CN104561822A - 一种高强韧性特厚低合金调质钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高强韧性特厚低合金调质钢及其制备方法，属于低合金钢技术领域。化学成分按重量百分比为，C：0.13％～0.17％；Si：0.15％～0.40％；Mn：1.20％～1.40％；Cr：0.40％～0.60％；Mo：0.30％～0.40％；Ni：0.20％～0.40％；B：0.0010％～0.0030％；Nb：0.015％～0.035％；V：0.035％～0.060％；Ti：0.010％～0.020％；Alt：0.020％～0.040％；P：0.005％～0.010％；S：0.002～0.0050％；碳当量Ceq:0.54～0.60；其余为Fe及不可避免杂质。优点在于：综合力学性能优良，钢板厚度方向力学性能差异小且均匀；钢板内部质量优良，探伤无缺陷。

Description

一种高强韧性特厚低合金调质钢及其制备方法
技术领域
本发明属于低合金钢技术领域，特别涉及一种高强韧性特厚低合金调质钢及其制备方法。尤其针对高强韧性特厚低合金调质钢A514。
背景技术
低合金调质高强钢以其较高的强度、优异的塑韧性和良好的焊接性能，广泛应用于工程机械、电力、压力容器、汽车等领域。焊接是影响低合金调质钢应用至关重要的因素。低合金调质高强钢含碳量较低，一般都在0.18％以下，其良好的综合机械性能是通过在低碳基础上加入多种提高淬透性的合金元素及后续调质热处理，获得强度高、韧性好的低碳板条马氏体和部分下贝氏体组织而得到。此类钢合金系统复杂、淬硬性大，在焊接过程中出现的主要问题包括：热影响区的软化及脆化、焊接冷裂纹。
根据美国标准ASTM A514/A514M-2009，此标准对不同厚度规格A514系列低合金调质钢的具体牌号、成分及综合力学性能均有严格限制。例如，厚度上限规格150mm的A514Gr.E、A514Gr.P及A514Gr.Q，对元素C、Mn有严格的限制，同时要求加入大量的合金元素Cr、Mo、Ni、Cu等；在加入较多合金元素的基础上，通过高温淬火及高温回火，获得强度、韧性及塑性等指标优良的低合金调质高强钢。如文献“ASTMA514Gr.Q钢焊接工艺”指出A514Gr.Q属于高屈服强度调质合金钢，但在焊接时容易出现裂纹或韧性下降的现象。表1及表2为美国标准对A514系列调质高强钢具体要求。
表1 不同规格A514调质钢性能及工艺要求
如何通过工艺技术、关键装备和生产流程的优化和创新，最大程度地发挥连铸、轧制、热处理等生产工序对材料力学性能的调控作用，尽量减少对合金元素的依赖和资源的消耗，减轻环境负荷，使有限资源得到合理利用，达到提高材料性能、节约能源与资源的目的，是实现钢铁材料本身的节约化和产品生产、使用及循环等全生命周期减量化的基础，也是国内外钢铁材料领域的主要技术难点。低合金调质钢除碳以外各种合金元素对钢材的强度与可焊性也起着重要作用；实现合金减量化，可以降低碳当量(Ceq)，对材料焊接性能也较为有利。
另外，在中厚板生产中，压缩比是衡量质量的一项重要指标。钢锭或连铸坯究竟需多大压缩比才能满足材料性能的要求。国内学者一般认为压缩比应为8～10。蔡开科等出版的专著《连续铸钢原理与工艺》中指出：为了使轧材内部组织致密.具有较好的机械性能，碳素钢和低合金钢最小压缩比一般应为6。
综合考虑到上述因素，结合秦皇岛首秦金属材料有限公司(以下简称首秦公司)现有工装设备：400mm厚板坯连铸机、4300mm宽厚板轧线及德国LOI调质生产线，在合金减量化原则指导下并能充分保证低合金调质钢A514综合力学性能的前提下，合理设计成分体系并严格控制轧制、淬火及回火工艺参数等，在小压缩比条件下，成功生产的100mm-130mm厚规格A514系列低合金调质钢，其综合力学性能及热处理工艺完全满足并高于美国标准对同规格A514Gr.E、A514Gr.P、A514Gr.Q要求，其强度、塑性、韧性匹配较好且比较稳定，但其成分体系远低于同规格A514系列调质钢要求，实现低成本减量化生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强韧性特厚低合金调质钢及其制备方法，解决“低合金成分体系”及“小压缩比“条件下稳定生产高强度高韧性特厚板调质钢板的问题。
一种高强韧性特厚低合金调质钢，其化学成分为(重量百分比)，C：0.13％～0.17％；Si：0.15％～0.40％；Mn：1.20％～1.40％；Cr：0.40％～0.60％；Mo：0.30％～0.40％；Ni：0.20％～0.40％；B：0.0010％～0.0030％；Nb：0.015％～0.035％；V：0.035％～0.060％；Ti：0.010％～0.020％；Alt：0.020％～0.040％；P：0.005％～0.010％；S：0.002～0.0050％；碳当量Ceq:0.54～0.60；其余为Fe及不可避免杂质。
碳是保证钢板淬透性的重要合金元素，也是决定碳当量的重要因素，对钢的强度、韧性、塑性及焊接性均有较大影响。碳含量过高，影响钢板焊接性能，且碳含量对钢板抗高温回火不利；碳含量过低，影响钢板整体强度，在保证本发明钢板所需要强度的前提下，碳含量范围：0.13％～0.17％；
锰是钢中重要的固溶强化元素，可降低相变温度，细化组织亚结构，在强化钢板的同时改善韧性；同时，可提高淬透性。若锰含量过高，对焊接及韧性不利，锰含量范围：1.20％～1.40％；；
铬可以增加钢的淬透性，细化组织，降低韧脆转变温度；与锰配合使用，可提高钢的淬硬性，改善钢的力学性能；铬比锰的偏析倾向小，以铬代替部分锰，可减少钢板心部偏析，改善钢板内部质量，提高力学性能的均匀性；铬含量范围：0.40％～0.60％；
钼可以显著增加钢的淬透性及淬硬性，细化淬火后钢的显微组织，提高韧性，改善钢的高温回火脆性，具有较好的抗高温回火能力，是调质钢中必要的合金元素。但因钼是一种贵重合金，为降低成本，在保证性能的前提下，根据实际钢板厚度，选择少加或不加钼，钼含量范围：0.30％～0.40％；
镍提高钢的低温韧性，改善塑性及抗高温回火软化能力，有利于细化回火后的组织。镍也是一中贵重合金，过高将增加成本，选择少加不加镍，镍含量范围：0.20％～0.40％；
铌、钛均是强碳及氮化合物形成元素，在钢坯加热及轧制过程中，钉扎奥氏体晶界并阻止奥氏体晶粒过度长大；在淬火过程中，阻碍淬火前钢板加热时奥氏体晶粒长大，得到细小的等轴淬火组织，改善回火后低温韧性。在回火过程中，钒做 为微合金元素，沉淀析出大量碳氮化物，提高钢的强度。根据实际需要，本发明适当加入铌、钛、钒三种微合金元素。
一种高强韧性特厚低合金调质钢的制备方法，具体步骤及参数如下：
1、钢水冶炼：铁水脱硫扒渣→转炉冶炼→LF炉精炼→RH真空处理；在冶炼过程中，严格控制P、S含量，相应的质量百分比范围P：0.005％～0.010％，S：0.002～0.0050％；碳当量Ceq值：0.54～0.60；
2、板坯浇铸：浇铸过程中采用末端强冷和轻压下技术，并对拉速、二冷制度、中间包钢水过热度进行优化和控制，控制铸坯表面及内部质量，严格保证深真空处理时间。浇铸过程进行恒拉速操作，拉速范围：0.50m/min～0.70m/min。根据拉速、浇铸温度的变化，在钢坯凝固前对其进行轻微压缩，以保证轻压下效果。轻压下时控制固相率范围：f＝0.30～0.80；总压下量：2.0mm～3.0mm。保证铸坯中心偏析C类≤1.0；真空时间：15min～20min，深真空处理时间12min～15min，以生产内部质量良好的400mm厚板坯，为后续特厚板轧制奠定基础。
3、板坯加热：用步进梁式加热炉将钢坯加热至设定均热温度1180℃～1220℃，在炉时间360min～450min，保证钢坯充分奥氏体化。
4、钢板轧制：采用两阶段控轧控冷工艺，再结晶区轧制+非再结晶区轧制+弱水冷工艺。再结晶区轧制阶段结束温度为950℃～1000℃；再结晶区轧制阶段总压下量为50％～60％；再结晶区轧制最后2～3轧制道次的单道次压下量为30mm～40mm，最后1～2轧制道次的单道次压下率为15％～20％；待温厚度：钢板成品厚度+80mm～100mm，以保证钢板内部质量并获得均匀细小的原始微观组织。非再结晶区轧制开始温度为850℃～870℃，结束温度为790℃～810℃；钢板轧制后快速进入层流冷却装置冷却；水冷过程中控制钢板入水温度、终冷温度及冷速。钢板入水温度为760℃～780℃，终冷温度为650℃～700℃，冷速为5℃/S～10℃/S。钢板冷却完成后快速下线堆垛缓冷，堆冷温度500℃～600℃，堆冷时间48h～72h，以进一步改善钢板内部质量。
5、调质热处理：根据不同规格钢板的成分体系及钢板完全奥氏体温度，设定淬火温度900℃～950℃，保温时间40min～80min；回火温度640℃～670℃，保温时间100min～150min，其余过程执行加热炉加热模型参数。
通过采取合理的成分设计、轧制工艺及调质工艺，所生产高强韧性、特厚A514低合金调质钢，具有较好的强度、塑性、韧性，同时其内部质量良好。其中，钢板 厚度方向1/4处力学性能：650MPa≤Rp0.2(屈服强度)≤700MPa、730MPa≤Rm(抗拉强度)≤780MPa、22.0％≤A50.8(断面收缩率)≤26％、50.0％≤Z(面缩率)≤75％、100J≤-46℃-AKv8(-46℃冲击功)≤150J、0.95mm≤LE(侧膨胀值)≤1.60mm：钢板厚度方向1/2处力学性能：630MPa≤Rp0.2(屈服强度)≤690MPa、700MPa≤Rm(抗拉强度)≤760MPa、20.0％≤A50.8(断面收缩率)≤25％、45.0％≤Z(面缩率)≤65％、60J≤-46℃-AKv8(-46℃冲击功)≤100J、0.55mm≤LE(侧膨胀值)≤1.10mm：钢板厚度方向力学性能差异小且均匀。探伤结果满足“ASTM A578、Level B”标准要求。
本发明的优点在于：
(1)与ASTM A514/A514M-2009比较，通过设计较低的成分体系，采用400mm厚连铸坯及后续调质热处理，在低压缩比条件下可以稳定生产100mm-130mm规格特厚低合金调质钢A514；在保证钢板质量的同时，大大降低了合金成本。
(2)高强韧性特厚低合金调质钢A514，综合力学性能优良，钢板厚度方向力学性能差异小且均匀；钢板内部质量优良，探伤无缺陷。
附图说明
图1为实施例101.6mm规格钢板厚度1/4处回火态金相组织。
图2为实施例101.6mm规格钢板厚度1/2处回火态金相组织。
具体实施方式
实施例1
一种高强韧性特厚低合金调质钢，在首秦公司4300mm宽厚板生产线完成钢坯冶炼、板坯浇铸(板坯规格：400mm×2400mm×2700mm-4050mm)、钢板轧制(轧制规格：101.6mm)、调质热处理(淬火及回火)。
其化学成分(wt％)如表3所示：
表3 实际化学成分
C Si Mn P S Alt V Nb Ti Ni Cr Cu Mo B Ceq
0.145 0.21 1.26 0.009 0.0018 0.034 0.046 0.02 0.013 O.275 0.445 0.022 0.331 0.0012 0.54
轧制工艺参数如表4所示：
表4 实际轧制工艺参数
厚度 控温厚 非再结晶区开轧温度 终轧温度 开冷温度 终冷温度 冷却速度
101.6mm 180mm 851℃ 811℃ 782℃ 674℃ 7.8℃/S
注：H-成品厚度
调质工艺如表5所示：
表5 实际调质工艺参数
规格 淬火保温温度 淬火保温时间 淬火机辊速 回火保温温度 回火保温时间
101.6mm 910℃ 60min 1.5m/min 655℃ 105min
调质后力学性能性能如表6所示：
表6 调质后力学性能性能
注：Rp0.2(屈服强度)、Rm(抗拉强度)、A (断后伸长率)、Z(拉伸试验断面收缩率)、AKv8(冲击)、LE(对应相应冲击的侧膨胀值) 。

Claims (2)

1.一种高强韧性特厚低合金调质钢，其特征在于，化学成分按重量百分比为，C：0.13％～0.17％；Si：0.15％～0.40％；Mn：1.20％～1.40％；Cr：0.40％～0.60％；Mo：0.30％～0.40％；Ni：0.20％～0.40％；B：0.0010％～0.0030％；Nb：0.015％～0.035％；V：0.035％～0.060％；Ti：0.010％～0.020％；Alt：0.020％～0.040％；P：0.005％～0.010％；S：0.002～0.0050％；碳当量Ceq:0.54～0.60；其余为Fe及不可避免杂质。
2.一种权利要求所述调质钢的制备方法，其特征在于，具体步骤及参数如下：
1)钢水冶炼：铁水脱硫扒渣→转炉冶炼→LF炉精炼→RH真空处理；在冶炼过程中，严格控制P、S含量，质量百分比范围P：0.005％～0.010％，S：0.002～0.0050％；碳当量Ceq值：0.54～0.60；
2)板坯浇铸：浇铸过程进行恒拉速操作，拉速范围：0.50m/min～0.70m/min；钢坯凝固前对板坯进行轻微压缩，控制固相率范围：f＝0.30～0.80，总压下量：2.0mm～3.0mm，保证铸坯中心偏析C类≤1.0；真空时间15min～20min，深真空处理时间12min～15min；
3)板坯加热：用步进梁式加热炉将钢坯加热至设定均热温度1180℃～1220℃，在炉时间360min～450min，保证钢坯充分奥氏体化；
4)钢板轧制：采用两阶段控轧控冷工艺，再结晶区轧制+非再结晶区轧制+弱水冷工艺；再结晶区轧制阶段结束温度为950℃～1000℃；再结晶区轧制阶段总压下量为50％～60％；再结晶区轧制最后2～3轧制道次的单道次压下量为30mm～40mm，最后1～2轧制道次的单道次压下率为15％～20％；待温厚度为钢板成品厚度+80mm～100mm；非再结晶区轧制开始温度为850℃～870℃，结束温度为790℃～810℃；钢板轧制后进入层流冷却装置冷却，钢板入水温度为760℃～780℃，终冷温度为650℃～700℃，冷速为5℃/S～10℃/S；钢板冷却完成后下线堆垛缓冷，堆冷温度500℃～600℃，堆冷时间48h～72h；
5)调质热处理：淬火温度900℃～950℃，保温时间40min～80min；回火温度640℃～670℃，保温时间100min～150min，其余过程执行加热炉加热模型参数。
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