[发明专利]一种低屈强比Q550D低合金高强结构钢及其生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及结构钢及其生产方法，尤其涉及一种低屈强比Q550D低合金高强结构钢及生产方法。

技术背景

屈强比，是指钢材的屈服强度与抗拉强度的比值。该指标是衡量钢材强度储备的重要系数。通常，钢铁材料的屈强比较高时，表明该种材料的抗变形能力较强，不易在外力作用下发生塑性变形。因此可以在机械结构设计过程中节约材料、减轻结构的重量；但同时，材料抗外力冲击的能力较差，发生脆性破坏的风险也较大，材料的可靠性也较低。钢铁材料的屈强比较低时，表明该种材料的塑性较好，具有较强的抗外力冲击能力，材料的可靠性也较高。因此，为确保钢铁材料的可靠性，避免脆性断裂事情的发生，国家对钢铁材料的屈强比有明确的要求，即：一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75。

低合金高强结构钢在煤炭行业应用广泛。煤炭行业综采设备主要包括“两机一架”，即：采煤机、刮板运输机和液压支架。其中，液压支架占煤炭综采设备的比重近50％。据统计，一套中高端支架用钢通常在4800～8800吨，其中，钢板约占支架总重的90％。过高的设备重量，不利于现场生产的灵活组织，因此，为满足生产现场灵活组织、调度的需要，很多大型煤炭机械制造企业根据现场实际，迫切要求钢铁企业提供屈服强度在550MPa以上且-20℃冲击功满足GB/T1591-2008要求的Q550D钢种，确保生产出的液压支架在满足安全生产前提下，大幅降低支架用钢量；同时，由于煤炭机械作业环境十分恶劣，要求Q550D钢种兼具良好的抗冲击性能和抗震性能。

钢材产品的力学性能主要取决于钢中的组织构成，对于Q550D而言，为确保该钢种的屈服强度和抗拉强度满足GB/T1591-2008要求，就必须要确保钢中的贝氏体和铁素体比例。贝氏体是指过冷奥氏体在中温范围内形成的由铁素体和渗碳体组成的非层状组织，该组织通常具有较高的力学强度，但韧性较差，在较大的外力冲击下，容易发生断裂。铁素体是碳溶解在α-Fe中的间隙固溶体，该组织具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度都很低，同时冷加工硬化缓慢，可以承受较大减面率的拉拔。因此，当钢中的贝氏体含量较多时，钢材主要体现出力学强度较大，但韧性较差的特点，屈强比偏高；反之，当钢中的铁素体含量较多时，钢材主要体现出力学强度较小，但韧性较强的特点，屈强比偏低。钢材产品较低的力学性能或较高的屈强比，都无法满足煤炭机械制造用户对于钢材产品的要求。因此，只有合理控制钢中铁素体和贝氏体含量比例，才能确保Q550D产品的力学性能和屈强比均能够满足GB/T1591-2008和用户的要求。

目前，国内许多钢铁企业已成功开发出Q550D低合金高强钢系列产品。其主要做法是在冶炼过程中，向钢中加入一定量的B元素，由于B是一种表面活性元素，能够吸附在奥氏体晶界上，延缓γ→α的转变，其在奥氏体晶界的偏聚阻碍铁素体的形核而有利于贝氏体的形成。因此，B元素对铁素体生成的延缓要比对贝氏体延缓大得多，相关钢铁企业正是利用B元素能够有效提高钢淬透性的特点，促进钢中奥氏体向贝氏体的转变，最大限度的提高Q550D内部贝氏体组织含量，确保Q550D的力学强度。现有的Q550D产品虽然在力学性能方面已经能够完全满足煤炭机械企业的要求，但相关产品的屈强比普遍在0.86～0.94范围内，超出国家规定的0.65～0.75的范围，无法满足用户要求。这是由于B元素虽然能够有效提升钢的淬透性能，但其作用机制却十分复杂，对钢板淬透性的作用也较难控制，不利于钢中贝氏体和铁素体含量比例的准确控制。根据试验分析结果，钢中的贝氏体含量往往能够达到90％以上，导致钢材力学强度偏大，韧性偏弱，屈强比较高。

根据数值模拟及现场试验的结果表明：当Q550D钢铁素体和贝氏体含量的比例达到0.10～0.35范围时，能够确保力学强度满足GB/T1591-2008要求的前提下，屈强比有效降低到0.8以下。此外，通过实验室研究还发现：在钢中不含B元素，以及在现有的Q550D成分体系下，如果要确保钢中奥氏体向贝氏体的转变，需要将钢板温度降低到530℃以下的同时，确保淬火冷速达到20℃/s以上。而铁素体的开始转变温度在840℃以下，在700℃左右时将停止转变，并且在不同冷速下，均可以实现奥氏体向该组织的转变。因此，在钢中不含B元素的前提下，如果能够确保合适的钢板温度和足够的淬火冷速，就能够实现对Q550D内部贝氏体和铁素体含量的有效控制，并最终满足用户对于该类产品力学性能和屈强比的双重要求。

发明内容