高强度Q550D钢板的研制及热处理工艺优化

张 军 李肃龙 朱晓丽 高 军

(1.内蒙古包钢钢联股份有限公司薄板坯连铸连轧厂，内蒙古包头 014010；2.内蒙古包钢钢联股份有限公司销售分公司，内蒙古包头 014010)

高强度Q550D钢板的研制及热处理工艺优化

张 军1李肃龙2朱晓丽1高 军1

(1.内蒙古包钢钢联股份有限公司薄板坯连铸连轧厂，内蒙古包头 014010；2.内蒙古包钢钢联股份有限公司销售分公司，内蒙古包头 014010)

工程机械用低成本高强度Q550D钢板已研制成功。研究了Q550D钢板的显微组织、力学性能和回火工艺。研究结果表明，随着钢板厚度的增加，其组织也发生变化，由回火贝氏体加少量铁素体转变为粒状贝氏体加少量铁素体和少量珠光体。Q550D钢板的屈服强度达600 MPa以上，抗拉强度达700 MPa以上，断后伸长率大于18%，-20 ℃低温冲击吸收能量大于120 J。热轧后的Q550D钢板应在650 ℃左右回火。

Q550D钢板 轧制 宽厚板 回火

随着技术革新和工业进步，工程机械向着大型化、轻量化、高效化发展，对工程机械用钢的强度、低温韧性、抗疲劳性能、耐腐蚀性能、冷成形性能以及可焊接性能等提出了更高的要求[1- 3]。Q550D钢是一种微合金低碳贝氏体钢，具有强度高,韧性好,耐磨,耐腐蚀,低温韧性,加工性能和焊接性能优良等特点，广泛应用于工程机械、煤矿机械、造船和钢结构等领域[4- 6]。但由于对Q550D钢板的性能要求高，加之Q550D钢板在生产过程中板形难以控制，生产稳定性较差，目前国内只有少数技术较先进的钢铁企业能稳定供应Q550D钢板[7- 10]。

本文介绍了采用TMCP轧制(热机械轧制)和回火工艺制备的高强度工程机械用Q550D钢板的化学成分、显微组织和力学性能等。

1 技术条件与成分和工艺设计

1.1 技术条件

根据GB/T 1591—2008低合金高强度结构钢的规定，高强度Q550D钢板的化学成分列于表1，力学性能要求见表2。

表1 Q550D钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the Q550D steel (mass fraction) %

表2 Q550D钢板的力学性能要求Table 2 Mechanical property requirements for the Q550D steel plate

1.2 成分设计

低碳贝氏体钢是近年来发展起来的新型钢种，具有优异的焊接性能，高的强度和韧性，还具有节省合金资源、生产成本低等特点。因此，包钢高强度Q550D钢板的设计组织为低碳贝氏体。

降低碳含量可显著提高奥氏体相变温度，有利于低碳贝氏体铁素体的形成，有效减少偏析，确保厚板组织的均匀性，故只添加0.08%～0.10%C(质量分数，下同)。此外，还要添加1.60%～1.80%Mn，以弥补由于降低碳导致的强化效果的损失。但是锰添加过量会引起钢的锰偏析而造成M/A 组织的产生。

由于采用低碳的设计思路，而且添加的铌质量分数为0.03%～0.07%，因此减少了碳氮化铌的形成，从而提高了奥氏体中铌的含量。固溶铌量的增加提高了再结晶温度，从而可实现高温轧制，保证了高温时奥氏体的充分再结晶，改善了非再结晶区的高温控轧效果。通过实现高温大压下，保证了厚钢板心部组织的细化。

铬、钼的添加是必要的，能增加过冷奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性，改善钢的综合力学性能。本文试验添加了0.01%～0.30%Mo，0.20%～0.40%Cr。为了改善该钢的焊接性能，加入了0.010%～0.020%Ti。为了增强析出强化的效果，加入了0.04%～0.07%V。

对有害元素P、S含量提出了严格的限定，以提高钢水的洁净度，改善钢板的力学性能。

1.3 工艺流程设计

Q550D低碳贝氏体钢的组织是通过TMCP和回火控制的。通过成分设计和冶炼、连铸、轧制工艺设计，为奥氏体晶粒内的针状铁素体形成创造条件。针状铁素体的形成将奥氏体分割成若干区域，在随后的板条贝氏体相变中，被分割的奥氏体限制了板条束的长大，从而得到均匀细小的组织。另外通过回火工艺设计可进一步均匀和细化组织。采用低碳成分设计并配以微合金技术，通过TMCP和回火生产的工程机械钢板具有钢质洁净、强韧性好、冲击韧性和焊接性能良好等优点。

轧制方面，采用优化的铸坯加热工艺，精确控制钢坯的加热温度和均热时间，实现在铸坯长度、宽度和厚度方向的温度均匀一致。加热温度控制在1 180～1 250 ℃，保证碳化铌充分溶解，使其在随后的轧制过程中析出，以阻止奥氏体晶粒长大。

采用控轧控冷工艺轧制确保组织和晶粒均匀。轧制时加大粗轧道次变形量，严格控制精轧道次的变形量。粗轧始轧温度为1 160～1 200 ℃，单道次相对压下率至少有两道以上控制在25%～40%，确保钢板心部具有充分的变形量，防止奥氏体晶粒不均匀，为后续加工做组织准备。精轧始轧温度≤950 ℃，至少有两道压下率>20%，末道次压下率控制在10%以上，以增加相变时铁素体的形核率，确保晶粒细化效果。轧后钢板采用控制冷却，终冷温度≤700 ℃，以获得细小的贝氏体加少量铁素体组织。

结合现场生产实际，确定回火温度为600～700 ℃，保温时间根据钢板厚度确定。

包钢宽厚板线生产的工程机械用Q550D钢板的生产工艺流程为：

铁水预处理→铁水脱硫→顶底复吹转炉冶炼→LF精炼→RH真空循环脱气→连铸→加热→除鳞→粗轧→精轧→矫直→冷却→切割→抛丸→回火→检验。

包钢宽厚板生产线高强度Q550D钢的成分列于表3。

表3 Q550D高强度钢的设计成分(质量分数)Table 3 Specified chemical composition of the Q550D steel (mass fraction) %

2 试验结果与分析

2.1 钢板的显微组织

分别从轧制态和回火态钢板上取样，磨制金相试样并抛光后用4%硝酸酒精浸蚀。对两种状态试样的显微组织观察发现，Q550D钢板轧制态组织主要是低碳贝氏体，回火态组织为回火贝氏体。对于轧制态厚板而言，其心部主要为粒状贝氏体加少量铁素体、珠光体，部分显微组织如图1和图2所示。

由图1和图2可见， 16 mm厚板的轧制态组织主要是低碳贝氏体加少量铁素体；80 mm厚板的轧制态组织主要为粒状贝氏体加少量铁素体和少量珠光体，说明随着钢板厚度的增加，钢板心部的冷却速率下降，组织也发生了变化。钢板回火后的组织主要是回火贝氏体加少量铁素体，厚规格钢板的心部珠光体发生了分解，为回火后钢板力学性能的改善提供了保障。

图1 16 mm(a)和80 mm(b)厚的轧制态Q550D钢板1/2厚度处的显微组织Fig.1 Microstructures at half thickness of as- rolled (a) 16- mm- and (b)80- mm- thick Q550D steel plates

图2 16 mm(a)和80 mm(b)厚的回火态Q550D钢板1/2厚度处的显微组织Fig.2 Microstructures at half thickness of as- tempered (a)16- mm- and (b) 80- mm- thick Q550D steel plates

2.2 钢板的力学性能

目前，包钢Q550D钢板的销量逾21万t，高强度工程机械用Q550D钢的屈服强度达600 MPa以上，抗拉强度达700 MPa以上，断后伸长率大于18%，-20 ℃冲击吸收能量大于120 J，各项性能指标均远超标准及用户要求。

高强度工程机械用Q550D钢板的力学性能不仅符合GB/T 1591—2008要求，而且裕量合适，性能稳定。首先，在加热过程中，Nb、V的加入可以阻止奥氏体晶粒长大。随着加热温度的提高及保温时间的延长，奥氏体晶粒将趋粗大，而粗大的奥氏体对钢板的加工性能及细化铁素体不利。弥散的Nb、V的碳、氮化物能固定奥氏体晶界，阻碍奥氏体晶界的迁移，亦即阻止奥氏体晶粒长大，从而提高了钢板的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率。同时Ti的加入固定了杂质元素O、N，形成的TiN、TiO更有利于晶粒的细化，还抑制加热时奥氏体晶粒长大。其次，Nb的加入有明显的强化作用。含Nb微合金钢一般采用两段控轧工艺，即高温再结晶区轧制和低温未再结晶区轧制。由于Nb的加入抑制了钢的再结晶，使含Nb钢的再结晶温度提高到了950 ℃左右，因此在再结晶区轧制尽量采用较大的道次压下率，通过变形再结晶来细化晶粒。而在未再结晶区，Nb的加入大大提高了再结晶终止温度，未再结晶区变形增加了铁素体在奥氏体中的形核率，能明显细化组织。采用ACC(层流冷却装置)加速冷却，使Nb的碳氮化物析出，进一步细化晶粒。V的加入也可细化晶粒，既提高强度，又改善韧性。

2.3 钢板的冷弯性能

钢板的冷弯性能通过冷弯试验评定，试验条件为弯心直径d=3a，弯曲角度180°，试样宽度35 mm，冷弯试验后的试样见图3。

从图3可以看出，冷弯后试样正面、侧面均无裂纹，证明所开发的高强度工程机械用Q550D钢板冷成形性能良好。

图3 冷弯试验后的50 mm厚Q550D钢板试样Fig.3 50- mm- thick Q550D steel plate sample subjected to cold- bending test

2.4 回火工艺试验

为了摸索合理的回火温度，为用户提供合适的焊接工艺及焊后热处理工艺，分别对30和40 mm厚的钢板在不同温度回火，以获得合适的回火温度。试验结果见表4、表5。

表4 经不同温度回火后30 mm厚Q550D钢板的力学性能Table 4 Mechanical properties of 30- mm- thick Q550D steel plate tempered at different temperatures

表5 经不同温度回火后40 mm厚Q550D钢板的力学性能Table 5 Mechanical properties of 40- mm- thick Q550D steel plate tempered at different temperatures

从表4、表5可以看出，随着回火温度的升高，Q550D钢板的屈服强度和抗拉强度下降，断后伸长率和冲击吸收能量升高。当回火温度达700 ℃时，钢板的抗拉强度已经不能满足国标要求；当回火温度为550 ℃时，钢板的断后伸长率只达到了标准要求的下限。为了使Q550D钢板具有良好的强韧性，将回火温度定为650 ℃左右。另外，本试验发现，Q550D钢板的回火温度为550 ℃时，其冲击吸收能量出现拐点，说明试制钢板在回火温度为550 ℃时产生了第二类回火脆性，因此，生产中应避免在这一温度回火。

3 结论

(1)通过添加Nb、V、Ti等合金元素及采用TMCP和回火工艺，可以得到低成本和性能优良的高强度Q550D钢板。

(2)通过控制轧制温度和回火温度能使Q550D钢板达到性能要求，并且随着钢板厚度的增加，其组织也发生变化，由回火贝氏体加少量铁素体转变为粒状贝氏体加少量铁素体和少量珠光体，为钢板力学性能的改善提供了保障。但是要避免回火温度过高和过低，回火温度以650 ℃左右为宜。

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收修改稿日期：2017- 03- 21

DevelopmentofHighStrengthQ550DSteelPlateandOptimizationofitsHeatTreatmentProcess

Zhang Jun1Li Sulong2Zhu Xiaoli1Gao Jun1
(1. CSP Plant of Inner Mongolia Steel Union Co.,Ltd.,of Baotou Steel (Group) Corp., Baotou Nei Monggol 014010, China; 2. Sale Company of Inner Mongolia Steel Union Co., Ltd., of Baotou Steel (Group) Corp., Baotou Nei Monggol 014010, China)

A low cost high strength Q550D steel plate for engineering mechanism has been developed successfully. The microstructure, mechanical properties and tempering process of the Q550D steel plate were investigated. The results showed that as the plate became thicker, its microstructures changed from tempered bainite plus a small amount of ferrite to granular bainite plus a small amount of ferrite and pearlite. As to the mechanical properties of the Q550D steel plate, the yield strength reached higher than 600 MPa, the tensile strength reached higher than 700 MPa, the elongation was above 18%, and the impact toughness at -20 ℃ was as high as above 120 J. The hot- rolled Q550D steel plate should be tempered at about 650 ℃ to obtain better properties.

Q550D steel plate，rolling，wide heavy steel plate，tempering

张军，男，硕士，工程师，主要从事金属材料的研究，Email: 502313911@qq.com