CN109913629A

CN109913629A - 一种屈服强度630MPa级易焊接结构钢及其制备方法

Info

Publication number: CN109913629A
Application number: CN201910001770.0A
Authority: CN
Inventors: 罗毅; 杨治争; 周千学; 严翔; 朱丛茂; 官计生; 李德发
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2019-01-02
Filing date: 2019-01-02
Publication date: 2019-06-21
Anticipated expiration: 2039-01-02
Also published as: CN109913629B

Abstract

本发明公开了一种屈服强度630MPa级易焊接结构钢，采用低碳锰微合金成分设计体系，各组分及其所占质量百分比包括：C 0.04～0.08％，Si 0.20～0.50％，Mn 1.30～1.70％，Nb 0.005～0.030％，Ti 0.015～0.055％，Als 0.015～0.050％，B 0.0005～0.0030％，P≤0.012％，S≤0.003％，[N]＜0.0040％；焊接裂纹敏感性指数Pcm<0.20％。本发明结合低碳锰微合金化、洁净钢冶炼技术、控制轧制和控制冷却等技术，可有效兼顾钢材的强度、韧性和焊接性能，且不含Mo、Cu、Ni等贵合金元素，成本低廉，适合推广应用。

Description

一种屈服强度630MPa级易焊接结构钢及其制备方法

技术领域

本发明属于低合金高强度钢及其制造领域，具体涉及一种屈服强度630MPa级易焊接结构钢及其制造方法。

背景技术

随着能源、化工、建筑等领域的迅速发展，低合金高强度结构钢市场需求日益增大，而且为了满足上述行业中工程结构自重降低，装载能力提高的发展趋势，屈服强度在630MPa 的钢板用量越来越多。这种强度级别的钢板早期以轧制后淬火+回火(调质)的方式生产，该生产方式不仅因碳含量和碳当量高而导致焊接性能较差，而且生产周期长，能耗高，逐渐被热机械轧制(TMCP)的生产方式所代替。TMCP生产方式主要包括两个部分：控制轧制和控制冷却。控制轧制通常指两阶段轧制：在未再结晶温度之上的轧制变形和未再结晶温度之下的轧制；控制冷却指的是经轧制后的钢板通过层流冷却或超快冷等加速冷却装备，使得钢板的冷却速度增加，停冷温度降低，促进钢板在中温和低温时的组织转变，从而实现钢板组织控制，最终达到目标性能要求。

目前，不少研究者已提供了该强度级别钢板及其制造方法，如专利CN104775078A“一种Rel＞620MPa的低屈强比耐火结构用钢及生产方法”和CN101591756A“屈服强度620MPa 级低裂纹敏感性钢板及其制造方法”，因为上述专利发明的钢中含有较多的Mo、Ni、Cr等合金元素使得焊接性能不高，且后者由于含有0.60～1.20％的Cu，使得制造过程中容易造成钢板的表面裂纹。专利CN105132818A“屈服强度高于630MPa的建筑用结构钢及其制备方法”公开了一种高强度建筑用结构钢，虽然化学成分中不添加Mo、Ni、Cu等价格较高的合金元素，但其成分中含有Cr和V，加上较高C的也影响了其焊接性能，而且该钢通过轧制后分段的控制冷却方式在生产过程中不易控制。

因此，进一步进行低碳微合金化成分设计和容易控制的TMCP生产方式，探索高强、高韧性且焊接性能良好的低合金钢及其制备工艺，具有重要的应用和推广意义。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有630MPa级结构钢合金元素多难以兼顾强度和焊接性能等问题，提供一种综合力学性能好、经济型的低合金高强度结构钢板，其化学成分简单，生产过程易于控制，强韧性优异，易于焊接，并且涉及的制备方法简单、成本低，适合推广应用。

为实现上述方案，本发明采用的技术方案为：

一种屈服强度630MPa级易焊接结构钢，各组分及其所占质量百分比包括：C 0.04～0.08％，Si 0.20～0.50％，Mn 1.30～1.70％，Nb 0.005～0.030％，Ti 0.015～0.055％，Als 0.015～ 0.05％，B 0.0005～0.0030％，P≤0.012％，S≤0.003％，[N]＜0.0040％，其余为Fe和不可避免杂质；焊接裂纹敏感性指数Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+V/10+Mo/15+5B(％)＜ 0.20％；本发明采用低碳锰微合金成分设计体系，一方面Mn、Nb、Ti、B元素的复合加入，保证钢板得到贝氏体进行组织强化；另一方面，利用Nb、Ti微合金元素的应变诱导析出，并结合钢坯在控制轧制过程中未再结晶区内变形的积累，来提高强度。

优选的，所述屈服强度630MPa级易焊接结构钢中，各组分及其所占质量百分比包括:C 0.05～0.08％，Si 0.25～0.50％，Mn 1.50～1.70％，Nb 0.010～0.030％，Ti 0.030～0.055％，Als 0.015～0.050％，B 0.0010～0.0030％，P≤0.012％，S≤0.003％，[N]＜0.0040％，其余为Fe和不可避免杂质。

上述方案中，所述洁净钢冶炼包括铁水脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸步骤，具体步骤和工艺参数包括：进行铁水预处理，采用转炉进行顶吹或顶底复合吹炼，精炼过程中控制P≤0.012％，S≤0.003％，[H]<1ppm，[O]<20ppm，[N]<40ppm，通过控制夹杂和气体含量在上述成分范围，确保钢液洁净度，并抑制形成的大颗粒TiN粒子，获得合金化有效的Nb、 Ti和B，连铸采用电磁搅拌，减少元素偏析。

上述方案中，所述控制轧制包括铸坯加热和两阶段控轧步骤，具体铸坯加热工艺：加热温度1150～1250℃，保温时间3～6h，保证合金元素的均匀和充分固溶。两阶段控轧工艺：第一阶段开轧温度为1050～1150℃，道次压下率≥20％，终轧温度为960～1030℃；第二阶段开轧温度为900～1000℃，终轧温度为800～860℃，道次压下率＞50％，采用两阶段控轧手段充分细化相变前的组织。

上述方案中，所述控制冷却工艺通过层流或水幕冷却方式进行控制冷却，开冷温度780～ 830℃，返红温度450～530℃，然后送往强力矫直机进行矫直，钢板下线后堆垛缓冷；最终获得贝氏体组织，使钢的屈服强度在630MPa以上，并具备较好的韧性和焊接性能。

本发明的原理为：

一、成分设计，各组分作用机理如下：

C：含量为0.04～0.08％；C是提高钢板强度的最有效且最廉价的元素之一，为保证钢板的强度，C含量的下限为0.04％，但C含量过高时对钢板的焊接性能和低温冲击韧性将产生不利的影响，因而控制其上限为0.08％。

Si：含量在0.20～0.50％；Si主要以固溶强化形式提高钢的强度，同时也是脱氧的必要元素；在本发明钢中，Si含量太高会降低钢的低温冲击韧性和焊接性能。

Mn：含量在1.30～1.70％；Mn是重要的强韧化元素和良好的脱氧剂、脱硫剂，太低的Mn则不能保证钢的强度，但太高的Mn对钢坯中心偏析有不利影响，有损于钢板的韧性，并且在焊接时容易产生裂纹。

Nb：含量为0.005～0.030％；Nb是强碳氮化合物形成元素，能提高钢的奥氏体再结晶温度，奥氏体可以在更高的轧制温度下进行轧制；此外Nb在控制轧制连续冷却过程中的析出强化作用，通过Nb的碳氮化物的应变诱导析出可以钉扎奥氏体晶粒，细化奥氏体晶粒并提高强度及低温韧性；但过高的Nb也易与Fe、C等元素形成低熔点共晶物，从而增加焊缝金属产生热裂纹的倾向。

Ti：含量为0.015～0.055％，Ti也是高强度钢中重要的微合金元素，一方面通过形成TiC 和Ti(C,N)粒子的析出，限制加热过程中奥氏体晶粒长大，从而获得细小、均匀组织，提高钢强度和低温韧性，以及焊接性能提高；另一方面，奥氏体/铁素体相变过程中，TiC和Ti(C,N) 粒子的沉淀析出，提高钢的强度。

Als：含量控制在0.015～0.050％，Al是钢中的主要脱氧元素。Al含量过高时将导致Al 的氧化物夹杂增加，降低钢的纯净度，不利于钢的韧性。

B：含量控制在0.0005～0.003％，微量B的加入与Mn、Nb等元素相互作用，可以促进中温转变，获得高强度贝氏体组织，提高钢板的强度。

P和S是钢中不可避免的有害元素，对钢的塑性和韧性不利，特别对于高强韧性钢种，应尽量降低P和S含量，提高钢的洁净度。而且，钢中S在高温时先于会与Ti结合，从而降低钢中有效Ti的含量。因此，本发明钢中P控制≤0.012％，S控制≤0.003％。

N：N在钢中与Ti、Al等元素结合形成氮化物，若成为夹杂物会降低韧性。本设计中由于添加的Ti含量要高于普通钢种，形成大颗粒TiN的夹杂物几率也要高于普通钢种，因此本发明中N含量需要控制在0.004％以下。

二、工艺改进

本发明的轧制过程分两阶段控制轧制，第一阶段轧制过程中奥氏体发生再结晶，通过反复再结晶促使奥氏体晶粒细化。第二阶段通过形变诱导析出的Nb、Ti微合金化合物抑制奥氏体再结晶，奥氏体逐渐扁平化，晶界面积增加，同时奥氏体晶内产生大量形变带和位错等缺陷，提高后续相变的形核率，从而细化相变后组织。轧制结束后，钢板进行快速冷却，按大于20℃/s的速度冷却至约450～530℃，快速冷却可以避免铁素体和珠光体相变，直接进入贝氏体转变区，而且较快的冷速为贝氏体转变提供更高的过冷度，增加相变驱动力，获得高密度的形核率，从而获得细化的贝氏体基体组织，加上钢板在轧制过程中积累了高密度位错与 Nb、Ti析出物的相互作用，在控冷过程中促使奥氏体晶粒内部形成大量形变带和位错等缺陷，有利于贝氏体铁素体的晶内形核，进而细化组织，最终钢板具有较高的强度和韧性。

采用低碳锰微合金设计体系，无须添加Mo、Ni和Cu等贵金属元素，并结合合理的轧制和快速冷却工艺，获得良好的组织与析出物的匹配，在保证强度、韧性等力学性能的基础上，有效提升焊接性能，同时可显著降低钢材的生产成本。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)通过低碳锰微合金化、洁净钢冶炼技术、控制轧制和控制冷却等技术，可有效兼顾钢材的强度、韧性和焊接性能，所得钢材性能满足如下条件：屈服强度≥630MPa，抗拉强度≥720MPa，延伸率≥16％，-40℃KV₂≥150J，Pcm<0.20％；且不含Mo、Cu、Ni等贵合金元素，可显著改善现有高强度结构钢合金元素多，强度和焊接性能不能兼顾等不足。

2)本发明所得屈服强度630MPa级易焊接结构钢的生产工艺简单，生产成本低廉，在现有的生产条件下，无需对生产设备和工艺流程进行较大改动即可进行工艺生产，适合推广应用。

附图说明

图1为实施例3所得屈服强度630MPa级易焊接结构钢的金相组织图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1～5

实施例1～5所述屈服强度630MPa级易焊接结构钢的生产工艺包括铁水脱硫、转炉冶炼、 LF精炼、RH精炼、连铸、钢坯加热、控制轧制、控制冷却步骤，具体步骤和工艺参数包括：

1)进行铁水预处理，采用转炉进行顶吹或顶底复合吹炼，精炼过程中控制P≤0.012％， S≤0.003％，[H]<1ppm，[O]<20ppm，[N]<40ppm，通过控制夹杂和气体含量在上述成分范围，确保钢液洁净度，并抑制形成的大颗粒TiN粒子，获得合金化有效的Nb、Ti和B，连铸采用电磁搅拌，减少元素偏析；

2)铸坯加热温度为1150～1250℃，保温时间3～6小时，保证合金元素的均匀和充分固溶；采用两阶段控轧，第一阶段开轧温度为1050～1150℃，终轧温度为960～1030℃，道次压下率≥20％；第二阶段开轧温度为900～1000℃，终轧温度为800～860℃，道次压下率＞ 50％，轧后通过层流或水幕冷却方式进行控制冷却，开冷温度780～830℃，返红温度450～ 530℃，然后送往强力矫直机进行矫直，钢板下线后堆垛缓冷。

实施例1～5所得钢材产品的化学成分见表1，轧制工艺参数见表3，力学性能测试结果见表4；焊接性能测试结果见表5。

表1本发明各实施例所述钢材的化学组分及含量信息(wt％)

编号	C	Si	Mn	P	S	Nb	Ti	Als	B	N	Pcm
												实施例1	0.040	0.20	1.57	0.009	0.002	0.005	0.050	0.025	0.0005	0.0025	0.13
实施例2	0.053	0.23	1.48	0.012	0.003	0.018	0.042	0.027	0.0016	0.0023	0.14
												实施例3	0.061	0.36	1.30	0.010	0.002	0.022	0.037	0.038	0.0024	0.0036	0.15
实施例4	0.072	0.32	1.70	0.011	0.003	0.029	0.015	0.034	0.0027	0.0028	0.18
												实施例5	0.080	0.50	1.65	0.012	0.002	0.030	0.055	0.037	0.0030	0.0031	0.19

对比例1～3

对比例1～3所述钢材的制备工艺与本发明实施例大致相同，具体成分和工艺参数区别分别见表2和表3，力学性能测试结果见表4；焊接性能测试结果见表5。

表2本发明各对比例所述钢材的化学组分及含量信息(wt％)

编号	C	Si	Mn	P	S	Nb	Ti	Cr	B	V	Pcm
												对比例1	0.080	0.14	1.32	0.012	0.005	0.038	0.026	0.6	0.0015	0.058	0.205
对比例2	0.09	0.14	1.60	0.009	0.002	0.03	0.02	0.42	0.001	0.06	0.214
												对比例3	0.11	0.12	1.50	0.012	0.003	0.0275	0.018	0.406	0.001	0.06	0.227

表3本发明各实施例及对比例所述钢材的轧制工艺参数

表4本发明各实施例及对比例所得钢材的力学性能测试结果

表5本发明各实施例及对比例所得钢材的焊接性能测试结果

图1为实施例3所得屈服强度630MPa级易焊接结构钢的金相组织图，为贝氏体，有利于保证钢材屈服强度在630MPa以上，并表现出良好的韧性和焊接性能。

上述结果表明，本发明所得钢材的屈服强度≥630MPa，抗拉强度≥710MPa，延伸率≥16％；-40℃KV₂≥150J，且小铁研试验的试样焊后均未发现裂纹；本发明所得钢材化学成分简单，强韧性优异，易于焊接，综合力学性能好。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims

1.一种屈服强度630MPa级易焊接结构钢，各组分及其所占质量百分比包括:C 0.04～0.08％，Si 0.20～0.50％，Mn 1.30～1.70％，Nb 0.005～0.030％，Ti 0.015～0.055％，Als 0.015～0.050％，B 0.0005～0.0030％，P≤0.012％，S≤0.003％，[N]＜0.0040％，其余为Fe和不可避免杂质；同时焊接裂纹敏感性指数Pcm<0.20％。

2.根据权利要求1所述的屈服强度630MPa级易焊接结构钢，其特征在于，各组分及其所占质量百分比包括:C 0.05～0.08％，Si 0.25～0.50％，Mn 1.50～1.70％，Nb 0.010～0.030％，Ti 0.030～0.055％，Als 0.015～0.050％，B 0.0010～0.0030％，P≤0.012％，S≤0.003％，[N]＜0.0040％，其余为Fe和不可避免杂质。

3.权利要求1或2所述屈服强度630MPa级易焊接结构钢的制备方法，其特征在于，包括冶炼、控制轧制和控制冷却工艺；所述冶炼工艺包括铁水脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸步骤；控制轧制包括铸坯加热和两阶段控轧步骤。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述冶炼工艺中采用转炉进行顶吹或顶底复合吹炼；精炼过程中控制P≤0.012％，S≤0.003％，[H]<1ppm，[O]<20ppm，[N]<40ppm；连铸采用电磁搅拌。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述铸坯加热温度1150～1250℃，保温时间3～6h。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述两阶段控轧步骤中，第一阶段开轧温度为1050～1150℃，道次压下率≥20％，终轧温度为960～1030℃；第二阶段开轧温度为900～1000℃，终轧温度为800～860℃，道次压下率＞50％。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述控制冷却工艺通过层流或水幕冷却方式进行控制冷却，开冷温度780～830℃，返红温度450～530℃，然后进行矫直，钢板下线后堆垛缓冷。