CN101660105B

CN101660105B - 强韧匹配良好的高强特厚调质钢板及其制造方法

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Publication number: CN101660105B
Application number: CN2008100420888A
Authority: CN
Inventors: 刘自成; 施青
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2008-08-26
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2028-08-26
Also published as: CN101660105A

Abstract

强韧匹配良好的高强特厚调质钢板及其制造方法，采用低C-Mn-(Ti+V+B)微合金钢的成分体系作为基础，适当提高钢中酸溶Als含量，且Als≥(Mn当量/C)×(N_total-0.292Ti)、控制(Mn当量)/C比在10～30之间、(Cu+Ni+Mo+Cr)合金化，且Ni/Cu≥1.0、Ca处理，且Ca/S比在0.80～3.00之间，且(Ca)(S)^0.18≤2.5×10^-3、控制F×DI指数≥0.65×成品钢板厚度等冶金技术手段，优化再结晶控轧+调质工艺(Q+T)，使成品钢板的显微组织为细小回火贝氏体(可能含有极少量的铁素体)，平均晶团尺寸在25μm以下，获得优良的强韧性/强塑性匹配且沿板厚方向力学性能均匀，特别适用于水电压力水管、涡壳及海洋平台等大型钢结构。

Description

强韧匹配良好的高强特厚调质钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及调质钢板及其制造方法，特别涉及一种强韧匹配良好的高强特厚调质钢板及其制造方法。

背景技术

众所周知，低碳(高强度)低合金钢是最重要工程结构材料之一，广泛应用于石油天然气管线、海洋平台、造船、桥梁结构、锅炉容器、建筑结构、汽车工业、铁路运输及机械制造之中。低碳(高强度)低合金钢性能取决于其化学成分、制造过程的工艺制度，其中强度、韧性和焊接性是低碳(高强度)低合金钢最重要的性能，它最终决定于成品钢材的显微钢织状态。

随着科技不断向前发展，大们对高强钢的强韧性、强塑性匹配提出更高的要求，即在维持较低的制造成本的同时大幅度地提高钢板的综合机械性能和使用性能，以减少钢材的用量节约成本，减轻钢结构的自身重量、稳定性和安全性，更为重要的是为进一步提高钢结构安个稳定性和冷热加工性。

目前日韩欧盟范围内掀起了发展新一代高性能钢铁材料的研究高潮，力图通过合金组合设优化计和革新制造工艺技术获得更好的组织匹配，使高强钢获得更优良的强韧性、强塑性匹配。

传统的抗拉强度≥650MPa的特厚钢板主要通过淬火加回火(Q+T)，即所谓调质方法来生产，这就要求钢板中心部位必须具有足够高的淬透性，即淬透性指数DI≥1.2钢板厚度，其中DI＝0.311C^1/2(1+0.64Si)×(1+4.10Mn)×(1+0.27Cu)×(1+0.52Ni)×(1+2.33Cr)×(1+3.14Mo)×25.4(mm)，以确保钢板具有足够高的强度、优良的低温韧性及沿钢板厚度方向的显微组织与性能的均匀，因此不可避免地向钢中加入大量Cr、Mo、Ni、Cu等合金元素，这类钢板中的Mo和Cr含量一般要控制在≥0.50％，尤其贵重元素Ni含量要控制在≥0.60％以上，如日本专利昭59—129724、平1—219121所公开的。因为Ni元素不但能够提高钢板的强度和淬透性，降低相变温度细化贝氏体/马氏体板条团晶粒尺寸；更重要的是Ni唯一能够改善贝氏体/马氏体板条本身低温韧性的元素。如此，钢板的合金含量较高，碳当量Ceq和焊接冷裂纹敏感指数Pcm也较高，这给现场焊接带来较大的困难，焊前需要预热，焊后需要热处理，焊接成本升高、焊接效率降低、焊接现场工作环境恶化。

还有如日本专利昭63—93845、昭63—79921、昭60—258410、特平开4—285119、特平开4—308035、平3—264614、平2—250917、平4—143246及美国专利US Patent4855106、US Patent5183198、USPatent4137104，其只是说明如何实现母材钢板的强度和低温韧性，就改善钢板焊接能性，获得优良焊接热影响区HAZ低温韧性说明较少，更没有涉及如何确保特厚(≥60mm)调质钢板中心部位淬透性，以保证钢板强度、韧性及沿钢板厚度方向强度、韧性均匀性。

另外，特厚调质钢板可以制作水电工程的压力水管、涡壳，足水电工程建设关键材料，目前国内各大钢厂只能生产70mm以下的钢板，国内三大电机集团(哈电、上电及东电)所需特厚调质钢板均从日本和德国进口；不仅钢板进口价格昂贵，而且交货期无法保证，迫使用户在设计图纸出来前，提前订购具有一定尺寸余量钢板，以便设计图纸出来后，根据设计图纸要求的钢板尺寸要求裁剪钢板，导致材料巨大的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强韧匹配良好的高强特厚调质钢板及其制造方法，通过钢板合金元素的组合设计与特殊调质工艺(RCR+QT)相结合，在获得优良特厚(≥60mm)调质钢板强度、低温韧性及强韧韧性匹配的同时，钢板的焊接性也同样优异，并解决特厚调质钢板沿钢板厚度方向强韧韧性不均匀的问题；其抗拉强度≥650MPa、抗拉强度≥650MPa、—40℃的Charpy冲击功(单个值)≥47J、优良焊接性；同时，良好的焊接性节省了用户钢构件制造的成本，缩短了用户钢构件制造的时间，为用户创造了巨大的价值。

针对上述目的，本发明采用低C—Mn—(Ti＋V＋B)微合金钢的成分体系作为基础，适当提高钢中酸溶Als含量且Als≥(Mn当量/C)×(N_total—0.292Ti)、控制(Mn当量)/C比在10～30之间、(Cu＋Ni＋Mo＋Cr)合金化，且Ni/Cu≥1.0、Ca处理且Ca/S比在0.80～3.00之间，且(Ca)(S)^0.18≤2.5×10^-3、控制F×DI指数≥0.65×成品钢板厚度等冶金技术手段，优化再结晶控轧＋调质工艺(Q＋T)，使成品钢板的显微组织为细小回火贝氏体(可能含有极少量的铁素体)，平均晶团尺寸在25μm以下，获得优良的强韧性/强塑性匹配且沿板厚方向力学性能均匀，特别适用于水电压力水管、涡壳及海洋平台等大型钢结构。

具体地，本发明的技术方案是，

强韧匹配良好的高强特厚调质钢板，其成分重量百分比为：

C：0.06％～0.12％

Si：≤0.20％

Mn：1.15％～1.55％

P：≤0.013％

S：≤0.002％

Cr：0.20％～0.50％

Cu：0.15％～0.35％

Ni：0.30％～0.60％

Mo：0.15％～0.50％

Als：0.040％～0.060％

Ti：0.006％～0.011％

V：0.025％～0.060％

N：≤0.0060％

Ca：0.001％～0.005％

B：0.0006％～0.0014％

余量为铁和不可避免的夹杂；

其中，还必须同时满足如下关系：

C、Mn当量之间的关系：10≤(Mn当量)/C≤30，其中Mn当量＝Mn＋0.74Ni＋0.16Cu＋0.22Cr—0.73Mo；

Als、Ti与N之间的关系：Als≥(Mn当量/C)×(N_total—0.292Ti)；

Cu与Ni之间的关系：Ni/Cu≥1.0；(Cu+Ni+βCu×Ni)×V≥0.018，淬火条件下β取2.21；

Ca与S之间的关系：Ca/S在0.80～3.00之间，且5×10^-4≤(Ca)(S)^0.18≤2.5×10^-3：

有效淬透性指数D_eff＝F×DI≥0.65×t，其中F为硼钢淬透性因子，当钢中存在固溶[B]时且[B]≥5ppm时，F取1.3；t为成品钢板厚度；DI＝0.311C^1/2(1+0.64Si)×(1+4.10Mn)×(1+0.27Cu)×(1+0.52Ni)×(1+2.33Cr)×(1+3.14Mo)×25.4(mm)。

C对调质钢的强度、低温韧性、延伸率及焊接性影响很大，从改善特厚调质钢板低温韧性和焊接性角度，希望钢中C含量控制得较低；但是从调质钢的淬透性、强韧性匹配、生产制造过程中显微组织控制及制造成本角度，C含量不宜控制得过低；因次C含量合理范围为0.06％～0.12％。

Mn作为最重要的合金元素在钢中除提高钢板的强度外，还具有扩大奥氏体相区、降低Ar₃点温度、细化调质钢板晶团而改善钢板低温韧性的作用、促进低温相变组织形成而提高钢板强度的作用；但是Mn在钢水凝固过程中容易发生偏析，尤其Mn含量较高时，不仅会造成浇铸操作困难，而且容易与C、P、S、Mo、Cr等元素发生共轭偏析现象，尤其钢中C含量较高时，加重铸坯中心部位的偏析与疏松，严重的铸坯中心区域偏析在后续的轧制、热处理及焊接过程中易形成异常组织，导致调质钢板低温韧性低下和焊接接头出现裂纹；因此根据C含量范围，选择适宜的Mn含量范围对于特厚调质钢板极其必要，根据本发明钢成分体系及C含量为0.06％～0.12％，适合Mn含量为1.15％～1.55％，且C含量高时，Mn含量适当降低，反之亦然；且C含量低时，Mn含量适当提高。

Si促进钢水脱氧并能提高钢板强度，但采用A1脱氧的钢水，Si的脱氧作用不大，Si虽然能够提高钢板的强度，但是Si严重损害钢板的低温韧性、延伸率及焊接性，尤其在较大线能量焊接条件下，Si不仅促进M-A岛形成，而且形成的M—A岛尺寸较为粗大、分布不均匀，严重损害焊接热影响区(HAZ)韧性和焊接接头SR性能，因此钢中的Si含量应尽可能控制得低，考虑到炼钢过程的经济性和可操作性，Si含量控制在0.20％以下。

P作为钢中有害火杂对钢的机械性能，尤其低温冲击韧性、延伸率、焊接性及焊接接头SR性能具有巨大的损害作用，理论上要求越低越好；但考虑到炼钢可操作性和炼钢成本，对于要求优良焊接性、—40℃韧性及优良强韧性匹配的特厚调质钢板，P含量需要控制在≤0.013％。

S作为钢中有害夹杂对钢的低温韧性具有很大的损害作用，更重要的是S在钢中与Mn结合，形成MnS夹杂物，在热轧过程中，MnS的可塑性使MnS沿轧向延伸，形成沿轧向MnS夹杂物带，严重损害钢板的低温冲击韧性、延伸率、Z向性能、焊接性及焊接接头SR性能，同时S还是热轧过程中产生热脆性的主要元素，理论上要求越低越好；但考虑到炼钢可操作性、炼钢成本和物流顺畅原则，对于要求优良焊接性、—40℃韧性及优良强韧性匹配的特厚调质钢板，S含量需要控制在≤0.002％。

Cr作为弱碳化物形成元素，添加Cr不仅提高钢板的淬透性、促进马氏体/贝氏体形成，而且马氏体/贝氏体板条间位向差增大，增大裂纹穿过马氏体/贝氏体晶团的阻力，在提高钢板强度的同时，具有一定的改善钢板韧性之作用；但是当Cr添加量过多时，严重损害钢板的焊接性，尤其焊接接头SR性能；因此Cr含量控制在0.20％～0.50％之间。

添加Mo提高钢板的淬透性，促进马氏体/贝氏体形成，但是Mo作为强碳化物形成元素，在促进马氏体/贝氏体形成的同时，增大马氏体/贝氏体晶团的尺寸且形成的马氏体/贝氏体板条间位向差很小，减小裂纹穿过马氏体/贝氏体晶团的阻力；因此Mo在大幅度提高调质钢板强度的同时，降低了调质钢板的低温韧性和延伸率；并且当Mo添加过多时，不仅严重损害钢板的延伸率、焊接性及焊接接头SR性能，而且增加钢板SR脆性和生产成本。因此综合考虑Mo的相变强化作用及对母材钢板低温韧性、延伸率和焊接性的影响，Mo含量控制在0.15％～0.50％之间。

添加Ni不仅可以提高铁素体相中位错可动性，促进位错交滑移，而且增大马氏体/贝氏体板条间位向差；Ni作为奥氏体稳定化元素，降低Ar₃点温度，细化马氏体/贝氏体晶团尺寸，因此Ni具有同时提高调质钢板强度、延伸率和低温韧性的功能；钢中加Ni还可以降低含铜钢的铜脆现象，减轻热轧过程的晶间开裂，提高钢板的耐大气腐蚀性。因此从理论上讲，钢中Ni含量在一定范围内越高越好，但是过高的Ni含量会硬化焊接热影响区，对钢板的焊接性及焊接接头SR性能不利；同时Ni是一种很贵重元素，从性能价格比考虑，Ni含量控制在0.30％～0.60％之间，以确保钢板的淬透性和钢板的强韧性水平而不损害钢板的焊接性。

Cu也是奥氏体稳定化元素，添加Cu也可以降低Ar₃点温度，提高钢板的淬透性和钢板的耐大气腐蚀性；但是Cu添加量过多，高于0.35％，容易造成铜脆、铸坯表面龟裂、内裂问题及尤其特厚钢板焊接接头SR性能劣化；Cu添加量过少，低于0.15％，所起任何作用很小；因此Cu含量控制在0.15％～0.35％之间；Cu、Ni复合添加除降低含铜钢的铜脆现象、减轻热轧过程的晶间开裂之作用外，更重要的是Cu、Ni均为奥氏体稳定化元素，Cu、Ni复合添加可以大幅度降低Ar₃，提高奥氏体向铁素体相变的驱动力，导致马氏体/贝氏体板条可以向各个位向长大，导致马氏体/贝氏体板条间位向差变大，增加裂纹穿过马氏体/贝氏体板条的阻力。

B含量控制在0.0006％～0.0014％之间，确保钢板淬透性的同时，不损害钢板的焊接性和HAZ韧性。

Ti含量在0.006％～0.011％之间，抑制均热和热轧过程中奥氏体晶粒过分长大，改善钢板低温韧性，更重要的是抑制焊接过程中HAZ晶粒长大，改善HAZ韧性；此外Ti含量超过0.011％时，采用模铸浇注时，形成的TiN粒子不仅较多而且较为粗大，具有促进铁素体形成，严重影响钢板中心部位的淬透性。

钢中的Als能够固定钢中的自由[N]，降低焊接热影响区(HAZ)自山[N]，改善焊接HAZ的低温韧性作用，因此Als下限控制在0.040％；但是钢中加入过量的Als不但会造成浇铸困难，而且会在钢中形成大量弥散的针状Al₂O₃夹杂物，损害钢板内质健全性、低温韧性和焊接性，因此Als上限控制在0.060％。

采用模铸浇注时，钢中的N含量控制难度较大，为了确保钢板中固溶[B]的存在及防止大量AlN沿原奥氏体晶界析出，损害钢板的冲击韧性，钢中的N含量不得超过0.006％。

V含量在0.030％～0.060％之间，并随着钢板厚度的增加加，V含量可适当取上限值。添加V目的是通过V(C，N)在贝氏体/马氏体板条中析出，提高钢板的强度。V添加过少，低于0.030％，析出的V(C，N)太少，不能有效提高特厚调质钢板的强度；V添加量过多，高于0.060％，损害钢板低温韧性、延伸率、焊接性及焊接SR性能。

对钢进行Ca处理，一方面可以进一步纯洁钢液，另一方面对钢中硫化物进行变性处理，使之变成不可变形的、稳定细小的球状硫化物、抑制S的热脆性、提高钢板的低温韧性、延伸率及Z向性能、改善钢板韧性的各向异性。Ca加入量的多少，取决于钢中S含量的高低，Ca加入量过低，处理效果不大；Ca加入量过高，形成Ca(O，S)尺寸过大，脆性也增大，可成为断裂裂纹起始点，降低钢的低温韧性和延伸率，同时还降低钢质纯净度、污染钢液。一般控制Ca含量按ESSP＝(wt％Ca)[1-1.24(wt％O)]/1.25(wt％S)，其中ESSP为硫化物夹杂形状控制指数，取值范围0.5～5之间为宜，因此Ca含量为0.0010％～0.0050％。

上述元素含量必须同时满足如下关系：

C、Mn当量之间的关系：10≤(Mn当量)/C≤30，其中Mn当量＝Mn＋0.74Ni＋0.16Cu＋0.22Cr—0.73Mo；确保钢板在—40℃条件下为断裂行为为塑性。

Als、Ti与N之间的关系：Als≥(Mn当量/C)×(N_total—0.292Ti)，以确保钢中固溶[B]≥5ppm且AlN以细小弥散状态析出，细化淬火前奥氏体晶粒尺寸，改善钢板低温韧性及沿板厚方向钢板力学性能均匀。

Cu与Ni之间的关系：Ni/Cu≥1.0，防止板坏铜脆和焊接SR脆性；(Cu+Ni+βCu×Ni)×V≥0.018(淬火条件下β取2.21)，以实现Cu、Ni、V复合强韧化，提高钢板抗SR软化性。

Ca与S之间的关系：Ca/S在0.80～3.00之间且5×10^-4≤(Ca)(S)^0.18≤2.5×10^-3；以改善钢板低温韧性、焊接性、抗SR脆性、抗层状撕裂性能及模铸坯倒“V”偏析。

有效淬透性指数D_eff＝F×DI≥0.65×t，确保钢板强韧性匹配及沿板厚方向钢板性能均匀；其中F为硼钢淬透性因子，当钢中存在固溶[B]时且[B]≥5ppm时，F取1.3；t为成品钢板厚度；DI＝0.311C^1/2(1+0.64Si)×(1+4.10Mn)×(1+0.27Cu)×(1+0.52Ni)×(1+2.33Cr)×(1+3.14Mo)×25.4(mm)，以确保钢板具有优良的强韧性/强塑性匹配且沿板厚方向力学性能均匀。

强韧匹配良好的高强特厚调质钢板的制造方法，包括如下步骤：

1)按上述成分冶炼，采用模铸浇铸，钢包浇注过热度ΔT≥50℃，浇注温度T＝T_L＋ΔT，其中T_L＝1538—(55×[％C]+80×[％C]²+13×[％Si]+4.8×[％Mn]+1.5×[％Cr]+3.1×[％Ni])；

2)轧制，钢板总压缩比(板坯厚度/成品钢板厚度)≥4.0；

第一阶段为普通轧制，采用大轧制道次压下率进行连续轧制，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒；

第二阶段采用再结晶控制轧制，控轧开轧温度≤950℃，轧制道次压下率≥8％，再结晶区(≥800℃)累计压下率≥50％，终轧温度850℃～900℃；当控轧开轧温度低于950℃，奥氏体晶粒快速减少；

3)钢板从停冷结束到入缓冷坑保温之间的间隔时间不大于60min，保温工艺为钢板温度表面大于300℃的条件下至少保温36小时；

4)热处理，钢板淬火温度(板温)为900～935℃，淬火保持时间≥20min，淬火保持时间为钢板中心温度达到淬火目标温度时开始计时的保温时间；钢板回火温度(板温)为590～650℃，钢板较薄时回火温度偏上限、钢板较厚时回火温度偏下限，回火保持时间≥(1.0～1.5)×成品钢板厚度，回火保持时间为钢板中心温度达到回火目标温度时开始计时的保温时间，时间单位为min；回火结束后钢板自然空冷至室温。

根据成分体系试验可知，Ac3为863℃，淬火最佳温度区间为Ac3+30～70℃之间。

本发明的有益效果

本发明通过成分的设计，在获得优良特厚(≥60mm)高强度高韧性调质钢板强韧韧性、强塑性匹配的同时，钢板的焊接工艺性也同样优异，并成功地解决了特厚调质钢板沿钢板厚度方向强韧性不均匀的问题，提高了大型重钢结构的安全稳定性、抗疲劳性能；良好的焊接性节省了用户钢构件制造的成本，缩短了用户钢构件制造的时间，为用户创造了巨大的价值，因而此类钢板不仅是高附加值、绿色环保性的产品。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明的实施例参见表1～表3。

表4为本发明实施例钢板的测试性能，从中可以看出，本发明钢种抗拉强度≥650MPa、抗拉强度≥650MPa、—40℃的Charpy冲击功(单个值)≥47J，具有优良焊接性。

综上所述，本发明通过钢板合金元素的组合设计与特殊调质工艺(RCR+QT)相结合，在获得优良特厚(≥70mm)调质钢板强度、低温韧性及强韧性匹配的同时，钢板的焊接性也同样优异，并成功地解决了特厚调质钢板沿钢板厚度方向强韧性不均匀的问题，而且提高了钢结构的安全稳定性、抗疲劳性能；良好的焊接性节省了用户钢构件制造的成本，缩短了用户钢构件制造的时间，为用户创造了巨大的价值，因而此类钢板不仅是高附加值、绿色环保性的产品。

随着我国国民经济发展，建设节约型和谐社会的要求，水电作为清洁能源开发已摆到日事议程，目前我国电力工程建设方兴未艾，水电工程的关键材料——压力水管、涡壳用特厚调质钢板具有广阔的市场前景。压力水管、涡壳用特厚调质钢板对于我围还属于一种全新的钢种，具有巨大的经济和社会效益。

Claims

1.强韧匹配良好的高强特厚调质钢板，其成分重量百分比为：

C：0. 06％～0.12％

Si：≤0. 20％

Mn：1. 15％～1.55％

P≤0. 013％

S≤0. 002％

Cr：0. 20％～0.50％

Cu：0. 15％～0.35％

Ni：0. 30％～0.60％

Mo：0. 15％～0.50％

Als：0. 040％～0.060％

Ti：0. 006％～0.011％

V：0. 025％～0.060％

N≤0. 0060％

Ca：0. 001％～0.005％

B：0. 0006％～0.0014％

余量为铁和不可避免的夹杂；

其中，还必须同时满足如下关系：

C、Mn当量之间的关系：10≤(Mn当量)/C≤30，其中Mn当量＝Mn+0.74Ni+0.16Cu+0.22Cr-0.73Mo；

Als、Ti与N之间的关系：Als≥(Mn当量/C)×(N_total-0.292 Ti)；

Ca与S之间的关系：Ca/S在0.80～3.00之间，且5×10^-4≤(Ca)(S)^0.18≤2.5×10^-3；

有效淬透性指数D_eff＝F×DI≥0.65×t，其中F为硼钢淬透性因子，当钢中存在固溶[B]时，且[B]≥5ppm时，F取1.3；t为成品钢板厚度；DI＝0.311C^1/2(1+0.64Si)×(1+4.10Mn)×(1+0.27Cu)×(1+0.52Ni)×(1+2.33Cr)×(1+3.14Mo)×25.4(mm)。

2.如权利要求1所述的强韧匹配良好的高强特厚调质钢板的制造方法，其包括如下步骤：

1)按上述成分冶炼，采用模铸浇铸，钢包浇注过热度ΔT≥50℃，浇注温度T＝T_L+ΔT，其中T_L＝1538-(55×[％C]+80×[％C]²+13×[％Si]+4.8×[％Mn]+1.5×[％Cr]+3.1×[％Ni])；

2)轧制，钢板总压缩比即板坯厚度/成品钢板厚度≥4.0；

第二阶段采用再结晶控制轧制，控轧开轧温度≤950℃，轧制道次压下率≥8％，再结晶区累计压下率≥50％，终轧温度850℃～900℃；

4)热处理，钢板淬火温度为900～935℃，淬火保持时间≥20min，淬火保持时间为钢板中心温度达到淬火目标温度时开始计时的保温时间；钢板回火温度为590～650℃，钢板较薄时回火温度偏上限、钢板较厚时回火温度偏下限，回火保持时间≥(1.0～1.5)×成品钢板厚度，回火保持时间为钢板中心温度达到回火目标温度时开始计时的保温时间，时间单位为min；回火结束后钢板自然空冷至室温。