CN103725973A

CN103725973A - 低成分低Pcm值800MPa级高强钢及其生产方法

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Publication number: CN103725973A
Application number: CN201310731516.9A
Authority: CN
Inventors: 宋欣; 王根矶; 王志勇; 刘占奇; 蔡建伟; 张国栋; 谌铁强; 杨春卫; 郑会平; 黄少帅; 顾林豪; 邹杨; 刘春明; 白学军; 刘印良; 姜中行
Original assignee: Shougang Corp; Qinhuangdao Shouqin Metal Materials Co Ltd
Current assignee: Shougang Group Co Ltd
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: CN103725973B

Abstract

一种低成分低Pcm值800MPa级高强钢及其生产方法，属于高强度结构钢技术领域。合理设计低Pcm值高强度钢成分体系，在不添加Ni、Mo、Cu等合金的前提下，采用低C、适当的Mn及Cr，合理添加微合金元素Nb、V及微量元素B，通过严格的两阶段控制轧制、轧制后使用“UFC+ACC”联合冷却及后续回火处理，综合利用合金元素Mn、Cr、Nb及V在钢板轧制、冷却及回火过程中的各种强化作用所生产的低焊接裂纹敏感性抗拉强度800MPa级高强度钢，力学性能优异，钢板表面质量良好，实现合金减量化生产，节约资源及能源，大大降低生产成本。

Description

低成分低Pcm值800MPa级高强钢及其生产方法

技术领域

本发明属于高强度结构钢技术领域，特别是涉及一种低成分低Pcm值（低焊接裂纹敏感性指数）800MPa级高强钢及其生产方法，抗拉强度800MPa级高强度钢。

背景技术

工程机械及煤矿机械基本均由钢铁材料构成，钢材在其制造过程中具有举足轻重的作用。因工程机械的使用条件、对象及环境的特殊性，如挖掘机、起重机、装载机的主要结构件，一般承受复杂多变的载荷，除对钢材要求较高的强度外，还要求其具有良好的低温冲击韧性、冷成型性及焊接性能等。为提高工作效率及使用寿命，工程机械向轻量化、大型化方向进一步发展。减轻构件自重有利于提高工程机械工作性能，而使用高强度结构钢是减轻构件自重的重要条件。同时，随着我国对煤炭能源的需求增加及煤炭行业安全高速发展，煤矿机械支架重量将大幅减轻，所需钢材的强度也将大幅增加。根据不完全统计，工程机械行业用钢量可达到600万吨/年左右，其中高强度钢（抗拉强度≥600MPa）用量占整个工程机械用钢总量的20%～30%；而煤矿机械行业所用高强度钢40～50万吨/年，其中抗拉强度600MPa级高强度钢约占40%，700MPa～800MPa级高强度钢约占30%。

在较高强度钢生产过程中，一般采用“淬火+回火”或“TMCP+回火”工艺。对于“淬火+回火”工艺，为保证材料强度，一般需要加入不少淬透性元素，如Cr、Ni、Mo、Cu等合金。同时，在调质钢生产过程中，需要进行两次热处理，生产周期长，制造成本偏高。对于“TMCP+回火”工艺，为保证钢板轧制状态具有一定的强度富余量，为后续回火处理做准备，在添加一定量合金元素的前提下，需要严格控制轧制过程及水冷过程。在较低终冷温度及大水量冷却时，钢板很快进入到核沸腾和膜沸腾共存的过渡沸腾状态，冷却过程极不稳定。随着冷却的进行，钢板不同部位的温度偏差不断增大，冷却不均，造成钢板瓢曲，也是比较突出的问题。

低焊接裂纹敏感性高强度钢在不预热或低预热的情况下焊接不出现裂纹，国际上称为CF（Crack Free）钢。此类钢的主要特点是具有低Pcm值、低碳当量、优异的焊接性能，同时具有低碳含量、高强度、高韧性等特点。

秦皇岛首秦金属材料有限公司（以下简称首秦公司）拥有国内比较先进的4300mm中厚板生产线。在冷却系统方面，首秦公司拥有“ACC—层流冷却设备”，同时新增“UFC—超快冷冷却设备”，将“UFC”和“ACC”两种不同冷却方式有机整合在一起，形成了“超快冷＋层流冷却（UFC+ACC）”联动冷却装置，具备了钢板冷却路径自由控制的功能，可以提高钢板和冷却水之间的热交换，实现钢板和冷却水均匀接触的全面的核沸腾，达到较高的冷却速率及冷却均匀性，大大抑制钢板由于冷却不均引起的瓢曲。采用此种新型冷却装置，为首秦公司高强度钢的开发提供有力支持，可实现产品开发过程中的减量化生产，减少合金加入量、提高钢板表面质量，大大降低生产成本。

检索国内外相近级别钢种或工艺的相关专利，其结果如下：对比专利“CN101633996A—低成本的700MPa级高强高韧调质钢板及其制造方法”，在添加Mo、Cr合金的前提下，采用“离线淬火+回火”工艺，尽管常规调质钢板力学性能比较稳定，但多一次离线淬火工序，合金高，生产周期长，增加生产成本。对比专利“CN102260823A—一种经济型屈服强度690MPa级高强度钢板及制造方法”，则采用添加较多的Mn元素，在增加冶炼困难的同时，钢坯或钢板内部质量较难保证（心部偏析）；同时此种成分体系设计，已经接近或超过国家标准（GB/T1591-2008、YB/T4137-2005、GB/T16270-2009等）对元素Mn的上限限制，基本不能满足标准要求；在轧制过程中，终冷温度低，与“离线淬火”类似，钢板表面质量（板形）控制存在一定的难度。专利“CN101418418A—屈服强度690MPa级低裂纹敏感性钢板及其制造方法”，添加一定量Mo、Cr合金，并单独采用“TMCP”工艺，较难克服工艺本身存在的缺陷—钢板力学性能均匀性及稳定性问题。专利“CN101215624A—一种高强韧厚钢板的在线淬火生产工艺方法”、“CN103014539A—一种屈服强度700MPa级高强度高韧性钢板及其制造方法”及“CN102851604A—一种屈服强度690MPa级高强度钢板的生产方法”，采用“在线淬火+回火”工艺，在冷却过程中，设置较低的终冷温度，钢板板形不易控制；同时添加不少合金，如Mo、Ni、Cu等，合金成本亦较高。对比专利中成分范围、工艺路线、力学性能及专利本身的不足之处等详见表1及表2。

表1相关专利主要成分范围（质量分数，%）

表2相关专利的工艺路线、力学性能及不足之处

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成分低Pcm值800MPa级高强钢及其生产方法，结合首秦公司现有的工装设备优势及严格的工艺过程控制，合理设计低Pcm值高强度钢成分体系，在不添加Ni、Mo、Cu等合金的前提下，采用低C、适当的Mn及Cr，合理添加微合金元素Nb、V及微量元素B，通过严格的两阶段控制轧制、轧制后使用“UFC+ACC”联合冷却及后续回火处理，综合利用合金元素Mn、Cr、Nb及V在钢板轧制、冷却及回火过程中的各种强化作用（固溶强化、细晶强化、沉淀强化、析出强化等），所生产的低焊接裂纹敏感性抗拉强度800MPa级高强度钢，力学性能优异，钢板表面质量良好，实现合金减量化生产，节约资源及能源，大大降低生产成本。

本发明的低成分低Pcm值抗拉强度800MPa级高强度钢化学成分为（重量百分比），C：0.060%～0.085%；Si：0.10%～0.30%；Mn：1.70%～1.80%；Cr：0.10%～0.20%；Nb：0.03%～0.06%；V：0.07%～0.09%；Ti：0.010%～0.020%；Alt：0.010%～0.030%；B：0.0010%～0.0018%；P：≤0.015%；S：≤0.005%；Mn+Cr=1.80%～2.00%；Nb+V=0.10%～0.15%；焊接裂纹敏感性指Pcm(%)=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B，且Pcm(%)范围：0.17～0.21；其余为Fe及不可避免杂质。

一种低成分低Pcm值抗拉强度800MPa级高强度钢生产方法如下：

采用正常的冶炼、板坯生产及加热方法，其工序如下：铁水脱硫扒渣、转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理、板坯浇铸、板坯加热。在冶炼过程中，严格控制成分体系范围，并保证焊接裂纹敏感性指数Pcm在控制范围内。在板坯浇铸过程中，控制铸坯表面及内部质量。在板坯加热过程中，合理设定加热温度（1160℃～1220℃之间）及在炉时间（220min～400min之间），以保证板坯充分奥氏体化，为后续钢板轧制创造条件。

钢板轧制：轧制过程中采用两阶段控制轧制；再结晶区轧制结束温度在“980℃～1000℃”之间；钢板待温厚度按“2.0～5.0倍成品钢板厚度”设定（根据板坯厚度及钢板最终成品厚度，在保证再结晶区轧制阶段总压下量“60%～80%”的前提下，合理选择钢板待温厚度，保证非再结晶区总压下量“50%～80%”）；非再结晶区轧制开始温度在“860℃～890℃”之间，结束温度在“800℃～830℃”之间。

钢板轧制后快速进入“UFC+ACC”联合冷却装置进行冷却；钢板入水温度按“800℃～780℃”控制，终冷温度按“400℃～500℃”控制，冷速按“30℃/S～50℃/S”进行设定。利用首秦公司设备优势，在冷却过程中，通过合理调节超快冷设备及层流冷却设备集管数量、水量、辊道速度及加速度，可以达到“较大冷速、冷却均匀、钢板横纵向温差小、钢板表面质量好”的目的。

热处理工序：回火温度及保温时间分别为“600℃～660℃”和“10min～60min”。

通过以上工艺流程，所生产的低Pcm值抗拉强度800MPa级高强度钢力学性能稳定，具有较好的强度、塑性、韧性及冷弯性能，也完全满足低裂纹敏感性钢的设计要求。其中：744MPa≤Rp0.2(屈服强度)≤850MPa、810MPa≤Rm(抗拉强度)≤885MPa、14.0％≤A(断后伸长率)≤19.0％、90J≤-20℃-AKv(-20℃冲击值)≤199J；钢板表面质量良好，其不平度完全可以满足标准要求。

附图说明

图1为实施例20mm规格钢板轧态金相组织。

图2为实施例30mm规格钢板轧态金相组织。

图3为实施例20mm规格钢板回火态金相组织。

图4为实施例30mm规格钢板回火态金相组织。

具体实施方式

根据本发明“一种低成分低Pcm值抗拉强度800MPa级高强度钢”的化学成分范围要求，在首秦公司“4300mm宽厚板生产线”完成钢坯冶炼、板坯浇铸及钢板轧制(厚度规格-20mm、30mm)及回火处理。

本实例中800MPa级高强度钢实际化学成分如表3所示：

表3化学成分(wt％)

编号	C	Si	Mn	Cr	P	S	Alt	V	Nb	Ti	B	Pcm
													1#	0.070	0.20	1.71	O.12	0.010	0.005	0.028	0.078	0.042	0.014	0.0015	0.18
2#	0.085	0.25	1.79	0.19	0.009	0.004	0.025	0.070	0.050	0.015	0.0017	0.21

本实例轧制工艺参数设置见表4：

表4轧制工艺参数设置

注：厚度单位-mm；温度单位-℃；冷却速度-℃/S

本实例“UFC+ACC”联和水冷参数设置见表5及表6

表5水冷参数设置

厚度	开冷温度	终冷温度	冷却速度	辊道速度	辊道加速度
						20	790±10	480	40	0.72m/s	0.004m/s²
30	790±10	450	32	0.65m/s	0.004m/s²

注：厚度单位-mm；温度单位-℃；冷却速度-℃/S

表6水量参数设置

注：流量单位-tr/(m²*min)；

本实例回火工艺如表7所示：

表7回火加热温度及保温时间

钢板厚度/mm	回火温度/℃	保温时间/min
			20	650	20
30	620	30

本实例钢板各项力学性能及屈强比如表8所示：

表8钢板各项力学性能及屈强比

以上实例仅是对本发明最佳实施方式的描述，不对本发明的范围有任何限制。

Claims

1.一种低成分低Pcm值800MPa级高强钢，其特征在于，化学成分重量百分数为：C：0.060%～0.085%；Si：0.10%～0.30%；Mn：1.70%～1.80%；Cr：0.10%～0.20%；Nb：0.03%～0.06%；V：0.07%～0.09%；Ti：0.010%～0.020%；Alt：0.010%～0.030%；B：0.0010%～0.0018%；P：≤0.015%；S：≤0.005%；Mn+Cr=1.80%～2.00%；Nb+V=0.10%～0.15%；焊接裂纹敏感性指Pcm(%)=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B，且Pcm范围：0.17～0.21；余量为Fe及不可避免杂质。

2.一种权利要求1所述高强度钢的生产方法，其特征在于，包括铁水脱硫扒渣、转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理、板坯浇铸、板坯加热工艺；工艺中控制的技术参数如下：

在冶炼过程中，控制成分范围，并保证焊接裂纹敏感性指数Pcm在控制范围内；在板坯浇铸过程中，设定加热温度：1160℃～1220℃，在炉时间：220min～400min，以保证板坯充分奥氏体化；

钢板轧制：轧制过程中采用两阶段控制轧制；再结晶区轧制结束温度在“980℃～1000℃”之间；钢板待温厚度按“2.0～5.0倍成品钢板厚度”设定，在保证再结晶区轧制阶段总压下量为60%～80%的前提下，保证非再结晶区总压下量为50%～80%；非再结晶区轧制开始温度在“860℃～890℃”之间，结束温度在“800℃～830℃”之间；

钢板轧制后进入“UFC+ACC”联合冷却装置进行冷却；钢板入水温度按“800℃～780℃”控制，终冷温度按“400℃～500℃”控制，冷速按“30℃/S～50℃/S”进行设定；

热处理工序：回火温度及保温时间分别为：600℃～660℃、10min～60min。