CN102409233A - 一种低温工程机械用钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于较大线能量焊接的低温工程机械用钢及其生产方法，其化学成分(重量百分比)为：C：0.06～0.08％；Si：0.15-0.25％；Mn：1.6～1.9％；Nb：0.05～0.07％；Mo：0～0.30％；B：0～0.0020％；Ti：0.08～0.14％；Al：0.01～0.06％；P：≤0.02％；S：≤0.010％；N：≤0.008％；其余为Fe及不可避免杂质，控制加热温度、精轧入口温度、终轧温度、终冷温度、退火温度，材料可保通卷横向-20℃冲击功大于47J，同时钢板在20KJ/cm焊接性能量下，HAZ强度韧性均可达到母材力学性能要求。

Description

一种低温工程机械用钢及其生产方法

技术领域

本发明属于钢铁材料生产技术领域，涉及一种低温工程机械用钢及其生产方法，特别是一种屈服强度600MPa和700MPa级低温工程机械用钢及其生产方法。通过严格控制轧制工艺使母材具有优异的强韧性匹配，并且材料在较大线能量焊接条件下能够保持具有较高的强度、低温冲击韧性及冷弯性能。

背景技术

600MPa和700MPa工程机械用钢目前已广泛应用于制造汽车起重机吊臂以及混凝土泵车臂，国内各大工程机械加工企业随着使用材料强度等级的提升，对材料的力学性能、焊接性能以及成型性能提出了越来越严格的要求。如700MPa D级钢板要求母材屈服强度大于700MPa的同时，保证-20℃冲击功大于47J。国内一些大型机械加工企业对母材的横向冲击功也提出严格要求，需保证横向-20℃冲击功大于47J。由于热连轧钢板存在的各项异性，横向低温冲击功要低于纵向的冲击功，即横向为冲击韧性的薄弱环节。为确保工程机械用钢板在天气寒冷地区的安全应用，应确保钢板在强度达到设计要求同时具有优异的横向和纵向低温冲击韧性。保证高强度级别钢板强韧性良好匹配需要从冶炼到轧制全流程生产工艺严格控制。

另一方面，目前在工程机械用钢领域如何保证和提高焊接热影响区的强度和低温冲击韧性也逐渐成为限制高强度级别高强钢国产化的主要难题之一，要保证焊接后热影响区的抗拉强度和低温冲击韧性不低于母材的力学性能要求，需要从材料的合金成分体系设计以及生产工艺加以综合考虑。

对于工程机械领域用钢，特别是制造汽车起重机吊臂或混凝土泵车臂的钢板，对板形的要求极为苛刻，需要钢铁生产企业在生产工程机械用高强钢时同时考虑用户在使用过程中板形是否可以满足正常下料后的要求，应尽量减小和消除高强钢钢板的残余应力，保证使用过程中不产生严重的翘曲、旁弯等板形缺陷。

现有技术中涉及600MPa和700MPa工程机械用高强钢的生产方法的专利技术，如专利申请号200910083634.7介绍了一种基于薄板坯连铸连轧生产方式生产600MPa级高强钢的生产方法，但该专利未对材料的低温冲击韧性加以有意控制和阐述，同时难以保证材料的焊接性能。专利申请号201010237136.6介绍了一种热连轧方式生产600MPa级高强钢的生产方法，不足之处在于在较大线能量焊接时难以保证热区力学性能。专利申请号200910010662.6介绍了一种基于Ti强化的600MPa高强钢生产方法，通过添加少量B提高强度，但该专利中采用了较高的轧制温度，控制轧制效果较差，低温冲击韧性难以保证，同时未对材料焊接性能进行试验和描述。涉及700MPa级高强钢生产方法的专利中，如专利申请号200910083635.1中介绍了一种采用Nb-Ti-V微合金化生产屈服强度700MPa级高强钢，该专利文献的不足之处在于难以保证材料的低温冲击韧性和焊接性能。专利申请号201010101815.0介绍了一种采用高Cr+Nb+Ti强化生产700MPa级高强钢的生产方法，需添加0.3％～0.8％的Cr元素，轧制工艺采用了较高了轧制温度，粗轧结束温度1060℃，精轧结束温度850℃～950℃，控轧效果的减弱导致材料低温冲击韧性大幅下降。

对于600MPa和700MPa级工程机械用热轧钢板(厚度规格在3mm～16mm)的生产，现有技术的不足之处在于：

(1)在化学成分设计和生产工艺设计中忽略了材料的焊接性能，特别是在较大线能量焊接条件下，材料难以保证性能达到母材的标准要求，造成安全隐患；

(2)没有从控制生产工艺角度对材料的低温冲击韧性加以严格控制，如材料的横向低温冲击韧性难以达到D级钢板的要求；

(3)没有通过工艺手段对高强钢开平板的板形质量加以控制，钢板很难保证用户使用过程中下料后对板形的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温工程机械用钢及其生产方法，特别适用于较大线能量焊接的屈服强度600MPa和700MPa级工程机械用钢热轧卷板类产品。采用低成本高Ti成分体系，添加了0％-0.3％Mo、0％-0.002％B中的一种或两种复合添加，显著提高焊接性能，保证较大焊接线能量下热区强度和低温冲击韧性。采用冶炼—轧制全流程工艺严格控制，保证了母材具有优异的强韧性匹配。采用罩式退火去除残余应力，改善板形质量，卷板开平后可用于制造汽车起重机吊臂以及混凝土泵车臂。

本发明的技术解决方案是：

一种低温工程机械用钢，钢的化学成分按重量百分比为：C：0.06～0.08％；Si：0.15-0.25％；Mn：1.6～1.9％；Nb：0.05～0.08％；Mo：0～0.30％；B：0～0.0020％；Ti：0.08～0.14％；Al：0.01～0.06％；P：≤0.02％；S：≤0.010％；N：≤0.008％；其余为Fe及不可避免杂质。

所述的一种低温工程机械用钢，钢的化学成分按重量百分比中，添加Mo和B中的一种或两种元素复合添加，Mo+B≤0.30％。

所述的一种低温工程机械用钢的生产方法，包括以下步骤：转炉冶炼—LF精炼—-RH真空处理—连铸—热送加热炉再加热—粗轧—6机架精轧—层流冷却—卷取成卷—(罩式退火)—矫直开平，其特征在于控制如下工艺参数：

(1)铸坯采用热送热装，出连铸机后保证铸坯表面温度在250℃～500℃之间时入加热炉。

(2)将铸坯在加热炉中加热至1200～1260℃，保温时间按照有效厚度1～1.5min/mm计算；

(3)粗轧、精轧采用两阶段控制轧制，中间坯厚度为5倍～10倍成品厚度，精轧入口温度为950℃～1000℃，终轧温度为800～850℃；

(4)轧后采用前段冷却模式进行层流冷却，目标卷取温度为560℃～600℃；

(5)为改善板形质量，钢卷下线后可采用罩式退火炉进行去应力退火，退火温度为450℃～550℃，保温20小时。

所述的一种低温工程机械用钢的生产方法，其特征在于：对于3～16mm热连轧钢板，钢的精轧入口温度应控制在950℃～1000℃，终轧温度应控制在800℃～850℃，精轧阶段累计压下量大于80％。

本发明主要合金元素作用和限定范围如下：

碳：碳是提高材料强度最经济有效的元素，但过高的C含量会对恶化材料的塑性、韧性和焊接性能。C含量的提高会显著影响Pcm值，使得在焊接后容易出现表面淬硬现象，增加焊接冷裂纹出现倾向。，本发明采用的碳含量为0.06％～0.08％，主要考虑保证材料具有良好的塑韧性和控制碳当量。

硅：硅为固溶强化元素，但添加过高硅会对材料的塑韧性产生负面影响，同时会降低焊接热影响区韧性。本发明添加硅含量为0.15％～0.25％。

锰：锰具有固溶强化作用，同时可提高材料淬透性，是提高材料强度重要元素之一，但锰含量添加过高容易产生偏析并会降低材料韧性，恶化性能。本发明添加锰含量为1.50％～1.90％。

硫和磷：硫和磷元素过高会对材料韧性和塑性有不利影响。本发明限定了硫含量应控制在0.01％以内，磷含量应控制在0.02％以内。

铝：铝为脱氧元素，同时具有一定的晶粒细化效果。本发明限定了铝含量为0.01％～0.06％。

钼：钼是提高材料焊接性能的重要元素，添加0％-0.3％的Mo可提高焊接热区的淬透性并细化组织，可显著提高焊接热影响区的抗拉强度，同时使焊接热区具有一定的冲击韧性。

硼：B用于提高热连轧钢板的焊接性能在本发明前未见报道，添加一定量的B显著提高材料的淬透性，使焊接热影响区中粗晶区组织由粒状贝氏体向板条状贝氏体或马氏体转变，从而提高焊接热影响区强度。由于B在冶炼过程中较难控制，且易于晶界偏聚，因此应限制添加上限为20ppm。

铌：添加Nb的主要目的是细化晶粒，配合采用较低的精轧区轧制温度可得到细小均匀的铁素体晶粒，实现材料强度和韧性的良好匹配。本发明添加的Nb含量为0.05％～0.08％。

钛：充分利用Ti的析出强化效果，通过采用合适的控轧控冷工艺得到大量弥散分布的纳米级TiC析出，在保持材料具有良好塑韧性的同时，大幅提高了强度水平。在焊接热影响区，以第二相质点形式存在的TiN和Ti(CN)对组织奥氏体长大起到一定阻碍作用，有利于焊缝热区组织的细化。但Ti含量不可过高，避免韧性的降低。本发明添加0.09％～0.14的Ti。

氮：氮含量过高会严重恶化材料的塑性和韧性，特别是对于Ti微合金化高强钢，由于N与Ti在高温下结合生产较大尺寸的TiN，一方面对材料的韧性产生恶略的影响，另一方面会降低钢种与C结合生产细小TiC的有效钛含量，从而导致强度降低。但考虑到TiN对阻止奥氏体长大，细化组织起到有利作用，本发明限定钢种可以存在小于80ppm的N。

对于Ti微合金化析出强化高强钢，材料高的强韧性主要依靠Ti的纳米级析出强化以及细晶强化来实现，而细晶强化则主要依靠Nb、Mo等合金元素作用配合严格的控轧控冷工艺实现，而在较大线能量焊接条件下，由于焊接热循环作用，焊接热影响区原来存在的纳米级TiC析出几乎全部回溶，同时奥氏体晶粒随着焊接性能量的增加而增大，细晶强化效果减弱，导致强度大幅降低，难以保证满足性能要求。为提高在较大线能量条件下焊接钢的性能，本专利的技术解决方法是采用添加Mo和B元素提高焊接热影响区淬透性，同时适当提高C、Mn等固溶强化元素的含量，提高焊接强度。在添加Mo元素后，高强钢焊接热影响区组织得到明显强化，组织类型由尺寸较大的铁素体向板条状贝氏体或马氏体而过度。如600MPa级高强钢添加0.1％的Mo后，在相同的较大线能量焊接情况下，焊接热影响区的抗拉强度可提高约100MPa；在不添加Mo的情况下，只添加15ppm的B，也可将600Mpa高强钢的焊接性能显著提高；700MPa级高强钢添加0.2％以上的Mo是保证较大线能量焊接后热影响区强度达到性能要求的有效方法，若采用Mo、B复合添加，可得到理想的母材和焊接热影响区力学性能，同时有利于控制合金成本。

本发明采用的生产工艺控制要点为，冶炼过程严格控制P、S、N含量，保证铸坯质量。出连铸机后保证铸坯表面温度在250℃-500℃之间时入加热炉，避免在铸坯温降过程中TiN、TiC在奥氏体晶界析出引起应力不均导致的微裂纹和铸坯断裂。轧制过程严格控制各控轧控冷工艺参数，钢卷卷取后可进行罩式退火改善材料性能均匀性和板形质量。

本发明采用的加热温度为1200℃～1250℃，保温时间按照有效厚度1～1.5min/mm计算，采用较高的加热温度的目的在于保证奥氏体均匀化及合金元素如铸坯中形成的Ti、Nb的化合物溶解的更加充分；

采用两阶段控制轧制，中间坯厚度采用5倍-10倍成品厚度，保证具有足够的奥氏体未再结晶区压下量，有利于细化晶粒；增加中间坯厚度同时可以缩短中间坯长度，从而减小进精轧头尾温度差，防止尾部温度降低过大增加轧机负荷。

精轧入口温度严格控制为950℃～1000℃，终轧温度控制为800～850℃；采用较低的精轧区温度是得到细小均匀晶粒的有效方法，也是保证材料具有良好低温冲击韧性的关键。

钢带出精轧后采用前段冷却模式进行层流冷却，一方面有利于加强相变后的组织强化，另一方面有利于增强析出强化效果，得到更多铁素体中的细小析出产物，从而有效提高材料强度。本发明采用的目标卷取温度为560℃～600℃，主要考虑到Ti的充分析出和保证具有足够的相变区冷速。

钢卷下线后可进行罩式退火进行去应力退火，使材料的通卷力学性能更加均匀，并可以有效使内应力得到释放和均匀化，从而改善板形质量，有利于后续加工和用户下料使用的顺利进行。

本发明采用了一种基于Ti微合金化成分体系生产600MPa和700MPa工程机械用钢，添加Mo和B元素提高材料较大线能量焊接性能；冶炼轧制全流程工艺控制确保材料具有优异的强韧性；钢卷通过罩式退火改善板形质量。本发明专利介绍的生产方法具有良好的工业实施可行性，本发明的钢具有以下优点：

(1)按照本发明的方法生产的工程机械高强钢热连轧钢板解决了现有技术生产Ti微合金化高强钢薄板不适用于较大线能量焊接的缺点。采用等强匹配的焊丝，在20kJ/cm的较大线能量焊接时，焊接热影响区保持较高的强度和韧性，可以达到600MPa和700MPa性能要求。

(2)按照本发明的方法生产的工程机械高强钢热连轧钢板母材具有优异的低温冲击韧性，通过冶炼—轧制全流程工艺控制，特别是对轧制温度的严格控制，得到均匀细小的晶粒和弥散分布的纳米级TiC，保证板卷强度达标的同时通卷-20℃横向和纵向冲击功均大于47J，钢板适用于天气寒冷地区使用。

(3)采用钢卷罩式退火去除残余应力，设计了适用于Ti微合金化高强钢的罩式去应力退火工艺，卷板开平后板形质量优良，不平度可控制在2mm/m以内，并可保证用户下料后的板形质量，钢板适用于制造汽车起重机吊臂和混凝土泵车臂等对板形要求严格的领域。

(4)本发明生产工程机械用高强钢板易于工业实施，具有批量生产可行性。

具体实施方式：

按照本发明介绍的化学成分和制造方法生产600MPa级和700MPa级高强钢，生产工艺路线采用210吨转炉冶炼—LF精炼——RH真空处理—连铸—热送加热炉再加热—粗轧—6机架精轧—层流冷却—卷取成卷—(罩式退火)—矫直开平。

实施例1：

生产600MPa级高强工程机械用钢的具体方法为：将220吨转炉中冶炼并经炉外精炼的钢水连铸成铸坯，在2250热连轧生产线进行轧制，加热温度为1200～1220℃，精轧入口温度为960℃～1000℃，中间坯厚度为42mm～54mm，终轧温度为810℃～830，轧后经层流冷却冷至目标卷取温度590℃，卷取后进行罩式退火去除残余应力。本发明生产钢与对比钢的化学成分，力学性能和焊接性能对比情况如表1所示：

表1 600MPa级高强钢化学成分

表2 600MPa级高强钢板母材力学性能

表3 600MPa级高强钢板焊接性能

600MPa高强钢在本发明之前普遍采用高Ti+Nb成分体系，在保证生产工艺参数严格控制的情况下，材料可具有较高的强度和良好冲击韧性，但在较大线能量焊接时容易出现焊接热影响区软化现象，使热区抗拉强度低于判定标准，造成安全隐患。发明钢1向600MPa级高强钢中添加少量的Mo，发明钢2不添加Mo，只添加15ppm的B，提高焊接热影响区淬透性，对比试验结果显示，发明钢1和发明钢2在较大线能量焊接时热影响区仍保持较高的强度，同时HAZ具有良好的低温冲击韧性。

实施例2：

生产700MPa级高强工程机械用钢的具体方法为：将220吨转炉中冶炼并经炉外精炼的钢水连铸成铸坯，在2250热连轧生产线进行轧制，加热温度为1200～1220℃，精轧入口温度为960℃～1000℃，中间坯厚度为42mm～54mm，终轧温度为810℃～830，轧后经层流冷却冷至目标卷取温度590℃，卷取后进行罩式退火去除残余应力。本发明生产钢与对比钢的化学成分，力学性能和焊接性能对比情况如表1所示：

表4 700MPa高强钢板化学成分

表5 700MPa高强钢板力学性能和焊接性能

700MPa高强钢热连轧薄板产品现有生产技术主要采用Nb+Ti+(Mo)成分体系，主要依靠Ti的析出强化效果提高强度，本发明通过严格控制冶炼、轧制工艺过程，显著改善了母材力学性能，使横向冲击韧性大幅提升。为解决现有技术不适用于大线能量焊接的难题，发明钢1-3在合金成分设计时，添加0.2％～0.3％的Mo，一方面利用Mo细化晶粒，控制相变组织的作用提高和稳定母材的力学性能，更重要的利用Mo在焊接热影响区提高淬透性作用，改善HAZ组织状态，显著的提高了较大焊接线能量焊接时的强度性能，同时焊缝热区具有良好的弯曲和冲击性能。发明钢4复合添加0.14％Mo和0.0016B，利用Mo和B的综合作用，使焊接热影响区力学性能达到700MPa高强钢技术条件要求。

Claims (4)

1.一种低温工程机械用钢，其特征在于：钢的化学成分按重量百分比为：C：0.06～0.08%；Si：0.15-0.25%；Mn：1.6～1.9%；Nb：0.05～0.08%；Mo：0～0.30%； B：0～0.0020%；Ti：0.08～0.14%；Al：0.01～0.06%；P：≤0.02%；S：≤0.010%；N：≤0.008%；其余为Fe及不可避免杂质。

2.如权利要求1所述的一种低温工程机械用钢，其特征在于：钢的化学成分按重量百分比中，添加Mo和B中的一种或两种元素复合添加，Mo＋B≦0.30%。

3.如权利要求1所述的一种低温工程机械用钢的生产方法，包括以下步骤：转炉冶炼—LF精炼——RH真空处理—连铸—热送加热炉再加热—粗轧—6机架精轧—层流冷却—卷取成卷—罩式退火—矫直开平，其特征在于控制如下工艺参数：   

（1）铸坯采用热送热装，出连铸机后保证铸坯表面温度在250℃～500℃之间时入加热炉；

（2）将铸坯在加热炉中加热至1200～1260℃，保温时间按照有效厚度1～1.5min/mm计算；

（3）粗轧、精轧采用两阶段控制轧制，中间坯厚度为5倍～10倍成品厚度，精轧入口温度为950℃～1000℃，终轧温度为800～850℃；

（4）轧后采用前段冷却模式进行层流冷却，目标卷取温度为560℃～600℃；

（5）采用罩式退火炉进行去应力退火，退火温度为450℃～550℃。

4.如权利要求3所述的一种低温工程机械用钢的生产方法，其特征在于：对于3～16mm热连轧钢板，钢的精轧入口温度应控制在950℃～1000℃，终轧温度应控制在800℃～850℃，精轧阶段累计压下量大于80%。