CN108070779A - 一种可焊接细晶粒高强度结构钢板及其生产方法 - Google Patents

一种可焊接细晶粒高强度结构钢板及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种细晶粒高强度结构钢板及其生产方法,所述钢板化学成分(重量百分比)C:0.12~0.16%、Si:0.10~0.50%、Mn:1.30~1.55%、P≤0.020%、S≤0.005%、Nb:0.03~0.06%、Ti:0.006~0.035%、Alt:0.020~0.045%、As≤0.04%、Sn≤0.03%、N≤0.005%、O≤0.003%、H≤0.0002%,余量为Fe和不可避免的杂质,通过热机械控轧控冷(TMCP)工艺生产,得到屈服强度≥460MPa、抗拉强度≥540MPa、伸长率≥17%、夏氏冲击功Akv(‑40℃)≥100J的细晶粒高强度结构钢板。本发明在保证强度、韧性、焊接性的同时降低了工序成本,且焊前无需预热,具有优良的焊接性能,从而简化了制造工序,降低了结构件的加工制造成本。

Description

一种可焊接细晶粒高强度结构钢板及其生产方法
技术领域
[0001] 本发明属于冶金制造技术领域,更具体地说,本发明涉及一种可焊接细晶粒高强 度结构钢板S460M的制造方法。
背景技术
[0002] 随着我国工业经济的发展,对尚钢级尚性能钢种要求逐步提尚,包括对钢板焊接 性、低温韧性等性能的要求,也带动了国内高性能钢板的研制与开发进入一个崭新的阶段。 工程结构用的高强板典型的强度水平是355〜460MPa,且要求厚度1/4处,甚至心部具有良 好的低温冲击韧性。屈服强度多460MPa级别钢板被广泛应用于大跨度桥梁结构、高层建筑 海洋平台、地铁钢结构件,以及煤炭机械、起重、运输设备,且向大型化或轻量化方向发展。 由于这些钢结构件或设备需要承受较大的冲击载荷,并且经常在较低的温度环境下使用, 这就需要钢板具有良好的低温冲击韧性。钢板在使用过程中,常会根据设计需要分割成一 定尺寸,然后拼接而成,因此,钢板的焊接性能非常重要。欧标牌号S460M钢板是典型的高强 度高韧性可焊接细晶粒结构钢,具有良好的发展前景。
[0003] 中国专利号CN103602891A公开了“屈服强度460MPa级的高韧性钢板及其生产方 法”,其材料的化学成分的质量百分含量为:C: 0 · 05〜0 · 08%、Si : 0 · 2〜0 · 4%、Mn: 1 · 2〜1 · 6%、 P:彡0.02%、S:彡0.01%、Nb:0.04〜0·06%、ν:0·04〜0.07%、Ti:0.006〜0.012%、Ca:0.0015〜 0.003%、Als: 0.017〜0.027%,其余为铁和杂质。采用低碳微合金化设计,通过合适的控乳和 控冷工艺,获得细小的铁素体基体组织,从而获得了强度、塑性和韧性的良好匹配,不足之 处是合金设计同时增加了 V,合金成本上升,增加了炼钢工序的成本。
[0004] 中国专利号CN104313468A公开了 “460MPa级低合金高强度结构用钢板及其生产方 法”,其材料的化学成分的质量百分含量为:C:0.03〜0.09%、Si :0.10〜0.40%、Mn: 1.00〜 1.60%、Nb:0.01 〜0.03%、Ti :0.005〜0.030%,Als :0.015〜0.045%、B:0.0005〜 0.0030%K0.015%,S:<0.007%,其余为Fe和不可避免杂质。采取了低C+Nb+B的合金 成分设计,生产出屈服强度多460MPa的钢板,不足之处是,采用了低C成分设计,增加了炼钢 工序脱C成本,并且添加了一定了的B元素,B元素虽可提高钢的强度和增加钢的淬透性,但 却会降低钢板的低温冲击功,恶化钢板低温韧性,特别是对脆性转变温度的影响更大。
[0005] 中国专利号CN102041436A公开了 “低合金高强度钢板Q460C极其制造方法”,其材 料的化学成分的质量百分含量为:C:彡0 · 17%、Si :彡0 · 40%、Mn: 1 · 20〜1 · 55%、P:彡0 · 018%、 S:彡0.005%、微合金化元素(V+Nb+Ti):彡0.20%、Als:彡0.035%,其它为Fe和残留元素。采取 了添加V-Ti-Nb等微合金化元素,钢坯加热温度1240°C,两阶段控乳,终乳温度彡860°C,在 控冷步骤中,入水温度>760°C,返红温度控制500〜600°C,生产出屈服强度彡460MPa的钢 板,不足之处是所添加的微合金元素较多,增加成本。
[0006] 由以上可见,现有技术中要获得屈服强度460MPa级高强度高韧性钢板主要以固溶 强化、析出强化为主来提高强度,采用低C成分设计,添加Nb、V、Ti等微合金元素,生产成本 较高。
发明内容
[0007] 为克服上述的技术缺点,本发明提供一种可焊接细晶粒高强度结构钢板及其制造 方法,具有生产周期短、成本低廉、强度高、仅用TMCP工艺生产等特点。
[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方法是:一种可焊接细晶粒高强度结构钢 板,通过公式CE(%) =C+Mn/6+ (Cr+Mo + V)/5+ (Ni + Cu)/15来确定碳当量CEV,其化学成 分及重量百分数wt. %为:C:0.12〜0· 16%、Si:0.10〜0.50%、Mn: 1.30〜1.55%、P彡 0.020%、S$0.005%、Nb:0.03〜0.06%、Ti:0.006〜0.035%、Alt:0.020〜0.045%、As< 0.04%、511彡0.03%川彡0.005%、0彡0.003%、!1彡0.0002%,余量为卩6和不可避免的杂质;碳当 量CEV彡0.40%,屈服强度彡460MPa、抗拉强度彡540MPa、伸长率彡17%,夏氏冲击功Akv (-40 。(:)SlOOJ0
[0009] 以下是本发明所含组分作用及用量选择的具体说明: C是钢中传统的强化元素,碳含量过低会使NbC生成量降低,影响控乳效果,也会增大冶 炼控制难度,碳含量过高,又会增加碳当量和焊接裂纹敏感指数,恶化钢的焊接性能。综合 考虑,碳含量范围定在〇. 12%〜0.16%; Si主要起固溶强化作用,炼钢过程中加入Si作为还原剂和脱氧剂;Si含量增加可使钢 的硬度和强度增加,但塑性及韧性下降并降低钢的焊接性能,本发明控制其范围在0.10〜 O. 50% ; Mn主要起固溶强化的作用,在碳含量相同的情况下,随着Mn含量的增加,强度增加,且 韧性不恶化,固溶在奥氏体中的Mn通过溶质拖曳效应,降低扩散相变的相变驱动力,抑制了 铁素体相变,起到细化珠光体的作用,提高了钢板的强度和韧性,所以Mn是不可缺少的元 素,但Mn含量过高,造成钢板带状组织严重,增强各向异性,本发明控制其范围在1.20〜 1.55%; S易与Mn结合生成MnS夹杂,影响钢材的伸长率和低温冲击韧性;P在钢材中是容易造成 偏析的元素,它还会恶化焊接性能,显著降低钢的低温冲击韧性,提高韧脆转变温度,因此, P、 S元素应尽量去除,P彡0 · 020%,S彡0 · 005%; 由于As、Sn元素它们的电负性因素和尺寸因素,使得它们极易在晶界偏聚,降低晶界内 聚力,对宏观性能的影响为钢材的断裂功减小,冲击韧性明显降低,因此,应该对其含量予 以特别地适当控制; Nb是取得良好的控乳效果最有效的微合金化元素之一,通常含铌钢加热到1200°C以 上、均热2h后,钢中铌可固溶于奥氏体中,这种固溶铌在加热过程中可以对奥氏体单相扩散 运动界面有抑制作用,阻碍奥氏体晶粒长大,在乳制中会在位错、亚晶界、晶界上沉淀析出 铌的碳、氮化物,阻碍奥氏体动态再结晶,细化晶粒,提高钢板强度和韧性,本发明控制其范 围在 0.03 〜0.06%; Ti的作用主要是其未溶解的碳、氮化物颗粒分布在奥氏体晶界上,用微Ti来固定钢中 的氮,由于形成难溶的TiN而消除了钢中的自由氮,从而改善钢的韧性,TiN可阻碍钢在热加 工前的加热过程中奥氏体晶粒长大,提高奥氏体状态下铌的固溶度,进一步发挥铌的细化 晶粒和沉淀强化作用,另外,微量Ti可以防止在焊接热影响区出现粗晶,保证在焊接热影响 区具有高韧性,Ti的加入量过多,会形成对韧性不利的TiC,因此,本发明Ti含量控制在 O · 006-0 · 035%,N 含量控制在 O · 001-0 · 005%; Al在较高温度时和钢中N形成细小而弥散的AlN析出,抑制晶粒长大,达到细化晶粒、提 高钢在低温下的韧性的目的,本发明中加入〇. 015〜0.04%的Al细化晶粒,提高钢板的韧性 并保证其焊接性能; O以Al2〇3、Si02夹杂物形式存在于钢中,H则会造成氢脆,影响钢板的韧性,因此均需控 制,本发明中要求O彡〇 · 003%,H彡0 · 0002%; 制备上述可焊接细晶粒高强度结构钢板的方法,依次包括以下步骤:冶炼、精炼、连铸、 钢坯加热、控制乳制、控制冷却、缓冷、成品,其特征在于: 冶炼工艺:原料经KR铁水预处理,使SSO. 010%、P彡0.130%;经过顶底复吹转炉冶炼,钢 包经脱氧合金化进行LF和RH精炼炉精炼,进行成分微调,使SSO. 005%、P彡0.010%,然后进 行RH真空脱气除气,脱气结束后软吹时间彡lOmin,使[N]彡50ppm,[0]彡30ppm,[H]彡2ppm, 真空处理时间彡15min,然后进行钙处理,喂Ca-Fe线lm/t; 连铸工艺:采用连铸机浇注,连铸中间包钢水目标温度1512〜1532°C,拉速0.7〜1.3m/ min;钢水浇铸成铸坯,连铸坯下线缓冷,缓冷时间多48h; 铸坯加热工艺:对堆冷后的铸坯进行加热,加热速率按8〜12min/cm控制,其中,加热段 控制温度1150-1280°C,均热段控制温度1230-1250°C ; 乳制及冷却工艺;对加热后铸坯进行粗乳、精乳,然后控制冷却。通过奥氏体再结晶区 范围内粗乳细化奥氏体晶粒,乳制温度980〜IlOOtC、后两道的单道次压下率大于15%、粗乳 总变形率多50%;变形中累计的位错会提高钢板内部缺陷能,使钢板发生动态再结晶和静态 再结晶,细化奥氏体晶粒,在奥氏体未再结晶区进行精乳,获得压扁的变形奥氏体,控制精 乳速度1.5〜6m/s、钢板精乳开乳温度860〜920°C,终乳温度770-850°C,道次压下率为4-30%,精乳总变形率为60〜75%,制得精乳板件;精乳累积压下率大于60%,通过在未再结晶 区大变形量,提高位错密度,同时碳氮化物在位错处发生应变诱导析出,钉扎了位错的运 动,为下一步冷却过程做好组织准备,对精乳板件进行快速水冷,钢板以8〜20°C/s的速度 冷却至彡600°C,出水后空冷,制得板件,采用中等冷却速度,获得心部以多边形铁素体为主 +部分珠光体、表层少量贝氏体的高强度高韧性钢板,保证了钢板的强度和韧性; 所述钢板成品最大厚度为40mm。
[0010] 本发明的有益效果是:制得的钢板屈服强度彡460MPa、抗拉强度彡540MPa、伸长率 多17%、夏氏冲击功Akv H(TC)多100J,焊前无需预热,具有优良的焊接性能,降低了钢板的 制造成本和加工成本,通过合理设计化学成分,添加廉价合金元素Mn,以Nb、Ti的C、N化合微 细析出粒子作沉淀强化,合金元素含量少,原料成本较低,仅通过热机械控乳控冷生产技 术,获得心部以多边形铁素体为主+部分珠光体、表层少量贝氏体的高强度高韧性钢板,在 保证强度、韧性、焊接性的同时降低了工序成本。
附图说明
[0011] 图1为实施案例1对应的典型金相组织照片; 图2为实施案例2对应的典型金相组织照片; 图3为实施案例3对应的典型金相组织照片。
具体实施方式
[0012] 以下通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
[0013] 实施例1 选用连铸坯的厚度为150mm,连铸坯的化学成分的质量百分含量为:C: 0.15%、Si: 0 · 30%、Mn: 1 · 45%、P: 0 · 018%、S: 0 · 004%、Nb: 0 · 046%、Ti : 0 · 016%、Alt: 0 · 024%,余量为Fe和不 可避免的杂质; 加热连铸坯,加热速率为9〜12min/cm,连铸坯的出炉温度为1120°C; 然后将加热后的板坯进行第一阶段乳制和第二阶段乳制,两段乳制工序结束后得到厚 度为20mm的钢板,再将该钢板进行冷却。
[0014] 实施例2 选用连铸坯的厚度为220mm,连铸坯的化学成分的质量百分含量为:C: 0.15%、Si: 0.24%、Mn:1.43%、P:0.017%、S:0.001%、Nb:0.045%、Ti:0.015%、Alt:0.028%,余量为 Fe 和不 可避免的杂质; 连铸坯加热速率为10〜13min/cm,连铸坯的出炉温度为1130°C; 然后将加热后的板坯进行第一阶段乳制和第二阶段乳制,两段乳制工序结束后得到厚 度为30mm的钢板,再将该钢板进行冷却。
[0015] 实施例3 选用连铸坯的厚度为270mm,连铸坯的化学成分的质量百分含量为:C: 0.15%、Si: 0.24%、Mn:1.46%、P:0.017%、S:0.002%、Nb:0.042%、Ti:0.015%、Alt:0.027%,余量为 Fe 和不 可避免的杂质。
[0016] 连铸坯加热速率为10〜13min/cm,连铸坯的出炉温度为1140°C。
[0017] 然后将加热后的板坯进行第一阶段乳制和第二阶段乳制,两段乳制工序结束后得 到厚度为40mm的钢板,再将该钢板进行冷却。
[0018] 实施例1至3的详细的乳制及冷却的工艺参数见表1,生产得到的钢板的力学性能 见表2,从表看出,钢板的机械性能良好,系列温度低温韧性较好。
[0019] 实施例1至3所得钢板的金相组织图分别见图1至3。从图1-3可以看出,钢板的金相 组织主要为铁素体,并有少量珠光体和贝氏体,钢板的晶粒细小且均匀,晶粒的平均尺寸在 ΙΟμπι左右,珠光体含量很少。
[0020] 所获钢板性能完全满足欧标可焊接细晶粒结构钢S460M性能要求。
[0021] 表1本发明的各实施例的化学成分wt°/〇
Figure CN108070779AD00061
表2本发明的各实施例的乳制及冷却工艺参数
Figure CN108070779AD00071
表3本发明的各实施例的力学性能测试结果
Figure CN108070779AD00072
本发明的方法采用Si-Mn-Nb-Ti-Al系低成本成分设计,通过热机械控乳控冷(TMCP)工 艺生产。控制好出炉温度、第二阶段开乳温度、开乳厚度、第二阶段终乳温度和终冷温度等 参数,可以生产出性能优良的钢板,实施例1〜3中,钢板屈服强度在460〜500MPa之间,抗拉 强度在570〜650MPa之间,延伸率彡20%,-40°C的冲击功在100J以上,低温冲击韧性良好。以 1年生产9000吨钢板计算,每吨钢板盈利260元计算,可增加经济效益234万元。

Claims (2)

1. 一种可焊接细晶粒高强度结构钢板,通过公式CE(%) =C+Mn/6+ (Cr+Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15来确定碳当量CEV,其化学成分及重量百分数Wt.%为:C:0.12〜0.16%、Si:
0.10〜0.50%、Mn:1.30〜1.55%、P<0.020%、S<0.005%、Nb:0.03〜0.06%、Ti:0.006〜 0.035%、Alt:0.020〜0.045%、As<0.04%、Sn<0.03%、N<0.005%、0<0.003%、H< 0.0002%,余量为Fe和不可避免的杂质;碳当量CEVSO. 42%; 其制造包括以下步骤: 冶炼:原料经KR铁水预处理,使SSO. 010%、P彡0.130%;经过顶底复吹转炉冶炼,钢包经 脱氧合金化进行LF和RH精炼炉精炼,进行成分微调,使SSO. 005%、P彡0.020%,然后进行RH 真空脱气除气,脱气结束后软吹时间彡lOmin,使[N]彡50ppm,[0]彡30ppm,[H]彡2ppm,真空 处理时间彡15min,然后进行I丐处理,喂Ca-Fe线lm/t; 连铸:采用连铸机浇注,连铸中间包钢水目标温度1512〜1532°C,拉速0.7〜1.3m/min; 钢水浇铸成铸坯,连铸坯下线缓冷,缓冷时间多48h; 铸坯加热:对堆冷后的铸坯进行加热,加热速率按8〜12min/cm控制,其中,加热段控制 温度1150-1280°C,均热段控制温度1230-1250°C ; 乳制及冷却:对加热后铸坯进行粗乳、精乳,然后控制冷却;通过奥氏体再结晶区范围 内粗乳细化奥氏体晶粒,乳制温度980〜1100 °C、后两道的单道次压下率大于15%、粗乳总变 形率多50%;变形中累计的位错会提高钢板内部缺陷能,使钢板发生动态再结晶和静态再结 晶,细化奥氏体晶粒,在奥氏体未再结晶区进行精乳,获得压扁的变形奥氏体,控制精乳速 度1.5〜6m/s、钢板精乳开乳温度860〜920 °C,终乳温度770-850 °C,道次压下率为4-30%,精 乳总变形率为60〜75%,制得精乳板件;精乳累积压下率大于60%,通过在未再结晶区大变 形量,提高位错密度,同时碳氮化物在位错处发生应变诱导析出,钉扎了位错的运动,为下 一步冷却过程做好组织准备,对精乳板件进行快速水冷,钢板以8〜20 °C/s的速度冷却至< 600°C,出水后空冷,制得板件,采用中等冷却速度。
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