霍喜偉，高彩茹，宋玉卿，田余東，杜林秀，喬 鵬

(1.山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，濟南 271104；2.東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819；3.安徽美芝精密制造有限公司，蕪湖 241000)

0 引 言

叉車是工業(yè)企業(yè)和物流行業(yè)應用廣泛的一種輕便的裝卸、搬運設備。隨著經(jīng)濟和物流行業(yè)的不斷發(fā)展，叉車需求量不斷增加[1-2]，質(zhì)量要求也相應提高[3-4]。叉車升降部位的內(nèi)外門架由門架型鋼制作而成，承受著作業(yè)載荷和卸貨時的沖擊力[5]，這對門架型鋼的強度、剛度和韌性提出較高的要求;門架型鋼的質(zhì)量直接影響到叉車的整車質(zhì)量。目前市場上供應的門架型鋼主要以400～440 MPa級鋼為主[6-8]。隨著叉車市場競爭的日趨激烈，叉車生產(chǎn)企業(yè)對門架型鋼提出了高強度、高韌性的特殊需求，例如某企業(yè)對C250b門架型鋼提出定制強度和韌性，要求屈服強度不低于500 MPa，抗拉強度不低于610 MPa，斷后伸長率不小于17%，-20 ℃沖擊功不低于27 J。在國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)普遍無軋后冷卻裝置的設備條件下，生產(chǎn)此類特殊要求的異型鋼難度較大，因為在該條件下無法通過控冷實現(xiàn)組織的細化，較難實現(xiàn)異型鋼連軋生產(chǎn)的控軋過程，以及較難實現(xiàn)較高的精軋控軋溫度以滿足矯直生產(chǎn)所需較高溫度的要求。因此，若要同時達到高強度與高韌性的綜合匹配，所采取的措施包括合理的成分體系設計與加熱、控軋過程的參數(shù)控制。作者對C250b型鋼的成分進行設計，參考實際生產(chǎn)工藝采用不同的精軋工藝對試驗鋼進行試制，以實現(xiàn)C250b型鋼的屈服強度不低于500 MPa，抗拉強度不低于610 MPa，斷后伸長率不低于17%，-20 ℃沖擊功不低于27 J的定制目標，為此類異型鋼批量生產(chǎn)及推廣應用奠定重要的工藝及技術基礎。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 成分設計與試樣制備

基于C250b門架型鋼的技術條件、使用特點，按照YB/T 4237-2018中門架型鋼的成分體系，根據(jù)碳、錳、鉻、鈮、釩、氮等元素對奧氏體相變的影響規(guī)律及以固溶強化、析出強化和細晶強化等機制對強度的貢獻[9-11]，并綜合考慮成本因素，確定該鋼的成分體系為C-Mn-Nb-V-Cr-N體系。碳元素是固溶強化效果最強的元素。每添加質(zhì)量分數(shù)0.1%的碳元素，鋼的屈服強度便提高28 MPa[9]；但在大斷面板坯中碳元素易產(chǎn)生中心偏析，甚至會在鋼的心部形成馬氏體/貝氏體組織，極大損害鋼板的韌性。因此，將試驗鋼中碳元素的質(zhì)量分數(shù)控制在0.2%以下，此碳含量可提供50～60 MPa的固溶強化值，占屈服強度目標值的10%～11%。元素錳、硅、鉻、磷對屈服強度的貢獻量分別達130，26，24，3 MPa，總和為183 MPa，占屈服強度目標值的36%左右。鈮元素既有提高未再結(jié)晶區(qū)溫度、擴大未再結(jié)晶區(qū)軋制工藝窗口的作用，又有析出強化的作用。從成本因素考慮，鈮按標準中的最小質(zhì)量分數(shù)添加，即0.02%，計算得到的再結(jié)晶終止溫度為1 010 ℃，比未添加鈮的提高了130 ℃，為未再結(jié)晶區(qū)控軋的實施提供較寬的工藝窗口；同時鈮在高溫下的析出有利于奧氏體晶粒的細化，繼而實現(xiàn)鐵素體組織的細化。釩元素在奧氏體區(qū)與氮結(jié)合成為晶內(nèi)鐵素體形核核心，從而提高鐵素體的形核率[12]，細化鐵素體晶粒；同時釩可在鐵素體中形成細小且均勻分布的VCN第二相，起到析出強化作用。最終設計的化學成分見表1。按照設計成分稱取原料，采用真空爐冶煉方法鑄造150 kg鑄錠，并將鑄錠鍛造成中間坯體。對坯體取樣進行化學成分分析，得到試驗鋼的實際成分(見表1)。

表1 C250b門架型鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù))

利用Thermo-calc熱力學軟件計算出試驗鋼的平衡相變點A1(共析鋼發(fā)生奧氏體與珠光體間轉(zhuǎn)變的溫度)、A3(亞共析鋼發(fā)生奧氏體與鐵素體間轉(zhuǎn)變的溫度)分別為516 ℃和817 ℃，在軋制過程中控軋溫度的制定參考A1和A3。C250b門架型鋼的斷面形狀及尺寸見圖1，型鋼的腹板厚度為20 mm。現(xiàn)場C250b門架型鋼的生產(chǎn)流程為粗軋1→粗軋2→精軋。粗軋1階段為孔型中翻鋼軋制階段。粗軋2和精軋階段主要為腹板部位水平軋制階段。由于門架型鋼的性能測試標準規(guī)定僅針對腹板部位，因此集中對腹板部位的組織和力學性能進行研究。腹板的厚度相當于中厚板規(guī)格，且在精軋最后階段為水平軋制，因此在實驗室條件下，根據(jù)中厚板精軋階段無翻鋼的水平軋制方法[13-14]，采用500 mm二輥試驗軋機對尺寸為120 mm×120 mm×200 mm的坯體進行軋制。根據(jù)加熱時奧氏體晶粒長大的規(guī)律，將精軋加熱溫度設定為1 150～1 190 ℃[15]，950 ℃以下精軋的壓縮比控制在3.0～3.5，軋制道次為7道，壓下率分別為39.2%，37.0%，21.7%，22.2%，10.7%，12.0%，9.1%，鋼板厚度依次為73，46，36，28，25，22，20 mm。試驗鋼的精軋工藝參數(shù)如表2所示，軋后冷卻方式為空冷，冷卻速率為1.0～1.3 ℃·s-1。1#工藝的開軋溫度接近再結(jié)晶臨界溫度，3#工藝的開軋溫度接近Ar1(冷卻時奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的開始溫度),2#工藝的開軋溫度在3#工藝基礎上提高30 ℃。由于在大工業(yè)生產(chǎn)C250b門架型鋼過程中，當將坯體厚度由120 mm經(jīng)7道次精軋至厚度20 mm時，其溫度下降約100 ℃，因此將終軋溫度設置為比開軋溫度低約100 ℃。

圖1 C250b門架型鋼的斷面形狀及尺寸Fig.1 Section shape and size of C250b gantry steel

表2 試驗鋼的精軋工藝參數(shù)

1.2 試驗方法

在試驗鋼板長度方向的1/2處沿橫截面取樣，經(jīng)磨光、拋光，用體積分數(shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在BX53M型光學顯微鏡上觀察顯微組織。切取厚度約為0.5 mm的試樣，用砂紙磨制至50 μm厚左右，沖裁成φ3 mm的小圓片，再用電解雙噴減薄儀減薄成透射電鏡試樣， 采用TecnG2F20型場發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM)觀察析出相形貌。根據(jù)GB/T 228.1-2010，沿軋制方向截取尺寸為400 mm×32 mm×20 mm的全厚度拉伸試樣，在WAW-1000D型電液伺服萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為3 mm·min-1。按照GB/T 229-2007，沿軋制方向截取尺寸為55 mm×10 mm×10 mm的標準V型缺口試樣，在9250HV型全數(shù)字擺錘沖擊試驗機上進行-20 ℃沖擊試驗。沖擊試驗結(jié)束后，采用FEI Quanta 600型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察沖擊斷口形貌。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織與力學性能

由圖2可知，不同精軋工藝下制備得到試驗鋼的組織均為鐵素體+珠光體組織。統(tǒng)計得到，1#,2#,3#工藝下試驗鋼的平均晶粒尺寸分別為8.0，7.0，6.3 μm，可見2#,3#工藝下試驗鋼的晶粒尺寸明顯小于1#工藝的。

圖2 不同精軋工藝下試驗鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of test steel by different finishing rolling processes: (a) 1# process; (b) 2# process and (c) 3# process

由圖3可以看出：不同工藝制備的試驗鋼的屈服強度為570～580 MPa，抗拉強度為713～742 MPa，斷后伸長率約為20%，均達到屈服強度不低于500 MPa，抗拉強度不低于610 MPa，斷后伸長率不小于17%的指標要求；3種工藝下試驗鋼的低溫沖擊功相差較大，1#工藝下試驗鋼的-20 ℃沖擊功為13～15 J，遠低于-20 ℃沖擊功不低于27 J的指標要求，而2#，3#工藝下的-20 ℃沖擊功為28～44 J，達到指標要求。

圖3 不同精軋工藝下試驗鋼的力學性能Fig.3 Mechanical properties of test steel by different finishing rolling processes: (a) yield cool tensile strength and (b) percentage elongation after fracture and impact energy at -20 ℃

2.2 分析與討論

基于控軋控冷理論，未再結(jié)晶區(qū)軋制參數(shù)的控制主要包括未再結(jié)晶區(qū)累積變形量的控制以及未再結(jié)晶區(qū)溫度的控制。累積變形量決定變形帶的數(shù)量，從而決定鐵素體形核量[16]。1#工藝的開軋溫度設定為1 000～1 020 ℃，且間隙道次內(nèi)鋼的溫降在10 ℃左右，說明未再結(jié)晶區(qū)累積壓下量為53 mm，總壓下率為72.6%。而2#，3#工藝的開軋溫度分別為950～970 ℃和930～970 ℃，均低于臨界再結(jié)晶溫度(1 100 ℃)，未再結(jié)晶區(qū)累積壓下量為100 mm，總壓下率達到83.3%。由于2#，3#工藝下的未再結(jié)晶區(qū)累積壓下量遠大于1#工藝的，單位體積奧氏體內(nèi)的晶界和變形帶數(shù)量多于1#工藝的，亦即鐵素體形核點較多，因此晶粒細化效果較顯著。2#，3#工藝的開軋及終軋溫度比1#工藝的低60～90 ℃，平均晶粒尺寸減小了1～2 μm。應用Hall-Petch關系式，得到1#,2#,3#工藝下晶粒細化對屈服強度的貢獻值分別為165，177，191 MPa。

由圖4可以看出，在不同精軋工藝下試驗鋼中均彌散析出大量第二相粒子，粒子呈球狀、棒狀及蠕蟲狀。使用Image-Pro Plus分析軟件統(tǒng)計得到3種工藝下第二相的析出量、尺寸基本相同，平均尺寸均為6.75 nm，體積分數(shù)均約為0.073%。參考文獻[17-18]，計算得到第二相析出對屈服強度的貢獻值約為100 MPa。

圖4 不同精軋工藝下試驗鋼中析出相的TEM形貌Fig.4 Precipitate phase TEM morphology of test steel by different finishing rolling processes: (a) 1# process;(b) 2# process and (c) 3# process

由圖5可以看出：1#工藝下試驗鋼的沖擊斷口由解理面組成，呈明顯的脆性斷裂特征；2#，3#工藝下試驗鋼的沖擊斷口呈韌窩狀，且3#工藝下的韌窩較深、數(shù)量較多、尺寸更均勻，說明該鋼韌性更好。結(jié)合顯微組織可知，當晶粒尺寸為78 μm時，試驗鋼發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變。為保證試驗鋼的-20 ℃沖擊功不低于27 J，鐵素體晶粒尺寸應細化至7 μm以下。細晶強化可以同時提高強度和韌性[17]。在精軋過程中應保證試驗鋼在未再結(jié)晶區(qū)發(fā)生變形；在設計精軋溫度時，終軋溫度應盡量接近奧氏體-鐵素體相變點A3，即817 ℃左右，然后根據(jù)軋制速率及溫降反推出開軋溫度，以保證最大晶粒細化程度。

圖5 不同精軋工藝下試驗鋼的沖擊斷口形貌Fig.5 Impact fracture morphology of test steel by different finishing rolling processes: (a) 1# process; (b) 2# process and (c) 3# process

由力學性能參數(shù)可知，2#,3#工藝下試驗鋼的性能均達到指標要求，說明可以在大工業(yè)生產(chǎn)中設置較寬的精軋溫度控制窗口。綜合考慮門架型鋼的平直度與軋機負荷，選擇2#工藝為工業(yè)試制工藝。

3 結(jié) 論

(1)設計了化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為0.16～0.20 C,0.40～0.50 Si,1.50～1.60 Mn,0.35～0.45 Cr，

微量Nb+V的C250b門架型鋼,該鋼經(jīng)粗軋、精軋和空冷后的組織為鐵素體+珠光體組織。在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制時，軋制溫度越低，組織的細化效果越好。當開軋溫度控制在920～970 ℃，終軋溫度控制在820～870 ℃時，C250b門架型鋼的晶粒明顯細化，其平均晶粒尺寸不大于7 μm，此時試驗鋼達到屈服強度不低于500 MPa，抗拉強度不低于610 MPa，斷后伸長率不小于17%，-20 ℃沖擊功不低于27 J的指標要求。

(2) 對于滿足技術條件的試驗鋼，其固溶強化對屈服強度的貢獻值約為240 MPa，細晶強化的貢獻值為177～191 MPa，第二相析出強化的貢獻值約為100 MPa。

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