)为控制H≤0.00015%，首先确保真空脱气后钢水定氢≤0.00012%，然后采用全程保护浇注、控制保护渣和覆盖剂的水分、对中间包进行烘烤、以及铸坯堆垛冷却并加盖保温罩和钢板300℃以下温度缓冷至室温进行扩氢等。

本发明在减少易偏析元素含量的基础上，采用低过热度和动态轻压下控制铸坯的中心偏析，并通过多次冷却和加热的相变过程和均质过程改善偏析程度。本发明为提高钢板表面质量，对铸坯进行整板清理，不仅可以去除后续轧制会更加恶化的近表面缺陷，同时可以减小一次氧化铁皮的厚度，有利于除鳞去除。同时控制加热温度、保证加热炉微正压、减少或不使用含S和水蒸气较多但热值较高的焦炉煤气、保证除鳞水压力、并在二次氧化铁皮易剥落的温度范围轧制前进行除鳞处理、以及热处理前进行表面抛丸等诸多防止氧化铁皮压入的措施。本发明通过控制轧制压下情况和终轧温度使易于轧制板形控制，并通过热矫、热处理释放应力甚至冷矫来保证成品钢板的平直度，尤其在马氏体相变基本完成后再进行热矫对薄板平直度的控制极为有利。本发明通过控制中心偏析程度和横纵向上的轧制温度和压扁程度以及采用正火预处理的工序，有力地消除了带状组织，使晶粒细化、横纵向组织均匀，并且由于采用高温轧制以及离线热处理工艺，使钢板轧向方向上性能均匀。这些工艺的制定都有利于提高钢板的折弯性能尤其是沿轧向的折弯能力。

本发明的最终热处理过程，通过控制钢板上、下表面的淬火冷却速度和停冷温度，使钢板上表面进行Q+P工艺，下表面进行Q+在线T工艺，从而控制钢板厚度上残余奥氏体的分布，使钢板上表面有5%~10%的残余奥氏体、钢板下表面有2%~5%的残余奥氏体，这样钢板上表面塑性较好，下表面强度较高。整板折弯时，使上表面成为折弯的外表面、下表面成为折弯的内表面，这样充分利用折弯过程内外表面的变形状况，既有足够的塑性使外表面不产生裂纹，又有足够的强度抑制回弹，提高折弯尺寸精度。而且立马经过较长时间的低温保温，钢板上、下表面不同冷却工艺导致的微微内扣变形能够回复、产生的应力基本可以被释放，而且这种导致钢板上表面产生的很小的拉伸残余应力并不增加钢板向内扣方向折弯的难度。为获得更多、更稳定、更弥散分布的残余奥氏体，采用临界区加热、并空冷至某一温度再淬火的工艺，使初始奥氏体晶粒更细、晶界更多、合金元素产生浓度梯度、碳充分富集，结果表明这样生产的钢板不仅有更高的塑性，也有更高的强度和韧性。

本发明的有益效果：

（1）按照本发明的方法生产的Q960、Q1100、Q1300高强度钢板具有良好的综合力学性能：强度满足GB/T 16270和GB/T 28909标准要求；断后伸长率和冲击韧性远大于标准值，断后伸长率≥15%、-40℃夏比（V型）冲击功≥47J；5倍板厚宽冷弯180°无裂纹（钢板上表面向下表面方向弯曲。钢板厚度≤16mm，弯心直径为3倍板厚；钢板厚度>16mm又≤25mm，弯心直径为4倍板厚；钢板厚度>25mm，减薄至25mm，保留钢板上表面，弯心直径为100mm）。

（2）本发明生产的低合金高强度钢钢质纯净、横纵向组织和轧向方向上性能均匀、板形和表面质量好、残余应力低，表现出优异的整板沿轧向折弯能力；而且成分设计思路合理，碳当量低，添加合金元素少，使钢具有良好的焊接性能，同时具有较好的经济性。可应用于吊车、泵车等大型工程机械关键承载构件的制造及其轻量化，具有广阔的应用前景。

（3）本发明生产方法所需的主要设备有顶底复吹转炉、KR、LF、RH、VD、带动态轻压下的直弧形连铸机、步进梁式加热炉、高压水除鳞箱、宽厚板轧机、热矫直机、抛丸机、调质线、正火炉、冷矫直机等，这些设备在现今大多数宽厚板钢厂都有配备或有类似装备，因此本发明方法可推广应用，实用性强；并且本发明方法为实现钢的成分、组织和性能以及质量要求，提供了明确且具体的生产步骤和工艺，可操作性强，同时生产节奏合理、可连续生产、批量供货。

（4）本发明生产的低合金高强度钢板能够有力地推进工程机械装备制造业向大型化、轻量化和高效能化的绿色制造道路发展。此外本发明涉及的纯净化炼钢、钢板表面质量控制、组织和性能调控等技术可以被借鉴至压力容器、风电、水电、核电、工模具、耐热、耐磨等高强钢或超高强钢的开发和生产。

附图说明

图1为本发明实施例钢板上、下表面组织中残余奥氏体的数量和形貌及其折弯示意图。

图2为本发明实施例钢板整板沿轧向折弯成型示意图。

具体实施方式

下面用实施例对本发明做进一步说明。

本发明实施例钢板的化学成分及其钢级和板厚见表1，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明实施例钢板的工艺步骤包括：冶炼（铁水预处理）、精炼、连铸、轧制、热处理（正火预处理），其关键工艺步骤包括：

（1）冶炼：采用150t顶底复吹转炉冶炼，所有实施例的铁水都经KR预处理脱硫，选用冷却剂包括切边和板废、以及钼铁、镍板和铜板，造渣料包括石灰、轻烧白云石、萤石和铁矿石，冶炼过程和出钢过程全程底吹氩，当吹炼进程至4/5左右时用副枪测温取样，然后一次吹炼就达到终点目标，出钢结束时采用滑板挡渣。具体工艺参数见表2。

（2）精炼：出钢后将钢包炉运至RH工作站，进行轻处理脱氧，然后破真空，喂钙线+铝线或铝线沉淀脱氧，静置几分钟再运至LF进行升温造白渣脱硫及合金化，之后采用VD进行真空深处理脱气，脱气达到目标后才出站，并保证一段时间的软吹使夹杂物充分上浮，期间不再添加任何合金料及喂线。具体工艺参数见表3。

（3）连铸：采用直弧形连铸机和浸入式水口、长水口、中间包烘烤的全程保护，浇注成高质量铸坯，并控制铸坯低倍符合Mannesmann标准中心偏析1~2级，否则判定为不合格品；连铸坯经切割、去毛刺后，下线堆垛冷却，并加盖保温罩，然后冷至300℃以下时拆垛，进行上、下表面整板火焰清理，清理深度5~8mm。具体工艺参数见表5。

（4）轧制：采用步进梁式加热炉，控制预热段的加热速度和均热段的均热温度，以及控制加热炉燃料和炉压；出炉后进入初除鳞箱进行高压水除鳞，除鳞水额定压力为25MPa，实际压力不低于22MPa，然后进行两阶段控制轧制，控制压下和展宽程度，并控制板坯表面温度在880~980℃之间时轧前高压水除鳞；轧后进行热矫直，矫直后将钢板快速吊入缓冷坑或堆垛冷却至室温。具体工艺参数见表4。

（5）热处理：热处理前对钢板进行探伤和表面抛丸，并且除实施例1和实施例6之外，其它实施例都进行正火预处理；最终热处理过程中，根据钢种不同，严格控制加热温度、加热时间、淬火开始温度（通过空冷）以及钢板上、下表面的冷却速度和停冷温度；淬火后立马对钢板进行一段时间保温，然后再空冷或堆冷至室温，并根据钢板平直度情况决定是否追加冷矫工序。具体工艺参数见表6。

对本发明实施例钢板进行显微组织观察，主要为板条马氏体基体和少量残余奥氏体组成，其中钢板上表面有5%~10%的残余奥氏体、钢板下表面有2%~5%的残余奥氏体，如图1所示，组织照片中白色为残余奥氏体，钢板由上表面向下表面折弯90°。

表7示出了本发明实施例钢板拉伸、夏比冲击和冷弯试验结果（注：钢板上表面向下表面方向弯曲），其中试样方向、形状、位置及代号见表8。可以看出，采用本发明方法生产的钢板具有高强韧性、高塑性（断后伸长率）和良好的冷弯性能，并表现出优异的整板沿轧向折弯能力，如图2所示。

表1 各实施例钢板的化学成分（重量百分比，%）

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表2 各实施例钢板的冶炼工艺参数

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表3 各实施例钢板的精炼工艺参数

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表4 各实施例钢板的轧制工艺参数

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表5 各实施例钢板的连铸工艺参数

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表6 各实施例钢板的热处理工艺参数

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表7 各实施例钢板的力学性能

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表8 各实施例钢板的力学检测试样情况

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Claims

1.一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：钢的组成重量百分比为C=0.10%~0.25%，Si≤0.80%，Mn=0.80%~1.20%，P≤0.010%，S≤0.0015%，Al=0.005%~0.015%，Cr≤1.0%，Mo≤1.0%，Ni=0.30%~2.0%，Cu≤0.30%，Ti≤0.015%，Nb≤0.020%，V≤0.080%，B≤0.0040%，N≤0.0040%，O≤0.0010%，H≤0.00015%，余量为≥95%的Fe和不可避免的杂质；钢板的组织为板条马氏体基体和少量残余奥氏体，其中钢板上表面有5%~10%的残余奥氏体、钢板下表面有2%~5%的残余奥氏体；工艺步骤包括：

（1）冶炼：采用转炉冶炼并挡渣出钢；控制终点O≤0.03%；

（5）热处理：热处理前对钢板进行探伤和表面抛丸；之后加热至820~930℃，加热时间为(1.0~2.0)min/mm×H+(10~20)min，然后开始淬火冷却，控制淬火开始温度T ₁至停冷温度T ₂之间的冷却速度为10~30℃/s，并通过水比控制使上表面的T ₂落入M _f+(20~50)℃温度范围内，下表面的T ₂落入M _f- (20~50)℃温度范围内；淬火后将钢板快速送入回火炉中进行保温，保温温度为200~300℃，保温时间为(2.0~4.0)min/mm×H+(10~20)min；其中H为钢板厚度，以mm计；M _f为马氏体相变结束温度，在250~350℃之间随淬火冷速而变化。

2.根据权利要求1所述的一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：对钢级为Q960的高强度钢，钢的组成重量百分比中C=0.10%~0.15%，CEV≤0.52%。

3.根据权利要求1所述的一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：对钢级为Q1100的高强度钢，钢的组成重量百分比中C=0.15%~0.20%，CEV≤0.62%。

4.根据权利要求1所述的一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：对钢级为Q1300的高强度钢，钢的组成重量百分比中C=0.20%~0.25%，CEV≤0.72%。

5.根据权利要求1所述的一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：所述高强度钢的组成重量百分比中Si=0.30%~0.50%。

6.根据权利要求1所述的一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：所述高强度钢的组成重量百分比中Nb=0.010%~0.020%。

7.根据权利要求1所述的一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：所述高强度钢的组成重量百分比中Ti≤0.008%。

8.根据权利要求1所述的一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：所述高强度钢的组成重量百分比中Ti≤0.003%且N≤0.0030%。

9.根据权利要求1所述的一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：当钢板厚度≤20mm时，控制B^*=0.0008%~0.0015%；当钢板厚度在20~50mm之间时，控制B^*=0.0012%~0.0020%；当钢板厚度≥50mm时，控制B^*=0.0015%~0.0025%；其中B^*为固溶硼，B^*=B-0.77×N+Ti/5。

10.根据权利要求1所述的一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：所述不可避免的杂质包含As≤0.008%、Sn≤0.005%、Sb≤0.005%。

11.根据权利要求1所述的一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：所述步骤（1）冶炼工艺中，使用顶底复吹转炉，并控制冶炼和出钢过程全程底吹氩；选用的铁水经KR预处理脱硫，控制S≤0.005%、且P≤0.15%；选用的造渣料包括石灰、轻烧白云石、萤石和铁矿石，控制渣量≥82kg/t。

12.根据权利要求1所述的一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：所述步骤（2）精炼工艺，控制KR真空轻处理脱氧的真空度≤10kPa，处理时间≥12min；控制LF升温脱硫的处理时间≤60min；控制真空深处理脱气的真空度≤67Pa，控制保真空时间使氢小于0.00012%。

13.根据权利要求12所述的一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：所述步骤（2）精炼工艺，真空轻处理脱氧，真空脱氧后O≤0.004%，之后采用先喂钙线再喂铝线的方式沉淀脱氧，控制Ca=0.0015%~0.0040%。

14.根据权利要求12所述的一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：所述的步骤（2）精炼工艺，真空深处理脱气选用VD炉进行强搅拌，控制底吹氩气流量≥600L/min。

15.根据权利要求1所述的一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：所述步骤（3）连铸工艺，控制保护渣和覆盖剂的水分低于0.25%；控制中间包烘烤温度不低于1100℃，烘烤时间150~300min；控制动态轻压下率在1.0~1.2mm/m；铸坯采用堆垛冷却，当冷至300℃以下时拆垛，然后对铸坯上、下表面进行整板火焰清理，清理深度≥5mm。

16.根据权利要求15所述的一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：所述步骤（3）连铸工艺，铸坯堆垛冷却后，加盖保温罩。

17.根据权利要求15所述的一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：所述步骤（3）连铸工艺中，火焰清理温度≥150℃。

18.根据权利要求1所述的一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：所述步骤（4）轧制工艺，控制加热炉预热段炉膛温度≤600℃，预热段时间≥120min，均热段均热温度控制为1150~1200℃；控制加热炉所用燃料中焦炉煤气比例≤20%，控制炉内压力在5~20Pa范围内；保证除鳞水压力≥22MPa，且板坯表面温度在880~980℃之间轧制时要除鳞；控制再结晶区轧制压缩比≥2.5，展宽比≥1.5，控制未再结晶区轧制压缩比≤3.0，道次压下率≤15%；控制终轧温度820~860℃；轧后当钢板冷却至300~350℃时进行热矫直，矫直后将钢板快速吊入缓冷坑或堆垛冷却至室温，控制冷却时间≥24h。

19.根据权利要求1所述的一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：所述步骤（5）热处理工艺，控制加热温度820~850℃，然后空冷至600~650℃才开始淬火；淬火保温后空冷或堆冷至室温，并根据钢板平直度情况决定是否追加冷矫工序。

20.根据权利要求1所述的一种工程机械用高强度钢板的生产方法，其特征在于：所述步骤（5）热处理工艺，热处理前增加一道正火预处理工序，正火温度850~930℃。