介绍了本钢MPa级热轧高强钢产品的设计、冶炼、轧制工艺和性能情况。利用本钢杂质较少的优质铁水，冶炼出低P、低S、低夹杂物的纯净钢水，通过各种强化合金元素的精确控制，来保证产品性能；通过mm热轧机组较强的控轧控冷能力，保证各温度点的稳定控制，最终实现上述系列高强钢的通卷稳定的力学性能；开发出的产品不仅具有较高的强度，同时具有良好的低温冲击韧性、冷成型性能、焊接性能等。新开发的高强钢产品已经在多家企业得到实际应用，用户使用过程中板形良好，成型性能优异。
1引言
随着工程机械向大型化、轻量化及重载荷等方向的发展，焊接高强度结构用钢的强度级别、使用比例和质量要求也在不断的提高，同时随着新国标GB-《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》标准的发布，标准中明确规定：6轴列车的总重限制在49t，而6×2牵引组成的6轴列车将被限重在46t，表明国家对超载超限的控制越来越严格，因此通过高强度钢板的使用来减轻车身自重、提高载货能力的需求也越发迫切。
国内首钢、太钢在热轧高强钢产品领域的开发较早，在年左右已经完成了屈服强度MPa高强钢的研发，应用于汽车底梁制作，达到较好的减重效果。本钢集团有限公司前期完成过高强集装箱用钢及高级别管线用钢的开发工作，对相关合金元素作用机理有较为深入的研究，尤其是高Ti钢的析出强化及相变强化作出了大量的基础分析工作；同时借助本钢mm机组超强的控轧控冷能力，能够对关键温度点进行稳定控制，有利于通卷性能的稳定，是本项目开发的系列高强钢产品的重要保证。
对于制造车辆部件、起重运输设备和其他移动设备的企业而言，钢材重量减轻会使产品降低生产成本、提高有效载荷，从而使产品具有更强的竞争力。为适应工程机械发展的需求，从年开始，本钢开始开发屈服强度MPa系列热轧高强钢产品并逐步实现了量产，截止到年底，生产QD、QE等钢种合计约8万吨，为企业创造了巨大的经济效益，同时由于高强钢的使用，起到了节能减排的良好社会效益。
2技术要求
MPa级高强钢执行标准为GB/T，屈服强度要求≥MPa，但其抗拉强度要求≥MPa，抗拉强度实物已达MPa级，同时要求良好的低温冲击韧性，其中QD要求-20℃温度下的冲击韧性，QE要求-40℃下的低温冲击韧性，同时要求材料具有良好的成型性能、焊接性能及抗疲劳性能，以满足其在制作汽车大梁等部件时的良好使用性能，其具体技术指标见表1。
3成分设计
屈服强度MPa高强钢成分设计上具有创新性，在成份设计上，为合理匹配强韧性，采用了低的碳含量；低的P、S含量，以及硫化物的球化处理，采用Nb、Ti复合微合金化，配合热连轧的控轧控冷，通过细晶、析出和相变强化机制，保证卷板获得要求的性能。其成分设计中，为了得到较高的强度，同时不增加大量的合金成本，采用高Ti的成分设计，替代部分的Mn、Nb元素的强化作用，由于Ti价格低廉，因此较大幅度的降低了合金成本。
碳：碳含量控制在0.04%-0.08%之间，采用低的碳含量，以保证钢板具有良好的成型性、高的韧性和焊接性能。为保证良好的冲击韧性，QE钢种在QD钢种的基础上进一步减低了C含量。
锰：锰含量应控制在1.5%-1.8%之间，除提高强度外，锰可提高奥氏体的稳定性，在一定冷速下，抑制奥氏体向铁素体和珠光体转变，使Bs点下降，有利于贝氏体板条的形成和细化，同时还可降低析出碳化物的尺寸，促进沉淀强化效应。
铌：起细化晶粒和沉淀强化作用，铌可提高再结晶温度，通过TMCP可有效细化晶粒，改善因析出强化造成的韧性降低，从而使钢板获得高强度、高韧性的综合性能。Nb对细化晶粒的效果较为显著，能使精轧时更多的变形发生在Tnr温度以下，QE钢种由于要求-40℃冲击功，因此Nb含量较比QD有所增加，主要是为了晶粒更加细化，有利于低温冲击韧性。
钛：由于钛合金化成本较低，钛不但可细化奥氏体晶粒，通过TiC的析出还可大幅度的提高强度，因此上述开发的钢种均为高Ti钢成分体系。Ti因为在奥氏体中溶解度高，对沉淀强化有利，但因其化学活性太大，加入钢中的Ti极易与N、S结合，剩余部分对形成TiC沉淀、提升性能有效，这部分Ti被称为“有效Ti”，这种有效Ti随钢中S、N、O等元素变化波动很大，故含Ti钢性能很难保持稳定。高温条件下，钢中的N元素会优先形成TiN，钢中的S元素与Ti结合形成Ti4C2S3，当Ti含量足够将钢中的N和S全部固定后，多余的Ti才形成TiC。TiC粒子在相间或相变后在铁素体内析出，能产生强烈的沉淀强化效果。钢中的有效Ti含量主要取决于Ti、S、N含量，S和N含量越低，有效Ti的含量越高，强化效果越明显，因此，为保证材料力学性能稳定，除了保证稳定的C、Ti含量外，稳定控制N和S含量是非常重要的。
硫含量及硫化物形态控制：为保证在高强度下钢板具有良好的冷弯性能，硫含量要求不大于0.%，并通过喂硅钙线对硫化物进行球化处理，同时降低钢中的氧含量。
4轧制关键工艺设计
QD及QE钢种的显微组织设计是铁素体+贝氏体+少量珠光体，控轧控冷工艺控制的目的是为了得到需要的组织和性能，对组织和性能影响较大的热轧工艺参数主要是板坯加热温度、开轧温度、终轧温度、卷取温度、冷却速度和冷却方式。
4.1加热温度和开轧温度的确定
QD、QE是以析出强化为主的高Ti钢，其高强度主要源于TiC、NbC等析出物，因此，选择了℃较高的加热温度，在这一温度下，使得已经存在的大部分Nb和Ti的C、N化物再度固溶，然后在轧制和卷取过程中析出，起到细化晶粒和析出强化作用。通过高Ti钢的生产实践表明，加热温度对强度影响较大，加热温度偏低往往是造成拉伸强度偏低的主要原因。
4.2终轧温度的确定
MPa级高强钢终轧温度的选择主要考虑的是充分细化奥氏体晶粒，同时为后续相变获得更多的铁素体和贝氏体含量创造条件，为此需在Ar3以上尽可能的降低终轧温度。随着终轧温度的降低，形变存储能增加，缺陷增多，降低了过冷奥氏体的稳定性，使形变奥氏体更容易发生由奥氏体向铁素体的相变，同时形核点增多，有利于后续相变时铁素体的晶粒细化和含量增加。MPa高强钢是含Nb微合金化钢，随着终轧温度的降低，未再结晶区的累积变形量增加，使奥氏体晶粒变薄、拉长，增加滑移带和位错密度，增加有效晶界面积，从而增加形核点，进一步细化相变后的铁素体及贝氏体晶粒。综上所述，同时考虑轧机的能力和顺行，结合生产实践，确定终轧温度为-℃。
4.3卷取温度设定
MPa级热轧高强钢在冷却和卷取过程中，经历以下三种组织转变：1）在铁素体晶界和晶粒内位错析出，是析出强化的主要来源；2）铁素体晶粒的回复、再结晶和长大使强度下降；3）析出粒子非共格化、长大和聚集，对位错或晶界移动的阻碍作用减弱使强度下降。
卷取温度的选择必须兼顾上述三种转变过程，即不能高也不能过低，较高的卷取温度，如℃时，过程2）和3）将占主导地位，导致强度下降；过低的卷取温度，如℃时，过程2）和3）很弱或者根本就不发生，同时由于动力学的原因，过程1）不能进行完毕，Nb、Ti化物的析出被“冻住”而消弱了析出强化效果。因此，确定析出的最佳温度和获得较多的非多边形铁素体，才能综合发挥各强化机制的作用，大量的研究结果和生产实践表明，℃左右的卷取温度是析出的最佳温度。
4.4为提高冲击韧性，采用特殊控轧手段
MPa级高强钢产品容易出现冲击功波动的问题，技术条件中要求-20℃或-40℃冲击功≥47J，实际检验中经常出现不合标准的情况，钢的脆性转变温度高是造成-20℃或-40℃低温冲击不合的主要原因，一是钢板厚度较厚，精轧变形量小控轧难，晶粒细化和均匀性差；二是此钢种采用的主要强化机制是TiC的析出强化，析出强化提高强度的同时提高转变温度。同时从组织上看，晶粒不均的现象比较明显，主要是提高淬透性元素含量较低，造成表面和心部冷却不均。
通过金相组织分析发现，冲击功不合的厚规格高强钢产品的晶粒不均的现象非常明显，尤其是表面及心部组织差异较大，表面组织细小，心部组织较为粗大，这种组织结构对冲击性能极为不利，因此通过改变轧制工艺的方式，使组织细小均匀，较大幅度地提高冲击韧性，具体方案如下：
①粗轧两道次压下量＞35mm，粗轧最后一道次压下率≥25%，保证原始奥氏体晶粒的充分细化；
②中间坯厚度由45mm调整为55mm，保证精轧区域变形量增加，保证成品晶粒的细化；
③严格控制精轧温度≤℃，使精轧区域更多的变形发生在Tnr温度以下，得到理想的F+B组织，降低韧脆转变温度的同时提高冲击性能。
通过上述方案的实施，目前高强钢系列产品的冲击功均值由原来的54J提高到目前的J，均值提高61J，解决了冲击不合的问题。
5结果与分析
5.1力学性能和工艺性能
通过上述成分及轧制工艺的合理设计，本钢开发的屈服强度MPa级高强钢，其强度完全达到相关标准要求，同时冲击性能优异，具备良好的冷弯性能和冷成型性能、焊接性能，具体如下：
通过表3及表4可见，QD及QE钢种各项性能指标完全符合要求，且具有较高的延伸率和低温冲击韧性，证明其成分及轧制工艺设计是合理的。
5.2系列冲击试验
为了了解QD及Q55OE钢板的低温冲击韧性，进行了系列冲击试验。图1为厚度10.0mm的QD及QE钢种的系列冲击功曲线，采用7.5mm×10mm×55mm的试样，QD钢种在-40℃时冲击功仍可达40J以上，QE钢板在-60℃时冲击功仍然满足标准要求，证明具有良好的低温韧性。
5.3冷弯试验
对QD及QE钢板进行了°宽度b=50mm，d=a的横向弯曲试验，结果全部合格，见图2，表明试验钢板除抗拉强度达到了MPa外，还具有优良的冷弯成型性能。
5.4金相组织和夹杂检验
通过上述各项控制手段，最终得到了以铁素体+贝氏体+少量珠光体为主的金相组织，铁素体晶粒度12级，组织均匀、细小，表明成分和轧制工艺是合理的，冷却速率比较合理，达到了设计要求。同时也保证了良好的低温冲击韧性。
6结语
1）利用本钢杂质较少的优质铁水，冶炼出低P、低S、低夹杂物的纯净钢水，通过各种强化合金元素的精确控制，来保证产品性能；通过mm机组较强的控轧控冷能力，保证各温度点的稳定控制，最终实现上述系列高强钢的通卷稳定的力学性能。
2）通过低成本的合金成分设计尤其是有效Ti的稳定控制，同时采用特殊的控制控冷工艺手段，使得开发出MPa级高强钢产品不但具有较高的强度，同时具有良好的低温冲击韧性、冷成型性能等。
3）开发的产品已经用于制作深圳中集车辆厂汽车底梁、大连中集保险柜支架、金天马集团改造车大梁、平安车业自卸车车厢板等部件，用户使用过程中板形良好，成型性能优异。（刘志璞胡小强闵洪刚）
本文摘选自本报年第9期B04部分内容，若要详细了解更多相关行业和技术信息，请