超高强度工程机械用钢板关键技术研究与应用

<正>项目针对工程机械行业对960～1300MPa超高强度工程机械用钢的需求,通过理论研究、实验室研究和工业化大生产相结合的方式,突破超高强度工程机械用钢高强韧性匹配、焊接、冷成型和疲劳等关键技术,构建起钢板焊接、折弯成型、切削加工等应用技术体系,成功开发低碳Nb-V-Mo合金体系960～1300MPa超高强度离线调质钢板,并在国内三大工程机械企业批量使用。     

工程机械用高强钢Q960生产工艺研究

基于工程机械用钢需要满足重载、冲击和降耗的要求,这类钢铁材料在具有高强度级别的同时还应具有良好的低温韧性水平。本文设计一种辅以Cu、Ti、Nb、B、Mo、Ni复合微合金化的成分体系,采用不同的轧制、冷却及热处理工艺,对比分析了Q960高强度钢的组织及力学性能,在实验室试验出一种工程机械用高强钢Q960的生产工艺。结果表明:通过合适的轧制冷却及920℃淬火和180℃回火的调质处理工艺,可以获得细小的马氏体和残余奥氏体组织,满足屈服强度960MPa、抗拉强度1 150 MPa、-40℃冲击功27 J、伸长率10.0%的性能要求,为工业试制提供了理论依据。     

应用DQ工艺研发调质高强钢的生产实践

舞钢新宽厚板生产线MULPIC在线快冷装备具有高速冷却等技术特点,结合控制轧制和在线快冷装备,采用直接淬火（DQ）工艺,研究开发了最高级别至960 MPa的系列高强工程机械用钢。结果表明：利用直接淬火和离线回火的工艺,可生产出40 mm厚的WQ960E调质钢,屈服强度达到1 010 MPa,抗拉强度达到1 070 MPa,-40℃横向冲击功均值达到41 J以上。     

热轧工艺参数对非调质钢F45MnV力学性能的影响

用热模拟实验机Gleeble-1500模拟了F45MnV钢(%:0.44C、1.18Mn、0.10V)热轧过程中的加热、轧制及冷却参数。通过实验发现,加热温度由950℃增至1100℃,钢中奥氏体平均晶粒尺寸由25.7μm增加至84.3μm;加热温度为1000～1050℃时,奥氏体晶粒尺寸为64.0～62.8μm,在该温度范围内轧制,有利于钢的质量控制和保证性能的稳定;随冷速由0.25℃/s增加至2℃/s,变形量70% 900℃,终轧的F45MnV钢的抗拉强度由815 MPa迅速提高至960MPa。     

调质处理工艺对微合金化Q960E钢70 mm板组织性能的影响

采用890～920℃淬火和560～600℃回火工艺对Q960E钢70 mm板进行性能测试,并利用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)对Q960E钢板显微组织进行分析。结果表明：采用920℃淬火和560℃回火工艺的钢板强韧性匹配最优(UTS 1048 MPa, YS 1005 MPa, el.14%,-40℃KV₂ 52～61 J),钢板全厚度方向性能分布相对均匀,硬度值为27.5～33HRC;组织从表面至心部为回火索氏体和残余奥氏体。     

新型V-Ti-B微合金化调质Q690E钢板的开发

通过低碳及"Mn-Cr-Mo-B-V-Ti"微合金化成分设计及轧制、热处理工艺选择,成功开发出工程机械用Q690E钢板(/%:0.10～0. 15 C,0. 20～0.40 Si,≤0.015 P,≤0.005 S,0.30～0.40 Cr,0.20～0. 30 Mo,0.035～0.045 V,0.01～0.02 Ti,0.001～0.002 B)。Q690E钢板880～910℃淬火+570～610℃回火的微观组织为回火索氏体,屈服强度811～891 MPa,抗拉强度852～938 MPa,-40℃冲击功在132～167 J,满足GB/T16270-2009对Q690E工程机械用钢力学性能的要求,结果满足用户严格使用要求,同时降低了生产成本。     

屈服强度1100 MPa级超高强钢热处理组织及性能

随着工程机械向大型化轻量化方向发展,超高强钢的市场需求越来越大且综合性能要求越来越严格。结合5 000 mm宽厚板生产线及热处理装备,研究淬火过程中淬火温度对屈服强度1 100 MPa级超高强度钢组织及力学性能的影响。结果表明,淬火温度决定了合金元素的溶解和分布状态、原始奥氏体晶粒尺寸,影响试验钢的综合力学性能。不同淬火温度下,基本微观组织为板条马氏体。随着淬火温度的升高,原奥氏体晶粒尺寸增大;当淬火温度由840℃升高至990℃时,原奥氏体晶粒平均尺寸由9.0μm增加到22.5μm。采用900～930℃淬火及350℃回火的热处理工艺,试验钢可获得最佳的强韧性匹配,此时屈服强度为1 125～1 155 MPa、抗拉强度为1 306～1 335 MPa、断后伸长率为12.5%～14.0%,布氏硬度为415～419,-40℃冲击功为80～100 J,抗拉强度与布氏硬度比值范围在3.10～3.20之间,满足标准GB/T 28909—2012对Q1100E的要求。     

屈服强度1100 MPa级超高强钢热处理组织及性能

摘要：随着工程机械向大型化轻量化方向发展,超高强钢的市场需求越来越大且综合性能要求越来越严格。结合5000mm宽厚板生产线及热处理装备,研究淬火过程中淬火温度对屈服强度1100MPa级超高强度钢组织及力学性能的影响。结果表明,淬火温度决定了合金元素的溶解和分布状态、原始奥氏体晶粒尺寸,影响试验钢的综合力学性能。不同淬火温度下,基本微观组织为板条马氏体。随着淬火温度的升高,原奥氏体晶粒尺寸增大;当淬火温度由840℃升高至990℃时,原奥氏体晶粒平均尺寸由9.0μm增加到22.5μm。采用900～930℃淬火及350℃回火的热处理工艺,试验钢可获得最佳的强韧性匹配,此时屈服强度为1125～1155MPa、抗拉强度为1306～1335MPa、断后伸长率为12.5%～14.0%,布氏硬度为415～419,－40℃冲击功为80～100J,抗拉强度与布氏硬度比值范围在3.10～3.20之间,满足标准GB/T 28909—2012对Q1100E的要求。     

MULPIC冷却装置在品种钢研发中的生产实践

 舞钢新宽厚板生产线MULIPIC在线快冷装备具有高冷却速度等技术特点,结合控制轧制和在线快冷装备对船板、管线钢进行了开发研究,采用直接淬火工艺研究开发了高强工程机械用钢。结果表明： 60 mm厚度E36级TMCP船板钢,组织全部为铁素体＋珠光体,晶粒度10级以上,－40 ℃夏比横向冲击功在183 J以上;X70管线钢的组织为针状铁素体,力学性能合格率达98％;利用直接淬火（DQ）和离线回火工艺,生产出30 mm厚的WQ960D调质钢,屈服强度达到960 MPa,抗拉强度1030 MPa,－20 ℃纵向冲击功在43 J以上。     

Nb 和热处理对 C-Mn-Si 系冷轧双相钢组织和性能的影响

用25 kg真空感应炉冶炼的含Nb双相钢(%:0.19～0.21C、0.7～0.8Si、1.9～2.1Mn、0.02～0.04Nb)和不含Nb双相钢(%:0.17～0.19C、0.4～0.6Si、1.7～1.9Mn),经实验室双辊轧机轧成3.5 mm板,再冷轧至1.0mm和1.36 mm钢板.冷轧板通过盐浴炉加热至740～820℃缓冷至680℃,再以≥150 ℃/s冷至280℃保温240 s空冷.结果表明,随加热温度提高,铁素体-马氏体组织中的马氏体量增加;当加热温度为820℃时C-Mn-Si双相钢抗拉强度可达1 050 MPa,加Nb后由于晶粒进一步细化,820℃加热时,其抗拉强度可达1 200 MPa.     

600 MPa级Nb-Ti微合金高强度钢的开发

开发的Nb-Ti微合金高强钢(/%:0.04C、0.34Si、1.40Mn、0.010P、0.004S、0.098Nb、0.020Ti、0.045Al、0.002 5N)由真空感应炉冶炼、50 kg钢锭40 mm锻造板坯经试验室单架轧机于1 200℃7道次轧制成10mm板,末道次压缩比≥15%,终轧温度880℃,喷水冷却至600℃,置于热处理炉600℃30 min,炉冷至室温,分别模拟层流冷却和卷取工艺。该钢经Gleeble 3500热模拟机试验得出,高温低塑性区为650～800℃和≥1 300℃。力学性能试验结果为下屈服强度R_el625～640 MPa,抗拉强度R_m705～710 MPa,伸长率18.0%～19.5%。所开发的钢具有碳当量低,焊接性能好,成本低等特点。     

镍对09CuPCrNi耐候钢高温力学性能的影响

采用Gleeble 3000热模拟实验机测试和研究了CCT曲线以及镍含量对09CuPCrNi耐候钢(%:0.08C、0.34～0.35Cu、0.091～0.099P、0.53～0.55Cr、0.02～0.27Ni)的700～1 300℃塑性和抗拉强度的影响。结果表明,当钢中Ni含量由0.27%降至0.02%时,Ar₁、Ar₃分别由670.2℃和860.0℃升至710.0℃和882.5℃,并且贝氏体和马氏体相变也提前发生,800℃高温脆性温度区增宽,950℃高温脆性区消失。0.02%Ni耐候钢09CuPCrNi室温抗拉强度475～485 MPa,伸长率32%～34%,冲击功72～84 J,满足该耐候钢力学性能使用要求。     

安钢Nb微合金化高强度船体结构钢板的开发

安阳钢铁公司通过100 t转炉-100 t LF-200 mm×1 500 mm连铸机-2800 mm中板轧机生产流程开发了Nb微合金化高强度船板。生产数据统计结果表明,通过精确控制钢的成分(%:0.13～0.16C、0.33～0.43Si、1.31～1.42Mn、0.007～0.014P、0.005～0.0185、0.021～0.039A1、0.018～0.022Nb),精轧开始温度950℃,精轧累积压下率≥50%,终轧温度780～850℃,使AH36牌号6～25 mm钢板的晶粒度为9～9.5级,屈服强度360～475 MPa,抗拉强度490～610 MPa,δ5伸长率18%～36%,0℃冲击功110～221J。     

400 MPa级縮微合金化抗震钢的控轧控冷工艺实践

在化学成分合理设计的基础上HRB400E钢(/%:0.21～0.25C,0.40～0.65Si,1.40～1.55Mn,≤0.040P,≤0.040S,0.015～0.025Nb,0.005～0.008N),研究了不同加热温度及控轧控冷温度对力学性能、金相组织和钢筋表面时效锈蚀的影响。提出了最佳的轧制温度参数:加热温度为1140～1170℃、开轧温度为1 040～1 060℃,精轧温度为1000～1030℃,终轧后的冷床温度是870～890℃。结果表明,铌微合金化HRB400E钢屈服强度450-475MPa,其析出物主要为粒径大小为300～600nm的Nb(C,N),分布在网状碳化物上、网状碳化物边缘以及晶界附近的晶粒内部。     

固溶处理对00Cr25Ni7Mo4N双相不锈钢组织和力学性能的影响

研究了真空感应炉(6.5 kg锭)熔炼的00Cr25Ni7Mo4N钢(%:0.007～0.009C、24.50～24.84Cr、6.92～6.99Ni、3.65～3.72Mo、0.27～0.30N)的相比例和固溶处理温度对钢的组织和力学性能的影响。结果表明,随固溶温度由1 050℃增至1 200℃,钢中铁素体含量由48%～50%提高至53%～55%。当固溶温度由1 050℃提高至1100℃,钢的强度下降,伸长率和冲击韧性增加,当固溶温度由1 100℃提高至1 200℃,钢的强度增加,伸长率和韧性降低,该钢最佳固溶温度为1 100℃±50℃。     

热处理对Φ245 mmx l2 mm V150高抗挤毁套管用钢27CrMnMoV组织和性能的影响

试验用Φ360 mm 27CrMnMoV钢(/%:0.27C,0.25Si,0.92Mn,1.06Cr,0.75Mo,0.009P,0.003S,0.088V)铸坯经穿孔和Φ340连轧机组热轧成Φ244.48 mm×15.11 mm无缝管。试验研究了830～950℃水淬,880℃水淬+600～680℃ 30～120 min回火,以及880℃两次水淬+620～660℃回火工艺对该钢管组织和性能的影响。一般要求V150管屈服和抗拉强度分别为1034～1241 MPa和≥1103 MPa,0℃横向冲击功≥80 J。结果表明,一次淬火+630～655℃ 60min回火时Mo和V碳化物析出产生二次硬化,其屈服和抗拉强度分别为1 034～1 150 MPa和1 103～1 225 MPa,0℃横向冲击功为80～108 J。二次淬火+635～655℃ 60 min回火工艺,循环淬火使奥氏体晶粒细化,提高强度的同时显著改善韧性,其屈服和抗拉强度分别为1 034～1 170 MPa和1 103～1 240MPa,0℃横向冲击功为80～120 J,比一次淬火+回火工艺更容易实现V150高抗挤毁套管性能的稳定性控制。     

淬火温度对石油套管用钢27MnCrV冲击韧性的影响

研究了890～780℃淬火对630℃回火的石油套管用钢27MnCrV(%:0.24～0.30C、0.50～0.70Cr、0.06～0.10V)横向冲击功的影响。结果表明,随淬火温度降低,该钢横向V-冲击功显著增加;在保证拉伸强度不降低的情况下,横向最小冲击功由890℃淬火+630℃回火的35 J提高到820℃+630℃回火的66 J。27MnCrV钢最佳热处理工艺为830℃±10℃水淬+630℃回火空冷,其屈服强度847～860 MPa,抗拉强度922～930 MPa,横向冲击功57～66 J,满足标准要求。     

HRB335热轧带肋钢筋轧后双线穿水冷却技术的应用

针对轧机产量提高后冷床冷却能力不足的问题,安装了轧后棒材穿水冷却装置。生产结果表明,HRB335Φ16 mm热轧带肋钢筋(/%:0.20C、0.20～0.40Si、0.4～1.2Mn),原终轧速度10.5～11.0 m/s,钢材至冷床温度1020～1050℃,钢筋的屈服、抗拉强度和伸长率分别为342 MPa、520 MPa和16.5%;使用穿水系统后终轧速度提高至11.5～12.0 m/s,钢材至冷床的温度降至880～900℃,通过冷床后降至260℃,钢筋的屈服、抗拉强度和伸长率分别为360 MPa,556 MPa和16.9%,生产率提高3%～5%。     

奥氏体化温度对辗压圈圆成型NM360-YLJ耐磨钢组织与性能的影响

设计研发了360度辊压成型压路机振轮耐磨钢NM360-YLJ,研究结果表明:最佳的奥氏体化温度为870～910℃,淬火马氏体板条上分布着沿多个惯析方向析出的碳化物,宽度15～50 mm,长度60～110 mm,马氏体板条束内包含多个由大角度晶界构成的板条块,大角度晶界取向差主要分布在60°左右,所占比例为63.5%～66.9%,马氏体块宽度0.08～6.6μm,钢的屈服强度980～1 000 MPa、抗拉强度1 182～1 198 MPa、延伸率22%～25%、表面维氏硬度值363～379HV, -40℃低温冲击功160～175 J,具有良好的强韧性匹配以及辊压成型性能。     

M2高速钢 Φ183 mm锻坯针孔缺陷分析和工艺改进

M2高速钢(/%:0.86C,0.39Si,0.32Mn,0.015P,0.006S,6.00W,4.00Cr,4.80Mo,1.85V)Φ183 mm圆坯由2.0 t电渣锭(Φ500 mm)锻制而成。M2钢锻坯探伤缺陷率为33.33%~69.23%,主要为中心部位针孔缺陷。分析表明,针孔缺陷是钢锭偏析部位在开坯加热和锻制过程中产生过热形成的。通过将电渣重熔电流由8 000→6 800 A降至7 000→6 000 A,降低电渣重熔速度,开锻温度由1070~1090℃降至1030~1060℃,终锻温度由960~980℃C降至900~950℃以降低中间坯的中心温度等工艺措施,使M2钢 Φ183 mm锻坯的探伤缺陷率由50%降低到5.71%。