低成本TMCP交货Q550D钢板的开发研究

李新宇，王 川，张德勇，李 伟，欧阳宇

（五矿营口中板有限责任公司， 辽宁 营口 115000）

工程机械行业是机械制造业的重要组成部分，也是机械工业中最年轻、发展最迅速的行业。工程机械用钢板主要供给机械、煤炭、运输、矿山及各类工程施工等部门所需设备中，如：钻机、翻斗车、挖掘机、装载机、推土机、各类起重设备及煤矿液压支架等[1-4]。所需钢板的型号主要以Q550/690D为主。目前主流厂家大多采用TMCP/DQ+回火“或“调质”方式生产Q550D[5-7]。其成分基本采用C-Mn-Nb-Cr-B系设计，成分和工艺同质化严重，竞争激烈。另外，由于需要进行热处理，导致Q550D制造周期较长且成本昂贵。因此，开发以TMCP（控轧控冷）状态交货的Q550D已经成为各家钢厂的攻关目标。目前，部分厂家已经取得进展，但需添加Mo等贵重金属[8]，成本偏高。五矿营口中板有限责任公司（以下简称五矿营口）中板有限责任公司的装备水平较高，拥有2800/3800/5000 mm轧机、离线淬火机以及新一代超快冷设备，其中5000 mm轧机拥有国内最大的12000 t轧制力。本文对成分和工艺进行深入研究，使用“CMn-Nb-Ti”系成分，通过低温大压下和控冷工艺，成功开发出了以“TMCP”状态交货的低成本Q550D钢板。

1 成分设计思路

本文采用C-Mn-Nb-Ti系成分设计,重点提高了w（C）（0.13%～0.16%）和w（Ti）（0.05%～0.07%），分别利用固溶强化和沉淀强化原理增加强度。具体设计思路如下：

1）w（C）越高，钢的淬透性和强度越高。但塑性和韧性就越差，一般低合金钢中，w（C）不超过0.20%。由于本次开发钢板规格较薄（≤20 mm）。轧制后的晶粒较细，钢板的韧性相对较好。故，可以适当增加w（C）（0.13%～0.16%），这样可以在不大幅度降低的韧性的同时，取消Mo、Cr等贵金属的加入，降低成本。

2）锰（Mn）能同时溶于铁素体和渗碳体，细化珠光体组织提高钢的强度、硬度。在低碳钢中，提高锰含量能降低钢材韧脆转变温度，锰还能改善钢材的焊接性能和低温性能，增加奥氏体的稳定性。但锰元素也是促进贝氏体形成的元素，过量的贝氏体会影响钢材的塑韧性。在本钢种成分设计中，w（Mn）控制在≤1.60%。

3）铌（Nb）微合金处理可强烈产生细晶强化和沉淀强化。扩大了奥氏体未再结晶区，通过轧制过程的变形积累，使得组织细化。提高钢的综合性能。

4）钛（Ti）可以与N结合成为细小的的氮化钛，起到细化晶粒的作用。但随着Ti含量的增加，Ti可以与C结合形成TiC（一般为w（Ti）≥0.05%），可产生的强烈的沉淀作用，大幅度提升强度。

因此，Q550D采用中碳成分设计，复合加入Nb、Ti等元素，具体化学成分见表1。

表1 Q550D的化学成分 %

2 工艺设计思路

由于成分中提高了w（C）（0.13%～0.16%）和w（Ti）（0.05%～0.07%），导致冲击和延伸性能下降。而目前能同时增加韧性和塑性的方法只有细化晶粒。因此，本文采用二阶段轧制策略，其中未再结晶阶段采用低温大压下策略细化晶粒。待温厚度≥3倍成品厚度，精轧终轧温度为（800±10）℃，待温后累计压下率≥65%，道次变形率≥12%，道次轧制力≥7000 t，以增加形核位置，细化晶粒。水冷工艺设计方面，由于成分中提高了C和Ti含量，可大幅度提高强度。因此，可适当提高终冷温度（500～600℃），以保证延伸率，实现TMCP状态直接交货。

3 Q550D的制备和检测

3.1 生产工艺

Q550D的生产工艺流程：铁水预处理-转炉冶炼—LF炉精炼—RH真空脱气—连铸—加热炉加热—粗轧—精轧—ACC控冷—精整—成品入库。

根据钢的化学成分特点，将板坯加热温度定为1210～1260℃，在炉时间为3.5 h，轧制采用两阶段控制轧制工艺，开轧温度为1050～1080℃，高温轧制阶段控制在1010～1060℃的奥氏体再结晶区[9]，通过轧制道次之间的反复再结晶充分细化奥氏体组织，在约880～1010℃进行待温；在830℃以下未再结晶区控制进行轧制，其中待温后累计压下率≥65%，道次变形率≥12%,增加形核位置。轧制完成后，进入层流冷却装置内（ACC）进行水冷，冷速在10～15℃/s。试验终冷温度在510～630℃。

3.2 试验结果及分析

3.2.1 TMCP状态下的Q550D的性能

对Q550D（规格15 mm×2400 mm），在终轧温度为（810±10）℃时，分别检验水冷温度在510/540/570/600/630℃性能，数据如表2。

表2 TMCP状态下的Q550D的性能（15 mm）

TMCP性能分析。由表2得知：随着终冷温度的下降，强度逐渐提升，延伸率逐渐下降。其中540～570℃终冷区间的性能符合国标Q550D（GB/T 16270—2009）标准。温度低于540℃时，延伸率不足；温度高于570℃时，屈服强度不足。冲击值随着终冷温度的下降而下降，但降幅度不大。在510℃终冷时，仍可满足标准。

3.2.2 TMCP+回火下的性能

终冷温度在540～570℃左右时，TMCP性能可满足Q550D交货要求。但实际生产过程中，此范围偏窄，终冷温度低于540℃时，将导致延伸率不足。需要进行回火挽救（回火后，延伸会有提升强度会下降）。故，对低于540℃的钢板（5号，实际终冷温度为510℃）进行了不同温度下（450/500/550/600℃）的回火挽救试验。结果如表3。

表3 TMCP+回火状态下的Q550D的性能（5号试样）

TMCP+回火下的性能分析。由表3可知：随着回火温度的上升，强度逐渐下降，延伸逐渐上升。回火温度低于500℃时，延伸率不足；回火温度高于550℃时，强度不足。故，回火温度应在500℃左右，回火时间为3 min/mm。

3.3 金相分析

分别对TMCP下的3号试样（终冷温度为540℃）和5-2号试样（经过回火，工艺500℃×30 min）的金相进行了观察，结果见图1和图2。

图1 TMCP（3号终冷温度540℃）

图2 TMCP+回火（5-2号回火温度500℃）

由图1和图2可知，3号试样不同于采用低碳成分的轧制的Q550D的粒状贝氏体和板条贝氏体组织，其中碳成分C-MN-Nb-Ti系成分控轧控冷的组织主要为准多边形铁素体、粒状贝氏体和少量珠光体。

5-2号试样（经过回火，工艺500℃×30 min）的金相组织为仍以准多边形铁素体、粒状贝氏体为主，但是珠光体数量有所增加，另外，部分区域可以看到少量析出的黑色碳化物[10]。

4 结论

1）采用中碳成分C-Mn-Nb-Ti系成分和TMCP控轧工艺设计,利用厚度效应和低温大压下工艺细化晶粒,辅以沉淀强化、位错强化等手段，成功开发出到低成本的薄规格≤20 mm Q550D钢板，屈服强度约为560～600 MPa，抗拉强度约为690～740 MPa。其金相组织为准多边形铁素体、粒状贝氏体和少量珠光体。摒弃了需要热处理的传统工艺，大幅度降低了生产成本。

2）针对终冷温度波动产生延伸偏低的钢板，可通过回火工艺进行挽救，最佳回火温度约为500℃。