CN105177424A

CN105177424A - 一种高强度特厚钢板及其生产方法

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Publication number: CN105177424A
Application number: CN201510623020.9A
Authority: CN
Inventors: 镇凡; 曲锦波; 张宽
Original assignee: Jiangsu Shagang Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Shagang Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2035-09-25
Also published as: CN105177424B

Abstract

本发明涉及一种高强度特厚钢板及其生产方法，钢板的化学组成以重量百分比计包括：C？0.0025～0.025％、Si？0.16～0.36％、Mn？0.85～1.15％、Ni？2.1～4.5％、Cu？0.8～1.2％、Ti？0.008～0.035％、Al？0.8～1.2％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明采用超低碳成分，合理配置Ni、Cu、Al和Ti合金含量，辅以正火+回火工艺，使得其在回火过程中充分形成纳米级的Ni3Al、Ni3Cu、Ni3Ti三种金属间化合物和富Cu相。采用此成分和工艺制得的钢板，厚度≥100mm，屈服强度R_p0.2≥900MPa，抗拉强度R_m≥1000MPa，断后伸长率≥12％，焊接性能、冷弯性能和板型良好，厚度方向组织性能均匀，无板厚效应。本发明生产的钢板，可广泛用于各类重型工程机械、大型建筑结构、桥梁结构等大厚度钢板应用领域。

Description

一种高强度特厚钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种高强度特厚钢板及其生产方法，具体涉及一种多相纳米析出复合强化型超低碳高强度特厚钢板及其生产方法。

背景技术

高强钢是重要的工程结构材料之一，广泛应用于各类工程机械、矿山机械、桥梁结构、建筑结构等领域中。随着高层建筑、跨海桥梁、深海采油平台、大型水电站等基础建设的蓬勃兴起，钢结构不断向着大型化、重型化发展，一些钢结构件形状越来越复杂、所承受的约束力也越来越大，普通强度级别、厚度级别的钢板已不能满足钢结构的建设需要，对高强度、大厚度(≥100mm)钢板的市场需求越来越大。近年来，矿山机械、国家体育馆、央视主楼等重型机械和大型建筑的部分构件采用了高强度大厚度钢板，如矿山用的油压挖掘机重量达到300～800吨/台，使用的钢板强度达500～800MPa，厚度达40～250mm，美国旧金山新海湾大桥使用了最厚140mm的结构钢板，国内深海采油平台用齿条钢最大厚度已应用到220mm，水电站发电机组用钢的最大厚度已达到300mm。以上设备和建筑用钢不但实现了强度和厚度的提高，同时还要求钢板具有良好的内部质量和厚度方向性能。

高强度特厚钢板的生产在工艺上主要分为调质和非调质两种。调质工艺稳定性较好，主要是通过马氏体相变强化来得到高强度。但是，对于100mm以上的大厚度钢板，由于厚度方向上淬火冷速不同，存在着厚度方向组织性能不均、淬火开裂等问题。非调质工艺主要是热机械控制轧制+控制冷却工艺，综合利用各种强化手段来得到大厚度和高强度的目的，此方法生产周期较短，制造成本也较低。但是对于大厚度钢板，也存在着板型较差、厚度方向组织性能不均匀等问题。

目前已有不少高强度特厚钢板的制造专利，从成分上看，专利CN101463449A、CN102080190A等，为了得到高强度，其都是采用中碳成分体系，过高的碳含量对钢板的焊接性能不利；从工艺上看，目前已有的高强度特厚钢板专利，基本上都是采用离线/在线淬火+回火的热处理工艺来获得高强度，如专利CN101633996A等，淬火工艺受钢板厚度限制，钢板越厚，其心部不能淬透，钢板性能存在板厚效应，同时对于高强度特厚钢板，合金含量较高，淬火易出现开裂；从强化机制上看，现有专利都是通过得到马氏体相变强化来达到高强度的目的，如专利CN102226255A等，而马氏体相变伴随着体积膨胀，钢板中会存在着较大的组织应力。

因此，现有特厚板的生产技术存在以下几个问题：1)钢板采用在线/离线淬火/控冷工艺生产，钢板经水冷后，由于厚度方向上冷速不同，使得厚度方向上组织性能不均匀，心部和表层组织性能差别较大；2)由于钢板合金较高，钢板经水冷后内应力较大，易开裂，且板型难以保证；3)在特厚板的生产中，为了保证钢板的淬透性，碳含量较高，对焊接不利。

发明内容

针对现有技术存在的诸多问题，本发明的目的在于提出一种高强度特厚钢板及其生产方法，该发明无需水冷、无需控制轧制、无需控制冷却，仅采用超低碳成分，合理匹配Ni、Cu、Al和Ti合金含量，辅以普通轧制+正火+回火工艺，即可得到高强度特厚钢板。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种高强度特厚钢板，化学成分以重量百分比计包括：C0.0025～0.025％，Si0.16～0.36％，Mn0.85～1.15％，Ni2.1～4.5％，Cu0.8～1.2％，Ti0.008～0.035％，Al0.8～1.2％，其余为Fe和不可避免的杂质。

以下对本发明的高强度特厚钢板中所含组分的作用及其用量的选择具体分析说明：

C：C对钢板的强度、韧性和焊接性能起着重要的作用。C含量过高时，对焊接性能和韧性不利，碳含量较低时，可保证一定的韧性和良好的焊接性，但对强度不利。本发明中，高强度特厚钢板的强度不依赖于C，故C含量选择在0.0025～0.025％。

Si：Si可增加钢的强度，但损害低温韧性及焊接性能，同时Si在炼钢中可起脱氧的作用。本发明中，高强度特厚钢板的强度不依赖于Si，Si仅起脱氧的作用，因此Si的含量控制在0.16～0.36％。

Mn：Mn在钢中可提高钢的淬透性，并起到固溶强化作用，但过高的Mn含量易形成偏析。本发明中，高强度特厚钢板的强度基本不依靠Mn的固溶强化，因此Mn的含量控制在0.85～1.15％。

Ni、Al、Ti、Cu：Ni能提高钢的淬透性，显著改善钢材的低温韧性，是提高强韧性的有利元素，Al在钢中起脱氧作用，Ti在钢中的作用是固氮和完全脱氧，Cu在钢中可起到固溶强化作用，回火时能形成纳米富Cu相析出。但在本发明中，主要是利用Ni与Al、Ti、Cu形成纳米级金属间化合物析出和纳米富Cu相析出来提高钢的强度，故Ni含量控制在2.1～4.5％，Al含量控制在0.8～1.2％，Ti含量控制在0.008～0.035％，Cu含量控制在0.8～1.2％。

所述高强度特厚钢板的生产方法包括以下步骤：

(1)按照钢板的化学成分，冶炼、浇铸成钢锭；

(2)加热工序中，钢锭加热温度为1160～1240℃；

(3)轧制工序中，开轧温度≤1120℃，终轧温度≥940℃，轧后空冷至室温；

(4)热处理采用正火+回火工艺，正火温度为860～920℃，保温时间为2～4h；回火温度为480～540℃，保温时间为4～10h。

以下对热处理工艺进行详细说明：

正火工艺：正火是为了使Ni、Cu等合金元素充分固溶于奥氏体中，为后续时效析出做准备。正火温度过低则Ni、Cu等合金元素不能全溶于奥氏体中，温度过高则奥氏体晶粒长大严重，对韧性不利，故选择温度为860～920℃，保温时间为2～4h。

回火工艺：回火是为了使Ni3Al、Ni3Cu、Ni3Ti和富Cu相充分析出，而这些析出物的析出峰值温度在500～520℃，析出时间约4-10h。而当温度超过480～540℃这个范围或是时间少于4h时，析出较少或基本不析出，保温时间超过10h时，析出基本达到饱和。故选取回火温度为480～540℃，保温时间为4～10h。

进一步，所述生产方法制得的钢板的组织为铁素体，铁素体基体中分布有Ni3Al、Ni3Cu、Ni3Ti三种纳米级金属间化合物和富Cu相。

进一步，所述生产方法制得的钢板的厚度≥100mm，屈服强度R_p0.2≥900MPa，抗拉强度R_m≥1000MPa，断后伸长率≥12％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、采用超低碳成分，碳含量≤0.025％，合理配置Ni、Cu、Al和Ti合金含量，辅以正火+回火工艺，所制得钢板的组织为铁素体，钢板屈服强度R_p0.2≥900MPa，抗拉强度R_m≥1000MPa，断后伸长率≥12％。

2、本发明高强度特厚钢轧制工艺简单，无需控轧控冷，轧制节奏较快，生产率高。热处理采用正火+回火工艺，正火后钢板无厚度效应，热处理后钢板厚度方向上组织性能均匀，因此可生产100mm以上的大厚度钢板，不会出现淬火工艺中由于心部淬不透而导致强度偏低的问题。

3、本发明高强度特厚钢板的强化方式主要是析出强化。通过回火，在铁素体基体上析出Ni3Al、Ni3Cu、Ni3Ti三种纳米级金属间化合物和一种富Cu相，形成纳米级多相复合析出强化效果。

附图说明

图1为实施例1中钢板纵截面1/4处的显微组织照片；

图2为对比实施例1中钢板纵截面1/4处的显微组织照片；

图3为对比实施例4中钢板纵截面1/4处的显微组织照片；

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，但不限于此。

实施例1

该钢由以下组分组成(wt％)：C：0.010％、Si：0.20％、Mn：0.90％、Ni：3.90％、Cu：1.20％、Ti：0.025％、Al：1.20％，其余为Fe和不可避免的杂质。

(1)在冶炼、浇铸工序中，按照上述的化学成分重量百分比冶炼、浇铸成钢锭；

(2)在加热工序中，钢锭加热温度为1160～1240℃；

(3)在轧制工序中，开轧温度≤1120℃，终轧温度≥940℃，轧后空冷至室温，钢板厚度为135mm。

(4)在热处理工序中，采用正火+回火工艺，正火温度为860～920℃，保温时间为2～4h；之后进行回火，回火温度为500℃，保温时间为4～10h。得到钢板的力学性能见表1。

实施例2

该钢由以下组分组成(wt％)：C：0.015％、Si：0.25％、Mn：1.00％、Ni：3.00％、Cu：1.00％、Ti：0.015％、Al：1.00％，其余为Fe和不可避免的杂质。

(2)在加热工序中，钢锭加热温度为1160～1240℃；

(4)在热处理工序中，采用正火+回火工艺，正火温度为860～920℃，保温时间为2～4h；之后进行回火，回火温度为510℃，保温时间为4～10h。得到钢板的力学性能见表1。

实施例3

该钢由以下组分组成(wt％)：C：0.020％、Si：0.30％、Mn：1.10％、Ni：2.70％、Cu：0.90％、Ti：0.010％、Al：0.90％，其余为Fe和不可避免的杂质。

(2)在加热工序中，钢锭加热温度为1160～1240℃；

(4)在热处理工序中，采用正火+回火工艺，正火温度为860～920℃，保温时间为2～4h；之后进行回火，回火温度为525℃，保温时间为4～10h。得到钢板的力学性能见表1。

对比实施例1

(2)在加热工序中，钢锭加热温度为1160～1240℃；

(4)在热处理工序中，采用正火+回火工艺，正火温度为860～920℃，保温时间为2～4h；之后进行回火，其中回火工艺为：回火温度：450℃，保温时间为4～10h。得到钢板的力学性能见表1。

对比实施例2

(2)在加热工序中，钢锭加热温度为1160～1240℃；

(4)在热处理工序中，采用正火+回火工艺，正火温度为860～920℃，保温时间为2～4h；之后进行回火，其中回火工艺为：回火温度：510℃，保温时间为＜4h。得到钢板的力学性能见表1。

对比实施例3

(2)在加热工序中，钢锭加热温度为1160～1240℃；

(4)在热处理工序中，采用正火+回火工艺，正火温度为860～920℃，保温时间为2～4h；之后进行回火，其中回火工艺为：回火温度：550℃，保温时间为4～10h。得到钢板的力学性能见表1。

对比实施例4

(2)在加热工序中，钢锭加热温度为1160～1240℃；

(4)在热处理工序中，采用正火+回火工艺，正火温度为860～920℃，保温时间为2～4h；之后进行回火，其中回火工艺为：回火温度：650℃，保温时间为4～10h。得到钢板的力学性能见表1。

表1本发明实施例涉及的超低碳高强度特厚钢板力学性能

注：拉伸试样采用标距为φ8×40mm的棒状试样。取样位置分别为板厚1/8、1/4和1/2处。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims

1.一种高强度特厚钢板，其特征在于，所述的钢板化学成分以重量百分比计包括：C0.0025～0.025％，Si0.16～0.36％，Mn0.85～1.15％，Ni2.1～4.5％，Cu0.8～1.2％，Ti0.008～0.035％，Al0.8～1.2％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.一种高强度特厚钢板的生产方法，其特征在于，所述钢板的生产方法包括以下步骤：

(1)按照钢板的化学成分，冶炼、浇铸成钢锭；

(2)加热工序中，钢锭加热温度为1160～1240℃；

3.根据权利要求2所述的高强度特厚钢板的生产方法，其特征在于，所述生产方法制得的钢板的组织为铁素体，铁素体基体中分布有Ni3Al、Ni3Cu、Ni3Ti三种纳米级金属间化合物和富Cu相。

4.根据权利要求2或3所述的高强度特厚钢板的生产方法，其特征在于，所述生产方法制得的钢板的厚度≥100mm，屈服强度R_p0.2≥900MPa，抗拉强度R_m≥1000MPa，断后伸长率≥12％。