CN111549278B - 一种690MPa级低温高强抗震焊接结构钢板及其制造方法 - Google Patents

一种690MPa级低温高强抗震焊接结构钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钢铁技术领域，具体涉及一种690MPa级低温高强抗震焊接结构钢板，化学成分组成及其质量百分含量如下：C：0.05～0.08％、Si：0.25～0.35％、Mn+Cr：1.85～2.25％、Cu：0.05～0.1％、Mo：0.4～0.6％、Ni：0.8～1.2％、Nb+Al+RE：0.05～0.07％、Ti：0.008～0.025％、P：≤0.02％、S：≤0.001％，其余为Fe和其它不可避免的杂质元素；其制造方法包括冶炼、浇铸、加热、轧制、矫直、冷却和回火步骤，本发明钢的综合力学性能优越，不易断裂和破坏，并具有良好的塑韧性、焊接性能和抗震性能，使用安全可靠，可广泛应用于高速复线铁路桥梁，海洋平台，高层建筑等对抗震安全性能有严格要求的大型钢结构的制造。

Description

一种690MPa级低温高强抗震焊接结构钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于钢铁技术领域，具体涉及一种690MPa级低温高强抗震焊接结构钢板及其制造方法。
背景技术
随着大型重载桥梁、高层建筑等大型钢结构工程的建设发展，在降低结构自身重量、提高其耐腐蚀性、提高结构抗震安全性等方面将越来越需要耐低温、更高强的抗震焊接结构钢板的使用。目前690MPa级低合金高强度钢板普遍采用调质工艺，强度指标上已经达到690MPa级及以上，但是在低温韧性，特别是低屈强比控制方面还很难适应上述大型钢结构的应用发展要求；而采用直接淬火+回火的工艺，则塑韧性较差，板形控制也比较差，并给后续钢结构的杆件矫正工作带来比较大的麻烦。目前，一种既保证690MPa级高强钢良好的塑韧性和屈强比，又能够保证钢板板形等使用性能的钢板及其制造工艺还没见有相关报道。
中国专利(CN109628836A)提出的“一种高强度建筑结构用抗震耐火钢及其制备方法”，采用了调质工艺，周期长，成本高。而且产品含有一定的铁素体，很难适应于大型钢结构的制造，特别是钢板板型比较差时，必须使用火工矫正，则含有铁素体的钢板的强度损失较大。
中国专利(CN103627980B)提出的“低温大壁厚X80HD大变形管线钢及其生产方法”，其轧后钢板的组织为铁素体+贝氏体+少量的M/A，其中依然含有60～85％铁素体，而且产品的规格较薄，钢板生产过程中的板形难以保证。
中国专利(CN102965592A)提出的“一种低压缩比厚规格超高强海洋工程用钢板的生产方法”，所述方法是通过控轧控冷工艺，在中厚板卷轧制上轧制，轧后采用层流冷却，终冷温度650～700℃，冷却速率5～10℃/s，最后进行正火+淬火+回火热处理，这类产品制造流程长，屈强比偏高。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术不足，提供一种690MPa级低温高强抗震焊接结构钢板，满足大型焊接钢结构的制造。并在所涉钢的成分和制造工艺下，通过调控组织形态及其比例，获得高的强度、塑性、低温韧性、板形的综合平衡。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种690MPa级低温高强抗震焊接结构钢板，所述钢板的化学成分组成及其质量百分含量如下：
C：0.05～0.08％、Si：0.25～0.35％、Mn+Cr：1.85～2.25％、Cu：0.05～0.1％、Mo：0.4～0.6％、Ni：0.8～1.2％、Nb+Al+RE：0.05～0.07％、Ti：0.008～0.025％、P：≤0.02％、S：≤0.001％，其余为Fe和其它不可避免的杂质元素。
在本发明的成分设计中，C含量在0.05～0.08％，高强钢的发展是逐步降低碳含量的过程，碳含量的降低，利于提高钢的韧性；Si含量在0.25～0.35％，Si主要以固溶强化形式提高钢的强度，但不可含量过高，以免降低钢的韧性；适量的Mn+Cr，Mn是确保钢材强韧性和焊接热影响区性能不可或缺的元素，Cr是有效提高钢板强度的元素，也是提高钢板淬透性的元素，同时当Cr与Ni、Cu复合添加的情况下，更有助于提高钢的淬透性和耐候性能；Cu含量在0.05～0.1％，Cu在钢中主要起固溶和沉淀强化作用，适量的Cu提高强度而不降低韧性，并提高钢的耐腐蚀性能，同时，在厚钢板中加入的适量Cu还可以在缓慢冷却过程中通过自回火或低温回火析出ε-Cu，提高钢板的强度，适当比例的Ni和Cu配合加入又可平衡优化析出的过量的ε-Cu，防止屈强比急剧升高；Ni含量在0.8～1.2％，Ni对钢材强度有一定贡献，且能明显改善钢材的低温韧性，显著提高钢的低温韧性，特别是对Cr等固溶强化元素含量高的钢材。
本发明的Mo含量选在0.4～0.6％，Mo在钢中的作用是促进高密度位错亚结构的贝氏体和马氏体形成，保证低屈强比钢中具有硬相属性的组织形成，降低钢的屈强比，提高钢的抗震性能，此外其有一定的固溶强化作用。适量的Nb+Al+RE，Nb是一种强碳化物形成元素，具有强烈的细化晶粒作用，能扩大轧制工艺范围，使发明钢在轧制过程中充分细化组织，确保钢材具有良好的强韧性匹配；Al能细化钢的晶粒，提高钢的强度，同时也能提高冲击韧性；配合添加少量RE能够提高Mo、Cr的强度和塑性，RE和Mo、Cr配合利于提高钢的硬度、强度和耐高温等特性，RE和Ni配合则可提高合金钢的蠕变强度和耐用性。
Ti可固定钢中的N元素，形成TiN以阻止在加热、轧制、焊接等过程中的晶粒长大，改善钢板母材和焊接热影响区的韧性，但过量的Ti将会形成微米级尺寸的液析TiN，不仅无法细化晶粒，反而会恶化钢板韧性，因此，Ti的适宜量控制在0.008～0.025％。
P是残余元素，易导致低温脆性，P显著扩大液相和固相之间的两相区，在钢凝固过程中偏析于晶粒之间，形成高磷脆性层，提高带状组织的级别，使钢的局部组织异常，造成机械性能不均匀，降低钢的塑性，使钢易产生脆性裂纹，对焊接性能也有不利影响，所以应尽可能降低磷在钢中的含量。考虑到生产成本，将P的含量控制在0.02％以下。硫是残余元素，当S以MnS的形式存在于钢中时，S常以条状形态沿轧制方向分布，形成严重的带状组织，破坏了钢的连续性，恶化钢的抗层状撕裂性能，降低钢韧性，提高韧脆转变温度。因此，将S的含量控制在0.001％以下。
所述钢板的显微组织组成包括：马氏体、板条贝氏体和粒状贝氏体。
较佳地，所述钢板的显微组织中板条贝氏体和马氏体合计的体积百分比≥95％，其余为粒状贝氏体占体积百分比3～5％。
较佳地，所述板条贝氏体和马氏体的板条宽度均分布在150～350nm。
优选地，所述钢板的厚度为10～60mm。
优选地，所述钢板的力学性能：屈服强度≥690MPa，930MPa≥抗拉强度≥830MPa，屈强比<85％，延伸率≥14％，-40℃纵向冲击功≥120J，板形平直度≤5mm/m。
本发明690MPa级低温高强度抗震焊接结构钢板性能检测方法标准参考GB/T228和GB/T229。
基于一个总的发明构思，本发明的另一个目的在于提供上述690MPa级低温高强抗震焊接结构钢板的制备方法，包括冶炼、浇铸、加热、轧制、预矫直、冷却和回火步骤，其中：
(a)轧制前的加热温度：钢坯出炉温度控制在1150～1180℃；
(b)轧制条件：钢坯开轧温度为1050℃，终轧温度为830～860℃；
(c)高温预矫直至钢板的平直度达到不大于5mm/m。
(d)冷却条件：开冷温度为710～750℃，终冷温度为150～180℃，冷却速度为19～23℃/s；
(e)回火处理：以17.5℃/min的升温速度加热至350℃，保持钢板的总的在炉时间与钢板的厚度比为2min/mm。
具体地，本发明的690MPa级低温高强抗震焊接结构钢板的制备方法，包括以下步骤：
冶炼和铸造：采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸或模铸。
采用中厚板轧机轧制：
(a)轧制前的加热温度：钢坯出炉温度控制在1150～1180℃。其目的在于充分发挥Nb、Ti等微合金元素在控轧过程中延迟奥氏体再结晶、轧制及轧后冷却过程中析出强化等作用，应保证微合金元素更多的固溶到奥氏体中，充分发挥其固溶优势，所以钢坯加热温度至少应提高1150℃以上；同时考虑到加热温度过高，奥氏体的晶粒将过分长大，并遗传到轧后钢板，对钢板冲击韧性会造成不良影响，故应尽可能保证钢坯出炉温度控制在1180℃以下。
(b)轧制条件：钢坯开轧温度为1050℃，终轧温度为830～860℃。钢坯在辊道上待温到目标开轧温度后，进行往复轧制。轧制过程为保证轧后晶粒细化，改善钢板综合力学性能，需要充分发挥第二相质点Nb+Ti(C，N)钉扎位错，阻止奥氏体再结晶，具提高Tnr温度(再结晶终止温度)的作用，以扩大控轧工艺窗口，尤其对于薄规格的高强钢板，易出现瓢曲、中间浪、边浪等板形问题，所以应尽可能提高开轧温度以减少轧制抗力，同时为保证厚规格板形，减少轧制负荷，提高轧制节奏和效率，故开轧温度选择为1050℃。
随着钢坯温度下降到Tnr以下，奥氏体晶粒再结晶受到抑制，通过大压下轧制，奥氏体晶粒呈压扁和拉长状态，随着压下量的增加，晶粒内产生大量滑移带和位错，增大有效晶界面积，适当增加相变细化效果，提高钢的强韧性，同时考虑到厚规格钢板应保证轧制阶段的足够的压下量，以均匀细化钢板断面组织；同时防止总的压下率过大导致晶粒过细，细晶强化和位错强化过大将导致屈强比过钢。综合考虑，钢坯厚度应控制在成品厚度的2～4倍。
(c)预矫直处理：钢板轧后进入高温预矫直机进行矫直，矫直温度控制在760～800℃。在该发明钢板生产过程中，钢板经过预矫直，可以消除钢板端部的扣头或翘头现象，保证钢板整板面的板形平整。其主要目的是在随后的冷却时保证整板面的水冷均匀性，最终带来钢板的性能均匀性和良好板形。
(c)冷却条件：开冷温度为710～750℃，终冷温度为150～180℃，冷却速度为19～23℃/s。钢板经预矫直平整后的热轧钢板温度会冷到750℃，甚至更低，然后必须快速进入冷却系统进行冷却。在该发明钢板生产过程中，不同于传统的控制驰豫过程先共析铁素体的形成，而是控制钢板尽快以较高的冷却速度进入马氏体开始相变区，避免产生先析铁素体和大量的粒状贝氏体等高温相变组织，导致钢板屈服强度不足，故开冷温度不得低于710℃；从而使得具有高密度位错富碳变形奥氏体进入马氏体相变区开始马氏体相变，形成马氏体基础硬相；由于中厚钢板自身厚度方向的温度不均性，肯定会出现少量粒状贝氏体组织和部分板条贝氏体组织，以此作为有益于低屈强比钢的软相组织。此物理冶金过程，以实现控制钢的相变，最终获得前述理想的高强低屈强比钢复合组织。通过降低终冷温度，增加组织中板条贝氏体和马氏体含量，软相比例的增加以及形态的多样化对降低屈强比是有益的，故终冷温度控制在150～180℃范围内。
随着冷却速度的增加，促进未相变奥氏体向低温组织的转变，提高硬相组织体积分数，从而拉开了软硬相间的硬度差值，提高钢板抗拉强度，实现屈强比的大幅下降，同时，冷速的提高也利于马奥岛的弥散分布，从而改善钢板低温韧性，但过高的冷速也会恶化钢板的塑韧性，综合考虑，冷却速度控制在19～23℃/s。
(d)回火处理：以17.5℃/min的升温速度加热至350℃，保持钢板的总的在炉时间与钢板的厚度比为2min/mm。回火过程一方面消除了钢板内部应力，另一方面Nb和C、N形成细小的碳化物析出，提高钢板的强度；故回火温度和保温时间也是保证本发明的效果实现的必不可少的条件。
值得说明的是，经本发明人反复试验验证，严格采用本发明化学成分、轧制工艺参数和冷却、回火工艺参数制造的钢板才能满足本发明钢要求。
与现有技术相比较，本发明钢板的力学性能：屈服强度≥690MPa，930MPa≥抗拉强度≥830MPa，屈强比<85％，延伸率≥14％，-40℃纵向冲击功≥120J，板形平直度≤5mm/m，并且焊后不需预热或预热温度不高于50℃，焊后不需热处理，大大提高了焊接效率，具有良好的冷热加工性能和抗大变形抗力，制造工序简单。
本发明成分和工艺设计合理，并从实施效果来看，轧制、冷却和回火的工艺制度比较宽松，可以在中、厚钢板产线上稳定生产。
综上所述，本发明钢的综合力学性能优越，不易断裂和破坏，并且具有良好的塑韧性、焊接性能和抗震性能，使用安全可靠，可广泛应用于高速复线铁路桥梁，海洋平台，高层建筑等对抗震安全性能有严格要求的大型钢结构的制造。
附图说明
图1实施例1所制690MPa级低温高强抗震焊接结构钢的扫描电镜显微图；
图2实施例2所制690MPa级低温高强抗震焊接结构钢的扫描电镜显微图；
图3实施例3所制690MPa级低温高强抗震焊接结构钢的扫描电镜显微图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
实施例1
厚度为10mm的690MPa级低温高强抗震焊接结构钢，图1为实施例1中钢的扫描电镜显微图，金相组织为板条贝氏体+马氏体(占比97％)和少量粒状贝氏体(占比3％)构成的复相组织。屈服强度为770MPa，抗拉强度为916MPa，屈强比为84％，延伸率为14％，-40℃夏比冲击试验纵向冲击吸收能量为122J、127J、131J。
钢的成分质量百分比为C：0.06％、Si：0.33％、Mn+Cr：1.95％、Cu：0.10％、Mo：0.45％、Ni：0.92％、Nb+Al+RE：0.051％、Ti：0.013％、P：0.015％、S：0.001％，其余为Fe和其它不可避免的杂质元素。
上述钢的制备方法包括冶炼、浇铸、加热、轧制、矫直、冷却和回火步骤，其中：
(a)轧制前的加热温度：钢坯出炉温度控制在1180℃；
(b)轧制条件：钢坯开轧温度为1050℃，终轧温度为860℃；经高温预矫直机矫直后钢板不平度为5mm/m；
(c)冷却条件：开冷温度为710℃，终冷温度为150℃，冷却速度为23℃/s；
(d)回火处理：以17.5℃/min的升温速度加热至350℃，保持钢板的总的在炉时间为20min。
实施例2
厚度为30mm的690MPa级低温高强抗震焊接结构钢，图2为实施例2中钢的扫描电镜显微图，金相组织为板条贝氏体+马氏体(占比96％)和少量粒状贝氏体(占比4％)构成的复相组织。屈服强度为734MPa，抗拉强度为892MPa，屈强比为82％，延伸率为16％，-40℃夏比冲击试验纵向冲击吸收能量为212J、229J、230J。
钢的成分质量百分比为C：0.08％、Si：0.31％、Mn+Cr：2.05％、Cu：0.09％、Mo：0.43％、Ni：1.01％、Nb+Al+RE：0.053％、Ti：0.012％、P：0.012％、S：0.001％，其余为Fe和其它不可避免的杂质元素。
上述钢的制备方法包括冶炼、浇铸、加热、轧制、矫直、冷却和回火步骤，其中：
(a)轧制前的加热温度：钢坯出炉温度控制在1150℃；
(b)轧制条件：钢坯开轧温度为1050℃，终轧温度为840℃；经高温预矫直机矫直后钢板不平度为4mm/m；
(c)冷却条件：开冷温度为740℃，终冷温度为160℃，冷却速度为20℃/s；
(d)回火处理：以17.5℃/min的升温速度加热至350℃，保持钢板的总的在炉时间为60min。
实施例3
厚度为60mm的690MPa级低温高强抗震焊接结构钢，图3为实施例3中钢的扫描电镜显微图，金相组织为板条贝氏体+马氏体(占比95％)和少量粒状贝氏体(占比5％)构成的复相组织。屈服强度为705MPa，抗拉强度为881MPa，屈强比为80％，延伸率为17％，-40℃夏比冲击试验纵向冲击吸收能量为232J、247J、252J。
钢的成分质量百分比为C：0.07％、Si：0.32％、Mn+Cr：2.15％、Cu：0.07％、Mo：0.50％、Ni：1.13％、Nb+Al+RE：0.067％、Ti：0.021％、P：0.010％、S：0.001％，其余为Fe和其它不可避免的杂质元素。
上述钢的制备方法包括冶炼、浇铸、加热、轧制、矫直、冷却和回火步骤，其中：
(a)轧制前的加热温度：钢坯出炉温度控制在1180℃；
(b)轧制条件：钢坯开轧温度为1050℃，终轧温度为830℃；经高温预矫直机矫直后钢板不平度为3mm/m；
(c)冷却条件：开冷温度为750℃，终冷温度为180℃，冷却速度为19℃/s；
(d)回火处理：以17.5℃/min的升温速度加热至350℃，保持钢板的总的在炉时间为120min。
表1实施例1-3、对比例1-4钢的成分质量百分比
Figure GDA0003163583650000071
Figure GDA0003163583650000081
(其中，每个组分的单位是wt％，并且剩余百分数为Fe和其它不可避免的杂质元素)。
表2实施例1-3、对比例1-4的主要生产工艺参数(一)
Figure GDA0003163583650000082
表3实施例1-3、对比例1-4的主要生产工艺参数(二)
Figure GDA0003163583650000083
表4实施例1-3、对比例1-4钢板的力学性能
Figure GDA0003163583650000084
Figure GDA0003163583650000091
本发明钢板的力学性能：屈服强度≥690MPa，930MPa≥抗拉强度≥830MPa，屈强比<85％，延伸率≥14％，-40℃纵向冲击功≥120J，板形平直度≤5mm/m。
本发明钢板焊后不需预热或预热温度不高于50℃，焊后不需热处理，大大提高了焊接效率，具有良好的冷热加工性能和抗大变形抗力，制造工序简单。
本发明成分和工艺设计合理，并从实施效果来看，轧制、矫直、冷却和回火的工艺制度比较宽松，可以在中、厚钢板产线上稳定生产。
综上所述，本发明钢的综合力学性能优越，不易断裂和破坏，并且具有良好的塑韧性、焊接性能和抗震性能，使用安全可靠，可广泛应用于高速复线铁路桥梁，海洋平台，高层建筑等对抗震安全性能有严格要求的大型钢结构的制造。
上述实施例仅是本发明的较优实施方式，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修饰、修改及替代变化，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种690MPa级低温高强抗震焊接结构钢板，其特征在于，所述钢板的化学成分组成及其质量百分含量如下：
C：0.05～0.08％、Si：0.25～0.35％、Mn+Cr：1.85～2.25％、Cu：0.05～0.1％、Mo：0.4～0.6％、Ni：0.8～1.2％、Nb+Al+RE：0.05～0.07％、Ti：0.008～0.025％、P：≤0.02％、S：≤0.001％，其余为Fe和其它不可避免的杂质元素，所述钢板的显微组织组成包括：马氏体、板条贝氏体和粒状贝氏体，所述钢板的显微组织中板条贝氏体和马氏体合计的体积百分比≥95％，其余为粒状贝氏体占体积百分比3～5％。
2.根据权利要求1所述的一种690MPa级低温高强抗震焊接结构钢板，其特征在于，所述板条贝氏体和马氏体的板条宽度均分布在150～350nm。
3.根据权利要求1～2任意一项所述的一种690MPa级低温高强抗震焊接结构钢板，其特征在于，所述钢板的厚度为10～60mm。
4.根据权利要求3所述的一种690MPa级低温高强抗震焊接结构钢板，其特征在于，所述钢板的力学性能：屈服强度≥690MPa，930MPa≥抗拉强度≥830MPa，屈强比<85％，延伸率≥14％，-40℃纵向冲击功≥120J，板形平直度≤5mm/m。
5.如权利要求4所述的一种690MPa级低温高强抗震焊接结构钢板的制备方法，其特征在于，包括冶炼、浇铸、加热、轧制、矫直、冷却和回火步骤，其中：
(a)轧制前的加热温度：钢坯出炉温度控制在1150～1180℃；
(b)轧制条件：钢坯开轧温度为1050℃，终轧温度为830～860℃；
(c)冷却条件：开冷温度为710～750℃，终冷温度为150～180℃，冷却速度为19～23℃/s；
(d)回火处理：以17.5℃/min的升温速度加热至350℃，保持钢板的总的在炉时间与钢板的厚度比为2min/mm。
6.根据权利要求5所述的一种690MPa级低温高强抗震焊接结构钢板的制备方法，其特征在于，轧后钢板高温预矫直至其平直度达到不大于5mm/m。
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