CN107904488A - 一种特厚高强高韧抗层状撕裂q550钢板及其制造方法 - Google Patents

一种特厚高强高韧抗层状撕裂q550钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种特厚高强高韧抗层状撕裂Q550钢板，生产方法为电弧炉初炼、精炼、浇铸成扁钢锭，扁钢锭成型为特厚钢板、特厚钢板经特殊工艺淬火和回火后生产出成品钢板。本发明的钢板最厚300mm，屈服强度550MPa级，‑20℃纵横向冲击吸收能≥69J，抗层状撕裂性能达到Z向断面收缩率≥40％。本发明钢板具有特厚、高强度、高韧性、良好抗层状撕裂性能等优点，可广泛应用于大型、特大型水电发电机组部件及其它高端大型结构部件的建造。

Description

一种特厚高强高韧抗层状撕裂Q550钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种用于制造大型、特大型水电发电机组部件及其它高端大型结构部件的特厚、高强、高韧、抗层状撕裂的Q550钢板及其生产方法。
背景技术
随着我国机械制造业的技术进步，设备越来越大型化，例如白鹤滩水电项目单机装机容量达到了100万千瓦，相应设备制造的原材料——钢板，特厚规格已成为必然趋势，且厚度逐步增加，厚度增加以后，相应强度提高，韧性、抗层状撕裂等性能提出更高的要求，内部质量要求更高，冷加工性能、焊接性能等使用加工性能也提出了更高的要求。特厚钢板因其厚度大，受金属本身特性的影响，在成型、热处理等诸多工艺环节都必须有所突破，否则难以满足高的质量要求，高端特厚钢板的质量难度主要表现在：
⑴、钢板越来越厚，最厚达到300mm；
⑵、强度越来越高，达到屈服强度550MPa级，靠传统的正火方法已经不能保证强度，必须调质，而对于特厚钢板，受金属材料本身导热能力限制，淬火的难度极大；
⑶、韧性要求高，要求保证钢板纵向、横向-20℃冲击吸收能均达到47J以上，为保证焊接以后的韧性，钢板母材的韧性其实要求更高，结合高强度，性能保证难度极大；
⑷、抗层状撕裂性能要求高，一般要求达到抗层状撕裂的最高级别—Z35级，即厚度方向断面收缩率≥35％；
针对制造大型、特大型水电发电机组部件及其它高端大型结构部件用特厚钢板的这些质量和生产技术难题，本申请的目的在于开发一种特厚、高强、高韧、抗层状撕裂的Q550钢板，同时还涉及该钢板的生产方法。通过低碳和适量合金元素配比，解决钢板淬透性、淬硬性难题，结合合理的淬火、回火工艺制度，使钢板微观组织达到适宜的下贝氏体、多边形铁素体、回火索氏体的合理比例，保证钢板性能满足要求；通过严格合理的钢液精炼工艺，保证良好的抗层状撕裂性能。这种特厚、高强、高韧、抗层状撕裂Q550钢板完全满足大型、特大型水电发电机组部件及其它高端大型结构部件的使用要求，本钢板的成功研制，对于该级别钢板的国产化及进一步推广应用都具有重要意义。
发明内容
针对制造大型、特大型水电发电机组用部件及其它高端大型结构部件用钢板的质量和生产技术难题，本发明的目的在于提供一种特厚、高强、高韧、抗层状撕裂的Q550钢板，达到以下技术要求：
(1)钢板最大厚度达到300mm；
(2)达到屈服强度550MPa级，同时具备高韧性、高抗层状撕裂性能，性能达到下表要求；
本发明的Q550钢板性能
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种特厚高强高韧抗层状撕裂Q550钢板，钢板是由以下质量百分比的组分熔炼而成：C：0.08％～0.25％，Si：0.05％～0.45％，Mn：0.90％～1.50％，P≤0.010％，S≤0.002％，Ni：1.00％～2.00％，Cr:0.40％～1.50％，Mo:0.40％～1.50％，Cu:0.03％～0.60％，Nb：0.010％～0.050％，Al：≥0.030％，Ti：0.003％～0.030％，V:0.002％～0.060％，Ca：0.0010％～0.0030％，B：0.0001％～0.0030％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明钢板采用化学成分设计低碳和Ni、Cr、Mo、V等合金元素配比，解决低碳和低碳当量条件下钢板淬透性、淬硬性难题，使钢板微观组织达到适宜的下贝氏体、多边形铁素体、回火索氏体的合理比例；Ni同时提高韧性；Nb、Al、Ti分别细化钢板生产不同工序(浇注、轧钢、热处理)阶段的组织，保证钢板性能满足要求；Si、Al、Ca结合脱氧，保证能够完全镇静钢，结合极低的有害元素P、S含量，保证钢质纯净，Ca处理改善钢中残留夹杂物形态，提高钢板抗层状撕裂性能。
钢板中各组分及含量在本发明中的作用是：
⑴、碳(C)
能够明显提高钢板淬透性、淬硬性，帮助形成韧性良好的下贝氏体组织，从而有效提高钢板强度、尽量少损失韧性。但碳析出强化或以间隙原子存在时，大幅度降低钢板韧性，因此按0.08％～0.15％的碳含量设计。
⑵、硅(Si)
是炼钢过程中最经济的还原剂和脱氧剂，但Si含量高时，加热时表面易增加氧化铁皮、氧化铁皮发粘不易去除，故在满足脱氧还原要求外，尽量降低钢中残留Si含量。
⑶、锰(Mn)
扩大奥氏体相区，能够显著提高钢板淬透性；改善钢的热加工性能。但Mn增加钢的回火脆性，锰量过高，对于特厚钢板易出现中心偏析。因此其含量不宜太高，一般控制在0.90％～1.50％之间。
⑷、磷(P)、硫(S)
属于钢中有害元素，尽量降低其含量。其中P增加钢的冷脆性，降低塑性；S成型时造成裂纹，形成塑性的MnS夹杂物增加钢的各向异性，割裂钢基体一致性，降低钢的延展性和韧性。
⑸、镍(Ni)
能提高钢板淬透性，尤其在改善钢板在低温下的韧性，使韧脆转变温度下降方面作用明显。但Ni成本高。增加钢的回火脆性。
⑹、铬(Cr)
显著提高淬透性、淬硬性并有固溶强化提高钢的强度和硬度的作用，但在钢板韧性和回火脆性方面会带来一定不利影响。
⑺、钼(Mo)
可使钢C曲线右移，显著提高钢的淬透性、淬硬性，尤其是能够提高钢的回火稳定性，利于调质后获得细晶粒的回火索氏体，使钢板强韧性得到改善。
⑻、铜(Cu)
在低合金钢中，Cu是扩大奥氏体相区元素，提高钢的淬透性，Cu对钢的临界温度、淬透性、及其固溶强化作用与Ni相似。
⑼、铌(Nb)
Nb抑制再结晶，扩大控轧窗口，轧制过程细化组织效果明显，并有一定的抑制加热过程奥氏体晶粒粗化作用和钢板析出强化作用。
⑽、铝(AL)
AL是强脱氧元素，在Si脱氧后，用AL终脱氧，降低钢中氧及氧化物夹杂含量，提高钢的综合性能；钢中一定残留铝具有加热过程抑制奥氏体晶粒粗化的作用。
⑾、钛(Ti)
一定量的残留钛具有强烈的阻碍加热时奥氏体晶粒长大的作用，从而保证变形前较好的晶粒组织准备，精炼过程Ti的加入时机十分重要，形成合适的Ti氧化物粒子，能显著地改善钢焊接热影响区的韧性。
⑿、钒(V)
调质钢中可以提高钢的淬透性。
⒀、钙(Ca)
首先Ca是极强的脱氧元素，利于钢液深脱氧，其次Ca可以改变脱氧、脱硫产物性质，一方面降低夹杂物，另一方面改善残留于钢中的夹杂物的有害影响，此外，钢中残留Ca的化合物还可以改善钢的焊接性能。
⒁、硼(B)
B能显著提高钢板淬透性，对钢板获得理想的组织有利，但其在晶界偏聚，会严重影响钢板韧性，增加钢板韧性的不均匀性。因此B的添加量、形态控制极为重要，使用不恰当，反而带来不利影响。
本发明的目的还在于提供一种具有上述化学成分组成的，用于制造大型、特大型水电发电机组部件及其它高端大型结构部件的特厚、高强、高韧、抗层状撕裂Q550钢板的制造方法，具体步骤如下：
第一步，经电弧炉初炼、精炼、浇铸成扁钢锭。精炼包括LF精炼和VD真空精炼，LF精炼过程适量向钢液喂铝线沉淀脱氧，LF精炼过程钢液[AL]含量在0.015％以上，LF精炼快速变渣，造渣剂总用量不少于20kg/t钢，前、中、后不同时期精炼渣流动性合适。VD真空精炼高真空度保持时间≥25min，真空精炼后钢液[H]含量不得高于1.2ppm。
第二步，钢锭成型制成特厚钢板，钢板最大厚度300mm，宽度最宽达到3600mm。
第三步，钢板加热到800℃～920℃，加热时间按1.5min/mm～3.5min/mm板厚计算，加热保证充分奥氏体化和合金元素的固溶，然后淬火，淬火后按降低加热温度40℃～80℃再次加热，保温后淬火；两次淬火后，按加热温度600℃～700℃，保温2.0min/mm～4.5min/mm回火，通过如上两次淬火加一次回火热处理保证性能达到要求。热处理保证钢板淬火组织为适当形态的下贝氏体、多边形铁素体和少量马氏体，回火后组织为适当形态的回火下贝氏体、多边形铁素体和少量回火索氏体。
本发明钢板采用化学成分设计低碳和Ni、Cr、Mo、V等合金元素配比，解决低碳和低碳当量条件下钢板淬透性、淬硬性难题，使钢板微观组织达到适宜的下贝氏体、多边形铁素体、回火索氏体的合理比例；Ni同时提高韧性；Nb、Al、Ti分别细化钢板生产不同工序阶段的组织，保证钢板母材和焊接消应处理后的性能满足要求；Si、Al、Ca结合脱氧，保证完全镇静钢，结合极低的有害元素P、S含量及Ca处理改善钢中残留夹杂物形态，提高钢板抗层状撕裂性能，Z向断面收缩率达到40％以上(满足并超出Z35要求)。达到钢板高强度(屈服强度550MPa级)、高韧性，搞抗层状撕裂性能，焊接性能优良，弯曲切割等冷加工性能优良，同时达到了特厚(最厚300mm)。本发明钢板综合性能优良，增强了市场竞争力，填补了国内空白，质量、性能指标达到并超过了制造大型、特大型水电发电机组部件及其它高端大型结构部件用特厚高强抗层状撕裂钢板的要求。可广泛用于大型、特大型水电项目发电机组及其它高端结构的制造。
本发明具有以下优点：
⑴、钢板特厚，最厚300mm；
⑵、钢板高强度、高韧性、高抗层状撕裂性能，性能达到表中要求。
附图说明
图1是300mm特厚Q550钢板100倍金相组织；
图2是300mm特厚Q550钢板500倍金相组织；
图3是280mm特厚Q550钢板100倍金相组织；
图4是280mm特厚Q550钢板500倍金相组织。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一
本实施例的钢种牌号Q550，钢板厚度300mm。其是由以下质量百分数的组分熔炼而成，C：0.12％，Si：0.15％，Mn：1.26％，P:0.009％，S:0.001％，Ni：1.51％，Cr:0.68％，Mo:0.50％，Cu:0.41％，Nb：0.032％，Al：0.030％，Ti：0.021％，V:0.036％，Ca：0.0014％，B：0.0009％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例特厚、高强、高韧、抗层状撕裂的Q550钢板生产方法的步骤如下：
第一步，经电弧炉初炼、精炼、浇铸成扁钢锭。精炼包括LF精炼和VD真空精炼，LF精炼过程适量向钢液喂铝线沉淀脱氧，LF精炼过程钢液[AL]含量在0.019％～0.059％，LF精炼快速变渣，造渣剂总用量23kg/t钢，前、中、后不同时期精炼渣流动性合适。VD真空精炼高真空度保持时间30min，真空精炼后钢液[H]含量0.8ppm。
第二步，钢锭成型制成特厚钢板，钢板厚度300mm，宽度2600mm。
第三步，钢板加热温度880℃，加热时间按2.6min/mm板厚计算，加热保证充分奥氏体化和合金元素的固溶，然后淬火，第二次淬火加热温度820℃，加热时间按2.8min/mm板厚计算；两次淬火后，按加热温度660℃，保温4.0min/mm回火，通过如上两次淬火加一次回火热处理保证性能达到要求。热处理保证钢板淬火组织为适当形态的下贝氏体、多边形铁素体和少量马氏体，回火后组织为适当形态的回火下贝氏体、多边形铁素体和少量回火索氏体。
本实施例特厚、高强、高韧、抗层状撕裂的Q550钢板质量性能如下：
钢板组织为回火下贝氏体、多边形铁素体和少量回火索氏体，形貌见图1和图2。
实施例二
本实施例的钢种牌号Q550，钢板厚度280mm。其是由以下质量百分数的组分熔炼而成，C：0.14％，Si：0.35％，Mn：1.32％，P:0.008％，S:0.002％，Ni：1.38％，Cr:0.53％，Mo:0.42％，Cu:0.31％，Nb：0.029％，Al：0.033％，Ti：0.018％，V:0.044％，Ca：0.0011％，B：0.0008％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例特厚、高强、高韧、抗层状撕裂的Q550钢板生产方法的步骤如下：
第一步，经电弧炉初炼、精炼、浇铸成扁钢锭。精炼包括LF精炼和VD真空精炼，LF精炼过程适量向钢液喂铝线沉淀脱氧，LF精炼过程钢液[AL]含量在0.016％～0.047％，LF精炼快速变渣，造渣剂总用量21kg/t钢，前、中、后不同时期精炼渣流动性合适。VD真空精炼高真空度保持时间25min，真空精炼后钢液[H]含量0.9ppm。
第二步，钢锭成型制成特厚钢板，钢板厚度280mm，宽度2100mm。
第三步，钢板加热温度910℃，加热时间按2.4min/mm板厚计算，加热保证充分奥氏体化和合金元素的固溶，然后淬火，第二次淬火加热温度835℃，加热时间按2.5min/mm板厚计算；两次淬火后，按加热温度665℃，保温4.1min/mm回火，通过如上两次淬火加一次回火热处理保证性能达到要求。热处理保证钢板淬火组织为适当形态的下贝氏体、多边形铁素体和少量马氏体，回火后组织为适当形态的回火下贝氏体、多边形铁素体和少量回火索氏体。
本实施例特厚、高强、高韧、抗层状撕裂的Q550钢板质量性能如下：
钢板组织为回火下贝氏体、多边形铁素体和少量回火索氏体，形貌见图3和图4。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种特厚高强高韧抗层状撕裂Q550钢板，其特征在于：由以下质量百分比的组分熔炼而成：C：0.08％～0.25％，Si：0.05％～0.45％，Mn：0.90％～1.50％，P≤0.010％，S≤0.002％，Ni：1.00％～2.00％，Cr:0.40％～1.50％，Mo:0.40％～1.50％，Cu:0.03％～0.60％，Nb：0.010％～0.050％，Al：≥0.030％，Ti：0.003％～0.030％，V:0.002％～0.060％，Ca：0.0010％～0.0030％，B：0.0001％～0.0030％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述特厚高强高韧抗层状撕裂Q550钢板，其特征在于：热处理后钢板淬火组织为适当形态的下贝氏体、多边形铁素体和少量马氏体，回火后组织为适当形态的回火下贝氏体、多边形铁素体和少量回火索氏体。
3.根据权利要求1所述特厚高强高韧抗层状撕裂Q550钢板，其特征在于：该钢板的力学性能满足：
(1)101～170mm板厚，钢板的Rp0.2≥510MPa、Rm为610～750MPa、断后伸长率A≥18％、断面收缩率≥45％、-20℃纵横向冲击吸收能KV2≥69J、厚度方向断面收缩率Zz≥40％、弯曲试验：无裂纹；
(2)＞170～240板厚，钢板的Rp0.2≥500MPa、其他性能同101～170mm板厚的产品；
(3)＞240～300板厚，钢板的Rp0.2≥490MPa、其他性能同101～170mm板厚的产品。
4.根据权利要求1所述的特厚高强高韧抗层状撕裂Q550钢板的制造方法，其特征在于：包括如下主要步骤
第一步，经电弧炉初炼、精炼、浇铸成扁钢锭，精炼包括LF精炼和VD真空精炼，LF精炼过程适量向钢液喂铝线沉淀脱氧，LF精炼过程钢液[Al]含量在0.015％以上，LF精炼快速变渣，造渣剂总用量不少于20kg/t钢，前、中、后不同时期精炼渣流动性适宜，VD真空精炼真空度保持时间≥25min，真空精炼后钢液[H]含量不得高于1.2ppm；
第二步，钢锭成型制成特厚钢板，钢板最大厚度300mm，宽度最宽达到3600mm；
第三步，钢板加热到800℃～920℃，加热时间按1.5～3.5min/mm板厚计算，加热保证充分奥氏体化和合金元素的固溶，然后淬火，淬火后按降低加热温度40℃～80℃再次加热，保温后淬火；两次淬火后，按加热温度600℃～700℃，保温2.0min/mm～4.5min/mm回火，通过如上两次淬火加一次回火热处理保证性能达到要求，热处理后钢板淬火组织为适当形态的下贝氏体、多边形铁素体和少量马氏体，回火后组织为适当形态的回火下贝氏体、多边形铁素体和少量回火索氏体。
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