屈服強度550MPa級低裂紋敏感性鋼板及其製造方法

2023-10-10 10:44:04 2

專利名稱：：屈服強度550MPa級低裂紋敏感性鋼板及其製造方法
技術領域：
：本發明涉及高強度結構鋼，具體地說，本發明涉及屈服強度550MPa級的低裂紋敏感性鋼板。
背景技術：
：對於機械結構和工程建設所使用的高強鋼，為了便於焊接和簡化焊接工藝，希望鋼的焊接裂紋敏感性指數Pcm儘可能低，以達到焊前無需預熱的目的，這種鋼被稱為低焊接裂紋敏感性高強鋼，也稱CF鋼。它是一類具有優良焊接性能和低溫韌性的低合金高強度鋼，其優點在於焊前不預熱或稍加預熱而不產生裂紋，主要是解決了大型鋼結構件的焊接施工問題，一般要求鋼的Pcm《0.20%。降低Pcm的唯一手段就是減少碳和合金元素的加入量，而對於採用淬火+回火工藝生產的高強鋼來說，減少碳和合金元素的加入量將不可避免地帶來鋼強度的降低，若採用熱機械控制軋制與控制冷卻技術(TMCP)，則可以彌補這種缺陷，此外，相對於調質(淬火+回火)工藝，熱機械控制軋制與控制冷卻技術(TMCP)還具有細化晶粒從而提高鋼的低溫韌性的好處。目前，採用TMCP技術生產的低焊接裂紋敏感性鋼的合金成分一般是Mn-Mo-Nb-Cu-Ni-V-B系或Mn-Mo-Nb-Cu-Ni-B系。如中國專利公開公報CN1396294公開了一種低焊接裂紋敏感性高強鋼，其化學成分為C:0.020.13%、Mn:0.601.80o/o、Si:0.10~0.60%、Ti:0.0050.025%、Al《0.01%、Ti:0.0050.025%、N:0.00200.0060%、B:0.00050.0020%、Nb:0.0080.040%及Ni《0.55%、V《0.10%、Cu《0.65o/o、Mo《0.50o/o、Zr《0.040o/o、RE《0.020o/o中的兩種或兩種以上，Pcn^0.33o/o;又如中國專利公開公報CN1932063A涉及鋼種的化學成分為C:0.060.09%、Si:0.150.55%、Mn:1.001.60%、P《0.015%、S《0.006%、Ni:0.150.40%、Cr《0.30%、Mo《0.30%、Cu《0.30%、V:0.020.06%、Nb:0,0050.05%、Als:0.0100.040%，Pcm=0.25%。上述公開的兩種鋼種的合金元素設計分別為Mn-Mo-Cu-Ni-Nb-V-B系和Mn-Mo-Cr-Cu-Ni-Nb-V-B體系，由於Mo和Ni均為貴重合金，因此從添加的合金元素的種類和加入的總量來分析，這兩種鋼種冶煉成本較高，且分別要求對鋼板進行淬火+回火和回火處理，製造工序複雜。為了解決以上問題，本發明者釆用Mn-Nb-Cr-Mo-Cu-Ni-Ti系鋼種，通過控制熱機械軋制和冷卻技術，且無需熱處理，設計出了一種屈服強度達550MPa級的低裂紋敏感性鋼板，該鋼板具有良好的低溫韌性和焊接性。本發明的一個目的在於提供一種屈服強度550MPa級低裂紋敏感性鋼板。本發明的另一個目的在於提供所述低裂紋敏感性鋼板的製造方法。
發明內容本發明的第一個方面提供一種屈服強度550MPa級低裂紋敏感性鋼板，該鋼板的化學成分包含C:0.0050.04wt%、Si:0.400.70wt%、Mn:1.401.85wt%、Cr《0.20wt%、Mo《0.20wt%、Cu《0.30wt%、Ni《0.20wt%、Nb:0.040.08wt%、Al:0.020.06wt%、Ti:0.0040.030wt%、B:0.00050.0020wt%，餘量為Fe和不可避免的雜質，且滿足焊接裂紋敏感性指數Pcm《0.20%。低裂紋敏感性鋼板的焊接裂紋敏感性指數Pcm可按下式確定Pcm=C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/l5+V/l0+5B。焊接裂紋敏感性指數Pcm是反映鋼的焊接冷裂紋傾向的判定指標，Pcm越低，焊接性越好，反之，則焊接性越差。焊接性好是指焊接時不易產生焊接裂紋，而焊接性差的鋼容易產生裂紋，為了避免裂紋的產生，必須在焊接前對鋼進行預熱，焊接性越好，則所需的預熱溫度越低，反之則需要較高的預熱溫度。一般認為，當Pcm《0.20%時，70公斤級(屈服強度550MPa)鋼可以實現不預熱焊接。下面，對本發明的屈服強度550MPa級低裂紋敏感性鋼板的化學成分作用作詳細敘述。C:在鋼中的作用是固溶強化，但是C對焊接性能不利。C含量越高，焊接性能越差，對於採用TMCP工藝生產的貝氏體鋼來說，C含量越低則韌性越好，較低的碳含量可以生產更大厚度的高韌性鋼板，因此本發明C含量控制為0.0050.04%。Mo:提高鋼的耐蝕性，本發明只需加入不超過0.2%的]^0，因為Mo對焊接性能不利，同時Mo是一種十分昂貴的元素，其價格是Cr的數倍，因此本發明以Cr取代了部分Mo，以達到降低成本的目的。Nb:本發明通過加入較多的Nb，一方面以達到細化晶粒和增加鋼板厚度的目的，另一方面是提高鋼的未再結晶溫度，便於在軋制過程中採用相對較高的終軋溫度，從而加快軋制速度，提高生產效率。此外，由於強化了晶粒細化作用，使得可生產鋼板的厚度增大，採用本發明設計的化學成分，能夠生產鋼板的最大厚度為80mm。Si:在鋼中的作用主要是固溶強化，也可提高鋼的淬透性，一般鋼中加入不超過0.70X的Si有利於提高鋼的強度和韌性。本發明添加了較高含量的Si能起到更大的固溶強化作用，從而降低Mn和Cu等合金元素的加入量，這主要是出於降低製造成本的考慮，因為Si是一種價格十分低廉的元素。本發明的第二個方面提供一種屈服強度550MPa級低裂紋敏感性鋼板的製造方法，該方法包括冶煉、澆鑄、加熱、軋制、冷卻工序，其中在軋制工序後不經過熱處理即進入冷卻工序。在一個優選實施方式中澆鑄後的連鑄坯或鋼錠的厚度不小於成品鋼板厚度的4倍。在另一個優選實施方式中在所述加熱過程中，加熱溫度為10801180°C，保溫時間為120180分鐘。在另一個優選實施方式中所述軋制分為第一階段和第二階段軋制。在另一個優選實施方式中在所述第一階段軋制過程中，開軋溫度為10501150°C,當軋件厚度到達成品鋼板厚度的23倍時，在輥道上待溫至82086(TC。在另一個優選實施方式中在所述第二階段軋制過程中，道次變形率為1025%，終軋溫度為810840°C。在另一個優選實施方式中在所述冷卻過程中，鋼板進入加速冷卻裝置，以825°C/S的速度冷卻至450550'C，出水後空冷。在另一個更優選的實施方式中空冷採用堆垛或冷床冷卻。在本發明的屈服強度550MPa級低裂紋敏感性鋼板的製造方法中，對主要步驟的工藝控制原理分析如下1、軋制工藝軋件厚度到達成品鋼板厚度的23倍時，在輥道上待溫至S2086(TC。對於含Nb鋼來說，其未再結晶溫度約為9501050。C，將軋制鋼坯溫度降至820860。C，目的是為了保證其在未再結晶區有足夠的變形量，在變形的奧氏體內有更高密度的位錯累計，為鐵素體相變提供更有利的形核條件。較大的變形也有利於Nb的碳氮化合物的析出，由於變形誘導析出的作用，較大的道次變形率將有利於析出物的形成並且使其更加細小和彌散，同時，細小和彌散的析出物及其釘扎作用為鐵素體提供高密度的形核地點並且阻止其長大和粗化，這對於鋼的強度與韌性都起到有利的作用。將終軋溫度控制在未再結晶區的低溫段，同時該溫度區接近相變點Ar3，即終軋溫度為81084(TC，在這個溫度範圍內終軋，既為相變提供更高的能量累積，也不至於給軋機帶來過高的負荷，比較適合於厚板生產。2、冷卻工藝軋制結束後，鋼板進入加速冷卻裝置，按825"C/秒的速度冷卻至45055(TC。由於鋼板在軋制過程中積累了密度很高的位錯和極高的應變能，高密度的位錯將與Nb的析出物Nb(CN)粒子相互作用，在軋制完成至加速冷卻的空冷(馳豫)過程中，這種相互作用促使在奧氏體晶粒內部形成大量細小的多邊形位錯胞結構，Nb原子在位錯牆上的偏聚以及大量微細Nb(CN)在位錯胞壁上的析出，穩定了這種具有一定取向差的多邊形胞狀結構。同時，一個道次的較大變形具有誘導鐵素體相變的作用，在這種誘導作用下，Af3點有所提高，即出現所謂"應變誘導相變"現象，在未再結晶溫度區較大的變形量，將有利於針狀鐵素體的晶內形核，同時會使貝氏體基體上的馬氏體島分布更加均勻彌散。釆用較快的冷速是為了為貝氏體轉變提供更高的過冷度，增加相變驅動力，獲得更高密度的形核率，從而得到以細化的貝氏體為主的基體組織，使本發明鋼板具有較高的強度和良好的韌性。本發明的有益效果為1、通過合理設計化學成分，大幅度降低C含量，並且以Mn和Cr等廉價合金元素替代部分Mo和Ni等貴重元素，且合金元素含量少，原料成本較低，焊接裂紋敏感性較小，焊前無需預熱。2、本發明鋼板不需進行任何額外的熱處理，從而簡化了製造工序，降低了鋼的製造成本。3、由於成分和工藝設計合理，從實施效果來看，工藝制度比較寬鬆，可以在中、厚鋼板產線上穩定生產。4、本發明的低裂紋敏感性鋼板屈服強度大於550MPa、抗拉強度大於670MPa、夏氏衝擊功Akv(—20°C)>150J、板厚可達80mm板，且鋼板截面硬度均勻。圖1為本發明實施例6的低裂紋敏感性鋼板截面硬度實測值。具體實施例方式以下用實施例結合附圖對本發明作更詳細的描述。這些實施例僅僅是對本發明最佳實施方式的描述，並不對本發明的範圍有任何限制。實施例1按表1所示的化學成分電爐或轉爐冶煉，並澆鑄成連鑄坯或鋼錠，將連鑄坯或鋼錠加熱至U7(TC,保溫120分鐘，在中、厚軋機上進行第一階段軋制，開軋溫度為1050°C，當軋件厚度為60mm時，在輥道上待溫至850°C，隨後進行第二階段軋制，第二階段軋制道次變形率為1520%，終軋溫度為83(TC，成品鋼板厚度為20mm。軋制結束後，鋼板進入加速冷卻(ACC)裝置，以25'C/S的速度冷卻至50(TC，出水後堆垛或冷床冷卻。實施例2實施方式同實施例l，其中加熱溫度為U3(TC，保溫150分鐘；第一階段軋制的開軋溫度為106(TC，軋件厚度為90mm;第二階段軋制的開軋溫度為84(TC，道次變形率為1012%，終軋溫度為81(TC,成品鋼板厚度為30mm;鋼板冷卻速度為20°C/S，終止溫度為49(TC。實施例3實施方式同實施例l，其中加熱溫度為115(TC，保溫150分鐘；第一階段軋制的開軋溫度為108(TC，軋件厚度為120mm;第二階段軋制的開軋溫度為S3(TC，道次變形率為1015%，終軋溫度為82(TC，成品鋼板厚度為40mm;鋼板冷卻速度為15°C/S，終止溫度為53(TC。實施例4實施方式同實施例l，其中加熱溫度為U2(TC，保溫180分鐘；第一階段軋制的開軋溫度為107(TC，軋件厚度為150mm;第二階段軋制的開軋溫度為830°C，道次變形率為1015%，終軋溫度為840'C，成品鋼板厚度為50mm;鋼板冷卻速度為12°C/S，終止溫度為515"。實施例5實施方式同實施例l，其中加熱溫度為U3(TC，保溫180分鐘；第一階段軋制的開軋溫度為1080°C，軋件厚度為150mm;第二階段軋制的開軋溫度為840°C，道次變形率為1015%，終軋溫度為830。C，成品鋼板厚度為60mm;鋼板冷卻速度為10°C/S，終止溫度為540。C。實施例6實施方式同實施例l，其中加熱溫度為1120°C，保溫180分鐘；第一階段軋制的開軋溫度為1040°C，軋件厚度為160mm;第二階段軋制的開軋溫度為830°C，道次變形率為1015%，終軋溫度為840°C,成品鋼板厚度為80mm;鋼板冷卻速度為8°C/S，終止溫度為540°C。表1本發明實施例1-6的低裂紋敏感性鋼板的化學成分(wt%)及其Pcmtableseeoriginaldocumentpage8試驗例1對本發明實施例1-6的低裂紋敏感性鋼板進行力學性能測試，測試結果見表2。tableseeoriginaldocumentpage9從表1和表2可以看出，本發明低裂紋敏感性鋼板的Pcm《0.20%，屈服強度均大於550MPa，抗拉強度大於670MPa，夏氏衝擊功Akv(—2(TC)》150J，板厚可達80mm,具有良好的低溫韌性和焊接性。試驗例2按標準GBZT4340-1999對本發明實施例6的低裂紋敏感性鋼板的截面硬度進行測量，測量值見圖1。從圖l可以看出，本發明鋼板的截面硬度均勻。權利要求1、一種屈服強度550MPa級低裂紋敏感性鋼板，其特徵在於，所述低裂紋敏感性鋼板的化學成分包含C0.005～0.04wt％、Si0.40～0.70wt％、Mn1.40～1.85wt％、Cr≤0.20wt％、Mo≤0.20wt％、Cu≤0.30wt％、Ni≤0.20wt％、Nb0.04～0.08wt％、Al0.02～0.06wt％、Ti0.004～0.030wt％、B0.0005～0.0020wt％，餘量為Fe和不可避免的雜質，且滿足焊接裂紋敏感性指數Pcm≤0.20％。2、權利要求1所述的屈服強度550MPa級低裂紋敏感性鋼板的製造方法，包括冶煉、澆鑄、加熱、軋制、冷卻工序，其特徵在於，在所述軋制工序後不經過熱處理即進入冷卻工序。3、根據權利要求2所述的屈服強度550MPa級低裂紋敏感性鋼板的製造方法，其特徵在於，澆鑄後的連鑄坯或鋼錠的厚度不小於成品鋼板厚度的4倍。4、根據權利要求2所述的屈服強度550MPa級低裂紋敏感性鋼板的製造方法，其特徵在於，在所述加熱過程中，加熱溫度為10801180°C，保溫時間為120180分鐘。5、根據權利要求2所述的屈服強度550MPa級低裂紋敏感性鋼板的製造方法，其中所述軋制分為第一階段和第二階段軋制。6、根據權利要求5所述的屈服強度550MPa級低裂紋敏感性鋼板的製造方法，其特徵在於，在所述第一階段軋制過程中，開軋溫度為1050115(TC，當軋件厚度到達成品鋼板厚度的23倍時，在輥道上待溫至820860°C。7、根據權利要求5所述的屈服強度550MPa級低裂紋敏感性鋼板的製造方法，其特徵在於，在所述第二階段軋制過程中，道次變形率為1025%，終軋溫度為810840。C。8、根據權利要求2所述的屈服強度550MPa級低裂紋敏感性鋼板的製造方法，其特徵在於，在所述冷卻過程中，鋼板進入加速冷卻裝置，以825°C/S的速度冷卻至450550°C，出水後空冷。9、根據權利要求8所述的屈服強度550MPa級低裂紋敏感性鋼板的製造方法，其中所述空冷採用堆垛或冷床冷卻。全文摘要本發明提供了一種屈服強度550MPa級低裂紋敏感性鋼板及其製造方法。所述低裂紋敏感性鋼板的化學成分包含C0.005～0.04wt％、Si0.40～0.70wt％、Mn1.40～1.85wt％、Cr≤0.20wt％、Mo≤0.20wt％、Cu≤0.30wt％、Ni≤0.20wt％、Nb0.04～0.08wt％、Al0.02～0.06wt％、Ti0.004～0.030wt％、B0.0005～0.0020wt％，餘量為Fe和不可避免的雜質，且其Pcm≤0.20％。採用控制熱機械軋制和冷卻技術，獲得了以細化的貝氏體為主的基體組織，從而有利於鋼板強度、塑性和韌性的提高。本發明低裂紋敏感性鋼板的屈服強度大於550MPa、抗拉強度大於670MPa、夏氏衝擊功Akv(-20℃)≥150J、50％韌脆轉變溫度FATT低於-60℃、板厚可達80mm，且具有良好的焊接性。文檔編號C22C38/16GK101353759SQ200710093978公開日2009年1月28日申請日期2007年7月23日優先權日2007年7月23日發明者吳扣根,姚連登,巖朱,聆胡,賀達倫,趙小婷申請人:寶山鋼鐵股份有限公司