CN101619419B - 一种低碳高铌高强度焊接结构用钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低碳高铌高强度焊接结构用钢板，其化学成分重量百分比为：C0.015％～0.075％、Si0.20％～0.50％、Mn1.62％～2.0％、Nb0.081％～0.120％、Ti0.005％～0.030％、B0.0005％～0.0030％、Cr0.25％～0.70％、Cu0.27％～0.70％、Ni0.15％～0.50％、Al_s0.010％～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明钢板的制造方法：铁水预处理-转炉冶炼-精炼-连铸-轧制，轧制过程采用HTP+RPC工艺，轧前加热温度为1140～1220℃，采用两阶段控轧。本发明成分采用低C高Nb，不添加Mo，通过HTP+RPC工艺达到改善钢的性能，屈服强度可达到690MPa以上，与同强度级别的其他低Nb钢种相比可在较高的温度下进行未再结晶轧制，从而减少待温时间，降低轧机负荷，提高生产效率。

Description

一种低碳高铌高强度焊接结构用钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，尤其涉及一种低合金高性能钢板及其制造方法。

背景技术

目前工程机械、煤矿液压支架、半挂车、集装箱、水电站压力管道等领域为了减轻自重，提高承载能力，越来越多的开始使用690MPa级高强度焊接结构钢。

国内有关屈服强度在690MPa左右的高强度钢板的制造方法已经形成多项专利，但由于沿用传统的控轧控冷工艺，Nb含量普遍较低，未再结晶阶段控轧温度低，要求950℃以下，所以变形抗力高，轧机负荷大，待温时间长，生产效率低；而且为了保证厚钢板有足够的淬透性，大多含有贵重元素Mo，成本较高，例如：

武汉钢铁公司的名为“一种特高强度耐大气腐蚀钢”，申请号为200610125125.2的中国专利涉及一种特高强度耐大气腐蚀钢，该发明钢虽然屈服强度(ReL))可达到700MPa，但是含有贵重元素Mo，所以成本高，同时Nb含量在0.08％以下。

济南钢铁股份有限公司申请的“一种高铌高强度厚钢板钢”，申请号为200610069556.1的中国专利提供了一种高铌高强度厚钢板生产的技术方案，虽然采取低碳、高铌合金设计，但是其仅仅适合于抗拉强度为70kg级非调质高强度厚钢板的生产，且仍然含有价格十分昂贵的Mo0.15％～0.18％，成本较高。

北京科技大学申请的专利号为ZL01115650.3的“一种用于高强度低合金钢生产的弛豫一析出一控制相变技术”中，提供了一种用于高强度低合金钢生产的弛豫一析出一控制相变的工艺技术(RPC)和相应的合金设计，通过控制终轧后到开始加速冷却前的组织及变形晶体内的缺陷弛豫状态、控制微合金元素的析出行为等物理冶金过程、实现控制钢的相变，最终获得超细复合组织，强化、韧化基体之目的。其钢种的屈服强度可达700MPa以上。但是，在其化学成分中，贵重元素Mo：0.05％～0.35％，实施例中Mo含量达0.31％，导致钢种成本明显增加。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的未再结晶控轧温度低，轧机负荷大，待温时间长，生产效率低，成本高等缺陷，本发明的目的在于克服现有技术的不足提供一种屈服强度≥690N/mm²级别，抗拉强度达80Kg(≥780N/mm²)级别的高强度焊接结构用钢及其生产方法。

本发明低碳高铌高强度焊接结构用钢板的化学成分重量百分比为：C0.015％～0.075％、Si0.20％～0.50％、Mn1.62％～2.0％、Nb0.081％～0.120％、Ti0.005％～0.030％、B0.0005％～0.0030％、Cr0.25％～0.70％、Cu0.27％～0.70％、Ni0.15％～0.50％、Al_s0.010％～0.050％、P≤0.025％、S≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明钢化学成分以低C高Nb无Mo为基本特征，以成本低廉的Mn、Cr等元素作为主要添加元素，并适当添加Ti、B、Cu等元素，为了保证钢板表面质量，根据Cu含量适当添加Ni元素，且保证Ni/Cu≥0.5。

本发明选择的合金元素的主要作用在于：

C：碳对钢的强度、韧性、焊接性能影响很大。C含量低于0.015％时，难以获得高强度，而且焊接热影响区软化；碳高于0.075％时，加热时钢中固溶Nb量少，使高Nb含量的优势难以体现，且影响钢的焊接性能。

Mn：锰是提高强度和韧性的有效元素，对贝氏体转变有较大的促进作用，在超低碳条件下效果更为显著，而且成本十分低廉，因此在本发明中把Mn元素作为主要合金元素，Mn含量控制在1.62％～2.0％。

B：硼元素是超低碳贝氏体钢中较为重要的成分，它能够提高钢的淬透性，特别是在超低碳钢中加入微量的硼，可有效地抑制奥氏体向铁素体、珠光体的转变。硼含量低于0.0005％时，难以起到上述效果，硼含量高于0.0030％时，严重影响钢种韧性，因此控制B0.0005％～0.0030％。

Nb：铌是本发明钢中的重要添加元素，它能够有效地延迟变形奥氏体的再结晶，阻止奥氏体晶粒长大，提高奥氏体再结晶温度，降低未再结晶轧制的轧制负荷，缩短待温时间，提高生产率，同时改善强度和韧性。它与微量的硼元素复合作用，可以显著地提高淬透性，促进贝氏体转变，可以起到Mo元素对贝氏体转变及提高强度的作用。Nb含量低于0.081％，和常规比较，上述作用不明显。Nb含量高于0.120时，明显影响钢种韧性及焊接性能，因此控制Nb0.081％～0.120％

Ti：加入微量的钛，是为了固定钢中的氮元素，从而确保硼元素的提高淬透性效果。在最佳状态下，钛、氮形成氮化钛，阻止钢坯在加热、轧制、焊接过程中晶粒的长大，改善母材和焊接热影响区的韧性。钛低于0.005％时，固氮效果差，超过0.03％时，固氮效果达到饱和，过剩的钛将会使钢的韧性恶化。

Si：硅是炼钢脱氧的必要元素，也具有一定的强化作用，当含量低于0.2％时，冶炼难度增大；含量超过0.5％时，钢的清洁度下降，韧性降低，可焊性差。因此控制Si0.20％～0.50％。

Al_s：铝是脱氧元素，可作为AlN形成元素，有效地细化晶粒，其含量不足0.01％时，效果较小；超过0.05％时，脱氧作用趋于饱和，增加钢中夹杂物，对母材及焊接热影响区韧性有害。因此控制Al_s0.010％～0.050％。

Cu：作为本发明选择性加入的合金元素，除了增加强度外，还有利于获得良好的低温韧性。在钢中加入Cu，可利用Cu-B的综合作用进一步提高钢的淬透性，促进贝氏体的形成。对于屈服强度≥690 N/mm²级别钢种，Cu含量控制在0.27％～0.70％即可。

Ni：在本发明中添加Ni元素的目的主要是阻止含Cu量高的钢坯在加热或热轧时产生裂纹的倾向，考虑经济性，在本发明中根据Cu含量适当添加Ni元素，且保证Ni/Cu≥0.5，将Ni含量控制在0.15％～0.50％即可。

Cr：铬是本发明钢中的重要添加元素，以提高钢的强度。从经济性、焊接性能和强度等方面考虑，在本发明中将Cr含量控制在0.25％～0.70％。

钢中的杂质元素的上限控制在P≤0.02％，S≤0.01％为宜，含量越低，钢种性能越好。

本发明所述低碳高铌高强度焊接结构用钢板的制造方法包括以下工艺步骤：铁水预处理-转炉冶炼-精炼-连铸-轧制，其特点是：轧制过程采用HTP+RPC工艺，轧前加热温度为1140～1220℃，采用两阶段控轧，再结晶区轧制温度≥1010℃，未再结晶区轧制温度为1000℃～(Ar3+0℃～100℃)，未再结晶区积累变形量大于50％，轧后弛豫时间10～150s，随后加速冷却，冷却速度为5～40℃/S，终止冷却温度为400～630℃，之后空冷。

本发明所述低碳高铌高强度焊接结构用钢板的制造方法对钢板可以进行回火处理，以充分发挥Nb的析出强化作用，消除内应力，改善韧性和塑性，降低钢种的时效敏感性。回火温度控制在500～680℃为佳。

本发明低碳高铌高强度焊接结构用钢板的制造方法在冶炼过程中：进行铁水预处理，采用转炉冶炼，通过顶吹或顶底复合吹炼，尽可能深脱碳；采用VD、RH、LF等进行精炼处理，并进行微合金化；Ca处理，结合钢中S含量和出钢量，喂Si-Ca线，控制硫化物形态，提高延性和韧性，减小钢板横向和纵向性能差；连铸采用电磁搅拌，以减少元素偏析。在轧制过程中：采用高温轧制(HTP)+弛豫——析出——控制相变(RPC)工艺；轧前加热最高温度确定在1220℃，以保证获得细小的奥氏体晶粒，加热温度下限为1140℃，以便能有足够量的Nb溶入奥氏体，有利于轧制过程再结晶的延迟和轧后冷却过程中贝氏体、马氏体的形成以及回火过程的析出强化；采用两阶段控轧，再结晶区轧制温度控制在≥1010℃；未再结晶区轧制温度控制在1000℃～(Ar3+0℃～100℃)，未再结晶变形开始温度较Nb含量低的钢种至少高50℃以上，这样可以减少待温时间，提高生产效率，精轧阶段可降低轧机负荷大约16％以上；未再结晶区积累变形量大于50％；轧后弛豫时间10～150s，随后加速冷却，冷却速度范围控制在5～40℃/S；终止冷却温度为400℃～630℃，之后空冷。

为了获得最佳效果，本发明的特征在于钢板可进行回火处理，最佳回火温度在500℃～680℃。在回火过程中，通过析出强化提高钢的强度，同时改善钢的韧性和塑性。回火后钢板的屈服强度和抗拉强度也有不同程度提高，并能保证厚钢板厚度方向的性能均匀性。

本发明的有益效果：本发明采用低C含量、高Nb含量、不添加贵重元素Mo，通过HTP+RPC+回火工艺就能获得满足要求的屈服强度大于690MPa以上级别的高强度钢板，生产成本低，且强韧性、塑性和焊接性能匹配良好。与同强度级别的其他低Nb钢种相比，可以在较高的温度下进行未再结晶轧制，从而减少待温时间，降低轧机负荷，充分发掘现有轧机的生产潜能，提高生产效率。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的描述。

本发明实施例钢种的化学成分见表1。

本发明实施例相应钢种的工艺参数见表2。

本发明实施例相应钢种的力学性能见表3。

表1、本发明实施例钢种的冶炼成分(Wt％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Nb	Ti	B	Als
													1、3	0.06	0.45	1.89	0.013	0.0093	0.25	0.23	0.25	0.120	0.026	0.003	0.023
2	0.05	0.40	1.62	0.0098	0.0065	0.54	0.30	0.41	0.102	0.014	0.0029	0.047
													4	0.074	0.43	1.81	0.0099	0.007	0.43	0.32	0.31	0.099	0.018	0.0018	0.016
S1～S5	0.04	0.33	1.66	0.012	0.003	0.48	0.26	0.25	0.083	0.018	0.0016	0.047
													S6～S7	0.027	0.22	1.78	0.016	0.003	0.57	0.49	0.61	0.081	0.02	0.003	0.03

表2、本发明钢实施例的工艺参数

实施例	厚度mm	轧前加热温度℃	粗轧终轧温度℃	二次开轧温度℃	终轧温度℃	终冷温度℃	弛豫时间S	未再结晶区积累变形量％	冷却速度℃/s
										1	16	1212	1050	1000	900	545	12	60	13
2	16	1180	1030	1000	910	560	15	60	19
										3	16	1220	1100	1000	900	545	12	60	11
4	16	1210	1055	1000	935	400	36	68	35
										S1	16	1140	1047	970	800	608	44	50	8
S2	25	1150	1030	960	870	610	47	66	16
										S3	30	1152	1017	950	890	624	50	60	11
S4	20	1168	1024	950	873	440	150	58	33
										S5	20	1160	1049	970	894	630	136	55	26
S6	25	1152	1017	970	900	624	67	64	10
										S7	30	1150	1010	970	900	590	71	57	19

表3、本发明钢种实施例的力学性能

Claims (3)

1.一种低碳高铌高强度焊接结构用钢板，其特征在于该钢的化学成分重量百分比为：C0.015％～0.075％、Si0.20％～0.50％、Mn1.62％～2.0％、Nb0.081％～0.120％、Ti0.005％～0.030％、B0.0005％～0.0030％、Cr0.25％～0.70％、Al_s0.010％～0.050％、P≤0.025％、S≤0.015％、Cu0.27％～0.70％、Ni0.15％～0.50％，Ni含量根据Cu含量而定，且Ni/Cu≥0.5，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.一种权利要求1所述钢板的制造方法，包括以下工艺步骤：铁水预处理-转炉冶炼-炉外精炼-连铸-轧制，其特征在于轧制过程采用HTP+RPC工艺，轧前加热温度为1140～1220℃，采用两阶段控轧，再结晶区轧制温度≥1010℃，未再结晶区轧制温度为1000℃～(Ar3+0℃～100℃)，未再结晶区积累变形量大于50％，轧后弛豫时间10～150s，随后加速冷却，冷却速度为5～40℃/S，终止冷却温度为400～630℃，之后空冷。

3.根据权利要求2所述钢板的制造方法，其特征在于对钢板进行回火处理，回火温度为500～680℃。