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Q690CFD工程机械用高强钢宝钢低碳贝氏体钢化学成分力学性能
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司
更新时间：2013-09-21
以690Mpa级别的钢板生产为例，在厚板5米轧机上研究了Mn-Mo-Nb-B系超低碳贝氏体（ULCB）钢钢坯加热、控制轧制、控制冷却诸工艺因素与钢的机械性能的关系，通过不断优化控轧控冷工艺参数，成功开发出超低碳贝氏体钢（板厚大于50mm）Q690CFD，低温冲击韧性优良，解决了厚度大于50mm钢板在控轧状态下难以兼顾强度和韧性的关系，并为开发更高级别的ULCB钢提供了依据。
关于超低碳贝氏体(ULCB:ultra low carbon bainite)钢的合金化原理及钢的强韧化机制，许多文献已有阐述，对于钢的组织特性也有广泛而深入的研究，该钢种由于碳含量大幅度下降(一般≤0.05%),在保证高强度的条件下,仍能保持很高的韧性,并在恶劣环境下,能满足焊接性能, 所以超低碳贝氏体钢早就被国际上公认为21世纪的钢种。由于超低碳含量（C≤0.05％）使得ULCB钢具有优良的焊接性和强韧性，贝氏体组织的脆性被消除，并且其转变过程比较稳定——在很宽的冷速范围内可以获得强度基本一致的贝氏体组织 ，从而保证钢板表面和心部组织基本一致。通过控轧控冷的方法最大限度地细化奥氏体晶粒，是这一类钢基本的生产工艺，也是生产中最突出的问题，尤其是当钢的屈服强度达到690MPa时，强度和韧性的关系难以达到稳定的统一，期望通过提高轧后冷却速度和回火处理来改善其组织的韧性[1]。
宝钢厚板厂采用： 转炉－RH－LF 、控制轧制、控制冷却、回火－ACC－热矫直－回火，严格控制钢的加热、控轧、控冷工艺参数，研究了各阶段变形参数诸因素对钢的组织细化、强度和韧性指标的影响，钢板最大厚度达60mm，力学性能达到如下要求：σs≧700Mpa、σb≧780Mpa、-20℃AKV ≧135J、δs≧17% ，并摸索出适用于这类钢的合理的生产工艺。
成分设计的依据是钢板所要求的性能及各化学元素对综合机械性能的影响。高强度低合金钢的化学成分主要由强度、韧性、和焊接性而定。超低碳贝氏体钢，一般界定为碳不大于0.05%。据研究，当碳含量在0.01-0.03% 时低温韧性最好。
Q690CFD化学成分采用Mn-Mo-Nb-B 合金系列。钢的强度不再主要依靠碳、锰的强化，而是以贝氏体基体组织中的位错强化、微合金钢经控轧控冷后组织细化强化及Nb、Ti微合金元素的析出强化和ε-Cu沉淀强化为主，从而使该类钢强韧性匹配，超低碳贝氏体钢在成分设计上选择C、Mn、Nb、Mo、B、Ti的最佳配合，从而在较宽的冷却范围内都能形成完全的贝氏体组织。为了获得高的强度，加入了成本较低的B元素。为了保证B元素的作用，须添加合金元素Ti来固定杂质元素O、N，从而避免B的烧损，并且形成的TiN、TiO对于细化晶粒是十分有效的；同时Ti能抑制加热时奥氏体晶粒的长大，并且微量的Ti也有利于改善焊接热影响区的韧性。Mn、Mo、Nb是作为强化元素加入的，鉴于冶金技术、经济性和钢材性能的要求，钢中还经常以Ni、Cu作为Mo的补偿元素。根据UCLB钢的成份－工艺－组织－性能的关系，采用的化学Mn-Mo-Nb-B系成份进行设计。本试制钢的化学成分见表1。
表1 实验钢的化学成分（wt ％）
|
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Ni |
Ti |
Mo |
Al |
B |
Nb |
Cu |
|
0.03 |
0.30 |
1.65 |
0.0012 |
0.008 |
0.55 |
0.021 |
0.25 |
0.037 |
0.001 |
0.048 |
0.64 |
表2 Q690CFD的机械性能要求
|
钢种
Q690CFD
|
拉伸性能
|
冲击性能
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|||
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Rp0.2,MPa
|
Rm,MPa
|
A,%
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试验温度
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冲击功，J
|
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≤50mm
|
≥690
|
770~940
|
≥14
|
-20℃
|
≥47
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＞50mm
|
≥670
|
≥14
|
-20℃
|
≥34
|
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通过在厚板5000mm轧机上进行Q690CFD不同厚度规格的几次试制，控轧控冷工艺参数不断得到优化，ACC控冷的精度不断提高，使工程机械用高强钢Q690CFD综合性能合格率大幅提高，塑韧性得到了较好的匹配。试制结论如下：
1 . Q690CFD（20～60mm）钢终轧温度控制在800℃～850℃比较合适，随着厚度的增加可以适当降低。
2. Q690CFD钢25mm以下厚度的钢板，待温厚度可以减至成品厚度的2.5～3倍，25mm以上厚度规格的钢板待温厚度为成品厚度的3倍以上比较合适。
3. Q690CFD钢30mm以下厚度规格终冷温度设定为550℃，30mm以上厚度的钢板终冷温度设计为480℃，可以有效改善该钢的综合机械性能。
4. 在合适的焊接工艺条件下，手工焊和气体保护焊焊接接头的强度、接头各部位的冲击功都达到了母材技术要求，且接头的冲击功有一定余量。
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