CN102796966A - 一种高强度钢、钢管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢，其按重量百分比的化学成分为：C：0.12-0.18％；Si：0.1-0.5％；Mn：1.0-2.0％；S＜0.005％；Cr：0.3-1.0％；Mo：0.10-0.60％；W：0.10-0.80％；N≤0.005％；Nb：0.01-0.1％；V：0.01-0.2％；Ni：0.10-0.40％；O≤0.0030％；Ca+Mg：0.001-0.005％；B：0.0003-0.0020％；Ti：0.001-0.010％；其余由Fe和不可避免的杂质组成。本发明还涉及由所述钢制造的低温韧性好、焊接性能优良的高强度钢管，其制造方法包括将满足上述化学成分要求的钢坯加热穿孔后轧制成无缝钢管，将上述无缝钢管加热至890-940℃范围内保温10-30分钟后水冷，然后在580-670℃的温度间进行回火处理，回火时间为40-80分钟。

Description

一种高强度钢、钢管及其制造方法

技术领域

本发明涉及钢、钢管，特别是涉及一种具有960MPa以上抗拉强度、低温韧性好、焊接性能优良的超高强度钢、钢管及其制造方法，本发明的钢管可广泛应用于工程机械结构件、钢结构部件以及建筑结构件。

背景技术

当今工程机械及钢结构件向大承重、轻量化方向发展。对于承受高载荷的钢结构部件来说，减少结构的自重不但节省材料，也有利于提高结构承载能力。但减轻结构自重，同时保证其安全性，是一个两难问题。尤其是当钢结构件采用焊接加工时，高强高韧的结构件母材在较大热输入量下保证焊接接头强度和韧性成为一大难题。

高强钢的焊接难点是必须保证焊接部件热影响区的韧性。尤其对于钢结构件，由于加工组装过程主要依靠焊接加工，焊接占用的工作量大，为了提高工作效率，必须采用较大线能量的焊接工艺提高熔敷率。

CN1146784A提出了一种低温韧性、现场可焊性优良的抗拉强度为950MPa以上的超高强度钢，它的主要特征是复合添加Ni-Nb-Mo-微量Ti的低碳高锰钢，且其规定了显微组织是由平均奥氏体粒径为10μm以下的未再结晶奥氏体转变而成的细微马氏体及贝氏体组成。尽管碳当量较低，但其实施例中标注的焊接热输入量仅为5kJ/cm以下。钢结构件实际生产中焊接热输入量远远大于该值，一般都达到15kJ/cm以上。因此尽管其母材强度达到950MPa，-40℃低温韧性能达到100J以上，但相对大热输入条件下，热影响区晶粒会明显长大，由于其母材强度的提高主要依靠平均奥氏体粒径为10μm以下的未再结晶奥氏体转变而成的细微马氏体及贝氏体来实现，一旦热影响区晶粒明显长大后，其强度会急剧降低至950MPa以下。

目前，还未发现能同时满足抗拉强度大于960MPa，-40℃低温冲击韧性大于45J，在15kJ/cm以上焊接热输入量下焊接后焊接接头及热影响区强韧性能达到上述母材性能要求的相关文献及专利。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有960MPa以上抗拉强度、低温韧性好、焊接性能优良的超高强度钢及钢管。

在此所用的“焊接性能优良”是指大热输入，例如焊接热输入量为15kJ/cm以上，焊接后热影响区具有足够高强度和低温韧性。

在此所用的“足够高强度”是指抗拉强度为960MPa以上。

针对目前现有专利及产品，本发明的特征是添加适量Mn、Cr、Mo、W等合金元素，通过调质热处理得到细晶钢，从而提高材料母材强度，在此基础上，减少O、S，添加Ca、Mg等元素来减少夹杂物数量并控制夹杂物形状，同时复合添加Ti、B元素，降低N元素含量，形成大量弥散析出物，这些析出相的固溶温度较高，能有效阻止焊接过程中热影响区晶粒快速长大，从而得到一种具有960MPa以上抗拉强度，低温韧性好、焊接性能优良的超高强度钢及钢管。

为实现上述目的，本发明的具有960MPa以上抗拉强度、低温韧性好、焊接性能优良的超高强度钢管，其按重量百分比成分为：C：0.12-0.18％，Si：0.1-0.5％，Mn：1.0-2.0％，S＜0.005％，Cr：0.3-1.0％，Mo：0.10-0.60％，W：0.10-0.80％，N≤0.005％，Nb：0.01-0.1％，V：0.01-0.2％，Ni：0.10-0.40％，O≤0.0030％，Ca+Mg：0.001-0.005％，B：0.0003-0.0020％，Ti：0.001-0.010％，同时还满足如下关系式：(B+Ti)/N＞1，Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+Ni/15＜0.68，其余由Fe和不可避免的杂质组成。

以下说明成份元素的限定理由：

C是确保基体强度的必要化学成分，低于0.12％的含量不能得到所希望的强度。另一方面，高于0.18％的含量将影响可焊性并在受热影响的部分中导致较低韧性。因此，本发明中控制C含量为0.12-0.18％，优选地为0.12-0.17％，更优选为0.13-0.16％。

Si在钢中作为脱氧剂。为了达到效果，至少需加入0.1％的Si。但假如过多会降低钢的可焊性和韧性，因此，本发明中控制Si含量为0.1-50％，优选地为0.1-0.45％，更优选为0.13-0.42％。

Mn也是一种脱氧剂，同时可以使本发明钢的显微组织成为马氏体主体组织，是确保优良的强度、低温韧性平衡所不可缺少的元素，其下限为1.0％，然而，过多的Mn元素则会增加钢的可淬透性，以致不仅会降低HAZ(热影响区)韧性和可焊性，而且会助长连续铸造的中心偏析，母材的低温韧性也会恶化，因此，本发明中控制Mn含量为1.0-2.0％，优选为1.2-2.0％，更优选为1.25-1.95％。

Ni可以提高材料的低温韧性和现场可焊性。添加Ni，与添加Mn或Cr、Mo相比较，不仅在轧制组织中形成的有害于低温韧性的硬化组织较少，而且0.1％以上的微量Ni添加对于提高HAZ韧性的改善也是有效的。但添加量过多，不仅不经济，而且会恶化HAZ韧性和现场可焊性，因此，本发明中控制Ni含量为0.1-0.50％，优选为0.1-0.4％，更优选为0.15-0.35％。

Mo可以提高钢的可淬性，获得马氏体主体的微观组织。在添加B的钢中Mo的可淬性提高效果更大。同时Mo也是强化元素，可以提高材料的强度。为了获得很高的强度，Mo最低需要0.15％。然而，过多地添加Mo会使HAZ韧性降低，因此，本发明中控制Mo含量为0.15-0.60％，优选为0.2-0.5％，更优选为0.25-0.4％。

Cr可以增加母材、焊接部位的强度，提高淬透性，但含量太多影响焊接开裂敏感性，降低焊接热影响区的韧性，所以加入量最多为0.8％

W可以提高钢的可淬性，提高材料的强度，更为关键的是其在提高强度的同时，相比于Mo等元素，其降低焊接性能的程度较低。因此为了达到强化效果，限定其下限为0.10％，过多地添加W会使HAZ韧性降低，因此，本发明中控制W含量为0.10-0.80％，优选为0.15-0.75％，更优选为0.20-0.70％。

V具有和Nb大致相同的效果，但其效果比Nb弱一些。然而，超高强度钢中的V的添加效果大，Nb和V的复合添加使本发明的优良特征更加明显。考虑到热影响区韧性，现场可焊性，Nb和V的含量不能过高。本发明中限定Nb含量控制范围为0.01-0.1％；V含量控制范围为0.01-0.2％，优选地，Nb含量为0.02-0.09％，V含量为0.02-0.18％，更优选Nb含量为0.03-0.08％，V含量为0.03-0.15％。

Ti、B、N是本发明最为关键的几个元素，通过添加适量的Ti、B元素，可以提高材料的焊接性能，微量的B元素可以提高材料的淬透性，在焊接冷却过程析出的BN可以细化热影响区组织，提高材料的韧性。TiN的固溶温度可以达到1400℃以上，高温下仍然细小弥散，焊接过程中TiN夹杂物钉扎可以阻止奥氏体晶粒在高温下的长大。钢中的自由氮对材料韧性是有害的，在近熔合线处TiN不可避免地会有所固溶并释放出一些自由N。添加B、Ti可以限制材料中的自由N，但过量的B、Ti会诱导晶内铁素体形核，从而降低热影响区的强度。因此本发明中规定B含量为0.0005-0.0023％；Ti含量为0.001-0.010％，N含量＜0.005％，且这三种元素满足关系式：(B+Ti)/N＞1。如果(B+Ti)/N＜1会降低大热输入下焊接熔合区及热影响区的韧性。优选B含量为0.0006-0.0020％，Ti含量为0.002-0.009％，N含量为0.00％到＜0.005％；更优选B含量为0.0008-0.0017％，Ti含量为0.003-0.008％，N含量0.003-0.004％。

Ca、Mg、S、O也是本发明最为关键的几个元素。O和S易形成夹杂物，对材料的强度和韧性不利，因此必须严格控制O和S的含量。由于Mg、Ca与O和S具有很强的结合力，得到在高温下稳定、细小弥散的夹杂物，而不产生可能导致其他问题的粗大夹杂物，且所生成的夹杂物在液相难于聚合且具有较高的熔点，可以起到钉扎阻止奥氏体晶粒在高温下的长大的作用。同时，MgO、MgS和Ca(O、S)在焊接冷却过程将诱导晶内铁素体形核，从而降低焊接接头的强度。因此必须降低O、S含量的同时，也需要限制Mg、Ca含量的上限。由于Ca、Mg在本发明中起的作用相当，因此规定Ca、Mg的含量总和范围为0.001-0.005％，O≤0.003％，S≤0.005％；优选地，Ca、Mg的含量总和范围为0.001-0.004％，O≤0.0025％，S≤0.004％；更优选地，Ca、Mg的含量总和范围为0.0013-0.0035％。

控制Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+Ni/15＜0.68，有利于提高材料的焊接性能，降低焊接预热温度，减少焊接缺陷。如果超过0.68，焊接预热温度需超过120℃，不利于现场规模化生产。

本发明还提供一种具有960MPa以上抗拉强度、低温韧性好、焊接性能优良的超高强度钢管的制造方法。该方法包括：将本发明的化学成分的钢坯加热穿孔后轧制成无缝钢管，将上述无缝钢管加热至890-940℃范围内保温10-30分钟后水冷，然后在580-670℃的温度间进行回火处理，回火时间为40-80分钟。

通过890-940℃保温10-30分钟，让钢奥氏体化，但时间超过30分钟会导致奥氏体晶粒明显长大，从而降低材料的强度；本发明提供的回火温度和时间也是为保证材料得到理想的强度和韧性。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明的特点和效果进行举例说明。

实施例

通过实验室真空冶炼炉熔炼制得具有各种钢成分的钢坯，编号1-12为本发明例，13-19为对比例，化学成分如表2所示。将这些钢坯在1000℃以上锻造成250mm*150mm*50mm的钢块，然后在1000℃以上热轧制成12-14mm厚的钢板后空冷至室温。

将编号为1、6的钢板进行890-910℃保温15分钟后在室温的水里冷却，然后在590-620度保温60分钟后空冷。

将编号为2、3、7、8、12、的钢板进行910-930℃保温15分钟后在室温的水里冷却，在610-640度范围内保温60分钟后空冷。

将编号为4、5、9、10、11的钢板进行920-940℃保温20分钟后在室温的水里冷却，在630-660度范围内保温60分钟后空冷。

将编号为13-19的对比例钢板进行900-920℃保温15分钟后在室温的水里冷却，在610-640度范围内保温60分钟后空冷。

表3

试验例1：钢的机械性能(实验方法标准：GBT 228-2002金属材料室温拉伸试验方法；GBT 229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法)

对所制的钢板各种机械特性(屈服强度：YS；抗拉强度：TS；摆锤式冲击试验在-40℃时的吸收能；)进行检验。检验是在轧制方向上进行。本发明的各个实施例钢管和对比例钢管的实验结果见表3。

试验例2：焊接性能

采用气体保护电弧焊(焊丝熔敷金属抗拉强度980MPa)，预热温度采用防止HAZ冷裂纹所必须的最低预热温度，热输入量采用16kJ/cm，分别检验焊接接头的抗拉强度，热影响区冲击试样进行-40℃摆锤式冲击试验。本发明的各个实施例钢管和对比例钢管的实验结果见表4。

从以上结果可见，本发明的化学成分和工艺制造的钢管，母材的抗拉强度大于960MPa，-40℃下的低温冲击韧性大于45J，以及在15kJ/cm以上焊接热输入量下焊接后焊接接头及热影响区强韧性能达到母材的性能要求。

Claims (16)

1.一种钢，其按重量百分比计的化学成分为：C：0.12-0.18％；Si：0.1-0.5％；Mn：1.0-2.0％；S＜0.005％；Cr：0.3-1.0％；Mo：0.10-0.60％；W：0.10-0.80％；N≤0.005％；Nb：0.01-0.1％；V：0.01-0.2％；Ni：0.10-0.40％；O≤0.0030％；Ca+Mg：0.001-0.005％；B：0.0003-0.0020％；Ti：0.001-0.010％；其余由Fe和不可避免的杂质组成。

2.如权利要求1所述的钢，其特征在于，(B+Ti)/N＞1。

3.如权利要求1或2所述的钢，其特征在于，Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+Ni/15＜0.68。

4.如权利要求1-3任一所述的钢，其特征在于，C：0.12-0.17％，优选为0.13-0.16％。

5.如权利要求1-4任一所述的钢，其特征在于，Si：0.1-0.45％，优选为0.13-0.42％。

6.如权利要求1-5任一所述的钢，其特征在于，Mn：1.2-2.0％，优选为1.25-1.95％。

7.如权利要求1-6任一所述的钢，其特征在于，Ni：0.1-0.4％，优选为0.15-0.35％。

8.如权利要求1-7任一所述的钢，其特征在于，Mo：0.15-0.60％，优选为0.2-0.5％，更优选为0.25-0.4％。

9.如权利要求1-8任一所述的钢，其特征在于，Cr：0.4-1.0％，优选为0.4-0.95％。

10.如权利要求1-9任一所述的钢，其特征在于，W：0.15-0.75％，优选为0.20-0.70％。

11.如权利要求1-10任一所述的钢，其特征在于，Nb：0.02-0.09％，V：0.02-0.18％；优选为Nb：0.03-0.08％，V：0.03-0.15％。

12.如权利要求1-11任一所述的钢，其特征在于，B：0.0006-0.0020％，Ti：0.002-0.009％，N：0.002-0.004；优选为B：0.0008-0.0017％，Ti：0.003-0.008％，N：0.003-0.004％。

13.如权利要求1-12任一所述的钢，其特征在于，Ca+Mg：0.001-0.004％，O≤0.0025％，S≤0.004％；优选为Ca+Mg：0.0013-0.0035％。

14.如权利要求1-13任一所述的钢制造的钢管。

15.如权利要求14所述钢管的制造方法，包括：将所述化学成分的钢坯加热穿孔后轧制成无缝钢管，将所述无缝钢管加热至890-940℃范围内保温10-30分钟后水冷，然后在580-670℃的温度间进行回火处理，回火时间为40-80分钟。

16.如权利要求15所述的方法制造的钢管，其母材的抗拉强度大于960MPa，-40℃下的低温冲击韧性大于45J，以及在15kJ/cm以上焊接热输入量下焊接后焊接接头及热影响区强韧性能达到母材的性能要求。