1.内蒙古科技大学材料与冶金学院 内蒙古包头 014010；
2.内蒙古包钢稀土钢板材有限责任公司热轧作业部 内蒙古包头 014010
摘要：利用包钢稀土钢板材公司先进的冶炼和轧制装备，采用低碳+微合金成分设计和控制轧制与控制冷却工艺试制700Mpa热轧钢带。结果表明：该高强度钢 的组织为铁素体+贝氏体+少量的残余奥氏体，同时在铁素体基体上分布着细小析出相，提高了强度的同时改善了钢材的塑性，使材料具有良好的伸长率。
关键词：控制轧制；控制冷却；高强钢
针对汽车制造行业日趋提高的轻量化技术要求，2015年1月，内蒙古科技大学和包钢联合开发试制了700Mpa级高强度钢板。随着我国国民经济的飞速发展，汽车、建筑、油气输送、工程机械等行业对高强钢的需求急剧增长，尤其700MPa级高强钢，可以有效对运输行业及其它行业实现轻量化，例如汽车大梁钢，由700MPa级别的8mm单梁替代8mm（510L）主梁加5mm副梁。因此对于700MPa级高强钢的研发是及其紧迫的。
高强钢是以微量合金元素配以适当的控轧控冷工艺实现的，在应用过程中以实现轻量化为主要特征，高强钢的研发涉及到材料的成分、铸造、热轧及冷却一系列工艺过程，其生产工艺复杂、制造技术严格。因此这就需要在成分设计、冶金技术以及控轧控冷工艺三者之间良好的结合，才能实现低成本生产低合金高强钢的目的，700MPa 级高强度用钢在2250mm 热连轧机组进行了试制，为工业化批量生产提供了重要依据和理论支撑。
1 技术要求
热轧超高强度集装箱用钢技术[1]要求如下：
1）强度高 屈服强度在 700MPa 以上；
2）焊接性能良好 集装箱制造过程主要是焊接成型，因此，焊接性能的优劣直接关系到该钢的使用和推广；
3）冷成型性良好 要满足快速冷成型性能的需要，避免边部及心部出现裂纹；
4）低成本 目前很多企业生产时，添加 Mo，Ni 等元素，成本大大提高 。因此，在竞争激烈的市场形势下，降低生产成本是面临的严峻问题。力学性能要求见表1。
2 成分设计
热连轧钢板要想得到屈服强度700MPa以上的强度，必须在成分设计向低C、S、P和高纯净度的方向发展。碳含量对钢的焊接性能，冷成型性能影响较大，因此采用低C的设计思路，然而随着C含量的降低导致强度的损失，必须通过微合金化、固溶强化和工艺控制得到补偿和提高。因此700Mpa高强钢的成分设计需要遵循低碳+高锰+微合金的基本思路。Mn可以通过固溶强化提高钢的强度。Mn促进碳氮化物析出相在加热时候的溶解，抑制析出相在轧制时候的析出，有利于保持较多的析出元素于轧后的冷却过程中在铁素体中析出，加强了析出强化。此外Mn可扩大奥氏体相区，降低过冷奥氏体相的转变温度，有利于相变组织的细化[2]。Nb可以通过细晶强化和析出强化提高钢的强度。Nb可提高奥氏体的再结晶温度，即在较高的温度下实现奥氏体非再结晶区轧制，从而可使轧件在较高的温度下完成轧制变形，同时得到细小的相变组织。此外部分Nb在铁素体区析出，强化铁素体基体。Ti通过析出强化提高钢的强度[3]。它主要依靠在铁素体区析出细小TiC、TiN颗粒阻止位错运动从而使得屈服强度提高。同时，为了提高冷成型性能，避免出现冷弯开裂，P、S 含量控制在 0.01% 以下[4]。因此，结合市场客户技术条件，设计热轧钢带BT700的化学满足标准要求。
3 生产工艺控制
3.1冶炼工艺
目前包钢新建的稀土钢板材冶炼生产线包括一套KR铁水脱硫预处理系统，通过添加脱硫剂和机械搅拌的方式降低入炉铁水中的硫含量（深脱硫w[S]≤0.005%）；两座240t顶底复吹转炉，并配备具有自动测温、定碳、定氧功能的副枪系统，减少人工劳动量和原燃料的消耗，同时提高了出钢成分的命中率；两座260t钢包精炼炉，采用带炉压控制的水冷炉盖，有利于保证炉内还原气氛，提高二次脱硫率和合金成分的收得率以及命中率；两台双流板坯连铸机，配备钢包下渣检测、动态轻压下等领先技术。先进的设备、精确的控制为冶炼优质铸坯奠定了基础。具体工艺路线：KR脱硫—转炉—LF炉—板坯连铸—堆垛冷却。
3.2轧制工艺
包钢2250mm热轧生产线采用世界先进的TMEIC控制系统，主要机械设备和关键技术由德国SMS提供。图1给出了2250 mm半连续热连轧机机组的示意图。具体的工艺流程为：板坯经加热—一次除鳞—定宽—二辊可逆轧制（附立辊）—四辊可逆轧制（附立辊）—飞剪切头尾—精轧除鳞—七机架精轧机连续轧制—加密型层流冷却—卷取成卷—打捆—称重—喷号—入库。主要控制的要素如下：
（1）加热工艺：制定合理的加热温度和加热时间是非常重要的，一方面要保证奥氏体成分均匀且晶粒度适中，目的是保证最终产品组织均匀。另一方面要考虑微合金元素的固溶，微合金元素的固溶需要一定的温度和时间，只有微合金元素固溶才有利于冷却过程中第二相粒子的析出，进而提高强度。鉴于以上两点，加热制度工艺参数如表2所示：
（2）粗轧轧制工艺
BT700采用两阶段轧制，粗轧阶段属于在再结晶区轧制，通过大变形量使得晶粒充分再结晶，细化奥氏体晶粒，具体工艺参数见表3。
（3）精轧轧制工艺
精轧轧制属于未再结晶区变形，通过合理的变形量和终轧温度来积累畸变能和形变位错，为材料后续组织转变奠定形核基础。具体工艺见表3所示。
（4）层流冷却
要想达到700Mpa级别的强度，最终的组织是铁素体加贝氏体和少量的残余奥氏体，冷却模式采用前分散。
4.结果及讨论
4.1 拉伸性能
试轧700MPa高强钢的性能如表4所示，从表中可以看出该实验工艺满足700Mpa高强钢的性能要求，同时材料的断后伸长率较高（20%），具有良好的力学性能。在轧制过程中，终轧温度对试验钢组织与性能的影响取决于钢在冷却时奥氏体向铁素体的转变动力学[5]。此试验条件下终轧温度为865℃时，此温度高于奥氏体/铁素体相变温度，这样在相变温度前有利于变形奥氏体为随后的铁素体转变提供更多的形核点，获得细的铁素体，从而得到良好的性能；高于这个温 度变形将导致形变储存能降低，而温度过低将导致轧制力过大，同时也不利于强 化相的析出。卷取温度选择600±15℃主要为了控制析出和得到铁素体+贝氏体+残余奥氏体的组织。卷取温度在这一区间会发生共格析出[6]，这将提高钢材的强度。若高于此温度范围，析出形式主要以非共格形式析出；若低于这一温度，合金元素的析出动力学缓慢，这都将导致钢材屈服强度降低。
4.2 显微组织
由图 2可见，此工艺条件下得到的700MPa级低碳高强度钢的组织为细晶铁素体+贝氏体+残余奥氏体，且其晶粒尺寸比较细小均匀。这主要是由于合金元素影响了奥氏体的回复、再结晶以及晶粒长大等行为。固溶在奥氏体中的铌能强烈地抑制回复及再结晶的发生，提高了再结晶温度，获得了较好的控制轧制效果，同时铌的加人有效阻止了铁素体长大。钒、钛的加入，会产生强烈的沉淀强化，沉淀强化相一方面起到强化的作用，另一方面也抑制了相变后铁素体的生长，因此有利于铁素体晶粒的细化。
5 结论
（1）采用低碳+高锰+微合金化的成分设计原则，配以合适的轧制工艺和冷却工艺，试制的低碳高强度钢满足BT700的力学性能要求，断后伸长率为20%，具有良好的力学性能。
（2）试制的700MPa低碳高强度钢的组织由细晶铁素体+贝氏体+残余奥氏体，同时在铁素体基体上分布的细小的析出相。
参考文献：
[1] 陆匠心. 700MPa 级高强度微合金钢生产技术研究[D].2004.
[2] 宿成，闫波，马鑫.输送管线用热轧钢带L360M的研制[J].包钢科技，2015，41（2）：40-42.
[3] 王祖滨，东涛，等.低合金高强度钢[M].北京：原子能出版社，1996；170.
[4] 贺信莱.高性能低碳贝氏体钢成分工艺组织性能与应用[M].北京：冶金工业出版社，2008.
[5] Mekkawy M F，EI-Fawakhry K A，Mishreky M L，et al.Effect of finish-rolling temperature on microstructure and strength of V and Ti-microalloyed steels[J].Scandinavian Journal of Metallurgy，1990，19（5）：246-256.
[6] Morales E v，Gallego J，kestenbach H J.On coherent carbonitride precipiatation in commericial microalloyed steels[J].Philosophical Magazine Letters，2003，83（2）：79-87.
论文作者:郭永俊,金自力,宋文钟,杨志
论文发表刊物:《基层建设》2015年27期供稿
论文发表时间:2016/3/18
标签：奥氏体论文; 工艺论文; 温度论文; 合金论文; 强度论文; 晶粒论文; 成分论文; 《基层建设》2015年27期供稿论文;