CN1323187C - 针状组织高强度耐候钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种针状组织高强度耐候钢及其生产方法，属低合金钢制造领域。本发明成分设计上采用极低碳、Cu-Cr-Ni-Mo-Nb的加入及Ti-Al-Zr-RE或Ca中的两种或两种以上复合添加，将碳含量控制在接近或小于常温下碳在α-Fe中的最大溶解度0.0218%，以减少或抑制渗碳体的析出，保证主控组织为均匀的针状组织，以得到优良的耐候性能；本发明钢采用热机械控制轧制技术+驰豫-析出控制技术生产，生产成本较低、生产周期缩短。本发明的钢具有优良的耐候性，优异的低温韧性和焊接性，焊前不需预热，焊后不需热处理，提高了焊接效率，可广泛用于桥梁、建筑、交通、海洋平台等工程结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种针状组织高强度耐候钢及其生产方法，具体地说是一种低温韧性和焊接性能优异的非调质针状组织高强度耐候钢及其生产方法，属低合金钢制造领域。
背景技术
在本发明以前，有相近强度级别的美国材料与试验协会标准ASTMA709/A709M-01b中的HPS 70W钢，其碳含量小于或等于0.11％，一般在0.09％左右，焊接冷裂纹敏感性系数较高，因此需要较复杂的焊接工艺，同时对厚钢板需采取调质热处理。该钢还含有0.04％～0.08％的钒，在焊后冷却过程中，会析出钒的碳氮化合物，影响钢的焊接韧性。还有如2001年美国海军部Focht；Eric M发明的“超低碳贝氏体耐候钢”专利，专利号US6315946，其在2英寸厚度上屈服强度大于455MPa。该钢采用的是热机械控制轧制工艺，毋需调质或回火处理。该钢C0.015％～0.035％，尽管也做到极低碳的水平，不足之处在于其成分设计中规定钼含量≤0.50％，铜含量0.20％～0.40％，铬含量0.40％～0.70％，钒≤0.10％。同时为保证强度还需加入0.0015％～0.0035％的硼来增加其淬透性，促进或完成贝氏体转变。因此合金含量较高引起焊接性能降低。而硼属于轻元素，容易形成碳化物和氮化物，在原奥氏体晶界偏聚，形成降低钢的韧性的硼相。高的钒元素加入也降低了钢的焊接性能和低温韧性。在其生产工艺上，该钢经过热机械控制轧制工艺后，即直接加速冷却，没有充分利用铌等析出与位错交互强化与组织细化作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种低温韧性和焊接性能优异的非调质针状组织高强度耐候钢及其生产方法，钢的成分设计简单，不添加淬透性元素硼，同时提供一种工艺简化，不必进行热处理，可降低成本、缩短生产周期的生产方法，使产出的钢板集良好的耐候性以及优异的低温韧性和焊接性于一体，即使50mm厚的钢板焊前仍不需预热，焊后不需热处理。
本发明为了达到上述目的，设计了一种低温韧性和焊接性能优异的非调质的针状组织高强度耐候钢，其特征在于钢的化学成分按重量百分计为：C0.01～0.04、Si0.15～0.30、Mn1.30～1.60、P≤0.060、S≤0.010、Cu0.15～0.50、Cr0.20～0.40、Ni0.10～0.24、Mo0.10～0.30、Nb0.030～0.060以及Ti≤0.030、Als≤0.035、Zr≤0.010和RE≤0.40kg/t钢或Ca≤0.0050中的两种或两种以上，余量为Fe及不可避免的夹杂，此外还须满足焊接冷裂纹敏感性系数：Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B≤0.18％。
以下详述本发明中C、Si、Mn、P、S、Cu、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、Als、Zr、RE和Ca限定量的理由。
本发明的C含量选择在0.01％～0.04％。C在钢铁材料中一般充当强化组元，如果溶入基体中，能够起到固溶强化的作用，增加碳含量会促进形成碳化物及马氏体。为了提高焊接性、低温韧性及耐候性能，本发明的碳含量极低，即接近或小于在常温下碳在铁素体中的最大溶解度0.0218％。在γ→α的转变过程中，由于Nb(CN)的析出，铁素体中碳的溶解度极限不容易被超过，从而在显微组织中形成ε碳化物或Fe3C的可能性极小，高碳M-A-C组元的出现几率也很小，即较少发生C原子的不均匀分配，保证了钢组织的均匀。各微区之间电极电位更趋于一致，提高了钢的耐候性能。并且降低碳含量的同时，允许在钢中添加较高的铌含量，含铌较高的钢种，奥氏体就可以在更高的轧制温度进行加工，这样可以通过延迟奥氏体向铁素体的转变，提高针状组织的体积分数和NbC析出而获得附加的强化效果。碳含量也不能够无限制的减小，碳含量应该能够在确保不会由于针状组织相变不完全而形成马氏体的前提下，又足以与微合金元素Nb发生反应形成NbC，因此碳含量不应当低于0.01％，否则，将不能形成足够的NbC以保证强度。碳含量如大于0.04％，则增大了在γ→α的相变中C原子的重组，生成的碳化物由于形成有效的阴极而降低钢的耐蚀性能，焊接性能及低温性能也随之降低。
本发明的Si含量在0.15％～0.30％，Si主要以固溶强化形式提高钢的强度，同时也是钢中的脱氧元素，但含量不可过高，以免降低钢的韧性和焊接性能。
本发明的Mn含量选择在1.30％～1.60％。Mn是重要的强韧化元素，是奥氏体稳定化元素，能扩大铁碳相图中的奥氏体区，促进钢的中温组织转变，得到以针状组织为主的微观组织，这种组织与传统的铁素体-珠光体钢相比，具有较好的组织均匀性，优良的耐候性能，高的强度和优异的低温韧性。含1％的Mn约可提高抗拉强度100MPa。随着锰含量的增加，钢材的强度明显增加，但是冲击转变温度(ITT)几乎不发生变化。但太高的Mn有损于钢的韧性，并且对于得到本发明钢的性能来讲，也是不必要的，而太低的Mn则不能有效促进中温组织转变。
本发明的P≤0.060％，高的P含量会大幅度提高钢的耐候性，并可通过P的适量合理偏聚，弥补极低碳钢晶间强度降低的不足。其适宜量为≤0.060％。
本发明的S≤0.010％，高的S含量不仅会使钢板纵横向性能产生明显差异，同时也降低钢的低温韧性和Z向性能。硫化物夹杂会使钢的耐候性能也明显降低。其适宜量为≤0.010％。
Cu能提高钢的淬透性，在钢中主要起固溶及沉淀强化作用，同时还可通过Cu-Cr-Ni的适宜配比，提高钢的耐候性能，此外还有利于获得良好的低温韧性，增加钢的抗疲劳裂纹扩展能力。Cu含量小于0.15％，其沉淀强化作用不明显。在本发明中Cu的加入量大于0.50％时，钢板焊接热影响区韧性会降低，且在钢坯加热过程中易产生网裂。其适宜量为0.15％～0.50％。
Cr也是提高淬透性的有效元素，一定量的Cr可以使钢获得良好的耐候性能。在Cu-Cr-Ni复合添加的情况下，Cr有助于提高淬透性以及耐候性能，其适宜量为0.20％～0.40％。
Ni能提高淬透性，具有一定的强化作用，加入1％的Ni可提高钢材强度约20MPa。在提高强度的同时，Ni还能显著地改善钢材的低温韧性。使基材和焊接热影响区低温韧性大幅度提高。Ni还能有效阻止Cu的热脆引起的网裂。Ni可显著提高钢的耐候性能，尤其是耐海水腐蚀性能。其加入量小于0.10％，则Ni起不到作用，但含量过高易造成钢板氧化铁皮难以脱落且增加钢的成本。本发明中Ni的适宜量为0.10％～0.24％。
Mo的含量为0.10％～0.30％。Mo能增加淬透性，提高钢的强度。当有Mo时，Nb对于阻止奥氏体再结晶更加有效，Mo在降低针状组织转变开始温度是最有效的元素，可使钢在较宽的冷却速度范围内获得较完全的针状组织组织。当Mo增加时，随着针状组织转变开始温度的显著下降，钢的强度明显提高。但过高的Mo会使钢的低温韧性显著恶化。过量的Mo也会在焊接时形成马氏体，导致焊接接头脆性的增加。故适宜的上限控制为0.30％。
Nb是强碳氮化合物形成元素，能提高钢的奥氏体再结晶温度。奥氏体可以在更高的轧制温度下进行轧制，并通过延迟奥氏体向铁素体的转变，提高针状组织体积分数。此外Nb在控制轧制连续冷却过程中的析出强化作用，通过Nb的碳氮化物的应变诱导析出可以钉扎奥氏体晶粒，细化奥氏体晶粒并提高强度及低温韧性。Nb有时单独或与Ti一起复合加入以通过沉淀强化提高钢的机械性能。但过高的Nb也易与Fe、C等元素形成低熔点共晶物，从而增加焊缝金属产生热裂纹的倾向。本发明中Nb的适宜量为0.030％～0.060％。
本发明的钢中还含有Ti、Als、Zr和RE或Ca中的两种或两种以上。
Ti是强氮化物形成元素，Ti的氮化物能有效地钉扎奥氏体晶界，因此有助于控制奥氏体晶粒的长大，Ti的适宜含量控制在≤0.030％。
本发明的钢Als含量控制在≤0.035％，Al是钢中的主要脱氧元素。Al含量大于0.035％，将导致Al的氧化物夹杂增加，降低钢的纯净度，不利于钢的韧性及耐候性能。Al的熔点较高，在生产中，Al可以用来阻止晶粒长大。
本发明中Zr≤0.010％，适量的Zr在高温过程中形成的氧化物，可作为针状组织形核质点，在焊接热影响区形成大量针状组织，以改善钢板抗大线能量焊接性能。
本发明钢在生产中进行稀土或钙处理，其主要作用都是为使硫化物夹杂球化，以改善纵横向性能差异，提高Z向性能。并通过降低硫化物与周围基体的电极电位差异以提高抗腐蚀性能；进行稀土处理时，在钢板表层形成一层稀土保护膜，提高钢的耐候性能。但是过高的RE加入钢中，容易形成大颗粒的稀土氧化物夹杂，影响钢的综合性能，本发明中RE的加入量为≤0.40kg/t钢；进行钙处理时钢中Ca≤0.0050％。
本发明属低合金钢制造领域，本发明除含有上述化学成分外，余量为Fe及不可避免的夹杂，同时还须满足焊接冷裂纹敏感性系数：Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B≤0.18％。
本发明还提供上述针状组织高强度耐候钢的生产方法，采用铁水预脱硫，转炉顶底复合吹炼，RH真空循环脱气工艺，同时进行稀土或钙处理，全流程保护浇注，其特征在于钢的化学成分按重量百分计为：C0.01～0.04、Si0.15～0.30、Mn1.30～1.60、P≤0.060、S≤0.010、Cu0.15～0.50、Cr0.20～0.40、Ni0.10～0.24、Mo0.10～0.30、Nb0.030～0.060以及Ti≤0.030、Als≤0.035、Zr≤0.010和外加RE≤0.40kg/t钢或Ca≤0.0050中的两种或两种以上，余量为Fe及不可避免的夹杂；将钢坯在1250℃奥氏体化后，采用两阶段轧制，初轧开轧温度≥1150℃，累计压下率≥60％，精轧开轧温度≤950℃，精轧结束温度≤820℃，末三道累计压下率≥40％，轧后钢板驰豫时间20～100秒，然后以5～10℃/S的冷却速率冷却到400～700℃，再空冷至室温。
本发明中钢坯的轧制采用热机械控制轧制技术+驰豫-析出控制技术。钢坯在1250℃充分奥氏体化，使得微合金元素充分固溶，初轧开轧温度≥1150℃，初轧在奥氏体再结晶区进行，由于本发明的钢中添加了较高的铌含量，显著提高了钢的再结晶温度，便于实现奥氏体再结晶区高温大压下轧制，可实现累计压下率≥60％，得到足够细化的奥氏体晶粒；钢在950℃开始进入未再结晶区开始精轧，要求开轧温度≤950℃，精轧结束温度≤820℃，末三道累计压下率≥40％，以使形变奥氏体中产生大量缠结的变形位错、形变带以及各种尺寸的铌等的碳氮析出；在轧后20～100秒的驰豫时间内，由于高密度位错的重新排列，产生胞状结构，通过胞壁完整化，胞间取向差加大等过程形成亚结构，使组织更加细化。与此同时，铌的碳氮析出物钉扎亚结构使其稳定化；随后通过5～10℃/S的的加速冷却，促进相变后组织的细化；冷却到400～700℃，充分进行中温组织转变，再空冷至室温。
本发明的针状组织高强度耐候钢及其生产方法具有如下优点：
1.本发明钢成分设计简单，钢的成分设计为极低碳Cu-Cr-Ni-Mo成分系列，添加高Nb高P，不添加淬透性元素硼。得到钢的主控组织为针状铁素体(大于60％)，比一般超碳贝氏体钢组织更均匀，组织间微区电极电位差更小，钢的耐候性能更好，低温韧性更加优异。
2.本发明的钢添加较高P元素可显著提高耐候性能。添加较高的Nb元素可提高奥氏体再结晶温度，实现高温大压下量控轧。精轧后驰豫-析出控制工艺保证了Nb(CN)充分析出。动态析出及驰豫析出第二相颗粒对形变位错及相变位错的钉扎作用保证了高强度及高韧性。
3.本发明的钢应用热机械控制轧制+驰豫-析出控制技术进行生产，无须调质或回火等热处理工序，缩短了生产周期，降低了生产成本。并且克服了钢板规格受热处理炉限制的不足。
4.本发明生产的钢具有极佳的强韧性匹配，优异的低温韧性，同时具有优异的焊接性能，可简化焊接工艺，提高焊接效率，本发明的钢可广泛用于桥梁、建筑、交通、海洋平台等工程结构。
具体实施方式
实施例1：按照本发明钢成分要求，在80吨氧气顶底复吹转炉上冶炼本发明的钢，经RH真空脱气处理后，进行稀土处理，采用全流程保护性连续浇铸；熔炼分析钢的主要化学成分见表1中“发明钢1”；钢坯在1250℃奥氏体化后出炉轧制，开轧温度为1180℃，累计压下率为70％、67％、60％；精轧开轧温度分别为915℃、935℃、947℃，精轧结束温度分别为773℃、806℃、 812℃，末三道累计压下率45％；轧后驰豫时间为20秒，驰豫后分别以6℃/S、8℃/S、10℃/S的冷却速率冷却至580℃，然后空冷钢板至室温。生产的钢板厚度分别32、50、60mm。
本发明钢和HPS 70W比较钢1、US63 15946专利的比较钢2的化学成分、机械性能、焊接性能与耐腐蚀能力对比详见表1～3。
表1中US6315946专利的比较钢2未公开其抗拉强度，但2英寸厚度上屈服强度大于455MPa；表中耐腐蚀指数I计算公式为美国材料与试验协会标准ASTM G101-01“Standard Guide for Estimating the AtmosphericCorrosion Resistance of Low-Alloy Steels”中修正的Legault-Leckie公式，其值越高，表示耐腐蚀能力越强；计算公式I＝26.01(％Cu)+3.88(％Ni)+1.20(％Cr)+1.49(％Si)+17.28(％P)-7.29(％Cu)(％Ni)-9.10(％Ni)(％P)-33.39(％Cu)2
表1
| 发明钢1 | 发明钢2 | 比较钢1 | 比较钢2 | |||
| 分 | C | 0.03 | 0.02 | ≤0.11 | 0.02 | |
| Si | 0.21 | 0.25 | 0.30～0.50 | 0.25 | ||
| Mn | 1.34 | 1.49 | 1.10～1.35 | 1.85 | ||
| P | 0.008 | 0.045 | ≤0.020 | 0.012 | ||
| S | 0.006 | 0.008 | ≤0.006 | 0.004 | ||
| Cu | 0.29 | 0.40 | 0.25～0.40 | 0.36 | ||
| Cr | 0.38 | 0.25 | 0.45～0.70 | 0.55 | ||
| Ni | 0.24 | 0.19 | 0.25～0.40 | 0.30 | ||
| Mo | 0.25 | 0.15 | 0.02～0.08 | -- | ||
| V | 残余 | -- | 0.04～0.08 | -- | ||
| Nb | 0.035 | 0.055 | 残余 | 0.050 | ||
| Ti | 残余 | 0.017 | 残余 | 0.025 | ||
| B | 残余 | 残余 | 残余 | 0.0030 | ||
| Zr | 残余 | 0.008 | 残余 | -- | ||
| N | 残余 | 残余 | ≤0.015 | 0.008 | ||
| Als | 0.020 | 0.035 | 0.010～0.040 | 0.025 | ||
| RE(加入量) | 0.15kg/t钢 | 0 | 0 | 0 | ||
| Ca | 残余 | 0.0030 | 适量 | -- | ||
| 屈服强度(MPa) | 490～540 | ≥485 | ≥455 | |||
| 抗拉强度(MPa) | 590～650 | 586～760 | -- | |||
| 夏比V型冲击功(J) | -23℃ | -- | 210～298 | -- | ||
| -34℃ | -- | ≥48 | ≥41 | |||
| -40℃ | 210～298 | -- | -- | |||
| 焊接冷裂纹敏感性指数Pcm | 0.16 | 0.16 | 约0.22 | 0.19 | ||
| 耐腐蚀指数I | 6.0 | 6.1 | 约6.7 | 6.6 | ||
由表1可见，本发明钢和比较钢的耐腐蚀性指数相近，表明其耐候性处于同一水平。本发明钢焊接冷裂纹敏感性指数明显低于比较钢，表明其可焊性更加优异。
实施例2：按照本发明钢成分要求，在80吨氧气顶底复吹转炉上冶炼本发明的钢，经RH真空脱气处理后，采用钙处理技术，全流程保护性连续浇铸；化学成分见表1“发明钢2”；钢坯在1250℃奥氏体化后出炉，初轧开轧温度为1200℃，累计压下率为70％、63％；精轧开轧温度分别为945℃、915℃，精轧结束温度分别为784℃、805℃，末三道累计压下率48％、41％；轧后驰豫时间为35秒、100秒，驰豫后分别以5℃/S、9℃/S的冷却速率冷却至650℃、680℃，空冷至室温。轧制厚度分别25.5、51mm的钢板。
实施例1、实施例2生产的钢进行力学性能检验，结果见表2和表3。
表2发明钢1机械性能
| 板厚(mm) | 拉伸性能(横向) | -40℃纵向冲击功 | ||
| ReL(MPa) | Rm(MPa) | A(％) | (AKV/J) | |
| 32 | 530 520 | 620 615 | 21.0 19.0 | 251 295 219 |
| 50 | 520 540 | 600 610 | 23.5 18.5 | 263 214 279 |
| 60 | 515 495 | 590 595 | 20.0 22.5 | 279 280 298 |
表3发明钢2机械性能
| 板厚(mm) | 拉伸性能(横向) | -40℃纵向冲击功 | ||
| ReL(MPa) | Rm(MPa) | A(％) | (AKV/J) | |
| 25.5 | 530 540 | 650 645 | 20.0 24.0 | 210 216 217 |
| 51 | 500 490 | 610 600 | 23.5 23.5 | 243 217 298 |
由表2和表3可见，本发明钢具有优异的低温韧性，-40℃纵向冲击功都在210J以上。低温韧性均远高于比较钢。
本发明钢可广泛应用于桥梁、建筑、交通、船舶、海上采油平台等焊接结构，具有极广阔的应用前景。
Claims (2)
1一种针状组织高强度耐候钢，其特征在于钢的化学成分按重量百分计为：C 0.01～0.04、Si 0.15～0.30、Mn 1.30～1.60、P≤0.060、S≤0.010、Cu0.15～0.50、Cr 0.20～0.40、Ni 0.10～0.24、Mo 0.10～0.30、Nb 0.030～0.060以及Ti≤0.030、Als≤0.035、Zr≤0.010和外加RE≤0.40kg/t钢或Ca≤0.0050中的两种或两种以上，余量为Fe及不可避免的夹杂，此外还须满足焊接冷裂纹敏感性系数：Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B≤0.18％。
2一种生产权利要求1的针状组织高强度耐候钢的生产方法，采用铁水预脱硫，转炉顶底复合吹炼，RH真空循环脱气工艺，同时进行稀土或钙处理，全流程保护浇注，其特征在于钢的化学成分按重量百分计为：C 0.01～0.04、Si 0.15～0.30、Mn 1.30～1.60、P≤0.060、S≤0.010、Cu 0.15～0.50、Cr0.20～0.40、Ni 0.10～0.24、Mo 0.10～0.30、Nb 0.030～0.060以及Ti≤0.030、Als≤0.035、Zr≤0.010和外加RE≤0.40kg/t钢或Ca≤0.0050中的两种或两种以上，余量为Fe及不可避免的夹杂；将钢坯在1250℃充分奥氏体化后，采用两阶段轧制，初轧开轧温度≥1150℃，精轧开轧温度≤950℃，精轧结束温度≤820℃，末三道累计压下率≥40％，轧后钢板驰豫时间20～100秒，然后以5～10℃/S的冷却速率冷却到400～700℃，再空冷至室温。
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