CN103757548A - 一种高强韧低时效敏感性热轧板及其制造方法 - Google Patents
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- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Abstract
本发明提供一种高强韧低时效敏感性热轧板及其制造方法，其化学成分wt%含量为：C0.13%-0.17%，Si0.2%-0.5%，Mn1.3%-1.8%，P≤0.015%，S≤0.005%，V0.03%-0.08%，Cr0.045%-0.06%，N0.012%-0.017%，Als0.01%-0.03%，其中N/V≤0.26，Als≤1.5N+0.0012%。采用转炉+LF+RH方式冶炼，转炉冶炼过程以及精炼环节全程吹氮方式进行增氮。坯料加热温度1100-1145℃，在炉时间180-360min，均热时间120-180min；采用一阶段轧制，开轧温度1050-1130℃，道次变形率为15-25%，终轧温度920-1050℃。钢板轧后平铺冷却至表面温度500-700℃。本发明可提高生产效率，降低原材料成本，热轧板屈服强度475MPa，抗拉强度641MPa，延伸率25%，-40℃的AKv达104J。
Description
技术领域
本发明属于低合金钢生产技术领域，尤其涉及一种屈服强度460MPa级高强韧低时效敏感性正火中厚热轧板及其制造方法。
背景技术
目前，460MPa级低合金正火钢板一般采用 Nb、V为主要强化元素，因此经济性不高。460MPa级正火热轧结构钢板被广泛应用于大型工程机械、建筑、油田钻井平台、特高压输电构件、交通工具的框架结构、压力容器等领域。同时采用两阶段轧制工艺或控冷工艺。
例如，申请号201010597667.6提供了一种“低合金高强度钢板Q460C及其制造方法”，申请号201010597658.7提供的一种“低合金高强度钢板Q460E-Z35及其制造方法”，均采用V-Ti-Nb微合金化，钢坯加热温度1240℃，两阶段控轧，终轧温度≤860℃。
新日本制铁株式会社申请号为01801553.0的专利“在焊接热影响区具有优良CTOD性能且屈服强度不低于460MPa的厚钢板”，首钢公司申请号200810119505.4公开的“屈服强度460MPa级低屈强比建筑用特厚钢板及制造方法”，其Nb含量≥0.35wt%，存在经济性较差的问题。
研究表明，在生产50mm以上厚规格钢板时，由于压缩比小，一方面TMCP工艺的优势难以充分发挥，钢板厚度方向上往往出现组织不均匀的现象。以“水冷”为主要特征的TMCP工艺下钢板中残余应力以及性能不稳定均需要在后续正火中得以改善。如果不通过炉内补充正火，而是在轧制过程中直接达到这种状态，在节约能源、提高效率方面会有更多的优越性。这类钢板被界定“在一定温度范围内进行最后变形的轧制工艺，可导致一种材料条件等于正火后获得的条件，这样即使在正火后也可保持力学性能的特殊值”，也称正火轧制。
上述界定并非简单意义上的“在正火温度以上完成轧制”，而是对材料成分设计、加工乃至材料的使用性能均提出了更高的要求。申请号201210290416.2提供的“一种微合金化桥梁钢板及其正火轧制工艺”，采用两阶段正火轧制工艺，但是Nb、V含量较高，元素作用没有充分发挥，仅适用于40mm以下规格桥梁钢板的生产。申请号201010235925.6公开的“一种正火轧制生产韧性优良管线钢中厚板的方法”，采用Nb、V、N合金化，两阶段轧制，终轧温度在Ac3+（30-50℃）的正火轧制工艺，获得了性能优异的管线钢厚板产品，但是主要针对25mm以下规格钢板设计，Nb、V含量较高（V：0.02-0.1%，Nb：0.01-0.05%），缺乏经济优势。虽然采用N合金化理念进行合金设计，但是该申请没有从抗时效敏感性的角度，对N和钢中强氮化物的形成元素加以控制和约束，且该申请的N含量较低，因此不适用于460MPa高强韧50mm以上厚规格钢板。
发明内容
本发明旨在克服现有Nb系正火特厚钢板性能不均和常规工艺制造成本高，工艺繁琐的缺陷，提供一种压缩比大于3、具有高强韧低时效敏感性的460MPa级中厚热轧钢板及其正火轧制方法。
本发明在工业生产经验的基础上，充分考虑到低合金钢中强化元素特性、元素之间的相互作用的基础上，对低合金钢厚板的合金化理念、正火轧制工艺进行全新的设计，通过取消钢中高温抗再结晶元素Nb，Ti，控制C、V、Cr、Ni、N元素含量，并提供该级别钢中主要固氮强化元素之间的控制关系，满足大型工程机械、建筑、油田钻井平台、特高压输电构件、交通工具的框架结构、压力容器等领域对460MPa级热轧厚板的需求
本发明采取的技术解决方案如下：
一种高强韧低时效敏感性热轧板，其特征在于，其化学成分wt%含量为：
C 0.13%-0.17%，Si 0.2%-0.5%，Mn 1.3% -1.8%，P≤0.015%，S≤0.005%，V 0.03%-0.08%，Cr 0.045%-0.06%，N 0.012%-0.017%，Als 0.01%-0.03%，其中N/V≤0.26，Als≤1.5N+0.0012%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明高强韧低时效敏感性热轧板化学成分的作用机理为：
C：是微合金钢中主要强化元素，是提高钢板淬透性、控制钢板正火性能的主要元素。C含量过低，将导致钢板制备过程抑制晶粒长大及起强化作用的碳化物（如VC等）含量降低，进而降低钢板强度，此外过低的碳含量还会提升炼钢成本。，本发明C含量的控制范围为0.13-0.17wt%。
Si：Si在钢中固溶能力较强，且降低奥氏体中C的扩散速度，可以起到一定的强化作用，但含量过高对钢板的低温韧性、焊接性能不利，在对低温韧性更为敏感的高强度钢板中表现尤为突出。因此本发明控制Si含量在0.2-0.5wt%,其作用还在于在炼钢的过程促进钢水纯净化。
Mn：对于本发明成分体系，1.3-1.8wt%的Mn有助于延缓钢中铁素体和珠光体转变，一方面有利于控制正火轧制过程中先共析铁素体的析出，进而控制带状组织（P+F）的形成，该类组织在以往以Nb为主要强化元素的低合金钢中十分普遍。另一方面保证钢种韧性。
V：V为强碳、氮化物主要形成元素，本发明中V的含量控制在0.03-0.08（wt%），并配合N一同发挥强化作用，具体的，通过加入N控制V的高温析出，大幅降低再结晶温度，利于正火轧制过程奥氏体再结晶的不断进行，产生细化晶粒的作用，另一方面低温时V的碳化物和氮化物大量析出可以起到细化、强化晶粒的作用，进而提高钢板的强度，由于这种控制析出过程受到形变诱导的作用较小，因此可以保证钢在轧制后，再进行正火仍能保持较好的综合力学性能。
Cr: 为强碳化物形成元素和固溶强化元素，可以起到沉淀强化作用，对提高正火钢板强度贡献很大。对于本发明，控制Cr在0.045-0.06（wt%）。
N：是本发明的主要强韧化元素，N在钢中主要以游离态和化合物两种状态存在，前者对韧性不利，但是一旦以化合物状态存在则对材料的综合性能大有裨益。低氮钢中，56.3%的钒固溶于基体，只有35.5%的钒以V（C、N）形式析出；而高氮钢中则完全相反，70%的钒以V（C、N）形式析出，仅剩20%的钒固溶于基体中。这说明，钢中缺氮的情况下，大部分的V没有充分发挥其析出强化作用。含氮钢不仅消除了炼钢过程中因脱气和精炼去氮引起的成本增加，而且钢中增氮更能充分发挥微合金元素的作用，节约合金化元素的用量，从而大大降低生产成本。研究证实，钢中增氮可使钒的用量节约30%-50%，充分发挥V的强韧化作用，出于上述考虑，本发明N的含量控制在0.012-0.017wt%，且应满足N/V≤0.26。
Al：在低合金钢中主要起到脱氧镇定的作用，并有细化晶粒、提高韧性的作用，过高会造成过多高熔点的Al2O3夹杂，使钢液的流动性降低，进而造成水口结瘤，Al与N有很强的亲和力，在N强化钢中，会弱化N的强化效果，此外在连铸过程Al同N的结合极易过冷形成大量Al（C、N），矫直过程成为裂纹源，因此需要特别控制，本发明中Als0.01-0.03 wt%，且需要满足Als≤1.5N+0.0012%。
一种高强韧低时效敏感性热轧板的制造方法，其具体方法为：
采用转炉+LF+RH方式冶炼，转炉冶炼过程以及精炼环节全程吹氮方式进行增氮：对于N含量在0.012-0.015wt%，采用转炉冶炼过程吹氮方式增氮；对于N含量0.015wt%＜【N】＜0.017wt%，除采用转炉冶炼过程吹氮外，精炼环节通过吹氮的方式进行增氮；增氮流量控制在50-70m3/min；控制出钢温度1590℃—1650℃；控制钢液中 Als含量在0.04%—0.07%；氩站底吹氩气流量控制在30-50 m3/min，吹氩时间2-5 min，实现出氩站钢液氮含量0.012%-0.018%之间；LF过程加入钒铁；RH阶段采用氮气取代氩气作为提升气体，调节RH的真空度0.5Kpa—5KPa，提升气体流量100m3/h—200m3/min，压力0.7—1 MPa；
连铸坯加热温度为1100-1145℃，在炉时间为180-360min，均热时间120-180min；
采用一阶段轧制，开轧温度为1050-1130℃，单道次变形率为15%-25%，终轧温度为920-1050℃；
钢板轧制后平铺冷却，冷却至表面温度500-700℃；之后钢板进行堆垛缓冷，对于50～80mm钢板，缓冷时间t=12～16h，垛位高度h=3～4m；对于＞80mm～120mm钢板，缓冷时间t=10～11.5h，垛位高度h=2.5～2.9m；对于＞120mm～150mm钢板，缓冷时间t=8～9.8h，垛位高度h=2.5～2.8m。
本发明的有益效果为：
由于采用吹N或精炼过程加入N合金的方式进行增N，在此基础上，通过科学的调控强化元素，即取消钢中高温抗再结晶元素Nb，Ti，控制C、V、Cr、Ni、N等元素含量，并提供该级别钢中主要固氮强化元素之间的控制关系，在充分考虑低合金钢中强化元素的特性以及元素之间的相互作用的基础上，对低合金钢厚板的合金化理念、正火轧制工艺进行全新的设计，有效解决了已有技术存在的正火特厚钢板性能不均和常规工艺生产成本高、工艺繁琐的问题，对于提高生产效率，大幅降低热轧结构钢板的原材料成本及生产成本具有显著效果。所生产的热轧板屈服强度达到475MPa，抗拉强度为641 MPa，延伸率为25%，-40℃的AKv达到104J。同时，还具有低时效敏感性优势，为在冷变形和高温等苛刻条件下使用钢板的需求提供了性能保障。
具体实施方式
实施例1
采取转炉—LF—RH熔炼工艺，采用转炉冶炼过程以及精炼环节全程吹氮的方式进行增氮。
转炉全程吹氮方式进行增氮，流量控制在65m3/min，同时控制出钢温度1620℃；
控制钢液中 Als含量在0.063%；氩站控制底吹氩气流量控制在42 m3/min；吹氩时间3 min；实现出氩站钢液氮含量0.0145%。
LF过程加入钒铁。
RH阶段采用氮气取代氩气作为提升气体，调节RH的真空度0.5Kpa；、提升气体流量150m3/h；、压力0.9Mpa。
表1 实施例1化学成分wt%含量表
| C | Si | Mn | P | S | V | Cr | Als | N |
| 0.168 | 0.46 | 1.55 | 0.01 | 0.003 | 0.07 | 0.05 | 0.02 | 0.0163 |
铸后钢坯厚度300mm，加热至1145℃，保温310min，均热时间150min。
采用一阶段轧制，开轧温度为1128℃，单道次变形量控制在15%-25%，终轧温度为970℃。成品钢板厚度为100mm。
轧制结束后，平铺冷却至650℃，下线后堆垛垛位高2.8m，缓冷时间11h。
实施例2
采取转炉—LF—RH熔炼工艺，采用转炉冶炼过程以及精炼环节全程吹氮的方式进行增氮。
转炉全程吹氮方式进行增氮，流量控制在63m3/min，同时控制出钢温度1595℃；
控制钢液中 Als含量在0.05%；氩站控制底吹氩气流量控制在50 m3/min；吹氩时间2min；实现出氩站钢液氮含量0.0153%。
LF过程加入钒铁。
RH阶段采用氮气取代氩气作为提升气体，调节RH的真空度0.8Kpa；、提升气体流量135m3/h；、压力0.8Mpa。
表2 实施例2化学成分wt%含量表
| C | Si | Mn | P | S | V | Cr | Als | N |
| 0.16 | 0.34 | 1.46 | 0.011 | 0.005 | 0.063 | 0.045 | 0.017 | 0.0158 |
铸后钢坯厚度300mm；加热至1105℃，保温230min，均热时间120min。
采用一阶段轧制，开轧温度为1070℃，单道次变形量控制在15%-25%，终轧温度为915℃。成品钢板厚度为140mm。
轧制结束后，平铺冷却至700℃，下线后堆垛垛位高2.5m，缓冷时间9h。
实施例3
采取转炉—LF—RH熔炼工艺，采用转炉冶炼过程以及精炼环节全程吹氮的方式进行增氮。
转炉全程吹氮方式进行增氮，流量控制在55m3/min，同时控制出钢温度1645℃；
控制钢液中 Als含量在0.055%；氩站控制底吹氩气流量控制在50 m3/min；吹氩时间4min；实现出氩站钢液氮含量0.0137%。
LF过程加入钒铁。
RH阶段采用氮气取代氩气作为提升气体，调节RH的真空度0.58Kpa；、提升气体流量145m3/h；、压力1Mpa。
表3 实施例3化学成分wt%含量表
| C | Si | Mn | P | S | V | Cr | Als | N |
| 0.163 | 0.37 | 1.63 | 0.008 | 0.002 | 0.067 | 0.06 | 0.023 | 0.016 |
钢坯厚度250mm，加热至1200℃，保温270min，均热时间120min。。
采用一阶段轧制，开轧温度为1110℃，单道次变形量控制在15%-25%，终轧温度为975℃。成品钢板厚度为60mm。
轧制结束后，平铺冷却至670℃，下线后堆垛垛位高3.5m，缓冷时间15h。
实施例1-3厚板力学性能检测结果如表4所示。
表4 实施例1-3厚板力学性能检测结果
应变时效实验采用预拉伸5%，之后250℃到温保温一小时，空冷。时效后V口夏比冲击性能见表5。
表5 V口夏比冲击性能检测结果
Claims (2)
1.一种高强韧低时效敏感性热轧板，其特征在于，其化学成分wt%含量为：
C 0.13%-0.17%，Si 0.2%-0.5%，Mn 1.3% -1.8%，P≤0.015%，S≤0.005%，V 0.03%-0.08%，Cr 0.045%-0.06%，N 0.012%-0.017%，Als 0.01%-0.03%，其中N/V≤0.26，Als≤1.5N+0.0012%，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.一种如权利要求1所述高强韧低时效敏感性热轧板的制造方法，其特征在于，具体方法为：
采用转炉+LF+RH方式冶炼，转炉冶炼过程以及精炼环节全程吹氮方式进行增氮：对于N含量在0.012-0.015wt%，采用转炉冶炼过程吹氮方式增氮；对于N含量0.015wt%＜【N】＜0.017wt%，除采用转炉冶炼过程吹氮外，精炼环节通过吹氮的方式进行增氮；增氮流量控制在50-70m3/min；控制出钢温度1590℃—1650℃；控制钢液中 Als含量在0.04%—0.07%；氩站底吹氩气流量控制在30-50 m3/min，吹氩时间2-5 min，实现出氩站钢液氮含量0.012%-0.018%之间；LF过程加入钒铁；RH阶段采用氮气取代氩气作为提升气体，调节RH的真空度0.5Kpa—5KPa，提升气体流量100m3/h—200m3/min，压力0.7—1 MPa；
连铸坯加热温度为1100-1145℃，在炉时间为180-360min，均热时间120-180min；
采用一阶段轧制，开轧温度为1050-1130℃，单道次变形率为15%-25%，终轧温度为920-1050℃；
钢板轧制后平铺冷却，冷却至表面温度500-700℃；之后钢板进行堆垛缓冷，对于50～80mm钢板，缓冷时间t=12～16h，垛位高度h=3～4m；对于＞80mm～120mm钢板，缓冷时间t=10～11.5h，垛位高度h=2.5～2.9m；对于＞120mm～150mm钢板，缓冷时间t=8～9.8h，垛位高度h=2.5～2.8m。
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