摘要:主要介绍了高Ti微合金强化机制及控轧控冷工艺在500MPa级别工程机械用钢板生产中的作用。通过高Ti微合金化成分设计、控制轧制及控制冷却工艺优化等措施，在保证强度的前提下不降低钢板韧性，得到理想的F+P组织，获得优良的力学性能，生产成本低廉。
关键词:高Ti钢控制轧制控制冷却
0前言
500MPa屈服强度级别工程机械用钢属于中高强度钢种，主要应用于液压支架等煤矿工程机械领域。目前，市场需求量最大的工程机械用钢主要集中在460MPa、500MPa级别中高强度钢种。近年来，由于受原料成本增加的影响，与成本较高的微合金元素Nb和V相比，微合金元素Ti应用越来越受到人们的关注［1－2］。通过Ti微合金化，结合控轧控冷工艺，可以起到细晶强化和析出强化的作用，进而大幅度提高钢板的强韧性。但Ti的微合金化作用易受成分、轧制温度、冷却速度等因素影响，导致力学性能不稳定，使Ti的使用效果也受到影响［3－4］。本文针对高Ti微合金强化机制在高强钢生产中的作用展开分析研究，根据高强钢在连续冷却过程中奥氏体转变及其转变产物的组织变化情况，制定了高Ti微合金强化高强钢的生产工艺，成功开发出500MPa级别高强工程机械用钢。
1试验材料和方法
1．1试验材料
试验材料采用高Ti微合金化成分设计和LF精炼+VD真空处理。在实际冶炼过程中将S含量控制在0．002%～0．003%，N含量在50×10－6以下，O含量在40×10－6以内，避免因钢中的［O］、［S］、［N］等杂质元素与活泼的Ti结合形成较多大尺寸化合物，导致产品性能波动。
1．2加热工艺
钢板主要通过Ti的碳、氮化物细晶强化和析出强化作用达到提高强韧性的目的，为此根据TiN、TiC等碳、氮化物的析出规律，利用Ti的碳、氮化物固溶度积经验公式，计算TiN、TiC的溶解温度。根据连铸坯的化学成分设计，N含量以控制在50×10－6以下为准。经过反推计算，TiN的溶解温度为1820℃左右，TiC的溶解温度为1260℃左右，表明Ti的碳、氮化物溶解温度均比较高。因此根据现场加热炉的实际加热温度控制能力，均热段温度目标值设定为1240℃。
1．3控制轧制工艺
由于在成分设计时增加了微合金元素Ti含量，因此在轧制过程中主要通过Ti的碳、氮化物的析出强化作用来提高钢板强度。TiN、TiC在三个控轧阶段起到析出强化作用。(1)均热未溶的TiN、TiC质点通过质点钉扎晶界机制阻止均热奥氏体晶粒粗化，保证得到细小的均热奥氏体晶粒。(2)在控轧过程中，应变诱导析出相通过钉扎晶界和亚晶界的作用而有效地阻止奥氏体再结晶的晶粒长大。(3)在控轧相变发生后，残留在奥氏体中的微合金元素进一步在铁素体中析出，产生显著的析出强化效果。Ti的碳、氮化物在这三个控轧阶段的作用均能提高钢板强度值，而且阻止晶粒长大可以起到细晶强化作用，这样既能保证强度，同时又可以提高钢板的韧性和综合力学性能。
1．4控制冷却工艺
利用试验材料在Gleeble－3500试验机上测定连续转变曲线，选用表1所示成分设计的连铸坯，在真空状态下，通过模拟实际生产过程，得到此成分设计钢种的连续冷却转变曲线(CCT)和不同冷却速率下的显微组织，如图1所示。由图中可以获知，当以不同冷速连续冷却时，试验钢发生先共析铁素体析出(A→F)、珠光体转变(A→P)、贝氏体转变(A→B)以及马氏体转变(A→M)。当冷却速率较低时，形成粗大的块状铁素体和珠光体;当冷却速率＞3℃/s时，出现贝氏体，形态类似针状铁素体，形成温度在450～600℃之间;当冷却速度为15℃/s时，珠光体基本消失，发生马氏体转变，马氏体的转变点约为350℃。在实际生产过程中，采用加速冷却装置进行冷却，冷却速度控制在5～10℃/s。终冷温度控制在620℃附近时，钢板的组织仍为F+P，不会出现B等中温转变的强硬相，但是因为析出稳定的TiN有效地阻止奥氏体晶粒长大，铁素体晶粒直径降至8．5μm;加上TiC的析出强化作用，屈服强度和抗拉强度显著升高。F+P组织细化，使钢板强度以及塑、韧性均能得到保证。
2试验结果与分析
从某中板厂3500mm轧机轧制的20～25mm厚度钢板取样，进行力学性能及金相检验。
2．1力学性能
从试验钢板取板状拉力试样，分别进行横向、纵向拉伸试验，结果如表2、图2所示，4个试样的屈服强度＞500MPa，抗拉强度＞660MPa，且材料性能均匀，横、纵向屈服强度检测差值很小;延伸率值＞17%，满足使用要求，但是横、纵向延伸率的检测结果仍然有一定差距。试验钢板的延伸率＞17%，使工程机械用钢结构在加工成型时具有足够的成型性。试验钢板的纵向延伸性能稳定性较好，这主要是由于高Ti含量、Ti与S的亲和力强于Mn与S的亲和力，因此随着钢中Ti含量的增加，钢中的Ti4C2S2化合物逐渐增多并取代MnS夹杂物，即Ti的加入夺取了MnS中的S而与之生成更为稳定的Ti4C2S2，从而减少MnS的析出，减轻MnS夹杂在铸坯中心区域的富集，明显降低产生中心偏析的可能性，从而提高了钢板纵向塑性性能的稳定性。
2．2金相组织
从试验钢板取样，经过4%浓度硝酸酒精溶液浸蚀后进行组织检测，得到细小的铁素体+珠光体组织，如图3所示。控轧控冷工艺促进了铁素体的形成，析出的TiN有效地阻止了奥氏体晶粒长大，获得了极细小的铁素体晶粒。通过制定合适的控轧控冷工艺，成功试制了500MPa级工程机械用钢，具有较高的屈服强度、抗拉强度和良好的成型性。
3结论
(1)通过研究高Ti微合金化和控轧控冷工艺对中厚板钢板组织、力学性能的影响，以实验室试验为基础试生产出500MPa级工程机械用钢。(2)高Ti微合金化工程机械用钢经过冷却速度5～10℃/s、600～650℃温度冷却后，获得细小的铁素体(F)+珠光体(P)组织，起到细晶强化和析出强化作用，钢板强韧性匹配良好。(3)在某中板厂3500mm轧机生产线上，采用加入0．075%Ti+0．015%Nb成分生产的500MPa级工程机械用钢，获得铁素体+珠光体细小组织，具有良好的力学性能和成型性，适合于加工制做工程机械用工件。
作者:成慧梅 王会岭 王丽敏 单位:河钢集团邯钢公司技术中心 河钢集团舞钢公司科技部