CN108642390A

CN108642390A - 一种厚度方向性能z在35~50%的高强度厚钢板及生产方法

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Publication number: CN108642390A
Application number: CN201810541994.6A
Authority: CN
Inventors: 王世森; 杜明; 徐进桥; 刘念; 薛欢; 李德发; 吴迪升; 汪荣
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2018-10-12
Anticipated expiration: 2038-05-30
Also published as: CN108642390B

Abstract

一种厚度方向性能Z在35~50%的高强度厚钢板，其组分及wt%为：C：0.10~0.18%，Si：0.10~0.40%，Mn：1.20~1.60%，P≤0.010%，S≤0.005%，Cr：0.10~0.50%，Mo：0.45~0.75%，Ni：0.05~0.20%，Nb+Ti+V之和在0.040~0.06%，B：0.0008~0.0020%，H≤2ppm。生产步骤：按洁净钢冶炼后连铸成坯；经对铸坯加热后粗轧；精轧；淬火；回火；自然冷却至室温。本发明解决了现有技术中高强钢在10⁷循环疲劳条件下应力小，在焊接或受力后易发生层状撕裂的问题。其屈服强度在900~1000MPa、抗拉强度≥1000MPa、延伸率A≥15%，其厚度方向性能Z值在35~50%；经焊接或经10⁷循环疲劳试验，未产生层状撕裂现象。

Description

一种厚度方向性能Z在35~50%的高强度厚钢板及生产方法

技术领域

本发明涉及一种工程机械用钢板及生产方法，具体属于一种屈服强度在900~1000MPa的高强钢及生产方法，其适用的钢板厚度在25~50mm的热轧钢。

背景技术

随着工程机械行业的发展，使用钢材的强度等级也迅速提高。Q460、Q550已经逐渐被Q690和Q890级别的钢所替代。Q890级别钢实物性能屈服强度已经达到900MPa，属于超高强度用钢范围。在现有技术中，由于其强度超高，故在生产过程中往往只能保证其常规的力学性能（屈服强度、抗拉强度、延伸率等），而厚度方向性能Z匹配则成为技术“瓶颈”。Z向钢做为复杂受力关键结构使用，良好强度和平行于轧制面的抗层状撕裂性能匹配，保证焊接结构的轻量化及整体安全性。钢材并不是一种完全各向同性的材料，采用轧制成型的生产工艺决定了钢板在三个方向力学性能上的差异，其沿轧制方向的性能最好，垂直于轧制方向的性能也很好，单眼厚度方向的性能则较差。随着钢板强度及厚度的增加，出现这种现象的可能性亦随之增大。钢板分层使其在厚度方向的力学性能降低，焊接或受力后易发生层状撕裂。为此，人们对用于结构某些重要焊接构件的钢板，除要求其沿宽度方向和长度方向有良好的力学性能外，同时要求沿厚度方向亦具有良好的抗层状撕裂性能。即人们通常所说的“Z 向钢”。近些年来，结构的轻量化和绿色化引领，高强钢使用量越来越大。由于采用屈服强度大于500MPa焊接结构件越来越多的出现主结构钢板焊后局部撕裂造成失效的情况。经过对失效件缺陷部位的分析，大量的分析结果把焦点集中在钢板的厚度方向性能上。由于厚度方向性能低造成的层状撕裂被高强钢研发者关注。目前，屈服强度在700MPa以内的高强钢已经实现Z35级别的应用。在900~1000MPa级别的高强钢领域，由于其强度超高，组织特征有别，普通方式生产的高强钢厚度方向性能指标往往只能在5~10%之间，Z15的级别都不能实现。本发明通过合理的成分设计，高洁净钢制造方法及独有的轧钢工艺，实现屈服强度在900~1000MPa级别钢在厚度方向性能达到35~50%的水平。

经检索：

中国专利公开号为CN 106435368 A的文献，其公开了《一种抗延迟断裂超高强度钢板的生产方法》，其工艺路线为：铁水预处理→转炉冶炼→LF炉外精炼→VD真空处理→连铸→加热→轧制→淬火→回火→精整→性能检验→探伤，其钢的化学组成百分含量为：C=0.14~0.20，Si=0.15～0.35，Mn=1.0～1.50，P≤0.015，S≤0.003，Nb=0.020~0.040，V=0.040~0.070，Ti=0.010~0.025，Als=0.020～0.045，Cr=0.10～0.60，Mo=0.30～0.70，Ni=0.20~0.50，B=0.0008~0.0025，CEV≤0.53，余量为Fe和其它微量元素，气体含量H≤0.0002%，N≤0.005%，O≤0.0015%。该文献所生产的钢板在火焰切割和等离子切割前无需预热，切割后不需保温或后热，切割面质量良好，着色探伤零缺陷，无对于钢板厚度方向性能要求。

中国专利公开号为CN201310372863.7的文献，其公开了《提高厚规格高强钢厚度方向性能的方法》。其工艺包括：冶炼、连铸、板坯再加热、除鳞、粗轧、精轧、冷却、热矫直和热处理，其中，所述冷却的终冷温度为540-600℃，所述冷却的速度为10-14℃/s。提高60mm-80mm厚规格高强钢板，特别是Q550D高强钢板的厚度方向性能。其组分为：C0.06-0.10%、Si0.15-0.40%、Mn1.5-1.8%、P≤0.015%、S≤0.005%、Als≥0.020%、Nb0.035-0.060%、V0.035-0.070%、Ti0.008-0.015%、Cr0.30-0.60%、Mo0.15-0.25%。该文献的虽然平均断面收缩率达到43%，最小断面收缩率为38%，达到Z35级别。但其强度只有屈服强度550MPa级。不能满足更高端市场的需求。

发明内容

本发明在于解决现有技术中存在的高强钢产生钢板分层，使其在厚度方向的力学性能降低，在焊接或受力后易发生层状撕裂的问题，提供一种屈服强度在900~1000MPa、抗拉强度≥1000MPa、延伸率A≥15%，并且其厚度方向性能Z值在35~50%的高强钢及生产方法。

实现上述目的的措施：

一种厚度方向性能Z在35~50%的高强度厚钢板，其组分及重量百分比含量为：C：0.10~0.18%，Si：0.10~0.40%，Mn：1.20~1.60%，P≤0.010%，S≤0.005%，Cr：0.10~0.50%，Mo：0.45~0.75%，Ni：0.05~0.20%，Nb+Ti+V之和在0.040~0.06%，B：0.0008~0.0020%，H≤2ppm，余量为Fe及不可避免杂质；屈服强度在900~1000MPa，抗拉强度≥1000MPa、延伸率A≥15%，并且厚度方向性能Z值为35~50%；金相组织为全马氏体。

优选地：Ni的重量百分比含量在0.08~0.192%。

优选地：Nb+Ti+V之和的重量百分比含量0.040~0.052%；Nb+Ti+V其按照顺序添加比例为1:2:1。

生产一种厚度方向性能Z在35~50%的高强度厚钢板的方法，其步骤：

1）按照洁净钢常规进行冶炼后连铸成坯，其中在铸坯阶段，严格控制浇铸过热度在20~30℃，在拉坯速度为0.76~1.01m/min内任选一值作为恒定拉坯速度；

2）经对铸坯常规加热后进行粗轧，控制粗轧温度在941~1017℃，累计变形率在60~80%，并使厚度为成品厚度的3~6倍；

3）进行精轧，控制精轧终轧温度在813~849℃，累计变形率在40~70%，并使厚度为成品厚度的2~2.5倍；

4）进行淬火，淬火温度在895~930℃，并在此温度下保温35~45min，在冷却速率为20~25℃/s下将钢板冷却至Ms点以下；

5）进行回火，回火温度在500~600℃，在此温度下保温125~200min；

6）自然冷却至室温。

优选地：粗轧阶段累计变形率在67~80%，并使厚度为成品厚度的3~7.5倍。

优选地：精轧阶段累计变形率在45~65%。

优选地：淬火温度在895~920℃，并在此温度下保温3,8~45min。

优选地：回火温度在510~575℃，并在此温度下保温135~185min。

本发明中各元素及主要工艺的作用及机理：

C：强烈固溶强化元素，在提高强度的同时影响炼钢铸坯质量。其在铸坯中心选分结晶，造成偏聚，影响厚度方向韧性。本发明为保证强度降低不良影响，确定其含量在0.10-0.18%之间。

Si：固溶强化元素，在炼钢过程中作为脱氧剂加入，降低钢水中的气体含量。在本发明中除了降低气体含量，减少中心夹杂物偏析外，促进铁素体相变，细化晶粒。综合考虑设定其含量在0.10-0.40%之间。

Mn：固溶强化元素，保障钢板的力学性能达到设计水平的同时结合钢中的S元素。本发明确定其含量在1.20-1.60%之间。

P：有害元素，冷脆性，不利于强度和整体性能均匀性。本发明严格控制含量小于0.010%。

S：有害元素，与Mn结合形成夹杂物在钢板的芯部聚集，影响Z向性能。严格控制其含量小于0.005%。

Cr：固溶强化元素，扩大奥氏体相区增加其他元素的固溶量，有效提供强度保证。本发明确定其含量在0.10-0.50%。

Mo：促进马氏体相变元素，在适当的冷速范围内有利于马氏体的形成。同时，其热稳定性也保证钢的Z向性能稳定。本发明确定其含量0.45-0.75%。

Ni：在本发明中，该元素为稳定奥氏体化元素。通过对最终结晶区的均匀化效果，保证Z向拉伸钢板的芯部位置与其他厚度位置一致，稳定且有效提高Z向性能。根据相图计算，低于0.05%的Ni添加，其溶于奥氏体内的量非常有限，稳定奥氏体的的作用不明显。最终结晶区的均匀化也不足以改善芯部位置与厚度其他位置的一致性，从而影响Z向性能。高于0.20%添加则造成强度的变化，无法保证钢板的基本力学性能。本发明中确定其含量0.05~0.20%，优选地Ni的重量百分比含量在0.08~0.192%。

Nb+Ti+V：微合金化元素，Nb可显著提高再结晶温度、细化晶粒，有利于提高钢的工艺性能及使用性能，但降低钢的高温塑性，恶化钢的焊接性能。Ti在焊接循环过程中形成稳定的析出相，可使组织晶粒粗化，提高焊接热影响区的力学性能，降低钢的韧性与疲劳性能。V在奥氏体向铁素体转变过程中及铁素体内析出，产生明显的析出强化作用。通过细化晶粒和第二相析出提高钢的强度和韧性。本发明中其细化晶粒保证钢板的组织均匀性，第二相析出阻止位错运动，均能有效保证Z向性能。本发明中含量确定Nb+V+Ti 0.040~0.06%，其按照顺序添加比例为1:2:1。添加量小于0.040其微合金化效果达不到设计需求。添加大于0.060%则会发生第二相聚集长大，形成大颗粒的复合夹杂，不利于钢板的整体性能。

B：促进马氏体转变元素，同时净化晶界，保证强度的同时保证厚度方向性能均匀，过多添加则会形成夹杂物，破坏整体性能。本发明确定其含量在0.0008~0.0020%。

H：有害元素控制，其在钢中大于2ppm有发生白点脆断的风险。本发明严格控制其含量小于2ppm。

本发明之所以控制粗轧阶段的累计变形率在60~80%，并使厚度为成品厚度的3~9倍，优选地粗轧阶段累计变形率在67~80%，并使厚度为成品厚度的3~7.5倍，在于在该阶段能尽可能地细化铸坯原始组织带来的粗大柱状晶，以保证钢板内部组织致密且均匀性好，同时降低出现内部缺陷的风险。特别是还可以保证钢板的芯部位置组织致密，提高钢板厚度方向性能。

本发明之所以控制精轧阶段的累计变形率在40-70%，优选地精轧阶段累计变形率在45~65%，其在于为进一步细化晶粒，保证在后序冷却过程中使晶粒尺寸满足细晶强化的要求。并保证钢板的均匀性。

本发明之所以控制淬火温度在890~930℃区间，保温时间在30~50min，冷却速率在20~25℃/s，优选地淬火温度在895~920℃，并在此温度下保温35~45min，在于使钢板的最终组织为全马氏体组织。

本发明之所以控制回火温度在回火温度在500~600℃，在此温度下保温125~200min，优选地回火温度在510~575℃，并在此温度下保温135~185min，在于在此条件下使钢板组织内部出现回火相，Nb、V、Ti的氮化物和碳化物出现，第二相质点的弥散强化作用保证钢板的强度。同时，回火可以消除钢板的内部应力，提高钢的韧性。

本发明解决了现有技术中存在的高强钢在10⁷循环疲劳条件下的应力小，钢板分层使其在厚度方向的力学性能降低，在焊接或受力后易发生层状撕裂的问题。其屈服强度在900~1000MPa、抗拉强度≥1000MPa、延伸率A≥15%，其厚度方向性能Z值在35~50%；经焊接或经10⁷循环疲劳试验，未产生层状撕裂现象。

附图说明

图1为本发明钢的金相组织图。

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化学成分列表；

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的性能检测列表。

本发明各实施例均按照以下步骤进行生产：

4）进行淬火，淬火温度在895~9308℃，并在此温度下保温35~45min，在冷却速率为20~25℃/s下将钢板冷却至Ms点以下；

6）自然冷却至室温。

表1 本发明各实施例及对比例的化学成分（wt.%）

说明：表1中Nb+Ti+V的添加量是按照其顺序比例1:2:1添加的。

表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数取值列表

表3 本发明各实施例及对比例的性能检测结果

从表3可以看出，依据本发明中的成分和工艺完全实现了厚度在25~50mm钢板的强度性能的同时厚度，并使钢板在厚度方向的性能Z达到35~50%，完全满足了市场更高的要求。

本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims

1.一种厚度方向性能Z在35~50%的高强度厚钢板，其组分及重量百分比含量为：C：0.10~0.18%，Si：0.10~0.40%，Mn：1.20~1.60%，P≤0.010%，S≤0.005%，Cr：0.10~0.50%，Mo：0.45~0.75%，Ni：0.05~0.20%，Nb+Ti+V之和在0.040~0.06%，B：0.0008~0.0020%，H≤2ppm，余量为Fe及不可避免杂质；屈服强度在900~1000MPa，抗拉强度≥1000MPa、延伸率A≥15%，并且厚度方向性能Z值为35~50%；金相组织为全马氏体。

2.如权利要求1所述的一种厚度方向性能Z在35~50%的高强度厚钢板，其特征在于：Ni的重量百分比含量在0.08~0.192%。

3.如权利要求1所述的一种厚度方向性能Z在35~50%的高强度厚钢板，其特征在于：Nb+Ti+V之和的重量百分比含量0.040~0.052%；Nb+Ti+V其按照顺序添加比例为1:2:1。

4.生产如权利要求1所述的一种厚度方向性能Z在35~50%的高强度厚钢板的方法，其步骤：

6）自然冷却至室温。

5.如权利要求4所述的生产一种厚度方向性能Z在35~50%的高强度厚钢板的方法，其特征在于：粗轧阶段累计变形率在67~80%，并使厚度为成品厚度的3~7.5倍。

6.如权利要求6所述的生产一种厚度方向性能Z在35~50%的高强度厚钢板的方法，其特征在于：精轧阶段累计变形率在45~65%。

7.如权利要求4所述的生产一种厚度方向性能Z在35~50%的高强度厚钢板的方法，其特征在于：淬火温度在895~920℃，并在此温度下保温38~45min。

8.如权利要求4所述的生产一种厚度方向性能Z在35~50%的高强度厚钢板的方法，其特征在于：回火温度在510~575℃，并在此温度下保温135~185min。