高强度结构钢Q550C的开发

吕苗苗， 任振远， 吴汉科

（唐山不锈钢有限责任公司客户服务中心， 河北 唐山 063000）

低碳贝氏体钢是实现高强、高韧同时具备良好冲压性能的最具潜力钢种[1]，与普通低合金钢相比，低碳贝氏体钢板由于碳含量较低，在保证钢板高强度的同时仍能保证较高的韧性。高强度结构钢Q550C 是一种微合金化低碳贝氏体钢，它具有强度高、低温韧性优良、焊接性能、冲压性能好等特点。唐钢不锈钢公司在2014 年对1 580 mm 轧机进行升级改造，该轧机设备先进，轧制力达42 000 kN。通过采用微合金元素成分设计和优化轧制工艺，采用细晶强化和控制组织相变细化相变产物等手段，成功开发出适合用户使用的低合金高强度钢Q550C。本文通过研究不同轧制工艺对钢板组织和性能的影响，从而得出了生产该钢板的最佳工艺方案。

1 唐钢不锈钢Q550C热轧卷板的开发

1.1 Q550C热轧卷板技术要求

产品牌号 Q550C，规格范围：（3.0～12.0）mm×（820～1 450）mm；用户要求的化学成分和力学性能见表1 和表2。

表1 化学成分 %

表2 Q550C 力学性能

1.2 Q550C成分设计

高强度结构钢要求具有较高强度的同时仍能保证较高的韧性，针对该技术要求，结合唐钢不锈钢炼钢的工装特点，其成分体系采用低碳、稍高的锰和添加适量的合金元素。降低C 含量，抑制珠光体组织转变，同时有利于消除贝氏体铁素体基体中的渗碳体，改善钢板的韧性和可焊性；通过添加适量的Nb，由于铌原子固溶在奥氏体基体，趋向于偏聚到晶界区，阻碍奥氏体形变后再结晶新晶界的运动，减缓再结晶速度，阻碍新相在晶界处形核，保证在较宽的范围内得到均匀的贝氏体组织；添加少量的Ti，形成TiN起到固氮的作用，同时通过细微TiN 析出，抑制加热时奥氏体晶粒的快速长大[2]，具体成分见表3。

表3 试验钢成分 %

1.3 工艺路线及生产工艺

铁水预处理→转炉→LF→板坯连铸→加热→1 580 mm 轧机→层流冷却→卷取。冶金质量，即较高的钢水洁净度是提高钢带的韧性、成形性能基础。为满足汽车结构件的加工和使用要求，通过铁水预处理降低硫含量。采用转炉顶底复合吹炼及LF 精炼处理等技术来提高钢水的洁净度。热轧过程，板坯加热到1 250 ℃，经由五道次粗轧，七架四辊式精轧机和层流冷却获得热轧卷。

为了达到试验钢要求的高强度，必须通过贝氏体组织中高密度的位错和微合金元素的析出产生的钉轧作用来获得[3]。故轧后冷却的工序尤为重要，为了协调好钢板强度和塑韧性，必须确定合理的冷却制度，获得合适的组织。首先通过JMatPro 软件模拟该钢种静态CCT 曲线，如下图1 所示。根据CCT 曲线可以得知：在600 ℃开始出现奥氏体向贝氏体转变。根据本厂1 580 mm 线冷却能力及低碳贝氏体钢的特点，冷却速度控制在10～20 ℃/s 范围内，若冷却速度过低会得到P 组织，影响钢板性能。实际生产中采用了高温卷曲与低温卷曲两个温度进行了摸索试验，具体方案见表4。

图 1 Q550C 的 CCT 曲线

表4 轧制工艺方案

2 分析与讨论

2.1 试制结果

性能检测结果见表5，拉伸曲线见图2。

表5 性能检测结果

图2 拉伸曲线对比

冲击试验断口情况：分别观察A、B 两个方案试制钢卷的冲击断口，见图3、图4。

图3 A 方案

图4 B 方案

金相情况：分别观察A、B 两个方案试制钢卷的晶粒度以及组织状况，见图5、图6。

图5 A 方案 200×

图6 B 方案 200×

2.2 性能对比

对比论证A、B 两套轧制方案轧后力学性能，两套方案的力学性能均满足技术要求。A 方案的抗拉强度、下屈服强度较B 方案均高约40 MPa，伸长率高3%。对比A 方案与B 方案的拉伸曲线，B 方案的无屈服延伸，A 方案有屈服延伸，无屈服延伸的钢不容易变形，有利于后续加工产品的抗疲劳性能。试验钢板均取两个试样进行冲击试验，冲击试验结果显示B 方案的冲击功明显高于A 方案。对比A 方案与B 方案的冲击试验断口，A 方案发生脆性断裂且断口分层，B 方案的冲击断口良好。

两套方案轧后热板在拉伸性能和冲击性能两个方面差异明显，但在材料的实际使用过程中，其冲压加工对材质的成形性能要求比实验室模拟环境要求高，所以该两套方案材质的使用性能需通过进一步试用来进行验证。

2.3 金相组织分析

金相组织是决定钢板性能的重要因素。经金相观察，两套方案热板的显微组织均为铁素体+贝氏体，组织没有特别明显的区别。但二者晶粒度存在差别，A 方案晶粒度为11.5 级，B 方案晶粒度为12.5级。从金相分析对比结果来看，方案B 工艺生产钢板优于方案A。

3 材料试用结果及分析

两套试制方案的Q550C 热轧钢板，在某零件制造厂进行了对比试用，分别进行了冲压和疲劳试验。

冲压及疲劳试验结果表明：方案B 钢带的冲压成形和疲劳情况良好，所有尺寸满足装配要求，合格率为100%。方案A 钢带的冲压成形性良好，但抗疲劳性能存不满足用户使用要求。

跟踪用户使用过程，对A、B 两方案冲压样品进行检查，发现A 方案冲压零件边部存在毛刺和分层现象，经分析认为是因材料强度控制偏高导致冲件料片的边缘存在分层和毛刺，最终影响样件疲劳强度。

对两套轧制工艺方案的Q550C 钢板在厂家的试用情况论证，按方案B 生产的Q550C 热轧钢板冲压成形性能以及疲劳试验明显优于方案A，其力学性能满足技术要求，使用性能优良，获得用户认可。

4 结语

唐钢不锈钢公司，采用低碳高锰添加铌、钛微合金的成分体系，通过两套工艺方案的对比论证及用户试用，确定了低温卷曲的轧制工艺，获取优良的铁贝组织，力学性能符合技术要求，符合用户使用要求。采用低温卷曲的轧制工艺的Q550C 大幅度提高了钢卷的冲击韧性，降低了裂纹的敏感性，提高抗疲劳性能。采用低温卷曲的轧制工艺的Q550C 拉伸曲线无屈服延伸，不容易引起变形，有利于产品的抗疲劳性能。