CN117947358A - 用于直缝焊接的钢板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于直缝焊接的钢板及其制备方法，钢板以质量百分数计包括如下化学成分：C：0.06％～0.08％、Si：0.10％～0.20％、Mn：1.50％～1.70％、Nb：0.045％～0.055％、P≤0.010％、S≤0.030％、Mo：0.30％～0.40％、Al：0.02％～0.040％、Ti：0.09％～0.11％、Ni：0.04％～0.06％、Cr：0.02％～0.04％、V：0.025％～0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。本申请的用于直缝焊接的钢板具有良好的强度、塑性和良好的韧性，从而提高钢板的综合性能。

Description

用于直缝焊接的钢板及其制备方法

技术领域

本申请属于钢冶炼技术领域，具体涉及一种用于直缝焊接的钢板及其制备方法。

背景技术

随着在各项工程施工中需要吊运物品的质量、体积和起升高度都在加大，履带起重机愈来愈显示其优越性，其需求在迅速上升。起重机吊臂用直缝焊管在低温环境作业时其低温冲击韧性要求很高，并承载着巨大压力。

为了保证起重机吊臂用直缝焊管在使用过程中的安全，必须要求直缝焊管在高强度的情况下保持良好的室温韧性与低温韧性，因而生产难度较大。

为了进一步节约成本，在成分设计时需要考虑减少钢铁产品中合金元素的加入量，以满足降低生产成本和节约合金资源的发展要求。

发明内容

鉴于此，本申请提供一种用于直缝焊接的钢板及其制备方法，旨在提高用于直缝焊接的钢板的强度、塑性和韧性匹配良好，从而提高钢板的综合性能。

第一方面，本申请实施例提供了一种用于直缝焊接的钢板，钢板以质量百分数计包括如下化学成分：C：0.06％～0.08％、Si：0.10％～0.20％、Mn：1.50％～1.70％、Nb：0.045％～0.055％、P≤0.010％、S≤0.030％、Mo：0.30％～0.40％、Al：0.02％～0.040％、Ti：0.09％～0.11％、Ni：0.04％～0.06％、Cr：0.02％～0.04％、V：0.025％～0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

根据本申请一个方面的实施例，钢板的金相组织为回火索氏体。

根据本申请一个方面的实施例，用于直缝焊接钢板的钢中的回火索氏体晶粒尺寸为5-8um。

根据本申请一个方面的实施例，用于直缝焊接的钢板的厚度为3～6mm。

根据本申请一个方面的实施例，钢板的力学性能包括：屈服强度890-1020MPa；抗拉强度960～1100MPa；延伸率14％-16％；-40℃冲击功≥45J。

第二方面，本申请实施例提供了一种用于制备用于直缝焊接的钢板的方法，包括：

将钢水用进行连铸，制得钢板坯，其中，板坯以质量百分数计包括如下化学成分：C：0.06％～0.08％、Si：0.10％～0.20％、Mn：1.50％～1.70％、Nb：0.045％～0.055％、P≤0.010％、S≤0.030％、Mo：0.30％～0.40％、Al：0.020％～0.040％、Ti：0.09％～0.11％、Ni：0.04％～0.06％、Cr：0.02％～0.04％、V：0.025％～0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；

将钢板坯加热并进行保温，制得加热钢板；

将加热钢板进行轧制，制得热轧钢板；

将热轧钢板进行调质热处理，制得用于直缝焊接的钢板。

根据本申请一个方面的实施例，加热的终点温度为1200℃-1230℃；保温的时间为0.6-1.5h。

根据本申请一个方面的实施例，轧制包括以温度为1120-1020℃进行第一至第三道次轧制；以800-920℃进行结束时的两道次轧制。

根据本申请一个方面的实施例，热轧钢板的厚度为3-6mm；轧制的总压下率为80％-90％。

根据本申请一个方面的实施例，将加热板坯进行轧制之后包括将加热板坯空冷至室温。

根据本申请一个方面的实施例，调质热处理包括：

将热轧钢板加热至900℃-930℃并进行保温30-40min，以使热轧钢板重新奥氏体化；

接着用水淬至室温，再以温度630℃-670℃进行回火处理，回火处理的时间为20-30min，最后空冷至室温。

本申请至少具有以下有益效果：

本申请提供的用于直缝焊接的钢板，采用Nb+Ti合金进行微合金化处理以达到细化晶粒的作用，同时通过相关工艺如控制轧制，从而使钢板中的铌和钛具有纳米级别的析出，析出物尺寸可以为35-40nm，以达到性能要求，使钢板的屈服强度≥890MPa、强度高、且塑性和韧性匹配良好。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施条例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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示出了本申请实施例的用于直缝焊接的钢板的温度随时间变化曲线图；

图2示出了本申请实施例1的用于直缝焊接的钢板的SEM组织图；

图3示出了本申请实施例2的用于直缝焊接的钢板的SEM组织图；

图4示出了本申请实施例3的用于直缝焊接的钢板的SEM组织图；

图5示出了本申请对比例1的用于直缝焊接的钢板的SEM组织图；

图6示出了本申请对比例2的用于直缝焊接的钢板的SEM组织图；

图7示出了本申请对比例3的用于直缝焊接的钢板的SEM组织图。

具体实施方式

为了使本申请的申请目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例对本申请进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施条例仅仅是为了解释本申请，并非为了限定本申请。

为了简便，本申请仅明确地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任何上限组合形成未明确记载的范围；以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，尽管未明确记载，但是范围端点之间的每个点或单个数值都包含在该范围内。因而，每个点或单个数值可以作为自身的下限或上限与任意其他点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“以上”、“以下”为包含本数，“一种或多种”中的“多种”的含义是两种及其两种以上。

本申请的上述申请内容并不意欲描述本申请中的每个公开的实施方式或每种实现方式。如下描述更具体地举例说明示例性实施方式。在整篇申请中的多处，通过一系列实施例提供了指导，这些实施条例可以以各种组合形式使用。在各个实例中，列举仅作为代表性组，不应解释为穷举。

用于直缝焊接的钢板

第一方面，本申请实施例提供了一种用于直缝焊接的钢板，钢板以质量百分数计包括如下化学成分：C：0.06％～0.08％、Si：0.10％～0.20％、Mn：1.50％～1.70％、Nb：0.045％～0.055％、P≤0.010％、S≤0.030％、Mo：0.30％～0.40％、Al：0.02％～0.040％、Ti：0.09％～0.11％、Ni：0.04％～0.06％、Cr：0.02％～0.04％、V：0.025％～0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

根据本申请实施例，用于直缝焊接的钢板采用一种低成本制造方式，其中成分设计上考虑在C、Mn钢的基础上加入Cr、Ni、Mo、Nb、V、Ti等合金元素，避免加入W等价格较高的合金。在此成分下通过对钢板进行相关工艺控制，如调质热处理工艺保证无缝钢板的强度及低温韧性指标满足要求。

根据本申请实施例，高强直缝钢板可广泛应用于履带式起重机臂架主旋管及各类高强结构件上，还可以辐射到液压油缸和海洋平台结构等领域，以替代无缝钢板的使用，降低全流程制造成本。

在本申请实施例中，从制备得到的钢板产品来看，采用Nb、V、Ti、Mo等微合金组合使用能更好地满足钢板的性能要求，同时还能大幅降低材料的成本。

C：0.06％～0.08％，C的主要作用是固溶强化，是确保高频直缝钢板用钢板的强度的重要元素，C是确保钢强度的重要元素。为提高淬透性，以达到屈服强度大于890MPa的要求，C必须在0.05％以上。若C含量高于0.10％，则钢的塑性、韧性会下降，同时C含量较高会导致钢的焊接性能变差。因此，C的范围为0.06％～0.08％。

Mn：1.50％～1.70％，Mn对调质处理钢力学性能的影响主要通过提高钢的淬透性来达到。Mn含量低于1.50％，得不到预期强化效果，Mn含量大于1.80％，钢的中心偏析会变差，塑性、韧性会下降，同时Mn含量较高会导致钢的焊接性能变差。因此设计Mn含量控制在1.50％～1.70％。

Mo：0.30％～0.40％，Mo可以起到提高钢的淬透性、提高热强性、防止回火脆性等作用。Mo含量在0.30％以上时其效果明显，但Mo含量较高会导致钢的焊接性能变差，且Mo属于贵重金属，因此在满足性能的情况下应尽量少加。Mo的范围为0.30％～0.40％。

Al：0.020～0.040％，Al是钢中的主要脱氧元素，同时也是一种廉价的细化晶粒元素，在本发明中加Al的主要目的是细化晶粒、固定钢中的N，从而显著提高钢的冲击韧性。Al含量应大于0.020％，如Al含量超过0.050％，会导致钢中非金属夹杂物增加，或使韧性变差，因此其上限设定为0.050％以下，其范围可以为0.020％～0.040％。

Ti：0.09％～0.11％，钛与N、O、C都有极强的亲和力，本发明中在钢种加入钛铁进行微钛处理，利用Ti与钢中N形成TiN，部分凝固状态下析出的TiN可阻止钢板在加热过程中晶粒的长大，可以改善钢板的塑性韧性，同时还可以改善钢板的焊接性能。但Ti的加入量过多易形成TiN夹杂，使钢板韧性变差，因此其上限设定为0.11％以下。

Nb：0.045％～0.055％，铌在钢中主要是起到细晶强化的作用，加入过多强化效果减弱不经济。优选范围为0.045％～0.055％。

P：≤0.001％，磷易在晶界偏析，能升高韧脆转变温度，降低钢的韧性，含量太高会带来-40℃低温冲击韧性的降低，其限定在0.001％以下。

S：≤0.003％，硫易与锰等形成非硬质夹杂，其含量的增加会导致夹杂物数量的增加，在加工过程中沿轧制方向发生延伸变形，破坏材料基体的连续性，降低无缝钢板的低温冲击韧性。将其限定在0.005％以下，更加优选的范围应控制在0.003％以下。

Si：0.10％～0.20％，Si是有效的脱氧元素，含量过低会减弱脱氧效果，过高又会降低钢的韧性，选择0.10％～0.20％作为Si的含量范围。

Ni：0.04％～0.06％，Ni在钢中是一种固溶强化剂，也有较好的淬透性，最重要的是能够有效地改善钢的低温性能。

在一些可选的实施方式中，钢板的金相组织为回火索氏体。

根据本申请实施例，回火索氏体可以理解为通过回火而形成的索氏体。这类索氏体通常比初始状态下的组织更硬。

根据本申请实施例，回火过程中，金属晶粒的再结晶和晶粒长大可能导致减小的位错密度和晶格缺陷，有利于细化晶粒，增强钢板的加工性能。通过回火工艺，调整回火温度和时间，可以在合金中形成一些有利于韧性的结构，如索氏体。

根据本申请实施例，索氏体结构中的细小、均匀的颗粒或片状组织，使得金属在宏观上表现出较高的硬度。索氏体可以提高金属的韧性，可以阻止裂纹的扩展，从而提高了金属的韧性和抗拉伸强度。索氏体的形成有时可以改善金属的抗疲劳性能，此外，索氏体的细小结构可以减缓疲劳裂纹的扩展，延长金属零件的寿命。

在一些可选的实施方式中，用于直缝焊接钢板的钢中的回火索氏体晶粒尺寸为5-8um。

根据本申请实施例，钢板通过特定的工艺具有上述尺寸的晶粒，因而具有减小的位错密度和晶格缺陷，有利于增强钢板的加工性能。

在一些可选的实施方式中，用于直缝焊接的钢板的厚度为3～6mm。可以制备成钢管的外径为Φ40mm～Φ100mm，壁厚为3～6mm的钢管。

根据本申请实施例，钢板的厚度在上述范围，有利于在控制其力学性能的基础上制备成直缝焊接钢板，并使直缝焊接钢板具有良好的性能。

在一些可选的实施方式中，钢板的力学性能包括：屈服强度890-1020MPa；抗拉强度960～1100MPa；延伸率14％-16％；-40℃冲击功≥45J。

第二方面，本申请实施例提供了一种用于制备用于直缝焊接的钢板的方法，包括：

将钢水用进行连铸，制得钢板坯，其中，板坯以质量百分数计包括如下化学成分：C：0.06％～0.08％、Si：0.10％～0.20％、Mn：1.50％～1.70％、Nb：0.045％～0.055％、P≤0.010％、S≤0.030％、Mo：0.30％～0.40％、Al：0.020％～0.040％、Ti：0.09％～0.11％、Ni：0.04％～0.06％、Cr：0.02％～0.04％、V：0.025％～0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；

将钢板坯加热并进行保温，制得加热钢板；

将加热钢板进行轧制，制得热轧钢板；

将热轧钢板进行调质热处理，制得用于直缝焊接的钢板。

根据本申请实施例，用于直缝焊接的钢板的制备方法一般可以包括：制得铁水→KR脱硫→转炉冶炼→炉外精炼(LF+RH)→板坯连铸→控轧控冷→调质热处理→性能检验→包装入库。

根据本申请实施例，通过控制板坯的成分，再进行轧制和冶炼，有利于制得具有较佳的强度、塑性和韧性的钢板。

在一些实施例中，将钢水用进行连铸之前包括，熔炼工艺。熔炼工艺具体如下：

在中频感应炉底铺垫一层碳粉，以确保钢中较低氧含量。再加入废钢和生铁进行加热熔炼，熔清后加入除渣剂，进行第一次扒渣处理并加入锰铁。然后在每炉钢水中加入铝丝(0.1kg)和钛铁(0.1kg)进行脱氧、定氮处理，将暴露的液面用除渣剂盖住。脱氧和定氮保持约2～5min后，再加入钒铁、铌铁、钛铁熔炼，熔炼温度为1500～1550℃直至熔清为止，进行第二次扒渣处理。

接下来通过加入脱硫剂来进行脱硫除渣处理，在3～5min后覆盖一层除渣剂，进行第三次扒渣处理后，化验成分合格后出钢。将炉温控制在1550℃浇注到尺寸为230mm×Φ120mm的铁质圆锭模具中。

在一些可选的实施方式中，加热的终点温度为1200℃-1230℃；保温的时间为0.6-1.5h。

在一些可选的实施方式中，轧制包括以温度为1120-1020℃进行第一至第三道次轧制；以800-920℃进行结束时的两道次轧制。

在一些实施例中，轧制包括：将钢板坯加热至1200℃-1230℃并保温1h后开始两阶段控轧，接着完全再结晶温度为989℃，热轧前三道次轧制温度范围1120-1020℃，以使其完全再结晶；后两道次轧制温度范围则在920℃以下，接着空冷至室温。在一些实施例中，钢板坯为浇铸完毕后线切割至55×40×31mm的钢块，

在一些可选的实施方式中，热轧钢板的厚度为3-6mm；轧制的总压下率为80％-90％。

根据本申请实施例，热轧钢板的厚度可以理解为热轧钢板的管壁的厚度。通过控制热轧钢板的厚度在上述范围，轧制的总压下率在上述范围，有利于控制钢板产品的最终厚度，从而有利于控制其力学性能和加工性能。

在一些可选的实施方式中，将加热板坯进行轧制之后包括将加热板坯空冷至室温。

根据本申请实施例，通过将加热板坯空冷至室温，有利于控制其结晶速度，有利于细化晶粒，便于后续生成钢板中晶粒的细化，提高其韧性。

在一些可选的实施方式中，调质热处理包括：

将热轧钢板加热至900℃-930℃并进行保温30-40min，以使热轧钢板重新奥氏体化；

接着用水淬至室温，再以温度630℃-670℃进行回火处理，回火处理的时间为20-30min，最后空冷至室温。

根据本申请实施例，调质热处理(Quench and Tempering，Q&T)是一种常见的热处理工艺，特别适用于改善钢材的性能。这个过程通常包括两个步骤：淬火(quenching)和回火(tempering)。

根据本申请实施例，淬火可以快速冷却钢材，从而提高硬度和强度。回火是调质热处理中的关键步骤，它通过对钢进行中等温度的加热来调整硬度和强度。这个过程有助于减少内部应力，改善韧性，使钢材更加耐用。也有利于索氏体的生成，通过调质热处理，有利于增强钢板的硬度、强度、韧性以及耐磨性和尺寸稳定性。

在一些实施例中，调质热处理包括：

终轧后的焊管钢空冷至室温，随后加热至900℃-930℃保温30min使其重新奥氏体化。保温结束后水淬至室温，再在630℃-670℃温度下回火30min，最后空冷至室温。

实施例

下述实施例更具体地描述了本申请公开的内容，这些实施例仅仅用于阐述性说明，因为在本申请公开内容的范围内进行各种修改和变化对本领域技术人员来说是明显的。除非另有声明，以下实施例中所报道的所有份、百分比、和比值都是基于重量计，而且实施例中使用的所有试剂都可商购获得或是按照常规方法进行合成获得，并且可以直接使用而无需进一步处理，以及实施例中使用的仪器均可商购获得。

实施例1-3和对比例1-3

本申请实施例1-3的直缝焊接钢板，所述直缝焊接钢板以质量百分数计包括如下化学元素：C：0.06％～0.08％、Si：0.10％～0.20％、Mn：1.50％～1.70％、Nb：0.045％～0.055％、P≤0.010％、S≤0.030％、Mo：0.30％～0.40％、Al：0.020％～0.040％、Ti：0.09％～0.11％、Ni：0.04％～0.06％、Cr：0.02％～0.04％、V：0.025％～0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。实施例1-3的直缝焊接钢板具体成分如表1所示。对比例1-3的直缝焊接钢板具体成分如表1所示。

表1各实施例和对比例的实验钢钢板化学成分。

将表1成分所示实施例的铸坯置入加热炉1200～1230℃，保温60min；随后进行多道次热轧，前两个道次进行大压下，压下率为50％～60％，开轧温度为1100～1120℃，终轧温度为800～830℃，得到厚度为3～6mm厚的钢板。将终轧后的钢板进行调质热处理，淬火加热温度为900℃-930℃，保温30min，回火温度为630℃-670℃，保温30min，随后空冷至室温。实施例的直缝焊接钢板具体工艺参数详见表2。对比例的直缝焊接钢板具体工艺参数详见表3。

表2各实施例的直缝焊接钢板制备工艺参数。

表3各对比例直缝焊接钢板的制备工艺参数

测试部分

将实施例和对比例制得的用于直缝焊接钢板的钢按GB/T 2975《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》取样。

将实施例和对比例制得的钢板，进行力学性能检测，按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行，标距为50mm，不同工艺参数所对应的性能如表4所示。

表4实施例和对比例实验钢力学性能

由上表4可知，通过控制实施例1～3的钢板中化学元素的组分，尤其是Nb、V、Ti、Ni、Cr、Mo元素的含量，以及轧制和冷却，使钢板具有优良的力学性能，可以达到890MPa用于直缝焊接的钢板的性能要求；而对比例中的钢板，由于成分和工艺不在申请范围内，其性能没有达到890MPa直缝焊接钢板的性能要求。

此外，在计算钢板的力学性能时，测定的值都分别除以钢板的截面积(厚度乘以宽度)，因而上述钢板的力学性能与成品厚度的不具有正相关的关系，仅与其中的元素、金相组织以及晶粒粒径相关。

(2)金相组织观察：

用硝酸酒精腐蚀试剂，在钢板表面滴1-2滴试剂，大约在试样表面停留短暂的时间直到试样表面从镜像变暗的时刻，用酒精冲洗完成后，并迅速在吸水纸上进行处理，最后用电吹风机吹干后即可在金相显微镜下确定组织类型，实施例1、2、3的显微图依次如图2、图3、图4所示，对比例1、2、3的显微图依次如图5-7所示，实施例与对比例组织均为回火索氏体，但由于成分及工艺不同，组织中再结晶晶粒尺寸与析出物尺寸和分布不同，最终造成实施例和对比例的性能差异。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术的改变或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于直缝焊接的钢板，其特征在于，所述钢板以质量百分数计包括如下化学成分：C：0.06％～0.08％、Si：0.10％～0.20％、Mn：1.50％～1.70％、Nb：0.045％～0.055％、P≤0.010％、S≤0.030％、Mo：0.30％～0.40％、Al：0.02％～0.040％、Ti：0.09％～0.11％、Ni：0.04％～0.06％、Cr：0.02％～0.04％、V：0.025％～0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的用于直缝焊接的钢板，其特征在于，所述钢板的金相组织为回火索氏体。

3.根据权利要求1所述的用于直缝焊接的钢板，其特征在于，所述用于直缝焊接的钢板中的回火索氏体晶粒尺寸为5-8um。

4.根据权利要求1所述的用于直缝焊接的钢板，其特征在于，所述用于直缝焊接的钢板的厚度为3～6mm。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的用于直缝焊接的钢板，其特征在于，所述钢板的力学性能包括：屈服强度≥890MPa；抗拉强度960～1100MPa；延伸率≥14％；-40℃冲击功≥45J。

6.一种用于制备用于直缝焊接的钢板的方法，其特征在于，包括：

将钢水用进行连铸，制得钢板坯，其中，所述板坯以质量百分数计包括如下化学成分：C：0.06％～0.08％、Si：0.10％～0.20％、Mn：1.50％～1.70％、Nb：0.045％～0.055％、P≤0.010％、S≤0.030％、Mo：0.30％～0.40％、Al：0.020％～0.040％、Ti：0.09％～0.11％、Ni：0.04％～0.06％、Cr：0.02％～0.04％、V：0.025％～0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；

将钢板坯加热并进行保温，制得加热钢板；

将加热钢板进行轧制，制得热轧钢板；

将热轧钢板进行调质热处理，制得所述用于直缝焊接的钢板。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述加热的终点温度为1200℃-1230℃；所述保温的时间为0.6-1.5h。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述轧制包括以温度为1120-1020℃进行第一至第三道次轧制；以800-920℃进行结束时的两道次轧制。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述热轧钢板的厚度为3-6mm；所述轧制的总压下率为80％-90％；

可选地，所述将加热板坯进行轧制之后包括将加热板坯空冷至室温。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述调质热处理包括：

将所述热轧钢板加热至900℃-930℃并进行保温30-40min，以使所述热轧钢板重新奥氏体化；

接着用水淬至室温，再以温度630℃-670℃进行回火处理，回火处理的时间为20-30min，最后空冷至室温。