CN102021489A - 一种易焊接时效高强度钢及其热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种易焊接时效高强度钢及其热处理工艺，钢的化学成分重量百分比为：C 0.02％～0.10％、Si 0.05％～0.45％、Mn 0.50％～1.50％、Cu1.00％～1.80％、Ni 1.00％～4.00％、Cr 0.10％～1.00％、Mo 0.10％～0.80％、Al0.01％～0.050％、P≤0.025％和S≤0.01％，以及Nb 0.01％～0.06％、V 0.01％～0.05％中的一种或一种以上，余量为Fe及不可避免的夹杂，钢的热敏感系数Pcm≤0.35％。其热处理工艺为：终轧后的钢板进行直接淬火，以20～50℃/s的速度将钢板冷却到马氏体转变温度以下；将钢板重新加热到550～700℃，保温时间为1.2min/mm至3min/mm；最后在空气中冷却至室温。本发明钢板屈服强度≥850N/mm²，明显高于传统调质处理的同类钢强度，而-20℃条件下的V型夏比冲击功≥150J，保持了良好的韧性。

Description

一种易焊接时效高强度钢及其热处理工艺

技术领域

本发明涉及一种时效高强度钢及其热处理工艺，属于低合金钢制造领域，具体地是指一种低碳的含铜时效高强度钢及其直接淬火热处理生产方法，尤其适用于海洋工程结构如船舶和钻井平台等焊接结构的建造。

背景技术

随着船舶制造和海洋工程技术的发展，对结构用钢强度级别和低温韧性要求越来越高，同时还必须具有优异可焊接性能，以降低结构建造的难度和成本。本发明申请以前，含铜时效低碳钢一般都采取正火或者调质工艺生产，主要用于替代传统的中低碳高强度焊接结构用调质钢，如美国材料与试验协会标准ASTMA710/A710M中的Grade A和Grade B级别钢，采用正火加回火或者调质热处理工艺生产，但屈服强度最高仅为585N/mm²。武汉钢铁集团公司在2005年申请了“高强度易焊接时效硬化钢及其生产方法”的发明专利，专利号为200510018359.2，该专利公开说明了该钢中厚板采用调质热处理工艺，但其屈服强度仅为530～755N/mm²。上述采用传统正火或调质工艺生产的Cu强化高强度钢，不仅强度级别低，且生产过程须将轧后钢板重新加热至奥氏体化以上温度进行淬火，有能耗高和生产周期长的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够满足海洋船舶和海洋钻井平台结构使用的易焊接时效高强度钢及其低能耗的直接淬火热处理生产工艺。

本发明的时效高强度钢采用铜作为主要强化元素，因此钢中的碳含量可大大降低，既可保证钢的高强度和高韧性，也可改善高强度钢的焊接性能。同时采用直接淬火的热处理工艺方法可克服传统调质工艺或者正火等生产工艺需要再次加热和强度级别低的不足，具有能耗低和周期短的特点，可简化生产工艺流程和降低生产能耗，同时提供足够的强度以满足高级别的强度要求。

为实现上述目的，本发明所设计的易焊接时效高强度钢的化学成分重量百分比为：C 0.02％～0.10％、Si 0.05％～0.45％、Mn 0.50％～1.50％、Cu1.00％～1.80％、Ni 1.00％～4.00％、Cr 0.10％～1.00％、Mo 0.10％～0.80％、Al0.01％～0.050％、P≤0.025％和S≤0.01％，以及Nb 0.01％～0.06％、V0.01％～0.05％中的一种或一种以上，余量为Fe及不可避免的非金属夹杂。该钢的热敏感系数按下面公式计算满足Pcm≤0.35％。

$\mathrm{Pcm}=C+\frac{\mathrm{Si}}{30}+\frac{\mathrm{Mn}}{20}+\frac{\mathrm{Cu}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{60}+\frac{\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Mo}}{15}+\frac{V}{10}+5B$

其中C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V和B分别代表各自合金元素的重量百分比含量。

在热加工过程中，富集到奥氏体晶界处的Cu形成低熔点液膜，弱化了晶粒间的结合力而使钢板出现热脆性，而Ni能共存于晶界中的富Cu层，可提高晶界处富Cu层的熔点并增加Cu在钢中的溶解度，阻止了液膜的形成，防止了热脆性的产生，因此在上述时效高强度钢的化学成分中，Ni含量与Cu含量重量比应不小于0.5。

上述时效高强度钢的生产方法为纯净钢冶炼。

上述时效高强度钢主要强化机理为固溶强化、析出沉淀强化以及晶粒细化强化。

以下详细阐述本发明的铜沉淀强化高强度钢中各合金成分作用机理，其中百分符号％代表重量百分比：

C：0.02％～0.10％

C在淬火钢中能提高马氏体形成能力而提高钢淬透性，同时也是钢中主要的固溶强化元素。C含量若低于0.02％，则很难保证钢的强度。另一方面C含量若高于0.10％则恶化钢的焊接性能和韧性。低的碳通过减少产生裂纹源的碳化物而提高韧性并降低韧脆转变温度。因此C含量要控制在0.02％～0.10％。从经济性和产品性能角度考虑，最好C含量控制在0.03％～0.08％。

Mn：0.50％～1.50％

Mn是保证钢的强度和韧性的必要元素，Mn与S结合形成MnS，避免晶界处形成FeS而导致的热裂纹，同时Mn也是良好的脱氧剂和增加淬透性。若Mn含量低于0.5％，则很难保证上述效果，若Mn元素太高则会恶化焊接性能，因此Mn含量应该控制在0.50％～1.50％。

Cu：1.00％～1.80％

Cu是本发明使用的主要特征元素。通过Cu的析出沉淀强化，可以降低C含量从而使钢的焊接性能和韧性得到提高。为了保证得到本发明的高强度钢，Cu含量不应低于1.00％，但Cu含量高于2.00％会导致韧性和热加工性能同时降低。从经济性和性能角度考虑，本发明Cu含量在1.00％～1.80％之间，优选为1.20％～1.80％。

Ni：1.00％～4.00％

Ni能有效防止含Cu钢在热加工过程中的裂纹产生，因而提高了钢的加工性能。同时Ni还能有效提高钢的强度。为了有效抑制热加工过程中的裂纹，Ni含量应该不低于Cu含量的一半。另一方面Ni含量太高也会导致氧化铁皮缺陷，此外Ni还是一种高价金属，因此Ni含量不应该高于4.0％。本发明Ni含量在1.00％～4.00％之间，优选为1.20％～3.60％。

Si：0.05％～0.45％、Al：0.01％～0.05％

Si和Al都是钢中很强的脱氧剂，但若超过含量上限将降低韧性和焊接性能。固溶形态的Si时能提高屈服强度和韧脆转变温度。Al与N形成AlN钉扎晶界而细化铁素体晶粒，同时也去除了固溶N，从而降低韧脆转变温度，因此0.05％～0.45％的Si和0.01％～0.05％的Al保留在钢中是必要的。

Cr：0.10％～1.00％、Mo：0.10％～0.80％

Cr和Mo均能有效提高钢的淬透性和强度，然而过多的含量会恶化钢的韧性和焊接性能，因此为了保证本发明的钢获得更好的性能，Cr和Mo含量最好在以下范围内：Cr：0.10％～1.00％、Mo：0.10％～0.80％。其中Mo含量的优选为0.50％～0.80％。

Nb：0.01％～0.06％、V：0.01～0.05％

Nb和V与钢中C和N形成细小的碳氮化物析出相，从而起到稳定奥氏体晶粒尺寸和强化作用。Nb和V作为微合金化元素，其一种或两种元素的组合含量应分别控制在以下含量范围内：Nb：0.01％～0.06％、V：0.01％～0.05％。

P≤0.025％、S≤0.01％

P和S都是钢中不可避免的有害杂质，它们的存在会严重恶化钢的韧性，因此要采取措施使钢中的P和S含量尽可能降低。根据本发明，最高P含量限制在0.025％，最高S含量限制在0.01％。

上述时效高强度钢的直接淬火热处理生产工艺的技术方案为：

(1)将上述化学成分的时效高强度钢板坯加热到不低于1100℃但不高于1250℃的温度。在低于1100℃的温度不足以让合金元素完全溶解到奥氏体中，并不能保证热轧所需的终轧温度。另一方面，在高于1250℃的温度会是奥氏体晶粒粗化，将降低钢板的韧性。

(2)将加热后的钢坯分奥氏体再结晶区和未再结晶区温度轧制成钢板，开轧温度控制在1080℃至1120℃之间，终轧温度控制在830℃至920℃之间。

(3)终轧后的钢板以气雾冷却方式进行直接淬火。为了保证得到下贝氏体或马氏体显微组织，以20℃/s至50℃/s的冷却速度将钢板冷却到马氏体转变温度以下。

(4)将钢板重新加热到不低于550℃且不高于700℃的温度，保温时间为1.2min/mm至3min/mm，这是为了保证获得充分且稳定的Cu析出沉淀强化效果。如果加热温度低于550℃，固溶的Cu得不到充分的析出沉淀，如果加热温度高于700℃，析出的Cu颗粒会粗化长大，这两种情况均会使钢板强度得不到保证。

(5)将重新加热并保温后的钢板在空气中冷却至室温。

上述方法生产的时效高强度钢板厚度为14～50mm。钢中沉淀析出的富Cu相颗粒平均直径为4～20nm。

采用本发明的热处理工艺，具有如下效果：

(1)采用超低碳和高含量铜的成分设计，同时以高镍和适量的钼和铬来保证钢的淬透性，既保证了钢板的高强度和高韧性，还极大改善了高强度钢板的焊接性能，简化了钢板在结构工程中的焊接前预热工序，从而降低了结构建造成本。

(2)采用热轧后直接淬火热处理工艺。以不低于20℃/s的冷却速率进行轧后直接淬火，节省了同类钢板离线淬火的工序，具有生产周期短、生产效率高、生产能耗低的优点。

(3)轧后直接淬火工艺能保留大变形量轧制的钢板组织中的高密度位错，为含铜钢在时效时富Cu相颗粒的沉淀析出提供了更多的形核位置，从而获得比同类型常规调质钢更高的强度。

综上所述，采用本发明生产的时效高强度钢，从钢的强韧性及可焊性、生产成本及用户使用成本等方面均为海洋工程用钢提供了一种更适宜和高效的生产工艺。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的时效高强度钢及其直接淬火热处理工艺方法作进一步的说明：

附表1列出了本发明的时效高强度钢的7种具体实施例的化学成分。这几种钢的生产方法如下：将经过预处理的铁水在转炉上进行顶底复合吹炼，脱硫扒渣后铁水中S≤0.005％，然后将钢水进行LF和VD精炼，降低钢水中的气体含量，并调整成分使钢水化学成分满足表1的要求，余量为Fe及不可避免的杂质。成分符合表1要求的钢水通过连铸机浇铸成200～300mm×1650mm断面的板坯。然后将板坯送中厚板厂，在厚板轧机上经粗轧和精轧后，奥氏体晶粒得到有效细化。轧后钢板在高温状态下迅速进行在线直接淬火。为使钢板达到淬火的效果，采用计算机自动控制工艺要求的冷却速度和终冷温度。淬火后的钢板进行时效热处理，完全达到了调质处理的效果。

轧制工艺：先将板坯在步进式加热炉中均匀加热至1100～1250℃，采用可逆式四辊轧机控制轧制，粗轧开轧温度≥1080℃，在950℃以上完全再结晶区进行累积压下量55％～80％的粗轧。粗轧后经高压水急冷和空冷后进入未再结晶区精轧，精轧开轧温度为920～950℃，累积压下量≥50％，末道次之前道次压下量控制在25％～30％。终轧温度为830～920℃。

直接淬火工艺：厚度为14mm～50mm的钢板终轧后尽快进入冷却区域，防止变形奥氏体长大和铁素体的析出。利用冷却区域的气雾冷的快速冷却却实现钢板淬火。冷却平均速率为20～50℃。终冷温度控制在150～250℃。

时效热处理工艺：直接淬火后的钢板在回火炉进行550～700℃的时效热处理，以使钢板中位错位置析出细小弥散的富Cu相颗粒(平均直径为4～20nm)，起到沉淀强化作用。

本发明时效高强度钢的直接淬火热处理工艺参数和性能检验结果分别列于附表2、3。从结果可以看出本发明的14mm、25mm和50mm厚度钢板均满足屈服强度≥850N/mm²，明显高于传统调质处理的同类钢强度，而-20℃条件下的V型夏比冲击功≥150J，保持了良好的韧性。

附表1本发明钢的化学成分

附表2本发明钢的直接淬火及热处理工艺参数

附表3本发明钢的性能检验结果

Claims (5)

1.一种易焊接时效高强度钢，其特征在于钢的化学成分重量百分比为：C0.02％～0.10％、Si 0.05％～0.45％、Mn 0.50％～1.50％、Cu 1.00％～1.80％、Ni1.00％～4.00％、Cr 0.10％～1.00％、Mo 0.10％～0.80％、Al 0.01％～0.050％、P≤0.025％和S≤0.01％，以及Nb 0.01％～0.06％、V 0.01％～0.05％中的一种或一种以上，余量为Fe及不可避免的非金属夹杂，钢的热敏感系数按下面公式计算满足Pcm≤0.35％，

$\mathrm{Pcm}=C+\frac{\mathrm{Si}}{30}+\frac{\mathrm{Mn}}{20}+\frac{\mathrm{Cu}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{60}+\frac{\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Mo}}{15}+\frac{V}{10}+5B.$

2.根据权利要求1所述的易焊接时效高强度钢，其特征在于钢的化学成分重量百分比为：C 0.03％～0.08％、Cu 1.20％～1.80％、Ni 1.20％～3.60％、Mo0.50％～0.80％。

3.根据权利要求1或2所述的易焊接时效高强度钢，其特征在于Ni含量与Cu含量重量比≥0.5。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的易焊接时效高强度钢，其特征在于钢中沉淀析出的富Cu相颗粒平均直径为4～20nm。

5.一种用于权利要求1至4任意一项所述的易焊接时效高强度钢的热处理工艺，其特征在于：

(1)将上述化学成分的时效高强度钢坯加热到1100～1250℃；

(2)将加热后的钢坯分奥氏体再结晶区和未再结晶区温度轧制成钢板，开轧温度控制在1080℃至1120℃之间，终轧温度控制在830～920℃；

(3)终轧后的钢板以气雾冷却方式进行直接淬火，以20～50℃/s的冷却速度将钢板冷却到马氏体转变温度以下；

(4)将钢板重新加热到550～700℃，保温时间为1.2min/mm至3min/mm；

(5)将重新加热并保温后的钢板在空气中冷却至室温。