CN104294154A - 低温韧性优良的Rm为630MPa级结构用厚钢板及生产方法 - Google Patents

Abstract

低温韧性优良的Rm为630MPa级结构用厚钢板，其组分及重量百分比含量为：C:0.04～0.08%，Si:0.10～0.25%，Mn:1.00～1.50%，P≤0.020%，S≤0.010%，Cu:0.20～0.60%，Ni:0.15～0.35%，Mo:0.20～0.40%，Nb:0.032～0.090%，Ti:0.008～0.030%，Als≤0.060%；生产步骤：冶炼并连铸成坯后对铸坯加热；热轧；按照温度段进行冷却。本发明不仅-40℃KV2≥200J，抗拉强度Rm为在630～780MPa，屈强比ReL/Rm≤0.85，-40℃KV2≥200J，冲击试样纤维断面率≥90%，且碳当量与冷裂纹敏感性系数也低，从而提高了钢的焊接性，并使钢在保证焊接质量的前提下，能采用34kJ/cm以上线能量进行焊接。

Description

低温韧性优良的Rm为630MPa级结构用厚钢板及生产方法

技术领域

本发明涉及一种低合金焊接结构钢及其生产方法，具体属于低温韧性优良的R_m为630MPa级结构用厚钢板及生产方法。

背景技术

在桥梁、高层建筑、工程机械等焊接结构领域，需要提高使用钢板的强度以满足荷载需求，减轻结构自重，但是在提高强度的同时，不能降低钢板的使用性能，以保证结构的安全可靠。高强度结构钢厚钢板在应用中存在着较多问题：一般采用调质工艺生产，生产流程长；钢的屈强比偏高，当结构发生过载时，极易达到强度极限而导致结构的破坏；低温韧性不稳定；板厚递减效应明显；焊接性较差，当需要采用34kJ/cm以上线能量的埋弧对接焊时，接头质量较差。

CN 101619423 A号专利公开了“一种高强韧低屈强比易焊接结构钢板及其制造方法”的技术，采用低C高Cr和低Mo含量的成分设计，按TMCP工艺生产钢的强度较高，且屈强比较低。但是该技术采用了较高含量的Mn，加剧了钢坯的中心偏析，且焊接时容易产生裂纹；该技术还添加了较高含量的Si，会降低钢的韧性与塑性，且钢板涂漆性差；该技术还添加了较高含量的Cr，在线能量较大时，会降低焊接接头韧性。该技术未声明其适用的特征钢板厚度。

CN 103352167 A号专利公开了“一种低屈强比高强度桥梁用钢及其制造方法”的技术，该技术通过冶炼及精炼，按控轧控冷+回火工艺组织生产，使得钢板的强度较高，屈强比较低。但是该技术采用了较高含量的C，Si的含量也相对较高，使得钢板的低温韧性较差，-40℃KV₂仅在145J左右。并且该技术对P、S的含量限制较严，这对于该用途的钢板而言，易在冶炼上造成不必要的浪费。该技术所声明的最大钢板厚度仅32mm，这对于以使用厚钢板为主的桥梁用钢而言，显然是偏薄的。

为了解决上述问题，本申请人通过大量实验研究研发了本申请，其通过控制成分的优选设计及匹配工艺，得到金相组织以贝氏体+铁素体为主的微观组织，使本钢板不仅具有能满足要求的强度级别，而且屈强比也较低，也使钢的碳当量与冷裂纹敏感性系数得到降低，从而提高了钢的焊接性，并使钢在保证焊接质量的前提下，能采用34kJ/cm以上线能量进行焊接；-40℃KV₂≥200J。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种金相组织为贝氏体+铁素体，其中贝氏体体积百分比占60～80%；抗拉强度R_m为在630～780MPa，屈强比R_eL/R_m≤0.85， -40℃KV₂≥200J，冲击试样断口纤维断面率≥90%；适宜34kJ/cm以上线能量的埋弧焊接的低温韧性优良的R_m为630MPa级结构用厚钢板及生产方法。

实现上述目的的措施：

低温韧性优良的R_m为630MPa级结构用厚钢板，其组分及重量百分比含量为：C: 0.04～0.08%，Si: 0.10～0.25%， Mn: 1.00～1.50%， P≤0.020%， S≤0.010%， Cu: 0.20～0.60%， Ni: 0.15～0.35%， Mo: 0.20～0.40%， Nb: 0.032～0.090%， Ti: 0.008～0.030%， Als≤0.060%，余量为Fe及不可避免的夹杂；C和Nb还必须满足 [C]+[Nb]=0.09～0.11%；金相组织为：贝氏体及铁素体，其中贝氏体占体积总量的60~80%；-40℃KV₂≥200J。

优选地：C的重量百分比含量为0.055~0.078%。

优选地：Si的重量百分比含量为0.17~0.23%。

优选地：Mn的重量百分比含量为1.23~1.47%。

优选地：Cu的重量百分比含量为0.25~0.50%。

优选地：Mo的重量百分比含量为0.22~0.37%。

优选地：Nb的重量百分比含量为0.034~0.055%。

生产低温韧性优良的R_m为630MPa级结构用厚钢板的方法，其步骤：

1）冶炼并连铸成坯后对铸坯加热，控制加热温度在1180～1280℃；

2）进行热轧，并控制粗轧温度区间在1200～1000℃，精轧温度区间在950～820℃；

3）按照温度段进行冷却：温度在820～小于740℃时，按照冷却速度1～3℃/s进行；温度在740～480℃时，按照冷却速度5～20℃/s进行；冷却到480℃以下时，采用自然冷却方式冷却至室温。

本发明中各元素及主要工序的作用

本发明的C含量选择在0.04%～0.08%。C是提高钢的强度的有效元素，当碳含量高于0.08%时，钢中易形成马氏体而恶化钢的低温韧性，同时对焊接性也有不利的影响。当碳含量低于0.04%时，会使钢板强度不足；优选地：C的重量百分比含量为0.055~0.078%。

本发明的Si含量在0.10～0.25%，Si主要以固溶强化形式提高钢的强度，同时也是脱氧的必要元素。但其含量高于0.25%时，易恶化低温韧性与焊接性，同时降低钢板的油漆附着力；当其含量低于0.10%时，对于发挥其脱氧作用而言也是不必要的。优选地：Si的重量百分比含量为0.17~0.23%。

本发明的Mn含量在1.00～1.50，Mn是重要的强韧化元素，是奥氏体稳定化元素，能扩大铁碳相图中的奥氏体区，促进钢的中温组织转变。但其含量高于1.5%时，对钢坯中心偏析有不利影响，有损于钢板的韧性，并且在焊接时容易产生裂纹，并且对于得到本发明钢的性能来讲，也是不必要的；当其含量低于1.10%时，则不能有效促进中温组织转变，同时也会降低钢板的强度。优选地：Mn的重量百分比含量为1.23~1.47%。

本发明的P≤0.020%，高的P含量会增加钢的冷脆倾向，并且P极易在钢坯的心部偏析，由于这种含P量高的强偏析带较脆，使得在轧钢后容易产生内在缺陷。

本发明的S≤0.010%，高的S含量不仅会使钢板纵横向性能产生明显差异，同时也降低钢的低温韧性和Z向性能。

本发明的Cu含量为0.20～0.60，Cu能提高钢的淬透性，在钢中主要起固溶及沉淀强化作用，此外还有利于获得良好的低温韧性，增加钢的抗疲劳裂纹扩展能力。Cu含量小于0.20%，其沉淀强化作用不明显。在本发明中Cu的加入量大于0.60%时，钢板焊接热影响区韧性会降低，且在钢坯加热过程中易产生网裂。对于厚钢板而言，在轧后冷却过程中，由于钢板心部的冷速较慢，有利于Cu的析出，从而提高钢板的心部强度。优选地：Cu的重量百分比含量为0.25~0.50%。

    本发明的Ni含量为0.15～0.30，Ni能提高淬透性，具有一定的强化作用，还能显著地改善钢材的低温韧性。使基材和焊接热影响区低温韧性大幅度提高。Ni还能有效阻止Cu的热脆引起的网裂。其加入量小于0.15%，则Ni起不到作用，但其含量高于0.30%时，将降低钢的焊接性，易造成钢板氧化铁皮难以脱落且增加钢的成本，。

本发明的Mo含量为0.20～0.40，Mo可以使铁素体从奥氏体中析出并增加奥氏体的稳定性，对珠光体的形成具有强烈的阻碍作用，但是Mo属于贵重元素，但其含量高于0.4%时将会提高钢的成本。同时过高的Mo会使钢的低温韧性显著恶化，在焊接时形成马氏体，导致焊接接头脆性的增加；当其含量低于0.20%时，则会显著降低钢的强度。优选地：Mo的重量百分比含量为0.22~0.37%。

本发明的Nb含量为0.032～0.090，Nb是强碳氮化合物形成元素，能提高钢的奥氏体再结晶温度。奥氏体可以在更高的轧制温度下进行轧制。此外Nb在控制轧制连续冷却过程中的析出强化作用，通过Nb的碳氮化物的应变诱导析出可以钉扎奥氏体晶粒，细化奥氏体晶粒并提高强度及低温韧性。Nb有时单独或与Ti一起复合加入以通过沉淀强化提高钢的机械性能。但其含量高于0.09%时，其易与Fe、C等元素形成低熔点共晶物，从而增加焊缝金属产生热裂纹的倾向；当其含量低于0.032%时，会显著降低钢板的强度。优选地：Nb的重量百分比含量为0.034~0.055%。

本发明的Ti含量为0.008～0.030，Ti是强氮化物形成元素， Ti的氮化物能有效地钉扎奥氏体晶界，因此有助于控制奥氏体晶粒的长大。但其含量高于0.030%时，是不必要的，当其含量低于0.008%时，则不能发挥其有效作用。

本发明的钢Als含量控制在≤0.060，Al是钢中的主要脱氧元素。Al含量过高时将导致Al的氧化物夹杂增加，降低钢的纯净度，不利于钢的韧性。Al的熔点较高，在生产中，Al可以用来阻止晶粒长大。但其含量高于0.06%时，容易堵塞水口，  当其含量低于0.015%时，则不能发挥其细化晶粒，提高低温韧性的作用。

此外，C和Nb还必须满足 [C]+[Nb]=0.09～0.11%。降低C含量可以提高碳化铌的固溶度，这样就允许添加较高含量的Nb，以提高钢的强化效果。但是当碳含量较高时，添加较高含量的Nb显然是不必要的。因此，C和Nb的含量在钢中应该有一个适宜的配比，即取[C]+[Nb]=0.09～0.11%。

除含有上述化学成分外，余量为Fe及不可避免的夹杂，同时还须满足碳当量CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.48%；焊接冷裂纹敏感性指数Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.23%。（CEV与Pcm值越低表示钢的焊接冷裂纹倾向性越低）

本发明与现有技术相比，通过控制成分的优选设计及匹配工艺，得到金相组织以贝氏体+铁素体为主的微观组织，其中贝氏体体积百分比占60～80%，使钢板不仅具有能满足要求的强度级别及其他力学性，即-40℃KV₂≥200J，抗拉强度R_m为在630～780MPa，屈强比R_eL/R_m≤0.85， -40℃KV₂≥200J，冲击试样纤维断面率≥90%，而且适宜34kJ/cm以上线能量的埋弧焊接，且由于碳当量与冷裂纹敏感性系数得到降低，从而提高了钢的焊接性，并在保证焊接质量的前提下，能采用34kJ/cm以上线能量进行焊接。

附图说明

附图为本发明的金相组织图。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

1）冶炼并连铸成坯后对铸坯加热，控制加热温度在1180～1280℃；

2）进行热轧，并控制粗轧温度区间在1200～1000℃，精轧温度区间在950～820℃；

3）按照温度段进行冷却：温度在820～小于740℃时，按照冷却速度1～3℃/s进行；温度在740～480℃时，按照冷却速度5～20℃/s进行；冷却到480℃以下时，采用自然冷却方式冷却至室温。

表1 本发明各实施例及对比例的取值列表（wt%）

注：对比例1为CN 101619423 A号专利中的实施例1，对比例2为CN 103352167 A号专利中的实施例3，以下同。

表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表

需要说明的是表1及表2并非对应关系，仅为举例而已。

表3 本发明各实施例及对比例性能检测情况列表；

由表1可见，与对比例1相比，本发明钢的Si、Mn含量较低，钢中不含Cr，CEV较低，这有利于改善钢的低温韧性，降低钢坯中心偏析，提高焊接性；与对比例2相比，本发明钢的C、Si、Ni含量较低，这有利于提高钢的低温韧性，其中贵重元素Ni的降低还可以节约制造成本。不论对比例1还是对比例2，[C]+[Nb]的值均未处于本发明声明的0.90～0.11%之间，这说明对比文件均未充分认识钢中的C与Nb的配比作用。

由表2可见，实施例1未指明其钢板厚度，实施例2的厚度为32mm，这对于以中厚板为主的桥梁结构钢而言，是偏薄的。而本发明的特征板厚为8～80mm，几乎涵盖了桥梁结构钢的全部厚度范围。需要指出的，不论对比例1还是对比例2，对于快速冷却之前的缓冷，均没有明确，而这是控制组织含量、形态、分布等的一个关键工序。本发明毋需回火，但是对比例2还有回火工序，增加了生产周期。

由表3可见，不论对比例1还是对比例2，均未明确其冲击试样断口的纤维断面率，而本发明钢的冲击试样断口纤维断面率均为100%，因为对于高强钢而言，仅依据较高的冲击功并不能确定试样断口为韧性。并且对比例2的冲击功也明显低于本发明钢。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (8)

1.低温韧性优良的R_m为630MPa级结构用厚钢板，其组分及重量百分比含量为：C: 0.04～0.08%，Si: 0.10～0.25%， Mn: 1.00～1.50%， P≤0.020%， S≤0.010%， Cu: 0.20～0.60%， Ni: 0.15～0.35%， Mo: 0.20～0.40%， Nb: 0.032～0.090%， Ti: 0.008～0.030%， Als≤0.060%，余量为Fe及不可避免的夹杂；C和Nb还必须满足 [%C]+[%Nb]=0.09～0.11%，碳当量CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.48%；焊接冷裂纹敏感性指数Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.23%；金相组织为：贝氏体及铁素体，其中贝氏体占体积总量的60~80%；-40℃KV₂≥200J。

2.如权利要求1所述的低温韧性优良的R_m为630MPa级结构用厚钢板，其特征在于：C的重量百分比含量为0.055~0.078%。

3.如权利要求1所述的低温韧性优良的R_m为630MPa级结构用厚钢板，其特征在于：Si的重量百分比含量为0.17~0.23%。

4.如权利要求1所述的低温韧性优良的R_m为630MPa级结构用厚钢板，其特征在于：Mn的重量百分比含量为1.23~1.47%。

5.如权利要求1所述的低温韧性优良的R_m为630MPa级结构用厚钢板，其特征在于：Cu的重量百分比含量为0.25~0.50%。

6.如权利要求1所述的低温韧性优良的R_m为630MPa级结构用厚钢板，其特征在于：Mo的重量百分比含量为0.22~0.37%。

7.如权利要求1所述的低温韧性优良的R_m为630MPa级结构用厚钢板，其特征在于：Nb的重量百分比含量为0.034~0.055%。

8.生产权利要求1所述的低温韧性优良的R_m为630MPa级结构用厚钢板的方法，其步骤：

1）冶炼并连铸成坯后对铸坯加热，控制加热温度在1180～1280℃；

2）进行热轧，并控制粗轧温度区间在1200～1000℃，精轧温度区间在950～820℃；

3）按照温度段进行冷却：温度在820～小于740℃时，按照冷却速度1～3℃/s进行；温度在740～480℃时，按照冷却速度5～20℃/s进行；冷却到480℃以下时，采用自然冷却方式冷却至室温。