CN101643888A

CN101643888A - 一种抗拉强度700MPa级低焊接裂纹敏感性钢及其生产方法

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Publication number: CN101643888A
Application number: CN200910063768A
Authority: CN
Inventors: 习天辉; 郭爱民; 张开广; 刘文斌; 芮晓龙; 董汉雄; 董中波; 郭斌; 黄成红; 周佩; 丁庆丰; 邱保文
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2029-08-31
Also published as: CN101643888B

Abstract

本发明提供一种新型的700MPa级低焊接裂纹敏感性系列钢及其生产方法，钢的化学成分重量百分比为C：0.08～0.12、Si：0.15～0.40、Mn：1.00～2.00、P≤0.015、S≤0.006、Ni：0.25～0.55、Mo：0.15～0.28、V：0.02～0.10以及Cu：0.18～0.30、Cr：0.15～0.30、Ti：0.008～0.020、B：0.0007～0.0027中的两种或两种以上，其余为Fe及不可避免的夹杂，此外还要满足Pcm≤0.24％，Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B(％)。采用铁水深脱硫技术，转炉顶底吹炼，真空处理及连铸工艺，按通常纯净钢工艺进行轧制、调质热处理生产。

Description

一种抗拉强度700MPa级低焊接裂纹敏感性钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种抗拉强度700MPa级低焊接裂纹敏感性钢及其生产方法，属低合金钢制造领域。

背景技术

在本发明以前，有如日本NKK申请的专利(JP08209238)“通过加热含Si、Mn、Mo、Ni、V、Al、Ti、B获得优异焊接裂纹敏感性的高强钢的制造方法”，该专利中钢板虽然同时具备低裂纹敏感性和抗大线能量焊接性能，但对钢中Nb、V含量以公式625Nb+250V+210Ceq＝40+t(t为钢板厚度mm)来加以限定，与本发明钢的成分设计思路不同，且该专利没有示出钢板具体强度级别。

住友金属申请的专利(JP54130426)提供了化学成分(wt％)为C：0.001～0.030、Si：0.05～0.50、Mn：1.00～3.00，Cu≤1.00、Ni≤2.50、Cr≤1.00、Mo≤1.00、V≤0.15、Nb≤0.050、Al：0.005～0.007以及Pcm：0.10～0.30，输送天然气管线用低焊接裂纹和抗氢致裂纹敏感性轧态高拉伸强度钢的制造方法；该钢与本发明钢相比，在化学成分上含有较多的Ni、Cr、Mo、V等贵重元素，成本较本发明钢大大增加。

国内以鞍山钢铁股份有限公司为代表(中国专利，200510047196)，提供了一种高强度低焊接裂纹敏感性厚钢板及其生产方法。采用如下化学成分(wt％)：C：0.06～0.09、Si：0.15～0.55、Mn：1.00～1.60、P：≤0.015、S：≤0.006、Ni：0.15～0.40、Cr：≤0.30、Mo：≤0.30、Cu：≤0.30、V：0.02～0.06、Nb：0.005～0.05、Als：0.010～0.04，余量为Fe及不可避免的夹杂，钢的化学成分还必须满足：P_cm≤0.20；C_eq≤0.42，采用奥氏体完全再结晶区+奥氏体未再结晶区两个阶段控制轧制、在线层流冷却及离线回火等工艺，生产出的钢板抗拉强度≥610MPa。本发明钢与之相比，具有高强度(抗拉强度700MPa级)，工艺简单，生产成本低，可高效率生产等特点。

舞阳钢铁股份有限公司(中国专利，200610018010)提供了一种低焊接裂纹敏感性钢板及其生产方法，由以下重量百分含量的化学成分组成：C≤0.07，Si：0.15～0.40，Mn：1.00～1.60，P≤0.015，S≤0.010，Cu≤0.30，Ni≤0.50，Cr≤0.30，Mo≤0.30，V≤0.08，Nb≤0.08，Ti：0.010～0.020，B≤0.003，其余为Fe和不可避免的杂质。该发明钢是通过低碳贝氏体型成分设计及控轧控冷+回火的工艺，生产出符合低焊接裂纹敏感性的要求(Pcm≤0.20％)的600MPa级WDB620钢板。与本发明钢相比，该发明钢的强度较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗拉强度700MPa级低焊接裂纹敏感性钢及其生产方法，使钢板集高强度、高韧性和低焊接裂纹敏感性于一体，生产成本低、适合大生产操作，又能以加入最少量、最合理的微合金元素达到提高钢的强度和韧性的目的。

本发明的技术方案：本发明的抗拉强度700MPa级低焊接裂纹敏感性钢的化学成分重量百分比为C：0.08～0.12、Si：0.15～0.40、Mn：1.00～2.00、P≤0.015、S≤0.006、Ni：0.25～0.55、Mo：0.15～0.28、V：0.02～0.10以及Cu：0.18～0.30、Cr：0.15～0.30、Ti：0.008～0.020、B：0.0007～0.0027中的两种或两种以上，其余为Fe及不可避免的夹杂，此外还要满足Pcm≤0.24％，Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B(％)。

所述的抗拉强度700MPa级低焊接裂纹敏感性钢，其最佳实施例1钢的化学成分重量百分比为C：0.08、Si：0.25～0.30、Mn：1.70～1.90、P≤0.010、S≤0.005、Ni：0.50～0.55、Mo：0.20～0.25、V：0.03～0.06、Cr：0.20～0.30、Ti：0.010～0.018、B：0.0007～0.0015，其余为Fe及不可避免的夹杂。

所述的抗拉强度700MPa级低焊接裂纹敏感性钢，其最佳实施例2钢的化学成分重量百分比为C：0.08、Si：0.15～0.25、Mn：1.50～1.70、P≤0.008、S≤0.005、Ni：0.35～0.40、Mo：0.15～0.20、V：0.05～0.08、Cu：0.20～0.25、Ti：0.015～0.019、B：0.0015～0.0025，其余为Fe及不可避免的夹杂。

所述的抗拉强度700MPa级低焊接裂纹敏感性钢，其最佳实施例3钢的化学成分重量百分比为C：0.10、Si：0.35～0.40、Mn：1.80～2.00、P≤0.010、S≤0.006、Ni：0.30～0.40、Mo：0.15～0.25、V：0.02～0.07、Cu：0.18～0.24、Ti：0.008～0.018、B：0.0007～0.0010，其余为Fe及不可避免的夹杂。

所述抗拉强度700MPa级低焊接裂纹敏感性钢的生产方法，采用铁水深脱硫技术，转炉顶底吹炼，真空处理及连铸工艺，按通常纯净钢工艺进行轧制、调质热处理，其特征在于：轧制工艺钢坯加热温度为1200～1230℃，加热速率为8～14min/cm，钢的开轧温度1070℃～1100℃，控轧末三道累计压下率≥30％，终轧温度790～860℃；采用调质工艺生产，淬火温度为900～960℃，保温时间为30～40分钟+h×1分钟/mm；回火温度为600～660℃，保温时间为50～60分钟+h×1分钟/mm；保温时间公式中的h为钢板厚度，以mm为单位。

最佳终轧温度为830～840℃。

最佳淬火温度为930～940℃，保温时间为30～40分钟+h×1分钟/mm。

最佳回火温度为630～640℃，保温时间为50～60分钟+h×1分钟/mm。

本发明的钢具有如下优点：

本发明钢在成分设计上采用Mn-Ni-Mo-V系成分，Cu-Cr-Ti-B中的二种或二种以上复合加入，控制Pcm≤0.24％(Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B(％))。利用调质热处理得到回火索氏体组织，同时利用Mo、V和/或Cu等微合金元素的复合沉淀析出保证钢材获取足够的韧性和强度。本发明钢经轧制及调质热处理后，具有极优综合力学性能、冷热加工性能和焊接性能。本发明钢可采用手弧焊、埋弧焊、气体保护焊、电渣焊或钨极惰性气体保护焊等方法焊接，能有效降低焊接施工强度，提高焊接效率，可用于制造10000m³以上大型天然气球罐(设计温度为-20～350℃)以及水电站压力钢管、水电机组蜗壳等构件。特别是：

1.该钢具备低焊接裂纹敏感性，焊接性能优异，可简化焊接工艺，降低成本，适应大生产要求。

2.该钢抗拉强度R_m≥690MPa，-20℃A_KV≥47J，强度大大高于现行调质压力容器用钢标准GB19189中的钢种。

3.钢板制造工艺简单，生产成本低，可高效率生产。

具体实施方式

本发明为了达到上述目的，设计了一种全新的700MPa级低焊接裂纹敏感性系列钢，钢的化学成分重量百分比为C：0.08～0.12、Si：0.15～0.40、Mn：1.00～2.00、P≤0.015、S≤0.006、Ni：0.25～0.55、Mo：0.15～0.28、V：0.02～0.10以及Cu：0.18～0.30、Cr：0.15～0.30、Ti：0.008～0.020、B：0.0007～0.0027中的两种或两种以上，其余为Fe及不可避免的夹杂，此外还要满足Pcm≤0.24％，Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B(％)。

以下详述本发明中C、Si、Mn、P、S、Ni、Mo、Cu、Cr、V、Ti、B、Pcm限定量的理由。

本发明的C含量选择在0.08～0.12％，C是钢中不可缺少的提高钢材强度的元素之一。随着碳含量的增加，钢中Fe₃C增加，淬硬性也增加，钢的抗拉强度和屈服强度提高而延伸率、冲击韧性下降。在焊接C含量较高的钢材时，在焊接热影响区还会出现淬硬现象，这将加剧焊接时产生冷裂纹的倾向。此外，C还是影响Pcm的主要因素，要控制钢Pcm值不大于0.24％，使其具有低的焊接裂纹敏感性，钢中C含量控制在0.08～0.12％。

本发明的Si含量选择在0.15～0.40％，Si主要以固溶强化形式提高钢的强度，但含量不可过高，以免降低钢的韧性。

本发明的Mn含量选择在1.00～2.00％，当C含量在较低范围时，钢中的固溶强化就显得尤为重要，Mn是提高钢的屈服强度和抗拉强度的元素，它并不恶化钢的变形能力，含1.00％的Mn约可为抗拉强度贡献100MPa。一般说来，Mn含量在2.00％以下对提高焊缝金属的韧性是有利的，因此，在低碳高强度钢中，普遍提高Mn的含量，最高可达2.00％。

本发明的P≤0.015％、S≤0.006％，这是由于钢中P、S夹杂的含量必须控制在较低的范围，只有钢质纯净，才能保证本发明钢的性能。

Ni具有一定的强化作用，加入1.00％的Ni可提高钢材强度约20MPa。Ni还能显著地改善钢材的韧性，特别是低温韧性。钢中加入Ni，无论是基材，还是焊接热影响区的低温韧性都明显提高。但Ni含量过高时，造成钢板氧化铁皮难以脱落，本发明钢将Ni控制在0.25～0.55％。

Mo元素提高钢材强度特别是高温强度的能力较之Mn、Cr更高，同时它也是增强钢材抗氢蚀能力的主要元素之一。加入0.50％的Mo能使钢的高温蠕变强度提高75％，少量的Mo(0.20％左右)还能提高焊缝金属的韧性，但是加入Mo也会提高钢的淬硬性，从而提高钢材焊接冷裂纹敏感性，所以Mo的含量控制在0.15～0.28％。

V是强烈的碳氮化物形成元素。它通过形成碳氮化物阻止奥氏体晶粒长大而细化晶粒，提高钢材的常温和高温强度；当V与Cr、Mo同时存在时，则会在回火过程中形成复杂的碳氮化物而降低焊接接头的塑韧性。特别强调的是Cr、Mo、V钢厚壁容器的焊接接头在焊后进行消除应力处理(SR处理)时对裂纹的敏感性较高，因此无论为保证塑韧性还是避免消除应力过程中产生裂纹，都必须严格控制V量(限制在0.02～0.10％)。

本发明中还含有Cu、Cr、Ti、B中的两种或两种以上。

Cu在钢中主要起沉淀强化作用，此外还有利于获得良好的低温韧性，增加钢的抗疲劳裂纹扩展能力。含量过高时，钢板焊接热影响区韧性降低，且在钢板轧制过程中产生网裂，本发明控制在0.18～0.30％。

Cr是缩小奥氏体区的元素，是中等强度碳化物形成元素，在钢中可以形成碳化物也可固溶于铁素体，其含量下限为0.15％。同时，Cr还是提高钢淬透性的有效元素，在Cu-Cr-Ni复合添加的情况下，加入Cr会提高钢材焊接冷裂纹敏感性，本发明中Cr的含量控制在0.15～0.30％。

本发明的Ti含量选择在0.008～0.020％，Ti是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，它能明显地提高钢的室温强度和高温强度，由于Ti能起细化晶粒的作用，故也能提高钢的韧性，其含量下限为0.008％。适量的Ti能提高焊缝金属的韧性，但过量的Ti又会在钢中形成夹杂，在低合金高强钢中从提高焊缝金属的韧性考虑，加入不超过0.020％的Ti较为合适，利用Ti形成的第二相质点TiN、Ti(CN)等阻止焊接热影响区粗晶区的晶粒长大，保证焊接接头具有良好的低温韧性。

本发明的B含量选择在0.0007～0.0027％，B是强烈提高淬透性的元素，B可有效的抑制先共析铁素体的形核及生长，由于B在奥氏体晶界上的非平衡偏析，强烈抑制γ-α相变，促使奥氏体在淬火时形成细小的低碳马氏体，从而提高钢的屈服强度和抗拉强度，此外，B与N的交互作用，能明显提高钢的低温韧性。但钢中B含量过高会使消除应力处理(SR处理)后“B相”呈网状析出，产生SR裂纹。B易形成碳化物和氮化物，并易聚集在原奥氏体晶界，使晶界附近位错密度增高，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，所以B含量选择在0.0007～0.0027％。

本发明属低合金钢制造领域，低合金钢系Fe基钢，本发明除含有上述化学成分外，余量为Fe及不可避免的夹杂。

本发明钢的生产方法，采用铁水脱硫技术，转炉顶底吹炼，真空处理及连铸工艺，按通常纯净钢工艺进行轧制、热处理，钢的开轧温度≥1070℃，控轧末三道累计压下率≥30％，终轧温度790～860℃；采用调质工艺生产，淬火温度为900～960℃，保温时间为：(30～40)分钟+板厚(单位：mm)×1分钟/mm；回火温度600～660℃，保温时间为(50～60)分钟+板厚(单位：mm)×1分钟/mm。

最佳终轧温度为830～840℃。最佳淬火温度为930～940℃，保温时间为30～40分钟+h×1分钟/mm。最佳回火温度为630～640℃，保温时间为50～60分钟+h×1分钟/mm。

实施例：按本发明钢化学成分及生产工艺要求进行了9个实施例(规格16mm)，并与背景技术中相关技术的钢种，如住友金属(对比钢1)、鞍钢(对比钢2)、舞阳钢铁公司(对比钢3)进行对比试验。实施例与对比钢的化学成分见表1，轧制及热处理工艺见表2，力学性能见表3。

表1实施例与对比钢化学成分(wt，％)

表2实施例与对比钢生产工艺

表3实施例与对比钢性能

最佳实施例1：钢的化学成分重量百分比为C：0.08、Si：0.25～0.30、Mn：1.70～1.90、P≤0.010、S≤0.005、Ni：0.50～0.55、Mo：0.20～0.25、V：0.03～0.06、Cr：0.20～0.30、Ti：0.010～0.018、B：0.0007～0.0015，其余为Fe及不可避免的夹杂。

钢中加入了少量Ti、B元素，且C含量高于比较钢1，钢板强度较比较钢1(住友金属(JP54130426))有大幅度提高，延伸率最高，冲击性能略高于比较钢1，钢板含Ni量低，生产成本低于对比钢1，钢板的表面质量也优于对比钢1。

最佳实施例2钢的化学成分重量百分比为C：0.08、Si：0.15～0.25、Mn：1.50～1.70、P≤0.008、S≤0.005、Ni：0.35～0.40、Mo：0.15～0.20、V：0.05～0.08、Cu：0.20～0.25、Ti：0.015～0.019、B：0.0015～0.0025，其余为Fe及不可避免的夹杂。

所述钢中含有少量Cu、Ti、B元素，没有添加Nb，冲击性能大大高于对比钢2(中国专利，200510047196)，屈服强度和抗拉强度的匹配良好，具有优良的综合性能。

其最佳实施例3钢的化学成分重量百分比为C：0.10、Si：0.35～0.40、Mn：1.80～2.00、P≤0.010、S≤0.006、Ni：0.30～0.40、Mo：0.15～0.25、V：0.02～0.07、Cu：0.18～0.24、Ti：0.008～0.018、B：0.0007～0.0010，其余为Fe及不可避免的夹杂。

所述钢中贵重元素Ni含量最少，降低了生产成本；生产过程中所需要的淬火温度和回火温度较低，利于节约能源。钢板的各项性能匹配得较好，焊接热影响区的最高硬度HV10最低。

其余的实施例中，分别通过不同的Cu、Cr、Ti、B组合，施以表2的生产工艺，使实施例的抗拉强度R_m≥690MPa，-20℃A_KV≥47J，强度和韧性大大高于现行调质压力容器用钢标准GB19189中的钢种要求。

由此可见，本实施例通过在成分设计上合理控制碳含量，采用Ti、B、Cu、Cr的两种或两种以上复合，并提高钢的纯净度，从而确保了发明钢具有高强度、高韧性和低焊接裂纹敏感性，保证了发明钢具有优良的综合性能。

本发明钢在各冶金企业均可实施，可大大提高大型钢结构的焊接效率，降低制造成本。

本发明钢可广泛应用于石油、石化、化工、工程机械、水电及船舶等行业，具有广阔的应用前景。

Claims

1.一种抗拉强度700MPa级低焊接裂纹敏感性钢，其特征在于：钢的化学成分重量百分比为C：0.08～0.12、Si：0.15～0.40、Mn：1.00～2.00、P≤0.015、S≤0.006、Ni：0.25～0.55、Mo：0.15～0.28、V：0.02～0.10以及Cu：0.18～0.30、Cr：0.15～0.30、Ti：0.008～0.020、B：0.0007～0.0027中的两种或两种以上，其余为Fe及不可避免的夹杂，此外还要满足Pcm≤0.24％，Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B(％)。

2.根据权利要求1所述的抗拉强度700MPa级低焊接裂纹敏感性钢，其特征在于：钢的化学成分重量百分比为C：0.08、Si：0.25～0.30、Mn：1.70～1.90、P≤0.010、S≤0.005、Ni：0.50～0.55、Mo：0.20～0.25、V：0.03～0.06、Cr：0.20～0.30、Ti：0.010～0.018、B：0.0007～0.0015，其余为Fe及不可避免的夹杂。

3.根据权利要求1所述的抗拉强度700MPa级低焊接裂纹敏感性钢，其特征在于：钢的化学成分重量百分比为C：0.08、Si：0.15～0.25、Mn：1.50～1.70、P≤0.008、S≤0.005、Ni：0.35～0.40、Mo：0.15～0.20、V：0.05～0.08、Cu：0.20～0.25、Ti：0.015～0.019、B：0.0015～0.0025，其余为Fe及不可避免的夹杂。

4.根据权利要求1所述的抗拉强度700MPa级低焊接裂纹敏感性钢，其特征在于：钢的化学成分重量百分比为C：0.10、Si：0.35～0.40、Mn：1.80～2.00、P≤0.010、S≤0.006、Ni：0.30～0.40、Mo：0.15～0.25、V：0.02～0.07、Cu：0.18～0.24、Ti：0.008～0.018、B：0.0007～0.0010，其余为Fe及不可避免的夹杂。

5.一种权利要求1～4任一所述抗拉强度700MPa级低焊接裂纹敏感性钢的生产方法，采用铁水深脱硫技术，转炉顶底吹炼，真空处理及连铸工艺，按通常纯净钢工艺进行轧制、调质热处理，其特征在于：轧制工艺钢坯加热温度为1200～1230℃，加热速率为8～14min/cm，钢的开轧温度1070℃～1100℃，控轧末三道累计压下率≥30％，终轧温度790～860℃；采用调质工艺生产，淬火温度为900～960℃，保温时间为30～40分钟+h×1分钟/mm；回火温度为600～660℃，保温时间为50～60分钟+h×1分钟/mm；保温时间公式中的h为钢板厚度，以mm为单位。

6.根据权利要求5所述的抗拉强度700MPa级低焊接裂纹敏感性钢的生产方法，其特征在于：终轧温度830～840℃。

7.根据权利要求5所述的抗拉强度700MPa级低焊接裂纹敏感性钢的生产方法，其特征在于：淬火温度为930～940℃，保温时间为30～40分钟+h×1分钟/mm。

8.根据权利要求5所述的抗拉强度700MPa级低焊接裂纹敏感性钢的生产方法，其特征在于：回火温度为630～640℃，保温时间为50～60分钟+h×1分钟/mm。