CN109943771A

CN109943771A - 一种高韧性可焊接细晶粒结构钢板及其生产方法

Info

Publication number: CN109943771A
Application number: CN201711393489.3A
Authority: CN
Inventors: 周中喜; 温志红; 黄远坚
Original assignee: Shaogang Songshan Co Ltd Guangdong
Current assignee: SGIS Songshan Co Ltd; Shaogang Songshan Co Ltd Guangdong
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2019-06-28
Anticipated expiration: 2037-12-21
Also published as: CN109943771B

Abstract

本发明涉及一种高韧性可焊接细晶粒结构钢板及其生产方法，所述钢板化学成分（重量百分比）C：0.02～0.07%、Si：0.10～0.50%、Mn：1.20～1.65%、P≤0.020%，S≤0.005%、Nb：0.030～0.050%、Cr：0.10～0.30%、Mo：0.08～0.17%、Ni：0～0.18%、Ti：0.008～0.035%、Als：0.015～0.040%、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；本发明钢板可应用于地铁钢结构件、大跨度桥梁结构、高层建筑、海洋平台等领域。

Description

一种高韧性可焊接细晶粒结构钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于冶金制造技术领域，更具体地说，本发明涉及一种高韧性可焊接细晶粒结构钢板S460ML的制造方法。

背景技术

随着我国工业经济的发展，对高钢级高性能钢种要求逐步提高，特别是对钢板焊接性、低温韧性等性能的要求较高，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≥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。中国专利文献号为CN103725957A公开了“一种热轧可焊接细晶粒结构钢板及其生产方法”，其材料的化学成分的质量百分含量为：C：0.10～0.15%、Si：0.20～0.50%、Mn：1.40～1.60%、P≤0.015%、S≤0.003%、微合金化元素≤0.15%、Als：≤0.050%，其它为Fe和残留元素。采用低碳微合金化设计，通过TMCP工艺，获得珠光体+铁素体组织，从而获得了良好的综合性能和焊接性能，不足之处是制得钢板屈服强度只能达到390MPa级别，并且在加热工艺中，各温度段保温时间较长，消耗了大量的能源介质，不利于成本的降低。中国专利文献号为CN102181801A公开了“一种可焊性良好的细晶粒低合金结构钢板及其生产方法”，其材料的化学成分的质量百分含量为：C：0.12～0.15%，Si：0.10～0.50%，Mn：1.00～1.60%，P≤0.020%，S≤0.010%，Ni：0.60～1.0%，Cr：0.20～0.40%，Mo：0.20～0.40%，Nb：0.005～0.020%，Als：0.015～0.05%，其余为Fe和不可避免的杂质。采取了低C+Mn+Nb+Cr+Ni+Mo的合金成分设计，采用控轧+正火+回火工艺生产出屈服强度≥460MPa的钢板，不足之处是，轧后采用正火+回火工艺，工序时间长，成本高，且未说明钢板低温冲击性能情况。

发明内容

为克服现有技术工序时间长，成本高的缺点，本发明提供一种屈服强度达460MPa高韧性可焊接细晶粒结构钢板的生产方法，仅通过热机械控轧控冷（TMCP）生产技术，获得心部以针状铁素体为主+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。

本发明所采用的技术方案是：一种高韧性可焊接细晶粒结构钢板，其化学成分及重量百分数wt.％为：C：0.02～0.07%、Si：0.10～0.50%、Mn：1.20～1.65%、P≤0.020%，S≤0.005%、Nb：0.030～0.050%、Cr：0.10～0.30%、Mo：0.08～0.17%、Ni：0～0.18%、Ti：0.008～0.035%、Als：0.015～0.040%、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，通过公式CEV(%)＝C＋Mn/6＋(Cr＋Mo＋V)/5＋(Ni＋Cu)/15来确定碳当量CEV，碳当量CEV≤0.45%。

本发明采取上述的成分设计，通过铸坯加热和轧制及冷却制得屈服强度≥460MPa、低温冲击韧性优良的可焊接细晶粒结构钢板，具体包括以下步骤：

1、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℃，均热段控制温度1230-1250℃；

2、轧制及冷却；对加热后铸坯进行粗轧、精轧，然后控制冷却：通过奥氏体再结晶区范围内粗轧，轧制温度980～1100℃、后两道的单道次压下率大于15%、粗轧总变形率≥50%，在奥氏体未再结晶区进行精轧，获得压扁的变形奥氏体，控制精轧速度1.5～6m/s、钢板精轧开轧温度860～940℃，终轧温度740-850℃，道次压下率为4-30%，精轧总变形率为60～75%，制得精轧板件；对精轧板件进行快速水冷，钢板以12～20℃/s的速度冷却至480～530℃，出水后空冷，制得板件。

所述钢板成品最大厚度为80mm。

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，影响控轧效果，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0.02%～0.07%；

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0.10～0.50％；

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1.20～1.65%；

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≤0.020%，S≤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是取得良好的控轧效果最有效的微合金化元素之一，通常含铌钢加热到1200℃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，在轧制中会在位错、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0.030～0.050%；

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0.008～0.035%，N含量控制在0.001～0.005%；

Cr固溶在钢中，可以降低临界冷却速度，提高钢的淬透性，Cr是碳化物形成元素，会形成细小的碳化物，如(Fe，Ce)₃C、(Fe，Cr)₇C₃等，显著提高钢板的强度。本发明控制其范围在0.10～0.30%。

Mo为碳化物形成元素，可细化钢的晶粒,提高钢的强度和韧性，Mo在钢种存在于固溶体相和碳化物相中，因此，含钼钢同时具有固溶强化和碳化物弥散强化的作用。本发明控制其范围在0.08～0.17%。

Ni在钢中强化铁素体并细化珠光体，总的效果是提高强度，对塑性的影响不显著。一般地讲，对不需调质处理而在轧态、正火或退火状态使用的低碳钢，一定的含镍量能提高钢的强度而不显著降低其韧性。镍在提高钢板强度的同时，对钢板的韧性、塑性以及其他工艺的性能的损害较其他合金元素的影响小。镍可以提高钢对疲劳的抗力和减小钢对缺口的敏感性。镍可以降低钢的低温脆性转变温度，这对低温用钢有极重要的意义。本发明控制其范围在0～0.18%。

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0.015～0.04％的Al细化晶粒，提高钢板的韧性并保证其焊接性能；

O以Al₂O₃、SiO₂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≤0.003%，H≤0.0002%；

本发明的有益效果是：通过奥氏体再结晶区范围内粗轧，后两道的单道次压下率大于15%、粗轧总变形率≥50%，变形中累计的位错提高了钢板内部缺陷能，使钢板发生动态再结晶和静态再结晶，从而细化了奥氏体晶粒；在奥氏体未再结晶区进行精轧，精轧累积压下率大于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；对精轧完后的钢板以12～20℃/s的速度冷却至480～530℃，出水后空冷，制得板件，获得针状形铁素体+珠光体+少量贝氏体的高强度高韧性钢板，制得的钢板屈服强度≥460MPa、抗拉强度≥540MPa、伸长率≥17%、夏氏冲击功Akv(-60℃)≥180J，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。本发明通过合理设计化学成分，采用Si-Mn-Nb-Cr-Mo-Ni-Ti-Al系合金成分设计，仅通过热机械控轧控冷（TMCP）生产技术，获得心部以针状铁素体为主+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。

具体实施方式

以下具体通过实施例对本发明的一种高韧性可焊接细晶粒高强度结构钢板及其生产方法作进一步的说明。

实施例1至4的高韧性可焊接细晶粒高强度结构钢板的化学成分见表1，余量为Fe和不可避免的杂质，轧制及冷却的具体工艺参数见表2，钢板的力学性能见表3。

实施例1选用连铸坯的厚度为150mm。

连铸坯加热过程中，加热速率为9～12min/cm，连铸坯的出炉温度为1120℃。轧制及冷却的具体工艺参数见表2，钢板的力学性能见表3，钢板成品厚度为12mm。所得钢板的金相组织主要为针状铁素体，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10μm左右，珠光体含量很少。

实施例2选用连铸坯的厚度为220mm。

连铸坯加热过程中，加热速率为10～13min/cm，连铸坯的出炉温度为1130℃。轧制及冷却的具体工艺参数见表2，钢板的力学性能见表3,钢板的金相组织主要为针状铁素体，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10μm左右，珠光体含量很少。

实施例3选用连铸坯的厚度为220mm。

连铸坯加热过程中，加热速率为10～13min/cm，连铸坯的出炉温度为1140℃。轧制及冷却的具体工艺参数见表2，钢板的力学性能见表3，所得钢板成品厚度为50mm，钢板的金相组织主要为针状铁素体，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11μm左右，珠光体含量很少。获得的钢板性能满足欧标可焊接细晶粒结构钢S460ML性能要求。

实施例4选用连铸坯的厚度为270mm。

连铸坯加热过程中，加热速率为10～13min/cm，连铸坯的出炉温度为1170℃。轧制及冷却的具体工艺参数见表2，钢板的力学性能见表3，所得钢板成品厚度为80mm，钢板的金相组织主要为针状铁素体，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12μm左右，珠光体含量很少。

表1 本发明的各实施例的化学成分wt%

表2 本发明的各实施例的轧制及冷却工艺参数

表3 本发明的各实施例的力学性能测试结果

综上所述，所述实施例1-4生产所获的钢板的金相组织主要为针状铁素体，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10～12μm左右，珠光体含量很少，力学性能满足欧标可焊接细晶粒结构钢S460ML性能要求。本发明采用Si-Mn-Nb-Ti-Cr-Mo-Ni-Al系成分设计，通过热机械控轧控冷（TMCP）工艺生产，控制好出炉温度、第二阶段开轧温度、开轧厚度、第二阶段终轧温度和终冷温度等参数，生产出性能优良的钢板，实施例1～4中，钢板屈服强度在460～560MPa之间，抗拉强度在600～700MPa之间，延伸率≥20%，-60℃的冲击功在180J以上，低温冲击韧性良好。

本发明以1年生产3200吨钢板计算，每吨钢板盈利330元计算，每年可增加经济效益105.6万元。

Claims

1.一种高韧性可焊接细晶粒结构钢板，其化学成分及重量百分数wt.％为：C：0.02～0.07%、Si：0.10～0.50%、Mn：1.20～1.65%、P≤0.020%，S≤0.005%、Nb：0.030～0.050%、Cr：0.10～0.30%、Mo：0.08～0.17%、Ni：0～0.18%、Ti：0.008～0.035%、Als：0.015～0.040%、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，通过公式CEV(%)＝C＋Mn/6＋(Cr＋Mo＋V)/5＋(Ni＋Cu)/15来确定碳当量CEV，碳当量CEV≤0.45%；

其制造方法包括以下步骤：

(1)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℃，均热段控制温度1230-1250℃；

(2)轧制及冷却；对加热后铸坯进行粗轧、精轧，然后控制冷却：通过奥氏体再结晶区范围内粗轧，轧制温度980～1100℃、后两道的单道次压下率大于15%、粗轧总变形率≥50%，在奥氏体未再结晶区进行精轧，获得压扁的变形奥氏体，控制精轧速度1.5～6m/s、钢板精轧开轧温度860～940℃，终轧温度740-850℃，道次压下率为4-30%，精轧总变形率为60～75%，制得精轧板件；对精轧板件进行快速水冷，钢板以12～20℃/s的速度冷却至480～530℃，出水后空冷，制得板件。

2.一种如权利要求1所述的所述的高韧性可焊接细晶粒结构钢板，其特征为：所述钢板成品最大厚度为80mm。