CN101397640A - 屈服强度960MPa级焊接结构钢 - Google Patents

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刘昌明
郑琳
胡敏
陈吉清
宋育来
卜勇
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段东明
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Abstract

本发明涉及屈服强度达960MPa级别的超高强度焊接结构钢。其解决目前本领域存在的将V、Nb、Ni、Mo等作为必要的合金元素,其导致成本高、添加元素多等不足。措施:屈服强度960MPa级焊接结构钢,其组分及重量百分比为:C:0.14~0.19、Si:0.15~0.40、Mn:1.40~<1.7、Mo:0.41~0.60、B:0.0005~0.002、Cr:0~0.50、Ni:0~0.40、Nb:0~0.03、Ti:0.010~0.050、Als:0.01~0.06、P:≤0.020、S:≤0.010,其余为Fe及不可避免杂质;同时满足:碳当量CEV(%)<0.65或Pcm(%)<0.35。本发明钢轧制及热处理工艺简单,轧制过程无需控冷,热处理工艺可控范围较宽。本发明钢还具有十分优异的低温冲击韧性及很低的碳当量。

Description

屈服强度960MPa级焊接结构钢
技术领域
本发明涉及低合金化钢,具体地指一种屈服强度达960MPa级别的超高强度焊接结构钢。
背景技术
中国国内钢铁企业尚不能够生产屈服强度在900MPa以上的焊接结构用钢,目前武汉钢铁集团公司发明了屈服强度为880MPa及以上的焊接结构用钢,具体牌号为HG980。该钢采用调质工艺生产,最小屈服强度在880MPa以上,成份中含有较高的Nb、V等微合金元素。更高强度级别的钢板,主要牌号有瑞典奥克隆德钢厂的WELDOX钢板,该系列钢板的屈服强度可达900~1300MPa。日本JFE公司也可以生产最小屈服强度960MPa级的焊接结构钢板,具体牌号为S960。
国外屈服强度在900MPa或960MPa级别的焊接结构钢也一般采用淬火+回火工艺生产,由于对钢板的强度要求极高,容易在回火过程中由于回火温度较高或回火时间较长而出现软化现象,从而不能够保证钢板的强度,因此,该强度级别的钢板化学成份中通常含有较多的微合金元素V、Nb等,以利用细小第二相粒子的析出强化和钉轧晶界的作用,提高钢的强度和抗高温回火软化能力。从能够生产900MPa及以上级别焊接结构钢的钢铁企业官方网站中查阅到的该级别钢种的供货技术条件中可看出,该级别钢板通常将V、Nb、Ni、Mo等作为必要的合金元素。本发明基于目前现状,提出了一种屈服强度超过960MPa、进一步优化为超过1000MPa的超高强度焊接结构钢的化学成份设计思路,其特点是在化学成份中添加适量的Mo来保证钢的高温回火稳定性和回火强度,取消了V,极大减少了Nb等微合金元素的添加。本发明钢轧制及热处理工艺简单易行,轧制过程无需控冷,热处理工艺可控范围较宽。本发明钢同时还具有十分优异的低温冲击韧性,以及很低的碳当量。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种屈服强度超过960MPa、进一步优化为超过1000MPa,同时具有极优异低温冲击韧性和较低碳当量的屈服强度超过960MPa焊接结构钢。
实现上述目的的技术措施:
960Mpa级高强度焊接结构钢,其化学组分及重量百分比为:
C:0.14~0.19、Si:0.15~0.40、Mn:1.40~<1.70、Mo:0.41~0.60、B:0.0005~0.002、
Cr:0~0.50、Ni:0~0.40、Nb:0~0.03、Ti:0.010~0.050、Als:0.01~0.06、P:≤
0.020、S:≤0.010,其余为Fe及不可避免杂质;同时满足:碳当量CEV(%)=
C+Mn/6+(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15<0.65或
Pcm(%)=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B)<0.35。
其在于:Mo的重量百分比为0.45~0.57。
为了保证钢的屈服强度能够达到960MPa、甚至1000MPa以上,在化学成份设计过程中重点考虑如下因素:钢的淬透性、淬火态组织的回火稳定性和回火强度。下面根据这三方面的原因详述本发明中各元素的作用及限定量的理由:
本发明C的重量百分比含量为0.14~0.19,C是保证淬透性的主要合金元素,为了在水淬时得到完全的马氏体组织。从强度方面考虑,钢的淬火态组织为马氏体,而C是保证马氏体强度的最主要合金元素,根据对合金元素总量小于5%、含有少量Ti、Nb或Zr等的结构钢回归分析表明,钢中马氏体组织的硬度HVM=127+949C+27Si+11Mn+8Ni+16Cr+211gVM(VM为马氏体临界冷速,各元素均为质量百分数),从中可以看出,影响马氏体硬度的决定性成份为C,合金元素的作用很小,为了保证淬火态组织的抗拉强度达到1000MPa以上,以保证本发明钢所需达到的强度,C的上限值则考虑了防止钢的强度及碳当量过高,且C含量对钢的抗高温回火能力有负作用,在保证必要的淬透性和强度的基础上,C量不宜过多,因此将C的重量百分比含量上限定为0.19。
本发明Mn的重量百分比含量为1.40~<1.70。Mn是钢中重要的固溶强化元素,能够提高淬透性,且能在强化钢的同时改善韧性,但当Mn含量过高时,则导致淬透性和韧性降低。
本发明B的重量百分比含量为0.0005~0.002。添加微量B是提高淬透性的极佳途径,B增加淬透性的良好作用在于B易于偏聚于奥氏体晶粒的界面上,降低了奥氏体晶界的界面能,减少了过冷奥氏体分解时的形核率,因而有效地推迟过冷奥氏体的分解转变,根据大量研究结果,当以固溶形式存在于钢中时(即酸溶硼),0.0005的B即可极大提高钢的淬透性,充分发挥B的作用可有效减少其它合金元素的添加。对于不以固溶方式存在的B则没有提高淬透性的作用,且B含量过高易形成B的碳化物和氮化物,并集聚在原奥氏体晶界,促使附近地区位错密度增高,可以作为氢在局部地区的陷阱,因而促使此处发生晶界开裂。为保证必要的酸溶硼含量,并避免过高含量的B对性能的不利影响,作出上述含量限定。
本发明Mo的重量百分比含量为0.41~0.60,Mo能够抑制或减轻钢中杂质偏聚现象,改善调质钢的高温回火脆性,避免钢在550℃~580℃回火时出现的脆化现象(第二类回火脆性),是调质钢中不可或缺的重要合金元素。Mo具有很高的抗回火能力,为了保证钢在550℃以上的回火强度仍能超过900MPa,Mo含量低限控制在0.41,Mo含量超过0.6时则显著增加焊接热影响区的再热裂纹敏感性,因此对Mo含量作出上述限定。
本发明Cr的重量百分比含量为0~0.50。Cr能够增加钢的淬透性,少量Cr还有改善韧性的作用,但Cr对提高钢的抗高温回火能力的作用不大,且Cr过高会损害韧性和焊接性能。
本发明Ni的重量百分比含量为0~0.40。Ni能够提高钢的抗高温回火软化能力和低温冲击韧性,对于提高马氏体的强度作用不大,且Ni过高将极大增加钢的合金成本。
本发明Nb的重量百分比含量为0~0.030。Nb可与钢中C、N结合形成微小的第二相粒子,从而在回火时保持钢的强度,并可同时提高钢的韧性。
本发明Ti的重量百分比含量为0.010~0.050。Ti可与钢中N结合形成细小TiN粒子,从而在加热过程中钉轧晶界并防止奥氏体晶粒过度长大,这对于得到细小的淬火组织,从而提高钢的强度和韧性是有利的。
本发明Si的重量百分比含量为0.15~0.40。Si主要是以固溶强化形式提高钢的强度,同时也是钢中的脱氧元素,但含量不可过高,以免降低钢的韧性和焊接性能。
本发明Als的重量百分比含量控制在0.01~0.06。Al是钢中的主要脱氧元素,Al含量过高则导致Al的氧化物夹杂增加,降低钢的纯净度,不利于钢的韧性及耐候性能。此外,Al的氮化物熔点较高,在生产中,AlN可以用来阻止晶粒长大。
本发明的P的重量百分比含量≤0.020、S的重量百分比含量≤0.010。较高的磷含量可以大幅度提高钢的耐候性,但是磷在钢中具有容易造成偏析、恶化焊接性能、显著降低钢的低温冲击韧性、提高脆性转变温度,所以,考虑到本发明钢强度较高,控制P≤0.020。S易与Mn结合生成MnS夹杂,S还影响钢的低温冲击韧性。因此,本发明应采用洁净钢生产工艺,尽量减少P、S元素对钢性能的不利影响。
本发明的新型焊接结构钢具有如下优点:
(1)本发明钢具有极高的强度和低温冲击韧性,屈服强度不低于960MPa、进一步优化为不低于1000MPa,延伸率不低于10.0%、进一步优化为不低于11.0%、最优可超过14.0%,-20℃ AKV(7.5×10×55mm试样)不低于50J、进一步优化为不低于60J、最优可达80J以上,且能够得到具有韧窝特征的冲击断口,强韧性匹配十分优异。
(2)本发明钢化学成份以C-Mn-Mo-B成份为基础,并进行了Cr、Ni的单独或复合添加,由于采用了多元少量复合合金化方法,充分利用了各种元素对于钢的淬透性和强韧性影响的协同作用,在极高的强度水平上使钢具有较低的碳当量,CEV(%)<0.65或Pcm(%)<0.35。
(3)本发明钢的冶炼、轧制过程无复杂控制环节,轧制过程不需控冷。
具体实施方式
采用50公斤真空感应炉冶炼本发明钢,以及一炉不含Mo的对比钢。
本发明实施的条件:将冶炼的50公斤钢锭在电炉中加热至1200℃,保温时间大于60min,然后在实验轧机上轧成10mm厚钢板。轧制过程采用高温大压下以充分细化奥氏体晶粒,道次压下率≥30%,开轧温度约1050℃,轧制道次间不控冷,终轧入口温度约1000~1020℃,轧后钢板不进行喷水冷却,而采用空冷方式。
轧制后将钢板切割成10×200×350mm的小块,进行淬火+回火热处理:淬火温度为880℃~920℃,保温10min后水淬;淬火后进行回火处理,回火温度为550℃~600℃,保温时间15min~25min,即板厚(mm)×(1.5~2.5)min/mm。
将轧制后的本发明钢沿纵向加工拉伸、冲击试样,进行力学性能检测,冲击试验采用7.5×10×55mm夏比试样。
本发明实施例钢化学成份(wt%)
 
实施例 C Si Mn P S Als Mo Cr Ni Ti Nb B CEV PCM
1 0.173 0.23 1.40 0.005 0.005 0.01 0.41 0.26 0 0.039 / 0.0024 0.54 0.29
2 0.178 0.15 1.51 0.008 0.007 0.032 0.46 0.22 0 0.036 0.024 0.0019 0.57 0.30
3 0.182 0.28 1.70 0.015 0.009 0.046 0.55 0 0.395 0.042 / 0.0020 0.60 0.32
4 0.189 0.35 1.60 0.018 0.005 0.025 0.51 0.32 0.11 0.042 / 0.0032 0.63 0.33
5 0.14 0.40 1.50 0.015 0.006 0.06 0.60 0.50 0.023 0.05 0.03 0.0005 0.61 0.29
对比例 0.153 0.15 1.40 0.005 0.005 0.01 / 0.20 / 0.026 0.019 0.0005 0.43 0.24
按本发明所述制备的钢板,钢屈服强度达960~1015MPa,抗拉强度达985~1035MPa,屈强比大于0.90,延伸率10.0%~14.5%,-20℃AKV(7.5×10×55mm试样)达52~87J,且冲击断口具有韧窝形貌。钢板具有回火索氏体组织,基体中弥散分布着十分细小的碳化物(或渗碳体)颗粒。在透射电镜下观察,钢板在淬火时形成的马氏体板条基本形貌仍被保留,渗碳体呈不规则颗粒状、长条形棒状或片状,其中颗粒状渗碳体尺寸范围为35nm~120nm,条形渗碳体长度尺寸范围为120nm~500nm,析出物尺寸十分细小,未出现显著的粗化现象,说明钢板具有较好的回火稳定性。

Claims (2)

1、屈服强度960MPa级焊接结构钢,其化学组分及重量百分比为:
C:0.14~0.19、Si:0.15~0.40、Mn:1.40~<1.7、Mo:0.41~0.60、B:0.0005~0.002、Cr:0~0.50、Ni:0~0.40、Nb:0~0.03、Ti:0.010~0.050、Als:0.01~0.06、P:≤0.020、S:≤0.010,其余为Fe及不可避免杂质;同时满足:碳当量CEV(%)=C+Mn/6+(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15<0.65或
Pcm(%)=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B)<0.35。
2、如权利要求1所述的屈服强度960MPa级焊接结构钢,其特征在于:Mo的重量百分比为0.45~0.57。
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