重钢620MPa级高强度钢板的工艺研究
2014-04-21 11:49:00
0、前言
低合金高强度结构钢板Q620D主要用于煤矿和工程机械。为满足市场需求，重钢采用控轧控冷和回火工艺，成功开发了屈服强度为620MPa级别、具有优良综合力学性能的高强度钢板。
1、试验材料及方法
1.1、化学成分和性能要求
Q620D试板采用210t顶底复吹转炉冶炼，经连铸、轧制而成。连铸坯规格为300mm×2000mm。按照低碳贝氏体钢的设计理念，化学成分设计见表1。性能要求按照“GB/T16270-1996”标准执行，见表2所示。
表1：Q620D试验用钢的化学成分wt/%
|
C
|
Si
|
Mn
|
P
|
S
|
B
|
Ti
|
Nb
|
|
0.06
|
0.33
|
1.60
|
0.008
|
0.007
|
0.0024
|
0.034
|
0.052
|
表2：Q620D试板的性能要求
|
级别
|
规格/mm
|
Re/MPa
|
Rel/MPa
|
A/%
|
-20℃纵向KV2/J
|
|
D
|
≤30
|
≥620
|
720~890
|
15
|
≥40
|
1.2、生产工艺
铸坯经4100mm厚板生产线加热炉在1150～1180℃加热、保温后，采用Ⅱ型控轧工艺，粗轧最大道次压下率达到10%～20%，中间坯厚度为70mm，温度在1020～1045℃。为了保证得到贝氏体组织，精轧阶段分为两个轧程进行轧制。当轧制到控轧厚度后，中间坯在辊道上摆动冷却控温，完成第一轧程轧制；当钢板控温至950℃以下时进行控轧，再完成第二轧程轧制。试板成品规格16mm×2200mm×15000mm，终轧温度800～860℃，轧制工艺见表3。
表3：Q620D试板的轧制工艺
|
试板
|
精轧开轧/℃
|
精轧控轧/℃
|
精轧终轧/℃
|
返红温度/℃
|
|
1#
|
950~980
|
935~950
|
838~855
|
450~500
|
|
2#
|
950~980
|
918~930
|
801~845
|
|
试板轧后经ACC快速冷却系统冷却，并进行回火处理，回火温度610～650℃，保温时间2～4min/mm，空冷至室温，随后对钢板取样并进行拉伸和冲击试验，同时砂磨、抛光控轧控冷以及回火态Q620D试板样品，并在DRIRM莱卡金相显微镜上进行组织观察。
2、结果与讨论
2.1、控轧控冷工艺对组织和性能的影响
低碳贝氏体钢要求在非再结晶区进行较大的累计变形，最小不得低于50%。根据资料介绍，类似化学成分钢板的非再结晶温度为1000℃左右，通常≤970℃。主要采用减少轧制道次、增大单道次压下量的方法，确保钢板在较低温度下完成较大的单道次及累计变形量以破碎晶粒，从而得到细晶组织，单道次最大变形率为15%。
精轧阶段第二轧程控轧的累计变形率在52.6%～61.8%之间，基本满足形成贝氏体的要求。终轧温度800～860℃，有较大的控制范围。终轧后停留30s后再进行冷却，即驰豫，其目的是在变形奥氏体中实现晶体缺陷的重新排列及组合，使微量合金析出物在特定部位析出，从而控制冷却过程中发生的贝氏体相变在已被分割和细化的小区间内进行，最终获得细小贝氏体组织，并有利于板条贝氏体的形成。
形成低碳贝氏体的一个重要条件就是钢板以快速冷却到贝氏体转变温度以下。根据资料介绍，类似化学成分钢板的贝氏体转变温度为450～650℃，要求冷却速度＞5℃/s。因此设计试板的冷却速度＞10℃/s，终冷温度≤650℃。钢板的实际冷却速度范围为17.0～26.0℃/s，终冷温度在450～600℃，开始矫直温度在515～610℃。
不同轧制工艺条件下控轧控冷态Q620D试板的力学性能见表4。
表4：控轧控冷态Oi20D试板的实物力学性能
|
试板
|
Re/MPa
|
Rel/MPa
|
A/%
|
-20℃平均纵向KV2/J
|
|
1#
|
660
|
830
|
18
|
75
|
|
2#
|
680
|
852
|
16
|
62
|
从表中可以看出，试板的强度和延伸率均满足Q620钢板的性能指标要求，但是-20℃冲击值富裕量不大，冲击值不稳定且波动较大。钢板的平直度虽然存在一定的缺陷，但经过冷矫直后，仍能满足国家标准的要求。
控轧态Q620D试板的金相组织均是贝氏体组织，如图1所示。说明在目前的成分设计和轧钢工艺条件下可以得到低碳贝氏体组织钢板。组织基本是粒状贝氏体组织，不是最希望得到的小晶粒尺寸板条贝氏体组织。未得到理想组织的主要原因应该与轧机能力限制、各道次的变形量不够大和破碎晶粒不彻底有关。从金相组织照片可以看出，晶粒尺寸较大并且不均匀，存在一定的方向性，导致钢板强度富裕量不大，塑、韧性指标不好。
图1：控轧态Q630D试板的金相组织
2.2、回火工艺对组织和性能的影响
回火态Q620D试板的金相组织如图2所示，粒状贝氏体分解形成回火索氏体组织，分解的主要是粒状贝氏体中的大块马岛组织，晶粒尺寸变小并且均匀性得到改善，原来的晶粒方向性基本消除。屈服强度的提高与回火索氏体组织弥散析出和Cu时效强化作用有关。
图2：回火态Q620D试板的金相组织
试验结果表明，试板回火后的塑、韧性指标得到较大改善，不仅满足标准要求，而且有较大的富裕量；同时屈服强度有所提高或略有保持，而且满足标准要求；抗拉强度降低20～40MPa，如果控轧态抗拉强度高，则钢板回火后性能合格几率较大。回火态Q620D试板的力学性能见表5。
表5：回火态Q62OV试板的实物力学性能
|
试板
|
Re/MPa
|
Rel/MPa
|
A/%
|
-20℃平均纵向KV2/J
|
|
1#
|
702
|
746
|
22.0
|
82
|
|
2#
|
716
|
775
|
21.5
|
102
|
3、结语
采用低碳贝氏体钢成分设计路线生产Q620D钢板的方法合理，炼钢、连铸、轧钢和热处理工艺可行。尤其在新工艺装备条件下，经过适当的成分和生产工艺调整，保证了连铸坯实物成分波动小、表面质量好以及钢板性能和外形合格。钢板采用控轧+回火状态交货可以保证较高的性能合格率和稳定的质量。
收稿时间：2013年3月
来源：重钢
