CN112553526B - 一种960MPa级超高强度结构钢、钢管及其制造方法和应用 - Google Patents

一种960MPa级超高强度结构钢、钢管及其制造方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种960MPa级超高强度结构钢、钢管及其制造方法和应用。本发明的960MPa级超高强度结构钢，按重量百分比计包括如下化学成分：C：0.12‑0.17％，Si：0.1‑0.4％，Mn：0.7‑1.3％，P<0.013％，S≤0.005％，Cr：0.5‑1.0％，Mo：0.70‑1.0％，W：0.1‑0.3％，Ni：0.1‑0.4％，Nb：0.01‑0.06％，Al：0.01‑0.05％，Ca：0.0005‑0.005％，同时满足如下关系式：Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo)/5+Ni/15<0.68，并且1<Mo/(Ni+W)≤2，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明的结构钢具有960MPa以上的屈服强度，其表面质量好、低温韧性以及焊接性能优异。

Description

一种960MPa级超高强度结构钢、钢管及其制造方法和应用
技术领域
本发明涉及结构钢技术领域，尤其是涉及一种960MPa级超高强度结构钢、钢管及其制造方法和应用。
背景技术
大吨位履带式起重机吊臂一般使用高强度的无缝钢管制造，并且采用焊接的方式进行连接；因此，提高无缝钢管材料的强度，不但可以减少结构的自重、节省钢材，同时也有利于提高结构的承载能力。然而，随着材料强度的提高，钢的韧性以及可焊性大幅下降；因此，目前市场上最高强度的吊臂用结构钢管的屈服强度仅为890MPa钢级。GB/T 16270高强度结构用调质钢板所规定的最高钢级为屈服强度960MPa，但其延伸率仅为10％左右，且-40℃冲击功仅为27J左右，从而无法满足上述需求。
公开号为CN101952472A的中国专利申请公开了一种屈服强度890MPa以上的可焊接的高强度无缝钢管用低合金钢种，但W合金元素含量高达0.60-1.00％，不仅炼钢难度增加，而且水淬非常容易弯曲，回火后也难以矫直，现场的生产难度极大。公开号为CN104862613A的中国专利申请提出了一种抗拉强度980MPa、屈服强度890MPa的类似钢种，但其与CN101952472A一样，均含有一定量的V元素，使得轧管过程中产生表面裂纹缺陷的几率大增，同时还明显提高了制造成本。公开号为CN102747300A的中国专利申请也涉及一种高强高韧的结构钢，其通过添加Ni元素来缓解V元素导致的开裂敏感性，然而含有较高含量的Ni会导致生产过程中生成的氧化皮很难去除，同时也严重影响了钢管的表面质量。
为了克服上述问题，公开号为CN105586529A的中国专利申请通过优化的合金元素配比，配合轧管前不小于14MPa压力的高压水除鳞，从而有效去除了管坯高温加热时形成的外层的疏松的氧化皮；然而，由于许多生产厂家不具备14MPa压力高压水除鳞的生产条件，导致致密的内层氧化皮难以去除。此外，由于其内层氧化膜内含有大量的、弥散分布的单质Ni，在轧制过程能起到粘合剂的效果，导致内层氧化皮在轧制过程以及后续调质热处理过程难以去除，从而严重影响了钢管的表面质量。
随着工程机械装备承载能力的不断增强，市场对焊接性能优良的超高强度结构钢管的需求逐年递增，解决超高强度结构钢管可焊性以及基体与焊缝高强高韧的匹配性等问题非常迫切。鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种960MPa级超高强度结构钢、钢管及其制造方法和应用，该结构钢具有960MPa以上的屈服强度，其表面质量好、低温韧性以及焊接性能优异。
本发明提供一种960MPa级超高强度结构钢，按重量百分比计包括如下化学成分：C：0.12-0.17％，Si：0.1-0.4％，Mn：0.7-1.3％，P<0.013％，S≤0.005％，Cr：0.5-1.0％，Mo：0.70-1.0％，W：0.1-0.3％，Ni：0.1-0.4％，Nb：0.01-0.06％，Al：0.01-0.05％，Ca：0.0005-0.005％，同时满足如下关系式：Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo)/5+Ni/15<0.68，并且1<Mo/(Ni+W)≤2，其余为Fe和不可避免的杂质。
以下对各化学成分进行说明：
C是确保基体强度的必要化学成分。C含量低于0.12％时很难达到所希望的强度；另一方面，C含量高于0.17％时将在其他元素的共同作用下明显降低材料的韧性。因此，本发明中控制C的含量为0.12-0.17％。
Si在钢中作为脱氧剂。为了达到效果，至少需要加入0.1％的Si；但加入过多的Si会降低钢的可焊性和韧性。因此，本发明中控制Si的含量为0.1-0.4％。
Mn也是一种脱氧剂，同时可以使本发明钢的显微组织在淬火后成为马氏体主体组织，是确保优良的强度、低温韧性平衡所不可缺少的元素，其下限为0.7％；然而，过多的Mn元素则会增加钢的淬透性，以致不仅会降低焊接热影响区(HAZ)的韧性和可焊性，而且会导致连续铸造时产生中心偏析，母材的低温韧性也会恶化。因此，本发明中控制Mn的含量为0.7-1.3％。
Cr可以有效提高钢管的淬透性，提高母材、焊接部位的强度，但含量太多焊接开裂敏感性增大，同时降低焊接热影响区的韧性。因此，本发明中控制Cr的含量为0.5-1.0％。
Mo是回火稳定性元素，为本发明主要添加元素之一，通过回火过程弥散析出细小的Mo2C来达到二次硬化的效果以有效提高钢的强度；然而，添加过少则达不到强化效果，添加过多则显著降低焊接性能。因此，本发明中控制Mo的含量为0.70-1.0％。
W具有细化晶粒作用，在提高材料的强度的同时并不降低塑性，最为关键的是可以显著缓解因Mo等元素的添加而对焊接性能的劣化程度；但过多地添加W会增加炼钢难度、增大穿孔内折缺陷发生概率，降低生产效率。因此，本发明中控制W的含量为0.1-0.3％。
Ni可以改善材料的低温韧性和现场可焊性。在本发明中，适量添加Ni可以改善焊接过程中基体和焊材熔池的润湿性，达到使得基体、焊缝以及HAZ具有等韧性的目标；添加量过少，效果不显著，但添加量过多则不利于基体强度。因此，本发明中控制Ni的含量为0.1-0.4％。
Nb是获得细晶钢的重要元素，在热轧时可以推迟奥氏体再结晶而达到细化晶粒的目的，在随后的冷却及热轧过程中，NbC粒子弥散析出，又能起到析出强化的作用，在再加热过程中，可以阻碍奥氏体晶粒长大；考虑到热影响区韧性以及现场可焊性，Nb含量不能过高。因此，本发明中控制Nb的含量为0.01-0.06％。
Al在钢中具有脱氧作用且其有助于提高钢的韧性和加工性。当Al含量达到0.01％以上时，其提高钢的韧性和加工性的效果较为显著；但是当Al含量超过0.05％时，炼钢难度显著增加。因此，本发明中控制Al的含量为0.01-0.05％。
Ca可以净化钢液，使夹杂物变性以控制硫化物分布形态，达到获得细小球形、弥散均布的硫化物的目的，起到提高低温韧性的作用，适宜采用的含量为0.0005-0.005％，进一步为0.0015-0.005％。
本发明的结构钢是针对目前现有专利及相关产品的缺陷进行设计的，在化学成分设计时主要解决如下三个问题：1)表面质量问题：一方面不添加具有表面裂纹敏感性的V元素，另一方面限制Ni的含量以避免在加热过程中表面氧化而析出单质Ni；2)超高强度高韧性问题：通过低C设计，以Mo为主要强化元素，配合适量的Mn、Cr元素来解决超高强度高韧性；3)基体和焊缝性能的匹配问题：通过复合添加适量的Ni、W、Nb等合金元素来缓解超高强度带来的焊接性能劣化的问题。通过如上化学成分设计，最终得到一种具有960MPa以上屈服强度，表面质量好，低温韧性以及焊接性能优异的超高强度结构钢及钢管。
本发明还提供一种钢管的制造方法，包括如下步骤：
1)按照上述结构钢的化学成分，将钢水进行炉外精炼和真空脱气后连铸成圆坯；
2)对圆坯进行加热并保温，然后进行高压水除鳞；
3)在高压水除鳞后进行穿孔，然后轧管，轧后空冷并进行锯切；
4)在锯切后进行淬火，然后水淬，再进行高温回火；
5)出炉后进行高压水除鳞，然后进行热矫直。
其中，步骤2)中，控制加热温度为1200-1240℃，保温时间为1-2h；步骤3)中，控制高压水除鳞时高压水的压力大于7MPa，轧管时的终轧制温度为850℃以上；步骤4)中，控制淬火时的加热温度为890-930℃，保温时间为30-60min；控制高温回火时的加热温度为590-630℃，保温时间为30-60min；步骤5)中，控制热矫直的温度为400℃以上；控制高压水除鳞时高压水的压力大于7MPa。
在本发明的钢管制造方法中，控制高压水除鳞时高压水的压力大于7MPa,可获得良好的除鳞效果；在热处理时，由于温度低、保温时间短，所形成的氧化皮在水淬及高压水除鳞过程即可去除，因此不会产生氧化皮等问题。
本发明还提供一种钢管，其特征在于，按照上述制造方法制得。
特别是，上述钢管的屈服强度大于960MPa，优选为≥1027MPa，例如1027-1087MPa；抗拉强度大于1085Mpa，例如1089-1146Mpa；延伸率大于21％，例如21.5-26.0％；-40℃下的低温冲击韧性大于45J，例如48-75J；此外，上述钢管的微观组织为片状马氏体。
本发明还提供一种钢管焊接方法，包括：采用熔敷金属抗拉强度960MPa级的高强焊丝，对上述钢管进行多层多道次连续施焊；其中，采用富氩气体保护电弧焊，保护气体的组成为80％Ar和20％CO2，气体流量为20-25L/min；控制焊前预热温度为100-150℃，预热范围为焊缝周围100-150mm，防止HAZ冷裂纹的产生；控制焊接线能量为9-15KJ/cm，焊接层间温度控制在150±30℃，焊后随即将焊接部位用保温棉包裹缓冷至室温。
钢管焊接后具有焊缝区、焊接热影响区(HAZ)、母材区的微观组织特征，其中焊接热影响区的组织特征还可细分为靠近焊缝的粗晶区、靠近基体的软化区以及两者之间的细晶区。本发明采用小线能量富氩混合气体保护焊，焊缝区的性能主要取决于高强度焊丝(主要化学成分一般含有2-5％Ni，0.6-0.8％Mo等)，因此HAZ的性能是决定焊接性能的关键，而其中粗晶区的性能更为关键，因此粗晶区的组织最终决定HAZ的冲击韧性。为了获得良好的焊接性能，本发明要求控制Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo)/5+Ni/15<0.68，并要求1<Mo/(Ni+W)≤2，可以有效地改善粗晶区的组织，通过严格控制焊接过程，在保证焊接接头强度的同时提高焊接接头的综合机械性能。
本发明还提供一种焊接钢管，按照上述钢管焊接方法焊接而成。
特别是，上述焊接钢管的焊接接头的抗拉强度大于960MPa，优选为≥998MPa，例如998-1060MPa；-40℃下焊缝的低温冲击韧性大于100J，优选为≥148J，例如148-177J；热影响区的低温韧性达到50J以上，优选为≥58J，例如58-81J。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的钢管的HAZ粗晶区的形貌图；
图2为本发明对比例1的钢管的HAZ粗晶区的形貌图；
图3为本发明对比例4的钢管的HAZ粗晶区的形貌图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1-6
实施例1-6提供一种具有960MPa以上屈服强度的超高强度钢管，其尺寸为Φ121×11mm。采用下述制造方法制成：
1)将钢水严格按表1的化学成分进行炉外精炼和真空脱气后连铸成圆坯；
2)将圆坯加热至1200-1240℃，保温1-2h；穿孔前进行高压水除鳞，高压水压力大于7MPa；
3)圆坯高压水除鳞后穿孔，随后轧管，轧后空冷并进行锯切，其中终轧制温度为850℃以上；
4)热处理：将钢管进行调质处理，淬火温度为890-930℃，保温时间为30-60min，然后水淬。在590-630℃进行高温回火，保温时间为30-60min，以获得最终的力学性能，钢管出炉后进行高压水除鳞，高压水压力大于7MPa，然后将钢管进行热矫直，热矫直温度450℃以上。
该超高强度钢管的焊接方法如下：
1)按照低强匹配原则，选用焊丝为熔敷金属抗拉强度960MPa级的高强焊丝，焊丝主要化学成分为3％Ni，0.7％Mo，进行多层多道次连续施焊；
2)采用富氩气体保护电弧焊，保护气体组成为80％Ar+20％CO2，气体流量为20-25L/min；
3)焊前预热温度100-150℃，预热范围为焊缝周围100-150mm，防止HAZ冷裂纹的产生；
4)控制焊接线能量9-15KJ/cm，焊接层间温度控制在150±30℃，焊后随即将焊接部位用保温棉包裹缓冷至室温。
其中，实施例1-6和对比例1-4中所采用的钢水的化学成分见表1，具体工艺参数见表2。
分别检验实施例1-6和对比例1-4制备的钢管以及焊接接头的拉伸性能，冲击试样进行-40℃摆锤式冲击试验，结果见表3。
此外，实施例1、对比例1和对比例4的钢管的HAZ粗晶区的形貌图如图1-图3所示。
由图1可见，实施例1HAZ粗晶区的微观组织形貌为板条状马氏体，具有良好的综合力学性能。
由图2可见，对比例1的HAZ粗晶区的形貌，组织为片状马氏体，焊缝冲击韧性较差。
对比例4的Ni含量较高，虽然各项力学性能指标都能达到要求，但在1200-1240℃加热过程中，氧化皮内层析出大量的Ni颗粒，具体见图3，高压水除鳞难以清除干净，对钢管表面质量造成影响，同时由于Ni含量高，生产成本较高。
表1钢水的化学成分
Figure BDA0002789691030000091
表2钢管制造工艺和焊接工艺的具体工艺参数
Figure BDA0002789691030000092
表3钢管和焊接钢管的性能测试结果
Figure BDA0002789691030000093
Figure BDA0002789691030000101
从表3试验结果可见，按本发明的化学成分和工艺制造的钢管，母材的屈服强度大于960MPa、抗拉强度大于1085MPa、延伸率大于21％；-40℃下的低温冲击韧性大于45J；焊接后焊接接头抗拉强度大于960MPa、-40℃下焊缝的低温冲击韧性大于100J，热影响区的低温韧性达到50J以上，可以很好满足结构钢管对强度、低温韧性、以及焊接性的性能要求。
本发明通过合理设计化学元素组分，并采取适当的热处理工艺使得钢管在具有960MPa以上屈服强度、低温韧性好的同时，兼具表面质量以及焊接性能优良的特性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种960MPa级超高强度结构钢，其特征在于，按重量百分比计包括如下化学成分：C：0.12-0.17％，Si：0.1-0.4％，Mn：0.7-1.3％，P<0.013％，S≤0.005％，Cr：0.5-1.0％，Mo：0.70-1.0％，W：0.1-0.3％，Ni：0.1-0.4％，Nb：0.01-0.06％，Al：0.01-0.05％，Ca：0.0005-0.005％，同时满足如下关系式：Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo)/5+Ni/15<0.68，并且1<Mo/(Ni+W)≤2，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.一种钢管的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)按照权利要求1所述的结构钢的化学成分，将钢水进行炉外精炼和真空脱气后连铸成圆坯；
2)对圆坯进行加热并保温，然后进行高压水除鳞；
3)在高压水除鳞后进行穿孔，然后轧管，轧后空冷并进行锯切；
4)在锯切后进行淬火，再进行高温回火；
5)出炉后进行高压水除鳞，然后进行热矫直。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，步骤2)中，控制加热温度为1200-1240℃，保温时间为1-2h；步骤3)中，控制高压水除鳞时高压水的压力大于7MPa，轧管时的终轧制温度为850℃以上。
4.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，步骤4)中，控制淬火时的加热温度为890-930℃，保温时间为30-60min；控制高温回火时的加热温度为590-630℃，保温时间为30-60min；步骤5)中，控制热矫直的温度为400℃以上；控制高压水除鳞时高压水的压力大于7MPa。
5.一种钢管，其特征在于，按照权利要求2-4任一所述的制造方法制得。
6.根据权利要求5所述的钢管，其特征在于，其屈服强度大于960MPa；抗拉强度大于1085MPa；延伸率大于21％；-40℃下的低温冲击韧性大于45J。
7.根据权利要求5所述的钢管，其特征在于，其微观组织为片状马氏体。
8.一种钢管焊接方法，其特征在于，包括：采用熔敷金属抗拉强度960MPa级的高强焊丝，对权利要求5-7任一所述的钢管进行多层多道次连续施焊；其中，采用富氩气体保护电弧焊，保护气体的组成为80％Ar和20％CO2，气体流量为20-25L/min；控制焊前预热温度为100-150℃，预热范围为焊缝周围100-150mm；控制焊接线能量为9-15KJ/cm，焊接层间温度控制在150±30℃，焊后随即将焊接部位用保温棉包裹缓冷至室温。
9.一种焊接钢管，其特征在于，按照权利要求8所述的钢管焊接方法焊接而成。
10.根据权利要求9所述的焊接钢管，其特征在于，其焊接接头的抗拉强度大于960MPa；-40℃下焊缝的低温冲击韧性大于100J；热影响区的低温韧性达到50J以上。
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Pledgor: LINZHOU FENGBAO PIPE Co.,Ltd.

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