CN113512682A - 一种高强韧性超厚调质水电钢板及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强韧性超厚调质水电钢板及制备方法，所述钢板的化学成分含有：C：0.09～0.11％；Si：0.10～0.20％；Mn：0.70～0.90％；P：≤0.010％；S：≤0.003％；Ni：0.20～0.40％；Cr：0.30～0.40％；Mo：0.85～0.95％；Cu：0.25～0.35％；Nb：0.02～0.04％；Ti：0.010～0.020％；Als：0.035～0.055％；B：0.0004～0.0010％；N<50ppm；余量为Fe和不可避免的杂质。同时保证Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B<0.26％；Ceq(％)＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14<0.56％。本发明高强韧性超厚调质水电钢板厚度为>100mm，抗拉强度≧780MPa，屈服强度≧690MPa，横向Kv‑70℃≧100J。

Description

一种高强韧性超厚调质水电钢板及制备方法
技术领域
本发明属于合金钢领域，涉及一种高强韧性超厚调质水电钢板及其制造方法。
背景技术
日本各大钢铁企业早在上世纪60年代采用含B低碳低合金钢成分体系，开发调质型800MPa级水电用钢特厚钢板。800MPa级水电用钢在日本、欧洲及我国十三陵水库开始应用。进入二十一世纪800MPa级水电用钢开发在我国真正开始起步，并应用于呼和浩特抽水蓄能电站，白鹤滩、乌东德等大型电站。
我国800MPa级水电用钢的应用主要是厚度100mm以下的钢板，强韧性优良的800MPa超厚钢板(厚度>100mm～200mm)因其技术含量水平非常高，在国内大型水电工程应用较少。
我国800MPa级特厚钢板主要选择坯料类型是钢锭、连铸坯以及电渣重熔锭。工艺选择总体是“淬火+回火”，但各有不同。化学成分设计各有其特点。
(1)专利号“CN 101709432 A”公布了“大厚度调质型海洋平台用钢及其生产方法”，其成分设计：C：0.16～0.18％；Si：0.15～0.35％；Mn：1.10～1.15％；P：≤0.015％；S：≤0.005％；Cu：0.05～0.10％；Ni：1.30～1.40％；Cr：1.20～1.30％；Mo：0.45～0.55％；Nb：0.03～0.04％；V：0.05～0.06％；N：≤0.0060％；Ti：0.020～0.025％；Als：0.020～0.040％；B：0.0014～0.0023％。厚度152mm。采用“淬火+回火”生产。低温冲击试验温度达到-60℃。采用电渣重熔坯料，工序多流程长。属于抗拉强度800MPa钢。化学成分碳含量相对较高C(0.16～0.18％)。
化学成分采用高Ni(1.30％～1.40％)。Ni含量下限值是1.30％。
采用调质工艺。未规定碳当量、裂纹敏感性指数。
(2)专利号“CN 106544590 A”公布了“1000MPa级高韧性高性能均匀性易焊接特厚钢板及其制造方法”，其成分设计：C：0.12～0.15％；Si：0.15～0.35％；Mn：0.95～1.20％；P：≤0.010％；S：≤0.002％；Cu：0.20～0.40％；Ni：2.40～3.00％；Cr：0.50～0.80％；Mo：0.40～0.60％；Nb≤0.04％；V：0.03～0.06％；N：≤0.0060％；Ti：0.020～0.025％；Als：0.060～0.090％；B：0.0010～0.0020％。厚度180mm。采用连铸坯、低温“淬火+回火”生产。厚度1/4、1/2处，Kv-40℃>65J。
该专利钢板碳含量较高，进入包晶区，连铸坯裂纹不易严格控制。选用较高Ni含量设计，成本高。采用无Ti成分设计，钢板高温加热时晶粒度细化以及焊接热影响区强度及低温韧性缺乏可靠保证。碳当量上限0.75％(公式)，未提到冷裂纹敏感性指数。
(3)专利号“CN 101962741 A”公布了“一种调质钢板及其制造方法”，其成分设计：C：0.10～0.16％；Si：≤0.20％；Mn：0.85～1.25％；P：≤0.013％；S：≤0.003％；Cu：0.20～0.45％；Ni：0.90～1.50％；Cr：0.45～0.75％；Mo：0.40～0.65％；Nb：0；V：0.03～0.06％；N：≤0.0060％；Ti：0.006～0.012％；Als：0.045～0.070％；B：0.0006～0.0012％。厚度100～150mm，最大厚度受到限制。采用钢锭、“淬火+回火”生产。抗拉强度≧780MPa，屈服强度≧690MPa，横向Kv-40℃≧47J。低温冲击功指标较小。检验位置未明确。
(4)专利号“CN 102605282 A”公布了“80公斤级超高韧性、极厚钢板及其制造方法”，其成分设计：C：0.08～0.13％；Si：≤0.10％；Mn：0.80～1.20％；P：≤0.013％；S：≤0.003％；Cu：0.20～0.45％；Ni：1.00～1.60％；Cr：0.35～0.65％；Mo：0.30～0.60％；Nb：0.010～0.030％；V：0.03～0.06％；N：≤0.0050％；Ti：0.004～0.010％；Als：0.040～0.070％；B：0.0008～0.0016％。厚度100～190mm。采用钢锭、“淬火+淬火+高温回火”生产，工序较多。抗拉强度≧780MPa，屈服强度≧690MPa，延伸率A％≧18％，横向冲击功Kv-60℃≧70J。检验位置未明确。
(5)专利号“CN 106319380 A”公布了“一种低压缩比690MPa级特厚钢板及其生产方法”，其成分设计：C：0.05～0.14％；Si：0.12～0.45％；Mn：0.70～1.40％；P：≤0.010％；S：≤0.005％；Cu：0.10～0.50％；Ni：0.50～1.00％；Cr：0.10～0.40％；Mo：0.10～0.40％；Nb：0；V：0.03～0.08％；N：≤0.0050％；Ti：0.005～0.030％；Als：0.025～0.065％；B：0.0008～0.0040％。厚度100～115mm。采用连铸坯、“正火+淬火+高温回火”生产最大厚度115mm厚钢板，最大厚度有限，工序流程较长。抗拉强度≧780MPa，屈服强度≧690MPa，延伸率A％≧18％，横向冲击功Kv-40℃≧90J。检验位置为厚度1/4及1/2处。
发明内容
本发明提供一种无V成分的“低C-(较高Mo+Mn+Ni+Cr+Cu)-(Nb+Ti+B)”成分体系，达到在一般钢锭作原料、调质工艺条件下可以获得全厚度方向“板条马氏体+板条贝氏体”混合组织。一般情况下，采用V目的是利用其在回火过程弥散析出提高回火强化。减少析出物回火析出可以减少裂纹源数量从而减少解理断裂裂纹源提高断裂冲击功。本发明钢中具有C、N、Ti、Nb合理匹配条件下，Ti、Nb的C、N化物析出可以替代含V析出物的回火强化作用，并且可以实现性能韧化。因此本发明采用了无V成分的“低C-(较高Mo+Mn+Ni+Cr+Cu)-(Nb+Ti+B)”成分体系。
为了达到本发明的目的，采用了以下技术方案：
一种高强韧性超厚(>100mm～200mm)采用一种“低C-(较高Mo+Mn+Ni+Cr+Cu)-(Nb+Ti+B)”成分体系)调质水电钢板及其生产方法，采用一种“低C-(较高Mo+Mn+Ni+Cr+Cu)-(Nb+Ti+B)”成分体系。这种合金体系具有低碳、低镍、低碳当量、低焊接裂纹敏感性的特点，保证厚度>100mm厚800MPa级水电钢板高强度、高低温韧性同时，实现短流程、低成本、低难度、保证钢板焊接性优良。
一种高强韧性超厚调质水电钢板，所述低焊接裂纹敏感性钢板的化学成分含有：C：0.09～0.11％；Si：0.10～0.20％；Mn：0.70～0.90％；P：≤0.010％；S：≤0.003％；Ni：0.20～0.40％；Cr：0.30～0.40％；Mo：0.85～0.95％；Cu：0.25～0.35％；Nb：0.02～0.04％；Ti：0.010～0.020％；Als：0.035～0.055％；B：0.0004～0.0010％；N<50ppm；余量为Fe和不可避免的杂质；
同时保证Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B<0.26％；
Ceq(％)＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14<0.56％。
本发明的化学成分设计，主要考虑如下：
C：C≤0.09％时需添加其它提高淬透性元素提高母材及焊接接头强度，使成本升高。当钢中碳含量0.11％以下时，钢的碳当量对冷裂纹敏感性影响不大。在此条件下，即使加入较多的合金，碳当量较高时钢材仍具有良好的焊接性能。为保证钢板优良的焊接性同时兼顾合金成本，C的范围设计为：0.085％～0.105％。
Si：Si是钢中的基本元素，通常是作为脱氧元素以硅铁合金的形式加入钢中。可以提高钢的强度。Si低于0.10％时，脱氧效果差，但当Si大于0.40％时，促进组织粗化，并且造成焊接冷热裂纹敏感性增加。本发明其含量控制在：0.10％～0.20％。
Mn：Mn是钢中的基本元素，通常是作为脱氧剂和脱硫剂，以Mn铁合金的形式加入钢中。Mn能溶于铁素体中，与铁形成固溶体，能提高淬透性，可提高钢的强度。当Mn含量低于0.7％时，提高淬透性减弱。为使Mn在保证母材强度和焊接接头强度发挥作用，其含量应≥0.80％；为减轻硫化物的有害作用，Mn＞0.80％。但Mn＞1.70％时使焊接裂纹敏感性变坏，而且由于含量太高带来过大的淬透性使焊接接头韧性变坏。本发明Mn含量控制在0.70～0.90％。
P：P在本钢种中是杂质元素。P对钢板母材的主要危害是冷脆现象。随着钢中P含量的增加，钢板塑性和低温韧性降低。P在钢液凝固结晶时成分偏析很大，先结晶的晶轴中P含量很低，而大量的P在最后凝固的晶界处以Fe2P析出，形成脆性夹层，使钢的塑性和冲击韧性降低。高P使钢的焊接性能变坏，冷弯性能变差。限制P≤0.011％。
S：S在本钢种中都是杂质元素。S可使钢产生热脆现象，使热加工性能变坏。S含量较大时可恶化钢的横向力学性能。硫对钢板横向力学性能的有害影响与硫在铸坯中的偏析程度有关。尽管有时钢中平均硫含量不高，但由于其在钢坯最后凝固区域富积，一般有带状偏析存在，使钢板的横向塑性明显下降。硫影响钢板的焊接性能。含硫较高的钢板在焊接时一般会出现高温龟裂现象，其影响程度随钢中C、P含量的增加而增加。焊接过程中硫容易氧化，生成二氧化硫气体逸出，在焊缝中产生气孔，造成焊缝疏松，降低焊缝部位的机械强度。本发明限制S≤0.003％。
Al：Al提高粗晶区韧性的机制是减少M-A组元的量及其尺寸，减少了固溶N量。AlN的溶解温度在1100℃附近，它在焊接热循环中很容易溶解，不能有效地阻止HAZ的晶粒长大。在焊接热循环中AlN质点会溶解，使HAZ中自由N的含量增高。AlN的析出十分缓慢，AlN很难在焊接过程中重新形核析出。在钢水冶炼过程中要保证一定的脱氧程度，一般情况下Als的含量下限控制为0.035％，上限为0.055％。本发明其含量控制在：0.035％～0.055％。
Ti：根据钢中的N含量，适当添加Ti，形成TiN细粒状弥散分布的粒子以减轻焊接热影响区脆化的效果最好，利用TiN的沉淀物可以抑制焊接时奥氏体的晶粒粗化，增加针状铁素体的沉淀核。3.42为钢中Ti、N原子的理想化学配比，当钢中的Ti/N值接近于理想化学配比时，TiN粒子更加细小且分布弥散，对高温奥氏体晶粒的稳定作用最强，Ti/N值过大或过小都将消弱这一作用。如果钢中固溶N量过多，将降低母材的韧性及时效性能。但在钢水控制实践上不能实现理想化学配比。
实践生产控制3.0<Ti/N<5.5。Ti与N结合成TiN，可以增加形核率并抑制奥氏体晶粒长大，提高热影响区低温韧性。由于Ti的添加，减少N的固溶含量。当Ti含量低于0.010％，钢中固溶N量较多。在冶炼过程中，B与钢中的N亲和力很强。如果钢中单加B，B和钢中过多的N形成BN，致使B淬透性作用消失。因此要控制钢中的Ti/N下限。同时，当Ti/N>5.5时，Ti/N粒子粗化，其对热影响区的有益作用减弱。因此要控制Ti/N上限。
钢中以铝、钛、硼次序形成氧化物，要保证钢中的钛、硼不被氧化,要有足够铝；要保证钢中的硼不被氮化,必须有足量钛。本发明钢Ti的含量控制：0.010％～0.020％。
N：N在钢中以固溶或氮化物形式存在。本专利是利用TiN细粒状弥散分布的粒子减轻焊接热影响区脆化以保证钢板母材具有良好的焊接性。控制N含量目的是要保证钢中的硼不被氮化。本发明其含量控制在N：0.0020～0.0040％。
Ni：Ni提高钢板淬透性作用不高，但可改善母材及焊接接头强度、低温韧性及延伸率。如添加量超过所需的量会使Ceq增大，成本提高，可导致母材及焊接接头的韧性降低和加工性变坏。因此Ni的含量设计为：0.20％～0.40％。
Cr：Cr是弱碳化物形成元素，有一定淬透性作用。如果添加过多，可损害钢板母材焊接性。本发明设计：Cr 0.30％～0.40％。
Mo：Mo对提高母材强度和焊接接头强度有效。能够提高母材淬透性及淬硬性，获得板条马氏体或板条贝氏体及其精细亚结构，实现组织细化。精细亚结构可阻碍裂纹扩展提高母材断裂韧性，进而提高母材强度及低温韧性。Mo含量提高可提高母材高温回火稳定性，Mo含量过高会大大提高合金成本，造成焊接街头强度过高。本发明设计Mo：0.85％～0.95％。
Cu：Cu对提高母材强度有效，相对Ni、Cr、Mo成本较低。Cu在本钢中的添加主要目的是与其它合金元素复合添加提高钢板淬透性，提高母材耐腐蚀性。Cu含量添加低于0.25％提高淬透性作用微弱，添加量高于0.40％则容易引起铸坯铜脆。本发明设计Cu：0.25％～0.40％。
Nb：为保证母材强度和焊接接头强度，Nb含量应≥0.005％，但Nb含量≥0.05％时焊接接头韧性变坏，所以将Nb的上限定为0.05％。利用钢坯加热过程Nb的固溶作用提高钢板淬透性。采用世界先进的压力淬火机组可以提高钢板淬透能力，减少合金加入量，保证低焊接裂纹敏感性特厚钢板的成分设计特点。在钢板控轧及淬火之后的回火过程中，Nb的碳氮化物起到析出强化作用。Nb通过微合金化与控轧控冷工艺相结合使母材晶粒充分细化，并且结合析出强化和位错亚结构强化效应，达到提高母材综合性能的目的。本发明其含量控制在：0.03％～0.05％。
本发明钢中具有C、N、Ti、Nb合理匹配条件下，Ti、Nb的C、N化物析出可以替代含V析出物的回火强化作用，并且可以实现性能韧化。
B：本发明钢种采用含B钢成分设计。添加B元素，使其以固溶B及Fe3(C、B)、Fe2B、Fe23(C、B)6形态存在。固溶B吸附在晶界,降低晶界能,使先共析铁素体不易形核，延长了先共析铁素体和上贝氏体转变的孕育期，抑止并推迟铁素体转变而提高淬透性。本发明钢种如加入微量的B可使贝氏体转变曲线变地扁平，从而在一个较大的冷速范围内也能获得板条贝氏体组织或板条马氏体组织，使钢种提高强度同时提高低温韧性。因为B提高钢种强度的作用是基于其在奥氏体晶界上的偏聚而阻止等轴铁素体在晶界上优先形核，冶炼时必须控制B含量；如果B以氧化物或氮化物存在于钢中，就失去了抑制铁素体在晶界上形核的作用。为了同时保证提高钢板淬透性同时不影响热影响区焊接性能，本发明设计B：0.004～0.0010％。
Pcm：Pcm是焊接裂纹敏感性系数，在通常的环境下，焊接施工时如果要保证钢板强度水平，同时保证低预热温度焊接不易出现裂纹，必须控制该参数上限。本发明控制Pcm≤0.26％。Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。
Ceq：是碳当量值。超厚规格800MPa级高强度钢通过添加微量Ti等保证母材强度及焊接接头强度，同时要保证钢板良好焊接性，Ceq在本钢种中设计为
Ceq(％)＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14<0.55％。
本发明一种高强韧性超厚调质水电钢板及其生产方法，包括冶炼、铸造、加热、控制轧制、堆垛缓冷、一次完全奥氏体化淬火、高温回火工序。
步骤1，冶炼及铸造工艺：采用铁水预处理技术，电炉冶炼，LF+RH炉精炼，[H]<1.0ppm，[O]<10ppm，[N]<40ppm；采用铸造钢锭，浇注过热度△T<50℃。
步骤2，加热工艺：钢坯加热温度1100℃～1150℃，加热时间1.2min/mm(mm:钢坯厚度)。
步骤3，轧制工艺：所述轧制工艺采用完全再结晶高温控制轧制和低温控制轧制。完全再结晶高温轧制阶段温度控制在1150℃～1100℃，至少2个单道次压下率大于10％，完成动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒。低温轧制阶段温度控制在950℃～900℃，单道次压下率大于10％，保证形变形核质点数量。总压缩比>4。
步骤4，堆垛缓冷工艺：堆垛温度500～700℃，轧后堆垛缓冷时间不少于30小时。
步骤5，热处理工艺：
淬火温度910℃，净保温时间1.7min/mm(mm:成品钢板厚度)；淬火水量Q>12000m3/h。
钢板芯部冷速Vc>5℃/s。
回火温度610℃～650℃，回火净保温时间：2.5min/mm(mm:成品钢板厚度)。
采用以上热处理工艺可以保证本发明一种高强韧性超厚调质水电钢板抗拉强度≧780MPa，屈服强度≧690MPa，横向Kv-70℃≧100J。
本发明的有益效果为：一般超厚调质高强韧性钢板采用提高碳含量进而提高钢板淬硬性，高碳损坏钢板焊接性。本发明采用较高Mo含量与碳及其它合金、微合金元素组合，在钢板超厚情况下，通过调质处理，得到精细亚结构，获得较高的淬硬组织。所获得亚结构在适当回火处理后消除淬火应力同时并不改变基体组织类型，精细亚结构的细化及亚晶边界增多，阻碍裂纹扩展从而提高超厚钢板强韧性。
本发明克服采用钢锭、电渣重熔坯料生产超厚钢板工艺流程长缺点，采用短流程生产超厚钢板。克服连铸坯生产超厚钢板最大厚度范围收到限制，采用钢锭生产超厚钢板。采用低碳、低碳当量、低裂纹敏感性指数成分设计，保证超厚钢板母板强韧性，保证钢板焊接性。本发明提供一种高强韧性超厚(>100mm～200mm)800MPa调质水电钢板及其生产方法。
本发明采用传统扁钢锭作为原料，生产工艺简单，一般具备大单重钢锭轧制及淬火回火生产条件的工厂即可完成生产制造。具有很强的实用性。
附图说明
图1为本发明钢板金相组织图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明钢板金相组织是“板条马氏体+板条贝氏体”。
本发明实施例的化学成分见表1；
制造工艺见表2、表3、表4；
力学性能见表5、6。
表1化学成分表
Figure BDA0003145314220000091
表2化学成分表
Figure BDA0003145314220000092
Ceq(％)＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14。
Pcm(％)＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。
表3炼钢及铸造工艺
Figure BDA0003145314220000101
表4加热及轧钢工艺
Figure BDA0003145314220000102
表5热处理工艺
Figure BDA0003145314220000103
表6调质态钢板性能(横向厚度1/4处)
Figure BDA0003145314220000104

Claims (7)

1.一种高强韧性超厚调质水电钢板，其特征在于，所述钢板的化学成分含有：C：0.09～0.11％；Si：0.10～0.20％；Mn：0.70～0.90％；P：≤0.010％；S：≤0.003％；Ni：0.20～0.40％；Cr：0.30～0.40％；Mo：0.85～0.95％；Cu：0.25～0.35％；Nb：0.02～0.04％；Ti：0.010～0.020％；Als：0.035～0.055％；B：0.0004～0.0010％；N<50ppm；余量为Fe和不可避免的杂质；
同时保证Ceq(％)＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14<0.56％；
Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B<0.26％；。
2.根据权利要求1所述的高强韧性超厚调质水电钢板，其特征在于，所述钢板的厚度为>100mm，不超过200mm。
3.权利要求1或2所述的高强韧性超厚调质水电钢板的制备方法，其特征在于，
步骤1，冶炼及铸造工艺：采用铁水预处理技术、电炉冶炼、LF+RH炉精炼，[H]<1.0ppm，[O]<10ppm，[N]<40ppm；采用铸造钢锭，浇注过热度△T<50℃；
步骤2，加热工艺：钢坯加热温度1100℃～1150℃，加热时间1.2min/mm钢坯厚度；
步骤3，轧制工艺：完全再结晶高温轧制阶段温度控制在1150℃～1100℃；低温轧制阶段温度控制在950℃～900℃；
步骤4，堆垛缓冷工艺：堆垛温度500～700℃，轧后堆垛缓冷时间不少于30小时；
步骤5，热处理工艺：淬火温度910℃，净保温时间1.7min/mm成品钢板厚度；淬火水量Q>12000m3/h；回火温度610℃～650℃，回火净保温时间：2.5min/mm成品钢板厚度。
4.根据权利要求3所述的高强韧性超厚调质水电钢板的制备方法，其特征在于，步骤3，轧制工艺：完全再结晶高温轧制阶段至少2个单道次压下率大于10％。
5.根据权利要求3所述的高强韧性超厚调质水电钢板的制备方法，其特征在于，步骤3，轧制工艺：低温轧制阶段单道次压下率大于10％。
6.根据权利要求3所述的高强韧性超厚调质水电钢板的制备方法，其特征在于，步骤3，轧制工艺：总压缩比>4。
7.根据权利要求3所述的高强韧性超厚调质水电钢板的制备方法，其特征在于，步骤5，热处理工艺：淬火阶段钢板芯部冷速Vc>5℃/s。
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