CN110318008A - 一种大厚度抗层状撕裂屈服强度960MPa级高强钢板及其生产方法 - Google Patents

一种大厚度抗层状撕裂屈服强度960MPa级高强钢板及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大厚度抗层状撕裂屈服强度960MPa级调制高强度钢板及其生产方法，其化学成分按重量wt％含有：C：0.15～0.20％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.90～1.30％，Nb：0.010～0.040％，V：0.010～0.045％，Ti:≤0.010％,Al：0.03～0.06％，Ni：0.50～1.00％，Cu：≤0.1％，Cr：0.30～0.80％，Mo：0.20～0.70％，B：0.001～0.005％，Ca：0.001～0.005％，P：≤0.010％，S：≤0.002％，O：≤0.002％，N：≤0.004％，H：≤0.00015％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。工艺步骤是：冶炼‑>炉外精炼‑>真空脱气‑>Ca处理‑>连铸‑>加热‑>轧制‑>钢板缓冷‑>淬火‑>回火。本发明的钢板具有优良的综合力学性能，屈服强度≥960MPa，抗拉强度≥1000MPa，‑40℃低温夏比冲击功≥30J，Z向拉伸断面收缩率≥35％，抗层状撕裂性能良好。

Description

一种大厚度抗层状撕裂屈服强度960MPa级高强钢板及其生产 方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种大厚度抗层状撕裂屈服强度960MPa级高强度钢板及其生产方法。
背景技术
屈服强度960MPa及以上高强度钢板主要应用于工程起重机吊臂、履带式起重机拉板、混凝土泵车等工程机械关键受力部位，对钢板强韧性、表面质量、平直度等方面要求较高，目前用量主要是50mm及以下薄规格钢板。欧标EN10025-6和国标GB/T 16270中960MPa高强钢的极限规格也为50mm。随着国内外工程机械设备向大型化逐渐发展，大厚度(≥50mm)屈服强度960MPa及以上的高强度钢板的需求也日益增长。
随着厚度增加到50mm以上，势必带来以下几个问题：(1)受到淬火机淬火能力的限制，钢板表面与心部力学性能差距较大，钢板厚度方向(Z向)性能恶化，在受力时容易产生层状撕裂；(2)大厚度钢板低温冲击韧性难以保证；(3)为保证钢板的淬透性，合金含量必然增加，从而导致焊接性能的下降。如何解决以上难题，生产屈服强度960MPa及以上的高强度调制钢板是本领域急需解决的问题。
中国专利CN104328350A采用低C高Mn成分体系，以及控轧控冷和调质热处理工艺体系，生产一种屈服强度960MPa级高强钢板。该钢板淬火温度较低(850-880℃)，碳当量CEV≤0.61；仅适用于4-25mm较薄规格钢板。中国专利CN102691010B介绍了一种优良塑韧性HT960钢板及其制造方法。该钢板采用低C超低Si成分设计，结合在线TMCP+回火工艺进行生产。钢板强韧性良好，焊接冷裂敏感性降低，但在线TMCP工艺势必造成钢板头中尾性能的差异。整板性能的不均匀性对于起重机吊臂等关键受力部位的疲劳使用寿命和安全性存在较大的影响。中国专利CN100494451C采用在线DQ+回火的工艺生产960MPa以上超高强钢板，同样面临整板均匀性的问题，应用会受到一定的限制。中国专利CN101397640A采用50KG真空感应炉冶炼生产了960MPa级焊接结构钢，轧制厚度为10mm。中国专利CN102286687A采用炉卷轧机生产Q960高强钢板，Ceq≤0.60，厚度≤12mm。
综上所述，目前涉及屈服强度960MPa级超高强钢板的现有生产技术主要有淬火+回火或在线DQ(或TMCP)+回火；厚度规格集中在国家标准GB/T 16270或欧标EN10025-6规定的50mm以内，绝大多数≤25mm。这些技术主要聚焦于薄钢板强韧性匹配和焊接性能问题的解决，未涉及≥50mm大厚度钢板的制造技术，以及由大厚度带来的钢板厚度Z向性能的控制技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种强韧性优良、低温冲击韧性良好以及厚度Z向性能优异的屈服强度大于等于960MPa的调制大厚度超高强度钢板及其生产方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种大厚度抗层状撕裂屈服强度960MPa级高强钢板，所述钢板的化学成分按质量百分比计为：C：0.15～0.20％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.90～1.30％，Nb：0.010～0.040％，V：0.010～0.045％，Ti:≤0.010％,Al：0.03～0.06％，Ni：0.50～1.00％，Cu：≤0.1％，Cr：0.30～0.80％，Mo：0.20～0.70％，B：0.001～0.005％，Ca：0.001～0.005％，P：≤0.010％，S：≤0.002％，O：≤0.002％，N：≤0.004％，H：≤0.00015％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；碳当量CEV：0.58～0.68％。
本发明所述淬火型超高强度钢板的厚度为50～100mm。
本发明中钢成分的限定理由阐述如下：
C：碳作为固溶元素可以显著提高钢板的强度，但钢板的韧性、塑性、冷成型性及焊接性能带来不利影响。基于钢板强韧性匹配和焊接性需要，本发明中碳含量控制为0.15～0.20％。
Si：在所述钢中起固溶强化作用。但Si含量过高会恶化马氏体高强钢的韧性，同时增加钢板冷裂纹敏感性，本发明中控制在0.10～0.40％之间。
Mn：在所述钢中提高淬透性，促进马氏体转变，提高强度。但Mn是主要偏析元素，含量过高会引起连铸坯中心偏析形成MnS，对钢板韧性、抗层状撕裂性能，和焊接性能造成不利影响。本发明钢板厚度较大，对厚度Z向性能要求较高，规定锰含量加入量介于0.90～1.30％的范围内。
Nb：Nb的溶质拖曳作用和纳米级析出物Nb(C,N)对奥氏体晶界的钉扎作用，在加热时抑制奥氏体晶粒的长大。添加量小于0.010％时效果不明显，大于0.040％时韧性降低，导致连铸坯产生表面裂纹。因此，本发明规定铌含量应介于0.010～0.040％的范围内。
V：VN、V(C、N)一方面在加热过程中阻碍奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用；另一方面这些纳米级的细小弥散分布的析出物可以显著提高钢板的强度。添加量低于0.01％时，析出强化不明显；添加量大于0.050％时析出物数量较多，韧性降低，对于钢板厚度Z向性能有不利影响。因此，本发明规定铌含量应介于0.010～0.045％的范围内。
Ti：TiN、Ti(C、N)溶解温度高，通常在1400℃以上，在高温下对晶界有强烈的钉扎作用，阻止加热过程中奥氏体晶粒的粗化。但TiN通常在液相中析出，尺寸较为粗大，很容易达到微米级，且析出物坚硬多带有尖角，不易变形，导致钢板轧制过程中易出现微裂纹，对钢板的低温冲击性能和抗层状撕裂性能不利；因此本发明中不允许加入Ti元素，并明确控制Ti含量≤0.010％。
Al：一方面作为脱氧元素加入钢中，另一方面Al与N相结合形成AlN，代替TiN固N保B，细化晶粒。但Al含量过高，会导致过多的Al2O3夹杂物的形成，使得钢板超声波探伤不合，影响钢板抗层状撕裂性能。因此本发明规定Al含量0.03～0.06％。
Ni：是提高钢淬透性的元素，也是有效提高钢的低温韧性的最常用元素。本发明添加0.50～1.00％的Ni，除了提高钢板母材强韧性外，还能大大改善焊接接头低温冲击韧性。
Cr：是提高钢淬透性的元素，能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成，促进低温组织贝氏体或马氏体的转变，提高钢的强度。但Cr含量过高将影响钢的韧性，降低钢板的焊接性能。为保证大厚度钢板的强度，本发明中铬含量控制在0.30～0.80％。
Mo：是提高钢淬透性的元素，有利于淬火时全马氏体的形成。钢种添加一定含量的Mo会提高钢板的强度，而不会影响钢板的低温冲击性能。Mo高温下会与C形成碳化物颗粒，具有抗焊接接头软化的作用。但Mo含量太高会导致碳当量增加，恶化焊接性能。本发明中Mo含量控制在0.20～0.70％。
B：本发明加入0.001～0.005％的微量B，其主要目的是提高钢板的淬透性，从而减少其他贵重金属的添加量，降低成本。超过0.005％的B很容易产生偏析，形成硼化物，严重恶化钢板韧性和降低淬透性。
Ca：本发明需要进行微量Ca处理。0.001～0.005％的Ca不仅可以降低硫化物带来的大厚度钢板厚度分层撕裂的危害，还可以使得Al脱氧产生的Al2O3夹杂变性为球性低熔点夹杂，从而减少钢板轧制过程中硬质夹杂物尖角处微裂纹的产生，提高钢板冲击韧性和厚度方向性能均匀性。
P、S：硫和磷是钢种有害元素，易偏析，对材料塑韧性，尤其是钢板Z向性能有不利影响，P、S含量高，容易造成钢板厚度方向分层开裂。本发明规定P：≤0.010％，S：≤0.002％。
O、N：有害气体元素，含量高，夹杂物多，降低钢板塑性、韧性和钢板Z向性能。本发明严格控制O含量不高于0.002％；N含量不高于0.004％。
H：有害气体元素。H含量高，易产生白点，降低钢板塑韧性，严重危害钢板使用性能。H致延迟裂纹是大厚度高强钢厚度分层撕裂失效的主要原因之一。本发明为提高钢板抗层状撕裂性能，严格控制H含量在0.00015％以内。
CEV：本发明采取碳当量公式CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15；碳当量对钢的强度和焊接性有较大的影响。CEV高强度高，但焊接性降低；本发明为控制0.58≤CEV≤0.68。
本发明另提供上述一种强韧性优良及抗层状撕裂性能良好的屈服强度大于等于960MPa的调制大厚度超高强度钢板的制备方法，具体工艺如下，
冶炼工艺：采用电炉或转炉方式冶炼，然后送入LF精炼炉进行精炼，并经过VD或RH真空处理。钢水脱气后进行微量Ca处理，控制Ca含量0.001～0.005％，处理后钢水进行软搅拌，搅拌时间不低于10分钟，确保钢种硫化物、氧化物变性完全并充分上浮去除。
连铸工艺：为提高最终钢板内部质量，提高钢板抗层状撕裂性能和探伤合格率，连铸坯厚度控制为钢板目标厚度的3倍及以上；为了控制钢板内部疏松、偏析，进行低过热度浇注，全程氩气保护浇注，以及动态轻压下控制。钢水过热度控制在5～20℃，中心偏析不高于C1.0级，中心疏松不高于1.0级，避免由于心部缺陷导致的层状撕裂。
加热轧制工艺：将铸坯进入步进式加热炉，加热至1150-1250℃,加热时间为8-14min/cm，使钢中的合金元素充分固溶以保证最终产品的成份及性能的均匀性。钢坯出炉后经高压水除鳞处理后进行粗轧+精轧两阶段控制轧制。粗轧的开轧温度介于1050-1100℃。为提高钢板抗层状撕裂性能，必须保证轧制变形渗透到钢板心部，由于钢板高温下变形抗力较低，容易变形，本发明要求确保粗轧高温阶段(≥960℃)总压下率≥55％；粗轧最后2道次压下率≥15％；为进一步加大钢板心部变形，获得细小的原始奥氏体晶粒，精轧开轧温度控制在800～850，终轧控制在780～830℃的较低温度。
钢板缓冷处理：钢板轧制后，不进行冷却，快速下线，进入保温罩，进罩温度≥350℃，罩冷时间≥24小时。利用轧制钢板余温进行缓冷处理，可以促进钢板心部组织性能的均匀化，降低心部气体含量，大大改善钢板厚度方向抗层状撕裂能力。
热处理工艺：轧制后钢板进行淬火处理，淬火温度900～940℃，炉温到温后保温时间为30～90min。为保证钢板的均匀性，温度控制精度为±10℃。钢板回火温度560～620℃，炉温到温后，保温时间为50～120min。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明采用常用元素Al代替合金元素Ti进行固N保B处理，降低了Ti的析出物对冲击及厚度Z向性能的影响，同时降低了合金成本；钢水脱气后要求进行微量Ca处理，促进夹杂物变性上浮，改善钢板厚度方向性能；本发明控制0.58≤CEV≤0.68，确保大厚度钢板强度的同时，改善钢板的焊接性能。
本发明要求连铸坯厚度控制为目标钢板厚度的3倍及以上；为了控制钢板内部疏松、偏析，进行低过热度浇注，全程氩气保护浇注，以及动态轻压下控制。钢水过热度控制在5～20℃,中心偏析不高于C1.0级，中心疏松不高于1.0级。
本发明采用两阶段控轧，保证粗轧高温阶段(≥960℃)总压下率≥55％；粗轧最后2道次压下率≥15％；为进一步加大钢板心部变形，精轧开轧温度控制在800～850℃，终轧控制在780～830℃的较低温度，以保证钢板离线淬火时从表面到心部全厚度方向获得细小的原始奥氏体晶粒。
本发明钢板轧制后不需要控制冷却，要求快速下线，进行缓冷处理。利用轧制大厚度钢板余温，促进板心部组织性能的均匀化，降低心部气体含量，大大改善钢板厚度方向抗层状撕裂能力。钢板进罩温度≥350℃，罩冷时间≥24小时。
本发明钢板最大厚度可达100mm；钢板屈服强度≥960MPa,抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥12％；-40℃低温冲击韧性Akv≥30J；Z向拉伸断面收缩率≥35％，抗层状撕裂性能良好。
本发明方法，可以推广应用至其它高强度钢板，如高强海工船板用钢、高层建筑用钢、桥梁用钢、工程机械用钢、压力容器用钢等。
附图说明
图1是本发明实施例1的试验钢典型SEM电镜扫描图片(2000X)。
图2是本发明实施例2的试验钢典型SEM电镜扫描图片(2000X)。
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。
本发明的超高强度钢的生产工艺流程为：转炉或电炉炼钢->LF精炼->VD或RH真空脱气->Ca处理->连铸->加热->轧制->钢板缓冷->淬火->回火
本发明实施例1-2的大厚度抗层状撕裂屈服强度960MPa级高强度钢板的生产方法，包括如下步骤：
(1)冶炼：采用150吨转炉冶炼，然后送入LF炉进行精炼并经过RH真空脱气处理，破空进行Ca处理，控制Ca含量0.001～0.005％，处理后钢水进行软搅拌，搅拌时间不低于10分钟，确保钢种硫化物、氧化物变性完全并充分上浮去除。钢水成分控制见表1。
(2)连铸：将冶炼的钢水浇铸成370或450mm厚的连铸坯。浇铸温度控制在液相线以上5-20℃。浇铸过程中实施动态轻压下。中心偏析不高于C1.0级，中心疏松不高于1.0级，避免硫化物偏析和心部孔洞导致厚度方向层状撕裂。相关工艺参数见表2。
(3)轧制：将步骤(2)所得连铸坯放入步进式加热炉，加热至1150～1250℃，加热时间为8～14min/cm，使钢中的合金元素充分固溶以保证最终产品的成份及性能的均匀性。钢坯出炉后经高压水除鳞处理后进行粗轧+精轧两阶段控制轧制。粗轧的开轧温度介于1050-1100℃。采用高温大变形轧制，960℃以上变形量≥55％；粗轧后2道道次压下率≥15％。为进一步加大钢板心部变形，获得细小的原始奥氏体晶粒，精轧开轧温度控制在800～850，终轧控制在780～830℃的较低温度。轧制完成之后钢板快速下线，进罩缓冷，进罩温度≥350℃，罩冷时间≥24小时。相关工艺参数见表3。
(5)调质：钢板淬火温度为900～940℃,保温时间为30～90min，淬火介质为水。钢板淬火后进入连续炉回火。钢板回火温度560～620℃，保温时间为50～120min。热处理工艺见表4。
具体成分、工艺参数见表1～表4。各实例样板对应的性能见表5。
表1实施例超强钢板的化学成分(wt％)
表2连铸工艺控制
实施例 铸坯厚度mm 过热度℃ 中心偏析 中心疏松
1 370 20 C1.0 0.5
2 450 15 C0.5 0.5
表3轧制工艺控制
表4热处理工艺控制
表5本发明实施例拉伸、冲击、Z向性能
图1、2给出了实施例1、2试验钢的微观组织照片。成品钢板的微观组织为均一的回火索氏体组织，晶粒细小，厚度Z向断面收缩率均满足Z35，达到40％以上，抗层状撕裂性能良好。可见，通过高温阶段大变形，降低精轧开轧和终轧温度，可以有效细化≥50mm大厚度960MPa级高强钢板原始奥氏体晶粒，平均尺寸可≤30um，确保淬火后得到细小的马氏体组织，在满足钢板强韧度的同时，充分保证了钢板的抗层状撕裂性能。
本发明采用高洁净度炼钢连铸工艺，控制轧制，钢板缓冷，离线淬火+回火工艺，从化学成分设计、母材组织、夹杂物、中心偏析、中心疏松、轧制变形、钢板缓冷、淬回火温度及时间等角度进行控制，保证钢板具有超高强度，优良的延伸率和-40℃低温冲击韧性，同时钢板抗层状撕裂性能良好，为工程设备进一步大型化提供了可行性，具有批量生产及应用的优势和前景。
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 (8)

1.一种大厚度抗层状撕裂屈服强度960MPa级调制高强度钢板，其特征在于：其由以下重量百分比含量的组分组成：C：0.15～0.20％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.90～1.30％，Nb：0.010～0.040％，V：0.010～0.045％，Ti:≤0.010％,Al：0.03～0.06％，Ni：0.50～1.00％，Cu：≤0.1％，Cr：0.30～0.80％，Mo：0.20～0.70％，B：0.001～0.005％，Ca：0.001～0.005％，P：≤0.010％，S：≤0.002％，O：≤0.002％，N：≤0.004％，H：≤0.00015％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；碳当量CEV：0.58～0.68％。
2.根据权利要求1所述的大厚度抗层状撕裂屈服强度960MPa级调制高强度钢板，其特征在于：所述高强钢板的厚度为50～100mm。
3.一种如权利要求1所述的大厚度抗层状撕裂屈服强度960MPa级调制高强度钢板的生产方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)冶炼
按相应的化学成分采用电炉或转炉方式冶炼，并采用炉外精炼和真空处理进一步微调；
(2)Ca处理
钢水真空处理后进行喂Ca处理。Ca的加入量控制在0.001～0.005％之内，处理后钢水进行软搅拌，搅拌时间不低于10分钟；
(3)连铸
钢水进行低过热度浇注，全程氩气保护浇注，以及动态轻压下控制，钢水过热度控制在5～20℃，中心偏析不高于C1.0级，中心疏松不高于1.0级，浇铸连铸坯厚度控制为目标钢板厚度的3倍及以上；
(4)加热轧制
将铸坯加热至1150-1250℃，加热时间为8-14min/cm，钢坯出炉后经高压水除鳞处理后进行粗轧+精轧两阶段控制轧制；
(7)钢板缓冷处理
钢板轧制后，不进行冷却，快速下线，进入保温罩，进罩温度≥350℃，罩冷时间≥24小时。
(8)调制热处理
缓冷后钢板进行淬火处理，淬火温度900～940℃，炉温到温后保温时间为30～90min；钢板回火温度560～620℃，炉温到温后，保温时间为50～120min。
4.根据权利要求3所述的一种大厚度抗层状撕裂屈服强度960MPa级调制高强度钢板的生产方法，其特征在于，粗轧的开轧温度介于1050-1100℃，确保粗轧高温阶段≥960℃，总压下率≥55％；粗轧最后2道次压下率≥15％，精轧开轧温度控制在800～850，终轧控制在780～830℃的较低温度。
5.根据权利要求3所述的一种大厚度抗层状撕裂屈服强度960MPa级调制高强度钢板的生产方法，其特征在于，为保证钢板的均匀性，调制热处理的温度控制精度为±10℃。
6.根据权利要求5所述的一种大厚度抗层状撕裂屈服强度960MPa级调制高强度钢板的生产方法，其特征在于，钢板在淬火处理后显微组织为细小的马氏体组织，平均精力尺寸≤30um。
7.根据权利要求5所述的一种大厚度抗层状撕裂屈服强度960MPa级调制高强度钢板的生产方法，其特征在于，钢板在淬火处理后显微组织为均一的回火索氏体组织，平均精力尺寸≤30um。
8.根据权利要求5所述的一种大厚度抗层状撕裂屈服强度960MPa级调制高强度钢板的生产方法，其特征在于，所述钢板的屈服强度≥960MPa，抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥12％，-40℃低温夏比冲击功≥30J，Z向拉伸断面收缩率≥35％，抗层状撕裂性能良好。
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