CN103320690A

CN103320690A - 一种低碳贝氏体高强度高韧性钢板及其制造方法

Info

Publication number: CN103320690A
Application number: CN2012100795705A
Authority: CN
Inventors: 张爱文; 焦四海; 张国民
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd; Baosteel Zhanjiang Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: CN103320690B

Abstract

本发明公开了一种屈服强度大于等于785MPa的低碳贝氏体钢板，其成分包括（%）：C：0.04～0.07、Si：0.05～0.25、Mn：1.7～1.9、P：￡0.015、S：￡0.01、Al：0.02～0.04、Nb：0.03～0.05、Ti：0.01～0.02、V：0.04～0.06、B：0.0015～0.003、N：￡0.006，余量为铁和不可避免杂质。所述钢板制造方法是将连铸坯或钢坯于1100～1250℃加热后进行多道次轧制，总压下率370%，终轧温度3860℃；轧后以15-50℃/s水冷至450-510℃空冷；冷却钢板进入在线感应加热炉快速加热至580-620℃回火30-60s，然后出炉空冷。

Description

一种低碳贝氏体高强度高韧性钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高强度高韧性钢板，具体地说是涉及一种屈服强度大于等于785MPa的低碳贝氏体钢板及其制造方法。该钢板具有较好的低温韧性和大线能量焊接性能，涉及用于桥梁、压力容器、船舶、汽车等行业要求的高强度高韧性耐冲击的结构钢板。

背景技术

低碳贝氏体是国际上近年来发展起来的高强度、高韧性、焊接性能优良的新钢种，主要用于桥梁、压力容器、船舶、汽车等行业要求的高强度高韧性耐冲击的可焊接结构钢板。传统工艺在生产该钢种时，多添加较多的Cu、Ni、Cr和Mo等贵重合金元素，弥补因采用低碳技术路线导致的强度损失，成本较高，生产困难。在生产屈服强度小于等于590MPa强度级别的低碳贝氏体钢时可采用适量的微合金元素加控轧和合适的轧后冷却速度实现目标，但在生产高强度级别和要求很高的焊接性能时，为了降低Pcm指数必须采用很低的碳含量，使碳达到低碳甚至超低碳的级别，由碳降低引起的强度损失必须添加适当的Cu、Ni、Cr、Mo贵重合金元素析出强化弥补和适当的微合金元素Nb、V、Ti及控轧控冷技术细化晶粒和析出强化弥补。为了在很宽的转变温度范围和冷却速度范围内都能获得贝氏体组织，B成为此类钢中不可或缺的元素。值得一提的是，近年来国内外都有一些低碳贝氏体或超低碳贝氏体钢的文献或专利发表。中国鞍钢、武钢都在（超）低碳贝氏体钢领域的技术上有所研究，并有一些专利技术公开，但大多以控轧+加速冷却生产，或者轧后快速冷却+离线回火工艺生产。

随着桥梁结构、压力容器、船舶等领域技术的发展，其对钢板焊接性的要求也大幅提高，需要钢板能经受大线能量焊接，焊接热输入达到20kJ/mm以上，在这样高的焊接热输入情况下，钢板的热影响区的冲击韧性必然恶化。传统的桥梁、船体结构用高强度钢均是在低碳合金钢的基础上通过采用控轧、调质热处理等工艺获得针状铁素体、贝氏体、回火马氏体等组织来达到高强度高韧性的配合。为了确保较厚规格钢板具有足够的淬透性，钢中通常需要添加较高含量的Ni、Cr、Mo 等合金元素，钢的屈服强度级别一般在570-690MPa之间。美国的HSLA-100钢（屈服强度约为690MPa）是美国为新建的航母壳体和先进的攻击型核潜艇（非耐压壳体）而研制的钢，板厚可达100mm，执行军用MILS-24645A-SH标准。HSLA-80/100均采用了低碳甚至是超低碳的合金设计（C≤0.06%），确保钢的优良焊接性和低温韧性，钢中添加了较高的铜和镍，依靠铜的时效硬化作用，在对韧塑性没有明显损害的条件下，获得了高强度。

由以上文献资料分析可知，降低碳含量是提高（超）低碳贝氏体钢焊接性能和降低焊接裂纹敏感指数的最有效途径，由降低碳引起的强度损失由贵重合金元素Cu、Ni、Cr、Mo或者微合金元素Nb、Ti、V来弥补。这些元素主要以析出物的形式存在于钢中，因此回火工艺是这类钢的一个关键工艺环节，利用快速感应加热回火可以短时间快速回火析出细小弥散碳化物粒子或其他类型的析出物，如ε-Cu粒子。

目前，国际上有关屈服强度在785MPa左右低碳贝氏体高强度高韧性钢板的制造方法专利不多，大部分专利中描述的钢种屈服强度小于等于690MPa，已经形成多项文献和专利。经检索，在C≤0.10%范围内低碳高强度贝氏体钢方面的相近专利、文献如表1和表2所示。以下从冶金生产的合金设计、工艺控制和产品性能对相关或相近的专利进行详细的比较，分别见表1和表2。

表1 有关高强钢的国内外专利：化学成分（%）

表2 有关高强钢的国内外专利：工艺参数和性能

发明内容

本发明的目的在于提供一种低碳贝氏体高强度高韧性钢板及其制造方法，所述钢板的屈服强度大于等于785MPa。

为了实现上述目的，本发明是这样实现的：

一种低碳贝氏体高强度高韧性钢板，其主要成分以重量比计包括：C：0.04～0.07%、Si：0.05～0.25%、Mn：1.70～1.90%、P：￡0.015%、S：￡0.010%、Al：0.02～0.04%、Nb：0.03～0.05%、Ti：0.010～0.020%、V：0.04～0.06%、B：0.0015～0.0030%、N：￡0.006%，余量为铁和不可避免杂质。

所述钢板的屈服强度大于等于785MPa。

本发明所述低碳贝氏体高强度高韧性钢板制造方法，包括以下步骤：

（1）钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，模铸后需经初轧成钢坯；

（2）连铸坯或钢坯于1100～1250℃加热后在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行多道次轧制，总压下率370%，终轧温度3860℃；

（3）轧后钢板以15-50℃/s快速水冷至450-510℃温度区间空冷；

（4）冷却的钢板进入在线感应加热炉快速加热至580-620℃，保温时间30-60s，然后出炉空冷。

所述步骤2中的终轧温度在860-900℃。

所述步骤3中的空冷时间为5-60s。

所述步骤4中的感应加热炉的加热速度为1-10℃/s。

所述钢板的组织为回火低碳贝氏体+弥散碳化物。

下面对本发明低碳贝氏体高强度高韧性钢板的主要化学成分作用及制造工艺过程对本发明产品的影响作详细叙述。

主要化学成分作用：

碳：确保钢板强度的关键元素，其可以显著提高钢板的淬透性。但对于要获得组织为低碳贝氏体的钢板而言，碳需要适当降低。碳降低后钢板的碳当量和焊接裂纹敏感指数Pcm就会相应降低，韧性也会相应大幅提高。碳降低后的强度损失需要靠其它合金元素添加来弥补。碳显著降低后，钢板适合大线能量焊接。对于本发明的屈服强度785MPa强度级别而言，为了获得较高的低温冲击韧性，采用较低的碳含量0.04%-0.07%。

硅：钢中加硅能提高钢质纯净度和脱氧。硅在钢中起固溶强化作用。但硅含量过高会使钢板加热时的氧化皮粘度较大，出炉后除鳞困难，导致轧后钢板表面红色氧化皮严重，表面质量较差。且高硅不利于焊接性能。另外硅是促进铁素体析出的元素，不利于本发明要得到全部贝氏体组织的合金设计方案，综合考虑硅各方面的影响，本发明硅含量为0.05-0.25%。

锰：锰稳定奥氏体组织，其能力仅次于合金元素镍，是廉价的稳定奥氏体与强化合金元素，同时锰增加钢的淬透性，降低马氏体形成的临界冷速。但锰具有较高的偏析倾向，所以其含量不能太高，一般低碳微合金钢中锰含量不超过2.0%。锰的加入量主要取决于钢的强度级别。本发明锰的含量应控制在1.7～1.9%。锰在钢中还和铝一起共同起到脱氧的作用。

硫和磷：硫在钢中与锰等化合形成塑性夹杂物硫化锰，尤其对钢的横向塑性和韧性不利，因此硫的含量应尽可能地低。磷也是钢中的有害元素，严重损害钢板的塑性和韧性。对于本发明而言，硫和磷均是不可避免的杂质元素，应该越低越好，考虑到钢厂实际的炼钢水平，本发明要求P：￡0.015%、S：￡0.010%。

铝：强脱氧元素。为了保证钢中的氧含量尽量地低，铝的含量控制在0.02～0.04%。脱氧后多余的铝和钢中的氮元素能形成AlN析出物，提高强度并且在热处理加热时能细化钢的元素奥氏体晶粒度。

钛：钛是强碳化物形成元素，钢中加入微量的Ti有利于固定钢中的N，形成的TiN能使钢坯加热时奥氏体晶粒不过分涨大，细化原始奥氏体晶粒度。钛在钢中还可分别与碳和硫化合生成TiC、TiS、Ti₄C₂S₂等，它们以夹杂物和第二相粒子的形式存在。钛的这些碳氮化物析出物在焊接时还可阻止热影响区晶粒长大，改善焊接性能。目前，微钛处理已成为大部分低合金高强度钢的常规工艺。本发明钛含量控制在0.010～0.020%。

铌和钒：铌和钒都是强碳化物形成元素，钢中加入微量的铌可大幅提高钢的再结晶温度，配合B的添加，再结晶温度可再提高，细化奥氏体晶粒和随后相变的组织，提高韧性和强度。铌在轧制过程中和随后冷却过程中可析出细小碳化物，提高强度。钒亦可析出强化，本钢中加入铌和钒的最重要目的是弥补碳很低导致的强度损失，且利于细化晶粒，提高冲击韧性。本发明铌含量控制在0.03～0.05%，钒含量控制在0.04-0.06%。

硼：提高钢的淬透性，抑制奥氏体向铁素体和珠光体的转变，使钢在很大的冷却速度范围内均能形成贝氏体组织。微量的硼结合铌的添加是钢的再结晶温度大幅提高，本发明中硼的含量为0.0015-0.0030%。

氮：氮为钢中的气体元素，可与微合金元素化合生成氮化物析出强化。本发明中由于加入了硼元素，故氮含量不能太高，须由钛先固定氮，否则会生成BN削弱硼的推迟铁素体相变的作用。本发明要求氮含量小于等于0.006%。

制造工艺过程对本发明产品的影响：

转炉吹炼和真空处理：目的是确保钢液的基本成分要求，去除钢中的氧、氢等有害气体，并加入锰、钛等必要的合金元素，进行合金元素的调整。

连铸或模铸：保证铸坯内部成分均匀和表面质量良好，模铸的钢锭需轧制成钢坯。

加热和轧制：连铸坯或钢坯在1100～1250℃的温度下加热，一方面获得均匀的奥氏体化组织，另一方面使铌、钒、钛等合金元素的化合物部分溶解。在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行多道次轧制，总压下率370%，终轧温度860-900℃；

快速冷却：轧后钢板以15-50℃/s的冷速水冷至450-510℃后空冷；空冷时间5-60s，此时间为入炉回火前辊道上的传搁时间（非故意停留）；在快速冷却过程中，大部分的合金元素被固溶到贝氏体中。

在线回火：冷却的钢板进入在线感应加热炉以1-10℃/s快速加热至580-620℃进行回火，保温时间（即回火时间）30-60s，然后出炉空冷。回火有助于消除淬火时产生的内应力以及消除贝氏体板条内或之间的微裂纹，弥散析出碳化物强化，提高强塑型、韧性和冷弯性能。

本发明通过合适的成分设计、加热、控制轧制、轧后快速冷却和在线感应加热回火，使钢板实现细晶强化、相变强化、析出强化，提高了钢板的强度、硬度，具有很高的低温韧性，钢板组织呈现为回火低碳贝氏体+弥散碳化物。6～25mm厚钢板屈服强度3785MPa，延伸率A₅₀320%，纵向-60℃ Akv3200J，冷弯性能优良。

采用上述成分设计和工艺控制方法制造的超低碳贝氏体高强度高韧性中厚钢板，满足了桥梁、管线、容器、船舶等行业对高强度高韧性钢板的较高要求。

附图说明

图1是本发明实施例1钢板的金相组织照片。

图2是本发明实施例3钢板的金相组织照片。

图3是本发明实施例5钢板的金相组织照片。

具体实施方式

以下用实施例对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

实施例的钢板化学成分及碳当量见表3，工艺参数见表4，实施例中所得钢板的性能和组织见表5。

实施例1将按表3配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，板坯厚度80mm，所得坯料于1250℃加热后，在奥氏体再结晶温度范围内经多道次轧制，轧制成厚度为6mm的钢板，总压下率94%，终轧温度为880℃，然后以50℃/s水冷至450℃再在线快速加热至600℃回火，然后空冷至室温；

实施例2-5的详细成分和工艺参数见表3和4，其实施过程与实施例1相类似，所有实施例所得钢板性能见表5。本发明实施例的部分钢板金相组织如图1、图2和图3所示。

表3 本发明实施例1-5的化学成分、Ceq（wt%）及焊接裂纹敏感指数Pcm

* Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/14

Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B

表4 本发明实施例1-5的加热、轧制、冷却、回火相关工艺参数及钢板厚度

试验例1：钢板的力学性能

按照GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法、GB 2106-1980金属夏比V型缺口冲击试验方法测定本发明实施例1-5钢板的屈服强度、抗拉强度、延伸率、-60℃冲击韧性等力学性能，其结果见表5。按照GB/T 232-2010金属材料弯曲试验方法，对本发明实施例1-5钢板进行横向冷弯d=2a,180°试验，其结果见表5。

表5 本发明实施例钢板的力学性能和组织

试验例2：金相组织

利用光学显微镜测定本发明实施例钢板的金相组织，其结果见表5，均为回火低碳贝氏体和弥散析出物。

图1是本发明实施例1钢板的金相组织照片。

图2是本发明实施例3钢板的金相组织照片。

图3是本发明实施例5钢板的金相组织照片。

其他实施例也能得到类似的金相组织照片。

从图1至图3中可见，本发明钢板的组织为回火低碳贝氏体和弥散碳化物。

从以上实施例可以看出，采用上述的成分和工艺参数进行加工，6～25mm厚成品钢板的屈服强度3785MPa，延伸率A₅₀320%，-60℃ Akv3200J，冷弯性能优良，组织呈现为回火贝氏体+碳化物。钢板满足了相关行业对高强度高韧性钢板的较高要求。产品适用于桥梁、管线、容器、船舶等行业，具有广泛的应用价值和市场前景。

Claims

1.一种低碳贝氏体高强度高韧性钢板，其特征是：所述钢板的主要成分以重量比计包括：C：0.04～0.07%、Si：0.05～0.25%、Mn：1.70～1.90%、P：￡0.015%、S：￡0.010%、Al：0.02～0.04%、Nb：0.03～0.05%、Ti：0.010～0.020%、V：0.04～0.06%、B：0.0015～0.0030%、N：￡0.006%，余量为铁和不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的低碳贝氏体高强度高韧性钢板，其特征是：所述钢板的屈服强度大于等于785MPa。

3.一种低碳贝氏体高强度高韧性钢板制造方法，其特征是：所述钢板的主要成分以重量比计包括：C：0.04～0.07%、Si：0.05～0.25%、Mn：1.70～1.90%、P：￡0.015%、S：￡0.010%、Al：0.02～0.04%、Nb：0.03～0.05%、Ti：0.010～0.020%、V：0.04～0.06%、B：0.0015～0.0030%、N：￡0.006%，余量为铁和不可避免杂质；所述钢板的制造方法包括以下步骤：

（3）轧后钢板以15-50℃/s快速水冷至450-510℃温度区间空冷；

4.根据权利要求3所述的低碳贝氏体高强度高韧性钢板制造方法，其特征是：步骤2中的所述终轧温度在860-900℃。

5.根据权利要求3所述的低碳贝氏体高强度高韧性钢板制造方法，其特征是：步骤3中的空冷时间为5-60s。

6.根据权利要求3所述的低碳贝氏体高强度高韧性钢板制造方法，其特征是：步骤4中的所述感应加热炉的加热速度为1-10℃/s。