CN116536580A - 一种易焊接高强韧500MPa级风电用钢板及其制备方法 - Google Patents

一种易焊接高强韧500MPa级风电用钢板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种易焊接高强韧500MPa级风电用钢板其制备方法。该风电用钢按重量百分比包括以下组分：C：0.02～0.05％，Si：0.1～0.3％，Mn：1.00～1.50％，Mo：0.15～0.5％，Cr：0.15～0.5％，Nb：0.04～0.1％，Ni：0.2～0.5％，Ti：0.01～0.05％，Alt：0.01～0.05％，B：0.001％～0.002％，V：0～0.08％，N≤0.005％，P≤0.01％，S≤0.006％，其余为Fe和不可避免的杂质。该风电钢采用了低碳微合金化的成分体系，所述制备方法包括钢坯加热、TMCP精轧工序、冷却工序和临界退火热处理。本发明提高了风电用钢的强度和冲击韧性，屈服强度≥580MPa，‑60℃冲击功≥130J，‑60℃焊后热模拟冲击功≥95J。

Description

一种易焊接高强韧500MPa级风电用钢板及其制备方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种易焊接高强韧500MPa级风电用钢板及其制备方法。
背景技术
风能资源，是一种清洁的可再生能源，是太阳能的一种转化形式，但风能开发利用的成本比太阳能开发利用的成本要低，它是可再生能源中最具开发前景的一种能源。并且随着现代社会的发展，许多不可再生能源被大量消耗，各种污染问题也引发了地球危机。
风电是未来发展重点，风力发电的未来发展在提供低碳能源方面提供了重大机遇。近年来风电作为清洁能源，不断向高寒、远海地区发展，风电塔架服役环境愈加严苛，而且随着机组大型化，风塔承受载荷不断增加，对风电用钢的低温韧性、焊接、强度性能等提出了更高的要求。在此环境下，风电用钢，尤其是风电塔筒所用钢材，不仅需具备高强度，还需具备良好的焊接性能和低温韧性性能，以免发生事故造成重大经济损失。
专利文献CN107475635A中提供的“一种耐低温高冲击韧性风电用钢及其生产方法”，其具体实施例中钢板-40℃冲击功Akv2≥75J。风电用钢如今向着高寒、远海地区发展，期望能在-60℃下焊接钢板能有更好的冲击韧性。因此在保证强度的同时，需要进一步开发低温高韧性的钢板来满足风电用钢的发展需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是在高寒远海地区，现有风电用钢高强度与-60℃钢板冲击功不可兼得的问题。因此提供一种易焊接高强韧500MPa级风电用钢板及其制备方法，本发明提供以下技术方案：
本发明的一种易焊接高强韧500MPa级风电用钢板，其按重量百分比包括以下组分：C：0.02～0.05％，Si：0.1～0.3％，Mn：1.00～1.50％，Mo：0.15～0.5％，Cr：0.15～0.5％，Nb：0.04～0.1％，Ni：0.2～0.5％，Ti：0.01～0.05％，Alt：0.01～0.05％，B：0.001％～0.002％，V：0～0.08％，N≤0.005％，P≤0.01％，S≤0.006％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明风电用钢的化学成分的作用如下：
C采用低碳设计，保证钢板的韧性和强度，含碳量过高，会适当提升钢板的强度和硬度，但是会降低韧性，所以将碳含量控制在0.02～0.05％。
Si保证脱氧效果和固溶强化作用，同时要保证不会影响钢板的塑韧性，因此将Si含量控制在0.1～0.3％。
Mn是奥氏体化稳定元素，在低碳情况下增加Mn元素含量可以提高钢的强度，同时Mn作为良好的脱氧化剂和脱硫剂，减少了氧、硫等夹杂物含量。但锰元素含量超过1.5％，会造成严重的中心偏析，影响钢板组织均匀性和冲击韧性，因此将Mn元素含量控制在1.00～1.50％。
Mo元素可以提高钢的淬透性和耐腐蚀性，提高钢板强度，考虑到Mo的成本过高，这里将Mo含量控制在0.15～0.5％。
Cr元素能有效提高钢的强度，显著改善钢的耐蚀性能，Cr过高会降低组织均匀性，同时Cr元素成本过高，因此将Cr元素含量控制在0.15～0.5％。
Nb、Ti元素复合微合金化，控制轧制，细化晶粒，同时通过析出提高钢板强度，但铌元素超过0.1％，会影响韧性和焊接性能，钛元素超过0.05％会降低钢的低温韧性，因此这里将Nb元素含量控制在0.04～0.1％，Ti元素含量控制在0.01～0.05％。
V元素可以使晶粒细化，钒的碳化物弥散析出时，提高钢的耐磨性和硬度，增大钢的韧性和强度，改善钢的焊接性能，但钒含量超过0.08％，VC在聚集出现时会降低钢的强度，因此本发明的钒含量控制在0～0.08％。
Ni元素能提高钢的淬透性，具有一定的强化作用，能显著地提高钢的低温韧性和耐蚀性，考虑到成本问题，这里将Ni的含量控制在0.2～0.5％，保证耐蚀性能并改善低温韧性。
Al元素可以用来脱氧定氮，提高钢的纯净度和疲劳强度，减轻钢对缺口的敏感性，改善钢在低温时的韧性。但铝含量超过0.05％，致使钢中铝与氧的夹杂物含量增加，钢材开裂倾向增加，对钢材的疲劳性能、焊接性能和切削性能产生不利影响，因此本发明中的铝含量控制在0.01～0.05％。
B元素采用微合金化进一步提高钢的淬透性，微量的B元素可明显提高钢板的强度，而且和Mo元素联合加入时，其效果更为明显。因此将B元素含量控制在0.001％～0.002％。
N元素有固溶强化的作用，与钢中的Cr、Ti、Al等元素结合形成稳定的氮化物，从而提高钢的强度和硬度，改善疲劳性能等。氮含量超过0.01％，会造成氮的夹杂物的含量增加，韧性下降，脆性增加，损害钢材的综合力学性能，也会恶化钢的抗氧化性能，因此本发明氮含量控制在0.005％以下。
P、S元素是钢中有害元素，P元素增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.01％。硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.006％。
为了保证风电钢板在低温下有良好的焊接性能，需要控制碳当量和焊接裂纹敏感性指数两个指标的大小，不能过大，也不能过小，因此控制碳当量CEV≤0.4％，焊接裂纹敏感性指数≤0.2％，两者计算公式如下(1)和(2)所示：
CEV(％)＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 (1)
PCM(％)＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B (2)
所述风电用钢板的厚度为10mm-30mm，组织结构为贝氏体+针状铁素体+逆转变奥氏体，晶粒平均尺寸在10μm以下。其屈服强度≥500Mpa,断后伸长率≥15％，-60℃冲击功≥130J，-60℃焊后热模拟冲击功≥95J。
本发明风电用钢的生产步骤主要包括钢坯加热、控制轧制和临界热处理等工艺步骤。其中，轧制工艺采用的是热机械控轧控冷(TMCP)工艺，临界热处理采用的是临界退火工艺。具体工艺过程如下：
步骤1：钢坯加热步骤中，将钢的加热温度控制在1100～1200℃之间，并保温80～90min，以保证钢坯可以完全奥氏体化。
步骤2：在TMCP控制轧制工序中，包括第一道次精轧、第二道次精轧和第三道次精轧。其中开轧温度控制在880～930℃，终轧温度控制在850～880℃。精轧温度控制在奥氏体未再结晶的区域，可以得到大量未再结晶的奥氏体晶粒，提高位错密度。有利于得到均匀细小的晶粒组织，提高钢板的力学性能。
TMCP轧制工序中，精轧工序阶段道次的累计压下率不小于70％。
步骤3：在TMCP轧制后的冷却阶段采用水冷，可以抑制铁素体长大和珠光体的生成，获得稳定细小的晶粒组织，保证轧后的钢板力学性能。
步骤4：钢的热处理阶段采用临界退火，在两相区之间对轧制后的钢板再次加热，加热温度控制在700～850℃之间，保温时间控制在10～30min，冷却工序采用水冷，获得不同尺寸贝氏体和针状铁素体交互分布的非均质组织，同时在原奥或者片层界面获得细小的逆转变奥氏体，阻止原奥氏体晶粒粗化和产生脆性相。
采用本发明的技术方案的有益效果如下：
1.本发明考虑到合金元素设计合理性和资源节约性，同时为了保证钢的易焊接性能，在晶界处C元素不容易析出脆性相，抑制原奥氏体粗化，应该严格控制极低碳的化学成分含量。同时尽量减少使用铬、镍、钒、钛等化学元素的含量，节约了资源，降低了成本；
2.采用TMCP控制轧制工艺，减少工序，减少了后续复杂的热处理手段，降低成本；
3.采用临界热处理方法，在原奥界面获得细小的逆转变奥氏体，阻止原奥氏体晶粒粗化；另一方面，C、Mn等元素向逆转变奥氏体配分，降低了原奥晶界处的C含量，有效抑制了含C量较高的脆性相马氏体在晶界的析出。
4.采用Ti、Nb元素微合金化，细化晶粒，通过析出提高强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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风电用钢板经过750℃临界热处理的金相组织。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
为满足未来风电用钢对性能的高要求，需要一种新的制备方法，来生产具有高强度和良好可焊性的钢板，尤其强度、韧性和焊接性能是风电用钢质量检测的重要指标。
该风电用钢的制备方法步骤主要包括钢坯加热、TMCP工艺和临界热处理等。
实施例1
一种易焊接高强韧风电用钢，化学成分(wt.％)为C:0.03％，Si:0.2％，Mn:1.1％，Mo:0.2％，Cr:0.2％，Nb:0.05％，Ni:0.3％，Ti:0.015％，Alt：0.03％，B：0.0015％，CEV＝0.31，PCM＝0.13，其余为Fe和不可避免的杂质。
该风电用钢钢坯加热工序中，钢坯加热温度1200℃，保温90min。TMCP工序包括三道次精轧，其中，第一道次开轧温度为910℃，压下率为22％，第二道次轧制温度为890℃，压下率为43％，第三道次终轧温度为870℃，压下率为55％，整个轧制过程累计道次总压下率为80％，冷却方式为水冷。
临界退火阶段，在两相区之间加热温度为750℃，保温15min。然后水冷处理，得到临界铁素体、贝氏体和逆转变奥氏体的非均质组织。
如图1所示，该风电用钢的平均晶粒尺寸为2.32μm，由晶粒细小的铁素体和贝氏体和逆转奥氏体组成，逆转变奥氏体平均尺寸为1.6μm，经过750℃热处理后钢板的屈服强度为580Mpa，-60℃冲击功为139J，断后伸长率为17.3％。
实施例2
一种易焊接高强韧风电用钢，化学成分(wt.％)为C:0.03％，Si:0.2％，Mn:1.1％，Mo:0.2％，Cr:0.2％，Nb:0.05％，Ni:0.3％，Ti:0.015％，Alt：0.03％，B：0.0015％，CEV＝0.31，PCM＝0.13，其余为Fe和不可避免的杂质。
该风电用钢钢坯加热工序中，钢坯加热温度1200℃，保温90min。TMCP工序包括三道次精轧，其中，第一道次开轧温度为910℃，压下率为22％，第二道次轧制温度为890℃，压下率为43％，第三道次终轧温度为870℃，压下率为55％，整个轧制过程累计道次总压下率为80％，冷却方式为水冷。
临界退火阶段，在两相区之间加热温度为800℃，保温15min。然后水冷处理，得到临界铁素体、贝氏体和逆转变奥氏体的非均质组织。
该风电用钢的平均晶粒尺寸为2.39μm，由晶粒细小的铁素体、贝氏体和逆转变奥氏体组成，逆转变奥氏体平均尺寸为1.7μm，经过800℃热处理后钢板的屈服强度为596Mpa，-60℃冲击功为95J，断后伸长率为13.1％。
实施例3
一种易焊接高强韧风电用钢，化学成分(wt.％)为C:0.03％，Si:0.2％，Mn:1.1％，Mo:0.2％，Cr:0.2％，Nb:0.05％，Ni:0.3％，Ti:0.015％，Alt：0.03％，V：0.05％，CEV＝0.32，PCM＝0.13，其余为Fe和不可避免的杂质。
该风电用钢钢坯加热工序中，钢坯加热温度1200℃，保温90min。TMCP工序包括三道次精轧，其中，第一道次开轧温度为910℃，压下率为22％，第二道次轧制温度为890℃，压下率为43％，第三道次终轧温度为870℃，压下率为55％，整个轧制过程累计道次总压下率为80％，冷却方式为水冷。
临界退火阶段，在两相区之间加热温度为750℃，保温15min。然后水冷处理，得到临界铁素体、贝氏体和逆转变奥氏体的非均质组织。
该风电用钢的平均晶粒尺寸为1.66μm，由晶粒细小的铁素体和贝氏体和逆转奥氏体组成，逆转变奥氏体平均尺寸为1.12μm，经过750℃热处理后钢板的屈服强度为486Mpa，-60℃冲击功为236J，断后伸长率为22.5％。
实施例4
一种易焊接高强韧风电用钢，化学成分(wt.％)为C:0.03％，Si:0.2％，Mn:1.1％，Mo:0.2％，Cr:0.2％，Nb:0.05％，Ni:0.3％，Ti:0.015％，Alt：0.03％，V：0.05％，CEV＝0.32，PCM＝0.13，其余为Fe和不可避免的杂质。
该风电用钢钢坯加热工序中，钢坯加热温度1200℃，保温90min。TMCP工序包括三道次精轧，其中，第一道次开轧温度为910℃，压下率为22％，第二道次轧制温度为890℃，压下率为43％，第三道次终轧温度为870℃，压下率为55％，整个轧制过程累计道次总压下率为80％，冷却方式为水冷。
临界退火阶段，在两相区之间加热温度为800℃，保温15min。然后水冷处理，得到临界铁素体、贝氏体和逆转变奥氏体的非均质组织。
该风电用钢的平均晶粒尺寸为2.39μm，由晶粒细小的铁素体、贝氏体和逆转变奥氏体组成，逆转变奥氏体平均尺寸为1.7μm，经过800℃热处理后钢板的屈服强度为483Mpa，-60℃冲击功为299J，断后伸长率为23.2％。
所以综合评价，实施例2的热处理温度高于实施例1，提高了钢板强度，却降低了韧性。实施例3和实施例4在其他元素没有变化的情况下，将B元素替换为V元素，钢板强度未能达标，说明B元素微合金化能够显著提升合金淬透性。因此实施例1综合力学性能更好，在-60℃下焊后热模拟冲击功为96.61J。
对比例1
风电用钢化学成分为：C:0.1％，Si:0.2％，Mn:1.1％，Mo:0.2％，Cr:0.2％，Nb:0.05％，Ni:0.3％，Ti:0.015％，Alt：0.03％，B：0.0015％，CEV＝0.38，PCM＝0.2，其余为Fe和不可避免的杂质。
该风电用钢钢坯加热工序中，钢坯加热温度1200℃，保温90min。TMCP工序包括三道次精轧，其中，第一道次开轧温度为910℃，压下率为22％，第二道次轧制温度为890℃，压下率为43％，第三道次终轧温度为870℃，压下率为55％，整个轧制过程累计道次总压下率为80％，冷却方式为水冷。
临界退火阶段，在两相区之间加热温度为750℃，保温15min。然后水冷处理，得到临界铁素体、贝氏体和逆转变奥氏体的非均质组织。
该风电用钢的平均晶粒尺寸为2.35μm，由晶粒细小的铁素体和贝氏体和逆转奥氏体组成，逆转变奥氏体平均尺寸为2.2μm，经过750℃热处理后钢板的屈服强度为605Mpa，-60℃冲击功为110J，断后伸长率为14.5％。说明碳含量升高会提高钢板的机械强度，但是会降低韧性。
对比例2
化学成分(wt.％)为C:0.03％，Si:0.2％，Mn:1.1％，Mo:0.2％，Cr:0.2％，Nb:0.05％，Ni:0.3％，Ti:0.015％，Alt：0.03％，B：0.0015％，CEV＝0.31，PCM＝0.13，其余为Fe和不可避免的杂质。
该风电用钢钢坯加热工序中，钢坯加热温度1200℃，保温90min。TMCP工序包括三道次精轧，其中，第一道次开轧温度为910℃，压下率为22％，第二道次轧制温度为890℃，压下率为43％，第三道次终轧温度为870℃，压下率为55％，整个轧制过程累计道次总压下率为80％，冷却方式为水冷。
所用临界热处理手段为临界淬火+回火阶段。
所述临界区淬火过程：轧制后的板坯再加热温度为715℃，加热系数为1.5，保温时间15min，总在炉时间为43min，出炉后淬火至室温。
所述回火过程：淬火后的板坯加热温度为400℃，加热系数为3，保温时间15min，总在炉时间为90min，出炉后空冷至室温。
该风电用钢的平均晶粒尺寸为10.5μm，由铁素体和板条马氏体组成，经过750℃热处理后钢板的屈服强度为715Mpa，-60℃冲击功为95J，断后伸长率为15％。这说明临界间淬火+回火的工艺能大幅提高钢的强度，但是会明显降低冲击韧性和塑性。
本发明的易焊接高强韧性风电用钢控制合金元素的含量，节约资源，降低成本，并且配合TMCP的轧制工艺和临界退火热处理方法，既简化生产工艺流程，降低工艺成本，又对明显差异的组织晶粒或形状调控，发挥各级优势并相互作用综合提高力学性能，该风电用钢强度优异，具有高冲击韧性，屈服强度≥580Mpa，抗拉强度≥750Mpa，断后伸长率≥17％，焊后热模拟冲击韧性≥95J，钢板综合力学性能良好，有利于未来风电用钢和风电设备等行业的快速发展。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种易焊接高强韧500MPa级风电用钢板，其特征在于，按重量百分比包括以下组分：C：0.02～0.05％，Si：0.1～0.3％，Mn：1.00～1.50％，Mo：0.15～0.5％，Cr：0.15～0.5％，Nb：0.04～0.1％，Ni：0.2～0.5％，Ti：0.01～0.05％，Alt：0.01～0.05％，B：0.001％～0.002％，V：0～0.08％，N≤0.005％，P≤0.01％，S≤0.006％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于，其碳当量CEV≤0.4％，焊接裂纹敏感性指数≤0.2％。
3.根据权利要求1或2所述的钢板，其特征在于，所述钢板的组织结构为贝氏体+针状铁素体+逆转变奥氏体，晶粒平均尺寸在10μm以下。
4.根据权利要求3所述的钢板，其特征在于，其屈服强度≥500Mpa,断后伸长率≥15％，-60℃冲击功≥130J，-60℃焊后热模拟冲击功≥95J。
5.根据权利要求1至4任一项所述的钢板的制备方法，其特征在于，包括钢坯加热、轧制和临界热处理工序，其中，轧制工艺采用的是TMCP精轧工艺，临界热处理采用的是临界退火工艺。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述钢坯加热工序中，钢坯加热温度控制在1100～1200℃，保温时间控制在80～90min。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述TMCP精轧工序中，精轧开轧温度控制在880～930℃，精轧终轧温度控制在850～880℃；
优选地，所述TMCP精轧工序包括第一道次精轧、第二道次精轧和第三道次精轧，其中第一道次精轧温度控制在880～930℃，第三道次精轧温度控制在850～880℃。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述TMCP精轧工序阶段道次的累计压下率不小于70％。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述TMCP精轧工序冷却阶段采用的冷却方式为水冷。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述临界热处理采用在两相区之间退火的方式，加热温度为700～850℃，保温时间为10～30min，退火后水冷。
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