新型细晶强化Q460级中厚板的TMCP工艺研究.doc

新型细晶强化Q460级中厚板的TMCP工艺研究陈永利1，陈炳张1，罗登2，董立国1 朱伏先1，（1.轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（东北大学），2.华菱湘潭钢铁集团有限公司科技开发中心）摘 要 ：通过热轧试验,对比研究了终轧温度及轧后冷却速度对综合力学性能的影响，研究发现：通过降低终轧温度可以提高钢的屈服强度和抗拉强度，对韧性的影响不大，其强度的提高主要以沉淀强化为主；冷却速度越快, 使得铁素体晶粒细化，从而提高钢的强度和韧性。但冷速超过15/s时会发生贝氏体相变，考虑到钢的综合性能，湘钢Q460热轧时应使终轧温度控制在840860左右，冷却速度控制在1015/s最佳.关键词：中厚钢板TMCP晶粒细化微合金化中图分类号: TG335152 ; TG14211 文献标识码: A Research of the TMCP of New Q460 Grade Medium and Heavy Plate Strengthened with Fine GrainCHEN Yong-li1, CHEN Bin-zhang ,LUO Deng2，DONG LI-guo, ZHU Fu-xian1（1.The State Key Laboratory of Rolling Technology and Automation , NortheasternUniversity ,Shenyang 110004 , Liaoning , China;2.The center of Technology, Xiangtan Iron and Steel Co. Ltd. , Xiangtan 411101 , China）Abstract：Through the comparative study of hot rolling experiment, we know clearly the impact of finishing temperature and velocity of aftercooling on syntheses mechanical properties, Reduce the finishing temperature can afford to the yield strength and strength of extension of steel, The faster cooling velocity, the thinner of the ferrite grain .It is beneficial of the intensity and tenacity of steel, But when the cooling rate rich to15/s , Austenite have changed into Bainite. in view of steels syntheses mechanical properties , Xiangtan steels Q460s finishing temperature must control between 840 and 860,and the cooling velocitys range is 1015/s.Key words: Medium and heavy plate, TMCP, Grain refinement, Micro-alloying一、 前言Q460是GB/T 1591低合金高强度结构钢标准中最高强度的一个牌号, 该标准中的各牌号在国内钢结构领域中广泛使用, 预计今后国内外大量使用的将是高性能的Q390Q460 级以及更高级别的钢种。 本文是基于轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(东北大学)与湘潭钢铁集团公司合作开发出一种新型Q460级焊接结构中厚钢板制造方法。与传统的NbV复合微合金化Q460级钢相比，新开发Q460级高强度钢在保持钢材力学性能的基础上, 不添加或者少添加合金元素，另外，所采用的控轧控冷工艺（TMCP）参数符含湘钢工业化生产要求，与传统中厚板操作工艺相似，较容易实现现场钢种快速切换的快速工业生产要求。所开发的Q460与国标GB/T 1591各项指标均有一定富余，综合性能较好。二 、化学成分设计及TMCP工艺研究作者简介：陈永利（1982），男，硕士；Email:2.1.化学成分设计表2.1.1为湘钢Q460化学成分，将N b 、V、Ti的用量控制在0. 03%以下, 而其它化学成分与传统Q460 有所不。在钢中添加微量的Nb、V、Ti, 可保证钢在碳当量较低的情况下, 通过其碳、氮化物质(尺寸小于5 nm ) 的弥散析出起到弥散强化作用，通过Nb、V、Ti 的固溶增加轧制过程位错，增加形核点，细化晶粒。 其中Nb的最突出的作用是通过Nb (CN)未溶质点及应变诱导析出抑制高温变形过程的再结晶，扩大了未再结晶区范围，最终细化（铁素体）晶粒；并且其低温区析出物起到沉淀强化作用。 微合金Ti元素，在钢中与N结合，形成细小弥散分布的TiN颗粒稳定存在于奥氏体晶界处，在加热过程阻止奥氏体晶粒的长大，保证获得细小奥氏体晶粒，以保证轧后钢板的韧性。化学成分CMnSiPSVNbTi湘钢Q46060.0150.0010.030.050.011表2.1.1湘钢Q460化学成分Table2.1.1. The chemical constitution of Xiangtan steels Q460 2.2.TMCP工艺设计根据热模拟静态CCT和动态CCT实验结果确定轧制冷却速度、轧制温度对力学性能和微观组织的影响，实验在东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室450实验机组上进行。热轧试验坯料尺寸为湘钢宽厚板厂生产Q460钢铸坯，尺寸为140mm(l) 100mm(w) 70mm(h), 具体实验过程如下：热轧坯料在高温箱型电阻炉中进行加热，温度1200，保温2小时。热轧实验分奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段轧制，初轧开轧温度和精轧开轧温度分别为1150左右和900左右，终轧温度控制在860左右，各轧制道次具体轧制参数为7056443630（900待温）2521171412，奥氏体再结晶区累计压下率为57.14%，未再结晶区压下率60%，最终得到厚度12mm的钢板，终轧后采用图2.2.1冷却方式控冷，然后空冷至室温，热轧工艺及冷却规程如表2.2.1所示冷却速度1218s-11200 2h1150 再结晶区控轧900 未再结晶型控轧空冷时间s温度图2.2.1 热轧及冷却工艺Fig2.2.1 Hot-rolling and cooling schedule试样号X-1X-2X-3X-4X-5终轧温度（）865865860841865水冷前温度（）空冷825805806820水冷后温度（）705650635680时间（s）4231112128冷却速度/s210.912.914.2517.5表2.2.1试验钢的冷却制度Table2.2.1 The cooling schedule of testing steel三、 试验结果及分析3.1 组织结构分析 X1-X5号试样的冷却速度分别为2/s、10.9/s、12.9/s、14.25/s、17.5/s依次增大，如图3.1.1为X1-X4号试样500倍金相照片和5号试样200倍和500倍金相照片。试样编号铁素体晶粒度尺寸（m）铁素体体积主要组织状态X019.163%粗大的铁素体+带状珠光体X026.767%多边形铁素体+珠光体X035.355.1%多边形铁素体+少量针状铁素体+珠光体X045.152%少量多边形铁素体+大量针状铁素体+珠光体X054.130%大量的贝氏体形成+少量针状铁素体表3.1.1 试验钢的微观组织Table3.1.1 The microstructure of testing steel如图3.1.1所示：a图是由X1试样通过两阶段控制轧制后空冷得到的组织，由于没有采用快速冷却工艺，微观组织表现为粗大的铁素体和珠光体组织，且带状珠光体组织明显，粗大的铁素体间有少量小晶粒，这是因为轧制过程中奥氏体发生了不完全动态再结晶，在相变时生成了细小的铁素体晶粒。b图中组织与a相比，铁素体晶粒明显细化，而且铁素体中有大量的多边形铁素体存在，这是由于铁素体形核机制为应变诱导晶界迁移机制。珠光体含量减少，带状组织减少。c图中铁素体晶粒更加细小，铁素体有大量多边形铁素体，还有少量针状铁素体生成。d图中铁素体晶粒大量呈针状，晶粒更加细化，有少量的多边形铁素体存在，晶粒较细小，珠光体细小分散，带状组织消失。e和f为X5号试样的金相图片，从e图中可以看出，组织中有多处形成羽毛状贝氏体，f图中可以清楚的看到大量的贝氏体形成，针状铁素体比d中含量更多。冷却速度越快, 通过相变温度区的过冷度越大, 这将降低奥氏体到铁素体的转变温度Ar3, 从而提高铁素体的形核速度并降低铁素体晶粒的长大速度, 使得铁素体晶粒细化。冷速超过15/s时，开始发生贝氏体相变，形成贝氏体组织。图3.1.1 实验钢不同轧后冷速的金相显微组织Fig.3.1.1 Optical micrographs of test steels at different cooling rate after rolling3.2. 试验钢的力学性能及实验结果分析根据国标GB/T 228-2002 矩形横截面比例试样标准制作全厚度矩形试样，在钢板1/4处纵向取样，根据国标GB /T 229-1994的标准制备标准夏比V型缺口冲击试样，分别在万能拉伸试验机和落锤冲击实验机上进行实验，实验结果如表格4所示, 表5表示Q460国家标准要求钢种试样编号终轧温度（）冷却速度（/s）常温拉伸性能（纵向）常温冲击性能(纵向)下屈服强度ReL/MPa抗拉强度Rm/MPa伸长率A/%冲击功（J）湘钢Q460X525211.4X-288010.953066023.33209.2X-386012.9572.570522.22203.8X-484014.25612.5727.518.34205.3X-586517.5585732.515.56162表3.2.1. 试验钢的力学性能Table 3.2.2 Mechanical properties of test steels等级屈服点 Mpa抗拉强度Mpa伸长率，冲击功，AkV,（纵向）,JD4605507201734表3.2.2. 国标中Q460力学性能要求Table 3.2.2. Q460 national standard in the mechanical performance requirements3.2.1冷却速度对组织和性能的影响 由表3.2.1中数据可知：大部分钢板屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和冲击韧性等均优于国家标准GB/ T1591- 94 中Q460 性能要求。证明轧制工艺及轧制参数是正确可行的。图湘钢Q460冷却速度与各项机械性能的关系Fig the mechanical behaviours of test steels at different cooling rate after rolling冷却速率与各项机械性能的关系如图所示，横坐标表示冷却速率，纵坐标表示各项机械性能指标， 其中各项指标相对GB/ T1591- 94均有很大裕量。冷却速度越快, 通过相变温度区的过冷度越大, 这将降低奥氏体到铁素体的转变温度Ar3, 从而提高铁素体的形核速度并降低铁素体晶粒的长大速度, 使得铁素体晶粒细化，铁素体平均晶粒尺寸也就越小，从而提高钢的强度和韧性。随着冷却速度的提高，屈服强度和抗拉强度都有显著提高，在屈服强度增加量中，细晶强化强化起主要作用。同时随冷速变大，珠光体转变温度范围就越小，对其形貌尺寸控制及对微合金碳化物的析出行为的控制对性能越有利，而且抑制Nb(CN) ,V(CN)在高温时的析出，使其在低温析出量增多，碳化物更加弥散，细小，增强沉淀强化效果。其中，冷却速率对材料延伸率影响非常大（冷却速度与延伸率符y=-0.46099*exp(-x/-5.56537) + 25.94469 相关性92.935%的拟合关系）,当冷速超过15/s，由于发生贝氏体相变（如X5试样），延伸率下降非常明显。当可见快速冷却可使铁素体晶粒进一步细化，但冷速过大时会发生贝氏体甚至马氏体相变，强度虽有提高，但钢的冲击韧性会大大降低，对综合的力学性能不利的.试验证明将轧后冷却速率控制1015/s可以获得良好综合机械性能.3.2.3 终轧温度对组织和性能的影响 比较表3.2.1中X2、X3、X4试样，冷却速度相近的前提下，屈服强度和抗拉强度随终轧温度的降低而提高，如图4所示，终轧温度为840的试样比880终轧的试样屈服强度显著提高，这是因为终轧温度改变了相变前奥氏体的组织，采用低温终轧可以在形变奥氏体中形成较多的变形带，增加奥氏体向铁素体转变时铁素体晶粒的形核位置和形核速率，从而细化铁素体晶粒；另一方面，终轧温度降低，形变后的奥氏体具有更丰富的变形储存能，在随后的控冷过程中，将促使Nb(CN) ,V(CN)大量细小弥散析出，沉淀强化作用增加，而且这种细小弥散析出对钢的塑形和韧性的不利影响也较小。图 终轧温度对屈服强度和抗拉强度的影响Fig. the impact of finishing temperature o