一種超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼q960d及其生產(chǎn)方法
【專利摘要】本發(fā)明一種超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼Q960D及其生產(chǎn)方法，鋼中各元素成分質(zhì)量百分比為：C：0.13～0.16，Mn：1.40～1.50，Nb：0.02～0.04，V：0.09～0.11，Ti：0.015～0.025，Cr：0.45～0.55，Mo：0.45～0.55，B：0.0008～0.003，Als≥0.03，其它為Fe和生產(chǎn)過程中不可避免的殘余元素和雜質(zhì)；本發(fā)明采用LF+RH 工藝來保證鋼質(zhì)的潔凈度，確保鋼板內(nèi)部質(zhì)量符合探傷要求；采用控軋+（DQ+ACC）冷卻+回火處理細(xì)化晶粒，在保證較低生產(chǎn)成本的同時生產(chǎn)出Q960D超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼，力學(xué)性能和內(nèi)部質(zhì)量滿足GB/T16270?2009要求。
【專利說明】
一種超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼Q960D及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種鋼材的生產(chǎn)方法，尤其涉及一種超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼Q960D及其 生產(chǎn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] Q960D是GB/T16270-2009中強(qiáng)度級別最高的鋼種，主要應(yīng)用于挖掘機(jī)、起重機(jī)等工 程機(jī)械領(lǐng)域。目前，國內(nèi)工程機(jī)械廠家主要使用國外進(jìn)口的Q960D鋼板，產(chǎn)品售價較高，而國 內(nèi)具備該類產(chǎn)品生產(chǎn)能力的廠家，如:舞陽鋼廠等主要采用調(diào)質(zhì)工藝進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)，工序成 本較高。國標(biāo)GB/T16270-2009將Q960D的厚度規(guī)格限定為彡50mm，由于受到國內(nèi)機(jī)械加工用 戶加工能力的限制，目前市場對Q960D需求量最大的是厚度規(guī)格為20mm的產(chǎn)品，占 Q960D總 需求量的70%以上。因此，開發(fā)出一種面向厚度規(guī)格為20mm的Q960D產(chǎn)品的低成本生產(chǎn)方法， 同時滿足國標(biāo)GB/T16270-2009對于該鋼種的力學(xué)性能要求，對于鋼鐵企業(yè)而言具有十分重 要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼Q960D及其生產(chǎn)方 法，通過對成分的優(yōu)化和采用在線淬火+回火的熱處理工藝，在確保Q960D鋼板的力學(xué)性能 符合國標(biāo)要求的前提下，實現(xiàn)低成本生產(chǎn)。
[0004] 解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案為： 一種超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼Q960D，鋼中各元素成分質(zhì)量百分比為:C:0.13~0.16，Mn: 1.40~1.50，Nb:0.02~0.04,V:0.09~0.11，Ti:0.015~0.025，Cr:0.45~0.55，Mo:0.45~ 0.55，B: 0.0008~0.003，Als彡0.03，其它為Fe和生產(chǎn)過程中不可避免的殘余元素和雜質(zhì)。
[0005] -種超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼Q960D的生產(chǎn)方法，采用鐵水預(yù)脫硫、轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉、 RH精煉、連鑄、控制乳制、DQ+ACC冷卻、回火熱處理工藝步驟，其中： 轉(zhuǎn)爐冶煉工藝中控制出鋼碳CS0.0 4%，控制出鋼下渣量在鋼水量的0.01%以下，確保鋼 水的潔凈度； LF精煉工藝中控制鋼種夾雜物級別總和不超過1.5級； RH精煉采用本處理模式，真空度在IOOPa以下； 連鑄工藝中鋼水過熱溫度穩(wěn)定控制在10~35°C范圍內(nèi)，拉速全程控制在0.8~0.9m/ min范圍內(nèi)； 板坯加熱工藝中板坯加熱終了時刻的表面溫度控制在1100~1150°C范圍內(nèi)，加熱時間 控制為4~5h; 控制乳制工藝中開乳溫度1080~1100°C，一階段終乳溫度為>980°C，二階段的開乳溫 度<920 °C，二階段的待溫厚度為鋼板成品厚度的3~4倍，終乳溫度控制在790~850 °C范圍 內(nèi)； 在線淬火處理采用DQ+ACC冷卻方式控制冷卻，冷卻速度控制在15~22°C/s范圍內(nèi)，出 DQ時的溫度彡400°C，鋼板的終冷溫度彡150°C ; 回火處理中回火溫度為680± 10°C，保溫時間為3.5±0.2min/mm。
[0006] 上述的一種超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼Q960D的生產(chǎn)方法，所述轉(zhuǎn)爐冶煉工藝采用滑板 擋渣;LF精煉采用石灰、鋁線造白渣脫硫，出站前10~15min加入鈦鐵、硼鐵進(jìn)行微合金化操 作；RH精煉真空處理時間多30min，鋼水靜置時間多IOmin;連鑄澆注過程中全程保護(hù)性澆 鑄，使用二冷區(qū)電磁攪拌和動態(tài)輕壓下;板坯在步進(jìn)爐中進(jìn)行加熱;控制乳制采用CR方式乳 制。
[0007] 本發(fā)明為確保鋼板力學(xué)性能滿足GB/T16270-2009的要求，向鋼中加入了細(xì)化晶粒 的微合金元素及強(qiáng)硬相形成元素，各元素加入量主要基于以下原理： C:該元素能夠在鋼中與他、1^、&、1〇等元素形成碳化物，而且主要以固溶態(tài)的形式存 在于奧氏體中，低溫轉(zhuǎn)變后形成貝氏體或者馬氏體，回火處理后以碳化物的形式析出；本發(fā) 明的強(qiáng)度級別在980~1150MPa之間，組織應(yīng)以低碳的板條貝氏體和馬氏體形式存在;經(jīng)過 離線的數(shù)值模擬研究確定出：當(dāng)C含量在0.13-0.16wt%時，能夠滿足所需組織的生成；當(dāng)C含 量低于0.13 wt %，所形成的強(qiáng)化相粒子數(shù)量不夠，導(dǎo)致所生成的板條貝氏體和馬氏體的含 量不滿足產(chǎn)品性能要求；當(dāng)C含量高于0.16 wt %時，則會導(dǎo)致鋼板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度 過高，從而損害鋼板韌性;因此，本發(fā)明將鋼中C含量控制在1.4~1.5 wt %范圍內(nèi)。
[0008] Mn:該元素是固溶強(qiáng)化元素，能夠穩(wěn)定提高鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度;通過離線 數(shù)值模擬研究表明，當(dāng)Mn含量提高到1.5 wt %以上后，對鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的不 再有明顯的影響，因此，為控制Q960D的生產(chǎn)成本，本發(fā)明將鋼中Mn含量控制在1.4~1.5 wt %范圍內(nèi)。
[0009] Nb:該元素在鋼中與氮、碳具有極強(qiáng)的親和力，可與之形成穩(wěn)定的Nb(C，N)化合物， 在控制乳制過程中誘導(dǎo)析出，沿奧氏體晶界彌散分布，可以作為相變的形核質(zhì)點，從而細(xì)化 鐵素體晶粒；在此鋼種中，Nb的作用主要為細(xì)化晶粒；在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Nb的含量為 0.02~0.04wt%時，能夠起到很好的細(xì)化晶粒的作用，但是當(dāng)Nb含量大于0.04 wt %，會在鋼 水中析出大量粗大的單質(zhì)Nb，從而惡化鋼材的力學(xué)性能。因此，本發(fā)明將Nb含量設(shè)計為0.02 ~0.04 wt %〇
[0010] V:該元素能夠細(xì)化鋼的晶粒組織，提高鋼的強(qiáng)度，可以在低溫(700°C以下）析出， 細(xì)化晶粒，而且V在回火過程中的析出能力較強(qiáng)，所形成的碳氮化合物能夠在鋼中彌散析 出，細(xì)化晶粒有助于提高強(qiáng)度而不降低韌塑性;此外，現(xiàn)場試驗表明：當(dāng)V、Nb同時在鋼中存 在時，易于形成貝氏體組織，從而提高鋼材的強(qiáng)度；當(dāng)V含量小于0.09 wt %時，所析出的V的 碳氮化合物不足以提高鋼材的力學(xué)性能；當(dāng)V含量高于0.11 wt %時，會導(dǎo)致其在貝氏體內(nèi) 過量的沉淀析出，從而降低鋼材的焊接性能。因此，本發(fā)明將V含量設(shè)計為0.09~0.11 wt % O
[0011] Ti :Ti的加入可以降低Nb元素造成的裂紋影響，且與C、N元素形成耐高溫的粒子釘 扎在原始奧氏體晶界，阻止原始晶粒的長大，并改善鋼板的焊接性能;但是試驗結(jié)果表明： 過低的Ti含量將不能得到足夠體積分?jǐn)?shù)的TiN來有效阻止鋼中晶粒的粗化;過高的Ti含量 將導(dǎo)致粗大的T i N析出，從而無法阻止鋼中晶粒的粗化；試驗表明：當(dāng)T i含量在0.015~ 0.025 wt %時，能夠在鋼中析出細(xì)小、充足的TiN，從而有效阻止鋼中晶粒的粗大，提升鋼材 的力學(xué)性能。因此，本發(fā)明將Ti含量設(shè)計為0.015~0.025 wt %。
[0012] Cr、Mo:此二元素能夠明顯提高鋼板淬透性，有利于在淬火過程中形成穩(wěn)定的貝氏 體或者馬氏體;而且Cr會形成穩(wěn)定且硬度高的碳化物，Mo可以防止回火脆性并具有二次硬 化作用；現(xiàn)場試驗表明：當(dāng)Cr、Mo含量小于0.45 wt %時，對于Q960D鋼材的淬透性能影響有 限，鋼材強(qiáng)度提升效果不明顯;但是Cr的含量提高到0.55 wt %后，會較大降低鋼的塑性和 韌性;而Mo的含量提高到0.55% wt以后，其對鋼材強(qiáng)度的影響也趨于穩(wěn)定，此外Mo合金的市 場價格較高，過量使用也會提升Q960D產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。因此，本發(fā)明將Cr、Mo含量設(shè)計為 0.45~0.55wt%。
[0013] B:該元素內(nèi)能夠顯著提高鋼的淬透性能，其在奧氏體晶界的偏聚阻礙鐵素體的形 核而有利于貝氏體的形成，進(jìn)而提高鋼材的力學(xué)強(qiáng)度；現(xiàn)場試驗表明：當(dāng)B含量低于 0.0008wt%時，對提高Q960D淬透性能的作用甚小;但當(dāng)B含量高于0.003 wt %時，會使鋼中 產(chǎn)生的硼相(Fe3(CB)、Fe3(BC)6、Fe 2B)沿奧氏體晶界析出，從而產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象，影響后續(xù)的 Q960D鋼材質(zhì)量。因此，本發(fā)明將B含量設(shè)計為0.0008~0.003wt%。
[0014] 本發(fā)明為確保鋼板力學(xué)性能滿足GB/T16270-2009的要求，采用了控制乳制+(DQ+ ACC)冷卻+回火的工藝流程，各工藝流程的參數(shù)設(shè)定范圍主要是在參照相關(guān)冶金原理的基 礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場試驗得到的： a、為了保證鋼板的表面質(zhì)量，在實際的生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，依托現(xiàn)有的加熱爐設(shè)備，選擇 1100~1150 °C的加熱溫度可以盡可能的減少加熱過程中氧化鐵皮的產(chǎn)生，便于除鱗箱除鱗； 而且在此溫度范圍內(nèi)，原始奧氏體晶粒尺寸不會急劇長大，便于細(xì)化晶粒；由于鋼中Cr、Mo 等元素的含量高，擴(kuò)散不易，需要延長加熱時間至4~5h，從而保證奧氏體內(nèi)元素分布均勻。 [0015] b、第一階段乳制溫度控制在980°C以上是為了保證鋼板在該階段的變形能夠在奧 氏體再結(jié)晶溫區(qū)進(jìn)行，通過反復(fù)的再結(jié)晶細(xì)化晶粒;將二階段的開乳溫度定在920°C以下是 為了保證其變形是在未再結(jié)晶溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行，從而避開部分再結(jié)晶溫區(qū)，減少混晶現(xiàn)象;鋼板 的待溫厚度為成品厚度的3~4倍，是為了盡可能的提高鋼板在未再結(jié)晶溫度內(nèi)的累計變形 量，為相變提供足夠的形核點(位錯)和驅(qū)動力(變形能）；終乳溫度控制在790~850°C是為了 減少終乳溫度到相變點之間的溫差，因為在此過程中組織會發(fā)生回復(fù)現(xiàn)象，降低位錯密度 和變形能，不利于細(xì)化晶粒。
[0016] c、該鋼種的gleelbe熱模擬結(jié)果顯示，為了獲得馬氏體強(qiáng)硬相，鋼板在冷卻的過程 中，其冷速必須多8°C/s，隨著冷速增加至40°C/s，組織相不會發(fā)生明顯變化，但是馬氏體的 板條間距會逐漸變小。而且相變由兩個過程組成，相變開始溫度約為460°C，終了溫度大約 為250°C，中間存在一個380~400°C的溫度拐點。結(jié)合生產(chǎn)實際，將此鋼板出DQ裝置的溫度設(shè) 定為400°C以下，最終的淬火溫度設(shè)定為150°C以下。既滿足了相變要求，也滿足了生產(chǎn)線的 實際操作需求。
[0017] d、由于鋼板的Cr、Mo、V等合金元素含量高，導(dǎo)致其回火穩(wěn)定性非常高;而且鋼板系 列回火實驗結(jié)果表明；鋼板的回火溫度<640°C時，鋼板的組織仍以板條馬氏體為主，基體 上分布著彌散的碳化物，鋼板的強(qiáng)度和延伸率都不符合要求；當(dāng)回火溫度在680 ± HTC之間 時，馬氏體分解的形貌比較明顯，而且對應(yīng)的強(qiáng)度和延伸率指標(biāo)都符合國標(biāo)要求;隨著加熱 時間的增加，馬氏體組織分解的量也隨之增加并導(dǎo)致鋼板的強(qiáng)度會逐漸下降，鋼板的加熱 時間超過3.7 min/mm后，組織分解的量太多將會導(dǎo)致鋼板的強(qiáng)度不符合國標(biāo)的要求。
[0018]本發(fā)明的有益效果為： 本發(fā)明采用Cr-Mo-Nb-V-Ti-B成分體系，在保證強(qiáng)度的前提下不降低韌性，通過添加細(xì) 化晶粒的微合金元素 Nb及強(qiáng)硬相形成元素此、&、￥、8，確保鋼板力學(xué)性能；通過1^+冊工 藝來保證鋼質(zhì)的潔凈度，確保鋼板內(nèi)部質(zhì)量符合探傷要求;采用控乳+(DQ+ACC)冷卻+回火 處理細(xì)化晶粒。通過上述措施的有效實施，在保證較低生產(chǎn)成本的前提下，成功生產(chǎn)出 Q960D超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼，鋼板的力學(xué)性能和內(nèi)部質(zhì)量滿足GB/T16270-2009要求，內(nèi)部組 織為理想的低碳貝氏體+鐵素體組織。
【附圖說明】
[0019] 圖1為實施例1所生產(chǎn)的Q960D放大1000倍的金相組織圖； 圖2為實施例2所生產(chǎn)的Q960D放大1000倍的內(nèi)部組織圖； 圖3為實施例3所生產(chǎn)的Q960D放大1000倍的內(nèi)部組織圖。
【具體實施方式】
[0020] 本發(fā)明一種超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼Q960D，鋼中各元素成分質(zhì)量百分比為:C:0.13~ 0.16，Mn:1.40~1.50，Nb :0.02~0.04，V:0.09~0.11，Ti:0.015~0.025，Cr:0.45~0.55， Mo :0.45~0.55，B:0.0008~0.003，Als彡0.03,其它為Fe和生產(chǎn)過程中不可避免的殘余元 素和雜質(zhì)。
[0021] -種超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼Q960D的生產(chǎn)方法，采用鐵水預(yù)脫硫、轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉、 RH精煉、連鑄、控制乳制、DQ+ACC冷卻、回火熱處理工藝步驟，其中： 轉(zhuǎn)爐冶煉工藝控制出鋼碳CS0.0 4%，滑板擋渣，將出鋼下渣量控制在鋼水量的0.01%以 下，確保鋼水的潔凈度； LF精煉工藝米用石灰、錯線等造白漁脫硫，出站肖U10~15min加入欽鐵、棚鐵等進(jìn)行微合 金化操作，有效控制鋼種夾雜物級別總和不超過1.5級； RH精煉采用本處理模式，在IOOPa以下真空度，真空處理時間彡30min，鋼水靜置時間彡 IOmin; 連鑄澆注過程中全程保護(hù)性澆鑄，使用二冷區(qū)電磁攪拌和動態(tài)輕壓下，鋼水過熱溫度 穩(wěn)定控制在l〇~35°C范圍內(nèi)，拉速全程控制在0.8~0.9m/min范圍內(nèi)； 板坯加熱在步進(jìn)爐中進(jìn)行，板坯加熱終了時刻的表面溫度控制在1100~1150 °C范圍內(nèi)， 加熱時間控制為4~5h; 控制乳制工藝采用CR方式乳制，開乳溫度為1080~1100°C;-階段終乳溫度為>980°C; 二階段的開乳溫度<920°C范圍內(nèi)，二階段的待溫厚度為鋼板成品厚度的3~4倍，終乳溫度 控制在790~850°C范圍內(nèi)； 在線淬火處理采用DQ+ACC冷卻方式控制冷卻，冷卻速度控制在15~22°C/s范圍內(nèi)，出DQ 時的溫度<400°C，鋼板的終冷溫度<150°C ; 回火處理工藝中回火溫度=680 ± 10 °C，保溫時間=3.5 ± 0.2min/mm。
[0022] 以下通過具體實施例1~3對本發(fā)明做進(jìn)一步說明： 實施例1~3選用260mm大斷面連鑄坯以保證壓縮比，生產(chǎn)厚度規(guī)格為20mm的Q960D成品 鋼，表1列出了實施例1~3鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比，表2列出了實施例1~3控乳+(DQ+ACC) 冷卻+回火處理工藝參數(shù);表3列出了實施例1~3所生產(chǎn)的Q960D力學(xué)性能指標(biāo)。
[0023]表1實施例1~3的化學(xué)成分質(zhì)量百分比，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)
【主權(quán)項】
1. 一種超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼Q960D，其特征在于：鋼中各元素成分質(zhì)量百分比為：C: 0.13~0.16，Mn:1.40~1.50，Nb:0.02~0.04，V:0.09~0.11，Ti:0.015~0.025，Cr:0.45~ 0.55，Mo :0.45~0.55，B:0.0008~0.003，Als彡0.03,其它為Fe和生產(chǎn)過程中不可避免的殘 余元素和雜質(zhì)。2. -種超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼Q960D的生產(chǎn)方法，采用鐵水預(yù)脫硫、轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉、RH 精煉、連鑄、控制乳制、DQ+ACC冷卻、回火熱處理工藝步驟，其特征在于： 轉(zhuǎn)爐冶煉工藝中控制出鋼碳CS0.04%，控制出鋼下渣量在鋼水量的0.01%以下，確保鋼 水的潔凈度； LF精煉工藝中控制鋼種夾雜物級別總和不超過1.5級； RH精煉采用本處理模式，真空度在lOOPa以下； 連鑄工藝中鋼水過熱溫度穩(wěn)定控制在10~35 °C范圍內(nèi)，拉速全程控制在0.8~0.9m/ min范圍內(nèi)； 板坯加熱工藝中板坯加熱終了時刻的表面溫度控制在1100~1150°C范圍內(nèi)，加熱時間 控制為4~5h; 控制乳制工藝中開乳溫度1080~1100°C，一階段終乳溫度為>980°C，二階段的開乳溫 度<920 °C，二階段的待溫厚度為鋼板成品厚度的3~4倍，終乳溫度控制在790~850 °C范圍 內(nèi)； 在線淬火處理采用DQ+ACC冷卻方式控制冷卻，冷卻速度控制在15~22°C/s范圍內(nèi)，出 DQ時的溫度彡400°C，鋼板的終冷溫度彡150°C ; 回火處理中回火溫度為680 ± 10 °C，保溫時間為3.5 ± 0.2min/mm。3. 如權(quán)利要求2所述的一種超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼Q960D的生產(chǎn)方法，其特征在于:所述 轉(zhuǎn)爐冶煉工藝采用滑板擋渣;LF精煉采用石灰、鋁線造白渣脫硫，出站前10~15min加入鈦 鐵、硼鐵進(jìn)行微合金化操作;RH精煉真空處理時間多30min，鋼水靜置時間多l(xiāng)Omin;連鑄澆 注過程中全程保護(hù)性澆鑄，使用二冷區(qū)電磁攪拌和動態(tài)輕壓下;板坯在步進(jìn)爐中進(jìn)行加熱； 控制乳制采用CR方式乳制。
【文檔編號】C22C38/18GK106086639SQ201610440931
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月20日
【發(fā)明人】賈國生, 李玉謙, 楊雄, 范佳, 馬友輝, 許偉, 杜琦銘, 梅東貴
【申請人】河北鋼鐵股份有限公司邯鄲分公司