CN101619423A - 一种高强韧低屈强比易焊接结构钢板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高强韧低屈强比易焊接结构钢板及其制造方法，其成分C：0.02％～0.08％、Si：0.30％～0.50％、Mn：1.50％～1.80％、Nb：0.02％～0.04％、Ti：0.005％～0.030％、Mo：0.008％～0.20％、Cr：0.30％～0.90％、Cu：0.30％～0.50％、Ni：0.10％～0.40％、Als：0.010％～0.070％，余量为Fe。其制造方法：铁水预处理-转炉冶炼-精炼-连铸-轧制，轧前钢坯加热1050℃～1220℃，再结晶区轧制≥1000℃，未再结晶区轧制950℃～(Ar3+0℃～100℃)，轧后待温，随后加速冷却。本发明不添加B和V，成本低，生产周期短，无需复杂的热处理就可获得贝氏体+铁素体组织，能在保证高强度、高韧性和良好的焊接性能的同时，将屈强比控制到0.8以下。
Description
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低屈强比钢板及其制造方法。
背景技术
能够节能的钢结构件的轻量化离不开其高强度和高韧性，而确保建筑、桥梁等钢结构在地震、火灾和事故发生时的安全性要求结构用钢具有加工硬化能力，屈强比是衡量钢的加工硬化能力的一个重要参数。但是，随着钢级的升高，结构钢的屈服强度和抗拉强度均有不同程度的提高，且屈服强度提高更快，即屈强比升高，这就意味着钢板形变强化的幅度相对减小，从而危极结构用钢的安全性。
专利号为US6056833的美国专利公开了一种热机械控轧高强度低屈强比耐大气腐蚀钢，其化学成分按重量百分比为：C：0.08～0.12％、Mn：0.80～1.35％、Si：0.30～0.65％、Mo：0.08～0.35％、V：0.06～0.14％、Cu：0.20～0.40％、Ni≤0.50％、Cr：0.30～0.70％、Nb≤0.04％、Ti≤0.02％、S≤0.01％、P≤0.02％、N：0.001～0.014％，余为Fe和微量杂质。控轧控冷后该钢的屈服强度为490MPa，屈强比≤0.85。但该钢种的碳含量较高，不利于钢板的焊接性能，另外，上述专利加入了价格较昂贵的合金元素V，生产成本高。
申请号为CN200610021938，名为“低屈强比超细晶粒带钢的制造方法”的中国专利和申请号为CN03133872.0，名为“一种建筑用低屈强比耐火热连轧带钢的制造方法”的中国专利，虽提供了较低的屈强比，但是强度偏低，抗拉强度为400～510MPa，而且其制造方法仅适用于带钢产品，不适用于平板制造。
由鞍钢和北京科技大学共同申请的申请号为200410096795.7的中国专利提供了一种高抗拉强度高韧性低屈强比贝氏体钢及其生产方法，其主要化学成分含量(Wt％)为：C 0.015％～0.08％、Si 0.26％～0.46％、Mn1.5％～1.7％、Nb 0.015％～0.060％、Ti 0.005％～0.03％、B 0.0005％～0.003％、Mo 0.2％～0.5％、Cu 0.4％～0.6％、Ni 0.26％～0.40％、Al 0.015％～0.05％，余为Fe及不可避免的杂质。采用TMCP+RPC+SQ方法进行生产，可实现抗拉强度为800MPa级别钢板的屈强比达到0.85以下，同时大大提高了钢板的低温韧性。其添加了大量的Mo等贵重元素，增加了成本，而且按照其技术方案进行实施得到的屈强比难以达到0.80以下。由宝钢申请的申请号为200410084699.0的中国专利提供了一种低屈服比易焊接结构钢板及其生产方法，其化学成分的重量百分比如下：C：0.01％～0.10％，Si：1.00％～1.50％，Mn：0.80％～1.10％，P：≤0.020％，S：≤0.01 5％，Ni：0.30％～3.20％，Al：0.02％～0.03％，Ti：0.01％～0.15％，B：0.0003％～0.0010％，N：0.0020％～0.0150％，余量为铁及不可避免杂质。该专利虽然有较低的焊接裂纹敏感性系数和屈强比，但采用大量的贵重元素Ni，成本增加，而且Si的含量较高，钢的清洁度下降，韧性降低，可焊性差。以上两项专利仅适用于抗拉强度700 MPa级别以上的钢板的生产，而且都添加了微量的B元素，由于B在冶炼过程中难于控制，易偏聚，引起热脆性，增加了热压力加工的难度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种不含B和V、抗拉强度≥650MPa、屈强比≤0.80的易焊接结构钢板及其制造方法。
本发明高强韧低屈强比易焊接结构钢板的化学成分(重量百分比)为：C：0.02％～0.08％、Si：0.30％～0.50％、Mn：1.50％～1.80％、Nb：0.02％～0.04％、Ti：0.005％～0.030％、Mo：0.008％～0.20％、Cr：0.30％～0.90％、Cu：0.30％～0.50％、Ni：0.10％～0.40％、Als：0.010％～0.070％，余量为Fe及不可避免的杂质，并满足焊接裂纹敏感性指数Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.21％。该钢主要为贝氏体+铁素体组织，还有很少量的马氏体或珠光体，其中贝氏体的体积分数55％～70％，铁素体的体积分数30％～45％。
本发明高强韧低屈强比易焊接结构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TMCP工艺，轧前钢坯加热温度为1050℃～1220℃，采用两阶段控轧，再结晶区轧制温度控制在≥1000℃，未再结晶区轧制温度控制在950℃～(Ar3+0℃～100℃)；未再结晶区积累变形量大于50％；轧后待温到680℃～Ar3，随后加速冷却，冷却速度为10～40℃/s，终止冷却温度为380～480℃，之后空冷。
本发明转炉冶炼中采用顶吹或顶底复合吹炼；采用LF+VD或LF+RH精炼，并进行微合金化；进行Ca处理；连铸采用电磁搅拌。
本发明钢的化学成分以低C为基本特征，以成本低廉的Mn、Cr等元素作为主要添加元素。本发明成分设计理由：
C：碳对钢的强度、韧性和焊接性能、冶炼成本影响很大。碳低于0.02％则需要真空冶炼，碳高于0.08％，则使延伸率和韧性下降，本发明确定碳含量的范围为：0.02％～0.08％。
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，而且成本十分低廉。该元素含量在一定的范围内增加钢强度的同时几乎不降低钢的塑性和韧性。Mn降低了γ-α的转变温度，增加了相变时α的形核率，细化了铁素体晶粒；Mn能扩大γ区，使钢的热塑性加工温度范围扩大，有利于控制轧制工艺的实施，增加低温区累积变形量和降低终轧温度使铁素体晶粒进一步细化。这就是国际上在设计钢的成分时多采用“低”碳“高”锰来提高钢的强度的原因。因此在本发明中合适区间Mn1.5％～1.8％。
Si：硅是炼钢脱氧的必要元素，也可以起到固溶强化作用，提高钢的强度，Si还可以提高钢的抗腐蚀性能，但是Si含量太高，钢的清洁度下降，韧性降低，可焊性差。会降低钢的韧性，对焊接性能也不利。在本发明中将硅限定在0.30％～0.50％的范围内。
Nb：铌是本发明的重要添加元素。加热时未溶解的Nb的碳、氮化物颗粒分布在奥氏体晶界上，可阻碍钢在加热时奥氏体晶粒长大；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，细化晶粒，同时改善强度和韧性；它可以提高钢的淬透性，促进贝氏体转变；在轧制过程中有些铌的碳化物在位错、亚晶界上沉淀以进一步阻碍动态再结晶和轧后静态再结晶的产生；在γ-α相变中发生沉淀，形成非常细小的合金碳化物，起沉淀强化的作用；Nb对屈服强度和抗拉强度尤其对屈服强度的提高效果很大。在本发明中将Nb含量限定在0.02％～0.04％范围内。
Ti：钢中加入微量的钛，是为了使钛、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。当钢中的Ti、N原子之比为1∶1时，TiN粒子最为细小且分布弥散，对高温奥氏体晶粒的细化作用最强，不仅可获得优良的韧性，而且能够实现30KJ/cm以上的大线能量焊接。此时相应于Ti、N重量之比为3.42，故在本发明中，结合钢中N的含量以及便于连铸的需要，将钛成分控制在0.005％到0.03％。最佳控制为Ti、N重量之比为3.42左右。
Al：铝是脱氧元素，并能与N结合形成弥散度较大的AlN，从而减少了以间隙相存在的自由N，降低钢的韧脆性转变温度，改善钢的低温冲击性能，有效地细化晶粒。其含量不足0.010％时，效果较小；超过0.070％时，脱氧作用达到饱和；再高则对母材及焊接热影响区韧性有害。所以，本发明中铝含量控制在0.010％～0.070％。
Cr：加入Cr元素主要是保证钢的耐大气腐蚀性能，促进贝氏体转变，有助于轧制时奥氏体晶粒的细化和微细贝氏体的生成，提高抗拉强度。因而，在本发明中Cr含量的区间在0.30％～0.90％。
Cu：铜元素不仅对焊接热影响区硬化性及韧性没有不良影响，又可使母材的强度提高，并使低温韧性大大提高，还可提高耐蚀性。在贝氏体钢中加入铜，可进一步提高钢的淬透性，促进贝氏体的形成，进一步使基体强化；但Cu含量高时钢坯加热或热轧时易产生裂纹，恶化钢板表面性能，必须添加适量的Ni以阻止这种裂纹的产生。在本发明中将铜含量控制在0.3％～0.5％之间。
Ni：镍元素对钢的焊接热影响区硬化性及韧性没有不良影响，且能够提高钢的耐蚀性，并使钢的低温韧性大大提高。镍为贵重元素，导致钢的成本大幅度上升，经济性差。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。为了减少Cu的热脆现象，故在本发明中将Ni含量控制在0.10％～0.40％之间，Ni、Cu成分含量比最佳为1/2～2/3。
Mo：抑制先共析铁素体的形成，促进贝氏体转变。钼在钢中能增加碳化物的形核位置，使形成的碳化物更细小、更多，从而提高钢板的屈服强度。钼的质量分数增加，推迟先共析铁素体转变的作用增强，强度增加。但Mo为贵重元素，导致钢的成本大幅度上升，经济性差。在本发明中将Mo含量控制在0.008％～0.20％之间。
钢中的杂质元素控制在P≤0.025％，S≤0.015％，以提高钢的韧性。本发明钢的具体生产工艺特征如下：
本发明在冶炼过程中：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；进行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，减少元素偏析。
本发明在轧制过程中采用TMCP工艺。轧前钢坯加热温度为1050℃～1220℃，上限选择1220℃，可以保证获得细小的奥氏体晶粒，下限选择1050℃，以便能有相当量的Nb溶入奥氏体，有利于轧后冷却过程中贝氏体的形成。采用两阶段控轧，再结晶区轧制温度控制在≥1000℃，未再结晶区轧制温度控制在950℃～(Ar3+0℃～100℃)；未再结晶区积累变形量大于50％。轧后待温到680℃～Ar3，随后加速冷却，开冷温度过低，铁素体的析出量增加，强度降低；开冷温度过高，贝氏体的含量增加，屈强比升高。本发明冷却速度为10～40℃/s，终止冷却温度为380℃～480℃，之后空冷。
本发明钢种采用低C、高Cr和低Mo含量，不添加B和V，成本低，焊接裂纹敏感性系数≤0.21，焊接性能好；采用TMCP工艺，生产周期短、成本低，无需复杂的热处理就可获得贝氏体+铁素体组织，其中贝氏体的体积分数55％～70％，铁素体的体积分数30％～45％，还有很少量的马氏体或珠光体。本发明与同强度级别的钢种相比，能在保证高强度(抗拉强度≥650MPa)、高韧性(-40℃冲击功≥290J)和良好的焊接性能的同时，将屈强比控制到0.8以下。
附图说明
图1为本发明钢种的金相组织。
具体实施方式
本发明实施例以按照本发明设计的化学成分和冶炼工艺冶炼的5罐钢为例。其化学成分如表1所示，其轧制工艺和轧态力学性能见表2和表3。
表1、本发明实施例钢的冶炼成分(重量百分比)
| 实施例 | C | Si | Mn | Als | Ni | Cr | Cu | Mo | Ti | Nb | Pcm |
| 1 | 0.02 | 0.3 | 1.78 | 0.01 | 0.15 | 0.9 | 0.3 | 0.2 | 0.005 | 0.04 | 0.19 |
| 2 | 0.05 | 0.42 | 1.66 | 0.034 | 0.3 | 0.33 | 0.5 | 0.18 | 0.008 | 0.031 | 0.21 |
| 3 | 0.04 | 0.5 | 1.53 | 0.032 | 0.4 | 0.43 | 0.41 | 0.1 | 0.029 | 0.03 | 0.19 |
| 4 | 0.046 | 0.38 | 1.63 | 0.03 | 0.25 | 0.5 | 0.42 | 0.13 | 0.01 | 0.034 | 0.20 |
| 5 | 0.08 | 0.3 | 1.5 | 0.01 | 0.23 | 0.32 | 0.32 | 0.008 | 0.01 | 0.01 | 0.20 |
*Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B
表2、本发明实施例钢的轧制工艺
| 实施例 | 加热温度℃ | 再结晶开轧温度℃ | 未再结晶开轧温度℃ | 未再结晶区变形量 | 开冷温度℃ | 终冷温度℃ | 冷却速度℃/s |
| 1 | 1050 | 1008 | 950 | 68％ | 760 | 385 | 30.2 |
| 2 | 1100 | 1010 | 867 | 70％ | 732 | 380 | 25.6 |
| 3 | 1160 | 1040 | 898 | 65％ | 704 | 450 | 17.6 |
| 4 | 1200 | 1050 | 880 | 60％ | 710 | 480 | 10 |
| 5 | 1220 | 1086 | 860 | 50％ | 680 | 400 | 8.3 |
表3、本发明实施例钢的轧态力学性能
Claims (4)
1.一种高强韧低屈强比易焊接结构钢板，其特征在于该钢的化学成分重量百分比为：C：0.02％～0.08％、Si：0.30％～0.50％、Mn：1.50％～1.80％、Nb：0.02％～0.04％、Ti：0.005％～0.030％、Mo：0.008％～0.20％、Cr：0.30％～0.90％、Cu：0.30％～0.50％、Ni：0.10％～0.40％、Als：0.010％～0.070％，余量为Fe及不可避免的杂质，并满足下列焊接裂纹敏感性指数：
Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.21％。
2.根据权利要求1所述的高强韧低屈强比易焊接结构钢板，其特征在于该钢主要为贝氏体+铁素体组织，其中贝氏体的体积分数55％～70％，铁素体的体积分数30％～45％。
3.一种权利要求1或2所述高强韧低屈强比易焊接结构钢板的制造方法，包括以下工艺步骤：铁水预处理-转炉冶炼-精炼-连铸-轧制，其特征在于轧制过程采用TMCP工艺，轧前钢坯加热温度为1050℃～1220℃，采用两阶段控轧，再结晶区轧制温度控制在≥1000℃，未再结晶区轧制温度控制在950℃～(Arz3+0℃～100℃)；积累变形量大于50％；轧后待温到680℃～Ar3，随后加速冷却，冷却速度为10～40℃/s，终止冷却温度为380～480℃，之后空冷。
4.根据权利要求3所述高强韧低屈强比易焊接结构钢板的制造方法，其特征在于转炉采用顶吹或顶底复合吹炼；采用LF+VD或LF+RH精炼，并进行微合金化；进行Ca处理；连铸采用电磁搅拌。
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