低成本80公斤级特厚调质钢板及其制造方法

专利名称：低成本80公斤级特厚调质钢板及其制造方法
技术领域：
本发明涉及调质钢板及其制造方法，特别涉及低成本80公斤级特厚调质钢板及其制造方法，在一种低C-中Mn-高Als-低N-低Mo-高Cr- (Ti+V+B)微合金化的成分体系 中通过再结晶控轧+调质工艺(Q+T)获得屈服强度≥690MPa、抗拉强度≥780MPa、-20°C的 Charpy冲击功(单个值)≥100J、优良焊接性、拉伸率δ5≥16 %的细小回火马氏体+回 火下贝氏体显微组织的特厚调质钢板(≥50mm)。
背景技术：
众所周知，低碳(高强度)低合金钢是最重要工程结构材料之一，广泛应用于石油 天然气管线、海洋平台、造船、桥梁结构、锅炉容器、建筑结构、汽车工业、铁路运输及机械制 造之中。低碳(高强度)低合金钢性能取决于其化学成分、制造过程的工艺制度，其中强度、 韧性和焊接性是低碳(高强度)低合金钢最重要的性能，它最终决定于成品钢材的显微组 织状态。随着科技不断地向前发展，人们对高强钢的强韧性、强塑性匹配提出更高的要求， 即在维持较低的制造成本的同时大幅度地提高钢板的综合机械性能和使用性能，以减少钢 材的用量节约成本，减轻钢结构的自身重量、稳定性和安全性，更为重要的是为进一步提高 钢结构安全稳定性和冷热加工性。目前日韩欧盟范围内掀起了发展新一代高性能钢铁材料的研究高潮，力图通过合 金组合设优化计和革新制造工艺技术获得更好的组织匹配，使高强钢获得更优良的强韧 性、强塑性匹配的同时，实现稳定批量、低成本制造，提高产品市场竞争力。传统的屈服强度大于780MPa的厚钢板主要通过淬火加回火(DQT或QT)，即所谓 调质方法来生产，这就要求钢板必要具有足够高的淬透性，即淬透性指数DI ^ 2X成品钢 板厚度 KDI = 0. 367C°-5(l+0. 7Si) (1+3. 33Mn) (1+0. 35Cu) (1+0. 36Ni) (1+2. 16Cr) (l+3Mo) (1+1. 75V) (1+1. 77A1) X 25. 4 (mm) 3，以确保特厚钢板具有足够高的强度、优良的低温韧性 及沿钢板厚度方向的显微组织与性能的均勻，因此不可避免地向钢中加入大量Cr、Mo、Ni、 Cu等合金元素，这类钢板中Mo、Ni等合金元素含量一般要控制在> 0. 50%，尤其贵重元素 Ni含量要控制在彡1. 00%以上，(日本专利昭59-129724、平1-219121)。如此，不仅钢板的合金含量较高，碳当量Ceq和焊接冷裂纹敏感指数Pcm也较高， 这给现场焊接带来较大的困难，焊前需要预热、焊后需要热处理，焊接成本升高、焊接效率 降低、焊接现场工作环境恶化；而且钢板制造成本也大幅度升高，影响钢板市场竞争力和推 广使用。虽然这种调质工艺生产出钢板的强度、低温韧性及延伸率等技术指标能够满足用 户的要求，但是钢板制造成本较高，除高要求的压力水管与涡壳、低温高强容器、海洋平台 等工程使用外，难以向量大面广的工程机械、桥梁结构、汽车工业及铁路运输等行业推广， 产品的使用范围受到极大的限制；同时，现有大量专利文献(如日本专利昭63-93845、昭63-79921、昭60-258410、 特平开 4-285119、特平开 4-308035、平 3-264614、平 2-250917、平 4-143246、美国 专利 US Patent4855106、USPatent5183198、USPatent4137104、USPatent4790885、USPatent4988393、USPatent5798004、欧洲专利 EP 0867520A2、EP 0288054A2 等以及《西山 纪念技术讲座》，第159-160，P79 P80)只是说明如何实现母材钢板的强度和低温韧性，就 改善钢板焊接能性，获得优良焊接热影响区HAZ低温韧性说明较少，也没有涉及如何在提 高钢板抗拉强度的同时，提高钢板的抗拉延伸率，更没有涉及如何批量稳定地降低钢板的 制造成本
发明内容

本发明的目的是提供一种低成本80公斤级特厚调质钢板及其制造方法，通过钢 板合金元素的组合设计与特殊调质工艺(RCR+QT)相结合，在获得优异的低温韧性、高强度 (抗拉强度> 780MPa)、延伸率16%的同时，特厚钢板具有优良的焊接性，更重要的是 实现特厚调质高强钢板低成本制造；并且成功地解决了高强调质钢板的综合性能与制造成 本在成分设计、工艺设计上相互冲突、很难调和的问题，即在提高特厚调质高强钢板综合性 能的同时，必将导致制造成本的升高；反之，在降低特厚调质高强钢板制造成本的同时，必 将导致钢板综合性能的急剧下降；如何同时获得特厚调质高强钢板优异综合性能的同时， 母材钢板具有低廉的制造成本是本开发钢种最大的难点之一，也是关键核心技术。针对上述要求，本发明采用低C-中Mn-低N-(Ti+V+B)微合金钢的成分体系作为 基础，适当提高钢中酸溶 Als 含量且 Als 彡[(Mn+0. 76Cr+l. 23Mo)/C] X (Ntotal-O. 292Τ )、控 制(Mn+0. 76Cr+l. 23Mo)/C彡15之间、不含铜/镍贵重合金元素、(低Mo+高Cr)合金化、 Ca处理且Ca/S比在0. 80 3. 00之间、控制DI指数彡(0. 118/C) X成品钢板厚度等冶金 技术手段，优化再结晶控轧+调质工艺(Q+T)，使特厚成品钢板的显微组织为细小回火马氏 体+回火下贝氏体，平均晶团尺寸在30μπι以下，获得均勻优良的强韧性的同时，实现低成 本制造，特别适用于工程机械、桥梁结构、汽车工业及铁路运输等行业。具体地，本发明的技术方案是，低成本80公斤级特厚调质钢板，其成分重量百分比为C :0· 10% 0. 14%Si ^ 0. 30%Mn :1· 10% 1. 50%P ^ 0. 013%S:彡 0.003%Cr :0· 70% 1. 20%Mo :0· 05% 0. 20%Als :0· 040% 0. 070%Ti :0· 006% 0. 011%V :0· 015% 0. 045%K 0.0050%Ca :0· 001% 0. 004%B :0· 0006% 0. 0013%其余为铁和不可避免的夹杂；且，上述元素必须同时满足如下关系
C、Mn之间的关系(Mn+0. 76Cr+l. 23Mo) /C≥15，保证钢板在_20°C条件下的低温 韧性；Als、Ti 与 N 之间的关系=Als ≥[(Mn+0. 76Cr+l. 23Mo) /C] X (Ntotal-O. 292Ti)，确 保钢中N被Al全部固定；Ca与S之间的关系Ca/S在0. 80 3. 0之间，确保钢中硫化物球化，改善钢板低 温韧性、抗层状撕裂及焊接性；DI ≥(0. 118/C) X t ；其中 t 为成品钢板厚度，DI = 0. 367C°'5(l+0. 7Si) (1+3. 33Mn) (1+0. 35Cu) (1+0. 36Ni) (1+2. 16Cr) (l+3Mo) (1+1. 75V) (1+1. 77A1) X 25. 4 (mm)， 确保特厚调质钢板获得优良强韧性匹配的同时，沿钢板厚度方向力学性能均勻。在本发明的成分中，C，对调质钢的强度、低温韧性、延伸率及焊接性影响很大，从改善调质钢的低温韧 性、延伸率和焊接性角度，希望钢中C含量控制得较低；但是从调质钢的强度、生产制造过 程中显微组织控制及制造成本角度，C含量不宜控制得过低；当C含量较高时，虽然有利于 提高钢板强度，但是损害钢板的低温韧性、延伸率及焊接性，因此C含量不宜过高。综合上 述分析C含量范围控制在0. 10 0. 14%。Mn，作为最重要的合金元素在钢中除提高钢板的强度外，还具有扩大奥氏体相区、 降低Ar3点温度、细化调质钢板晶团而改善钢板低温韧性的作用、促进低温相变组织形成而 提高钢板强度的作用；但是Mn在钢水凝固过程中容易发生偏析，尤其Mn含量较高时，不仅 会造成浇铸操作困难，而且容易与C、P、S等元素发生共轭偏析现象；尤其钢中C含量较高 时，加重铸坯中心部位的偏析与疏松，严重的铸坯中心区域偏析在后续的轧制和焊接过程 中易形成异常组织，导致调质钢板低温韧性和延伸率低下；因此根据C含量范围，选择适宜 的Mn含量范围对于高强度调质钢板极其必要，根据本发明钢成分体系及C含量为0. 10 0. 14%，适合Mn含量为1. 10% 1. 50%，且C含量高时，Mn含量适当降低，反之亦然；且C 含量低时，Mn含量适当提高。Si，促进钢水脱氧并能够提高钢板强度，但是采用Al脱氧的钢水，Si的脱氧作用 不大，Si虽然能够提高钢板的强度，但是Si严重损害钢板的低温韧性、延伸率及焊接性，尤 其在较大线能量焊接条件下，Si不仅促进M-A岛形成，而且形成的M-A岛尺寸较为粗大、分 布不均勻，严重损害焊接热影响区(HAZ)的韧性，因此钢中的Si含量应尽可能控制得低，考 虑到炼钢成本，对于不要求焊接接头CTOD性能的特厚调质钢板，Si含量控制在0. 30%以 下。P，作为钢中有害夹杂对钢的机械性能，尤其低温冲击韧性、延伸率及焊接性具有 巨大的损害作用，理论上要求越低越好；但考虑到炼钢可操作性、炼钢成本和物流顺畅原 贝U，P含量需要控制在彡0.013%。S，作为钢中有害夹杂对钢的低温韧性具有很大的损害作用，更重要的是S在钢中 与Mn结合，形成MnS夹杂物，在热轧过程中，MnS的可塑性使MnS沿轧向延伸，形成沿轧向 MnS夹杂物带，严重损害钢板的低温冲击韧性、延伸率、Z向性能及焊接性，同时S还是热轧 过程中产生热脆性的主要元素，理论上要求越低越好；但考虑到炼钢可操作性、炼钢成本和 物流顺畅原则，S含量需要控制在< 0. 003%。Cr,作为弱碳化物形成元素，添加Cr不仅提高钢板的淬透性、促进马氏体/贝氏体形成，而且马氏体/贝氏体板条间位向差增大，增大裂纹穿过马氏体/贝氏体晶团的阻力， 在提高钢板强度的同时，具有一定的改善钢板韧性之作用；但是当Cr添加量超过1.20% 时，严重损害钢板的焊接性；因此Cr含量控制在0.70% 1.20%之间。
添加Mo提高钢板的淬透性，促进马氏体/贝氏体形成，但是Mo作为强碳化物形成 元素，在促进马氏体/贝氏体形成的同时，增大马氏体/贝氏体晶团的尺寸且形成的马氏体 /贝氏体板条间位向差很小，减小裂纹穿过马氏体/贝氏体晶团的阻力；因此Mo在大幅度 提高调质钢板强度的同时，降低了调质钢板的低温韧性、延伸率及焊接性；更重要的是Mo 添加量超过0. 20%时，大幅度增加调质钢板的制造成本。因此综合考虑Mo的相变强化作用 及对母材钢板低温韧性、延伸率、焊接性及制造成本的影响，本发明采用超低Mo合金化，Mo 含量控制在0.05% 0. 20%.B含量控制在0. 0006% 0. 0013%之间，确保钢板淬透性的同时，不损害钢板的 焊接性和HAZ韧性。Ti含量在0. 006% 0. 011%之间，抑制板坯加热、热轧过程中奥氏体晶粒长大， 改善钢板低温韧性，更重要的是抑制焊接过程中HAZ晶粒长大，改善HAZ韧性；此外Ti含量 超过0. 011 %时，形成的TiN粒子不仅较多而且较为粗大，具有促进铁素体形成，严重影响 钢板中心部位的淬透性。钢中的Als能够固定钢中的自由[N]，降低焊接热影响区(HAZ)自由[N]，改善焊 接HAZ的低温韧性作用，因此Als下限控制在0. 040% ；但是钢中加入过量的Als不但会造 成浇铸困难，而且会在钢中形成大量弥散的针状Al2O3夹杂物，损害钢板内质健全性、低温 韧性和焊接性，因此Als上限控制在0. 070%。N的控制范围与Ti的控制范围相对应，对于大线能量焊接钢板，N含量过低，生成 TiN粒子数量少、尺寸大，不能起到改善钢的焊接性的作用，反而对焊接性有害；但是N含量 过高时，钢中自由[N]增加，热影响区(HAZ)自由[N]含量增加，严重损害HAZ低温韧性，恶 化钢的焊接性。因此N含量控制在0.0050%以下。V含量在0.015% 0.045%之间，并随着钢板厚度的增加，V含量可适当取上限 值。添加V目的是通过V(c，N)在贝氏体/马氏体板条中析出，提高钢板的强度。V添加 过少，低于0. 015 %，析出的V(C，N)太少，不能有效提高钢板的强度；V添加量过多，高于 0. 045%，损害钢板低温韧性、延伸率和焊接性。对钢进行Ca处理，一方面可以进一步纯洁钢液，另一方面对钢中硫化物进行变性 处理，使之变成不可变形的、稳定细小的球状硫化物、抑制S的热脆性、提高钢的低温韧性、 延伸率及Z向性能、改善钢板韧性的各向异性。Ca加入量的多少，取决于钢中S含量的高 低，Ca加入量过低，处理效果不大；Ca加入量过高，形成Ca(0，S)尺寸过大，脆性也增大，可 成为断裂裂纹起始点，降低钢的低温韧性和延伸率，同时还降低钢质纯净度、污染钢液。一 般控制 Ca 含量按 ESSP = (wt% Ca) [1-1. 24(wt% 0)]/1· 25(wt% S)，其中 ESSP 为硫化物 夹杂形状控制指数，取值范围0. 5 5之间为宜，因此Ca含量的合适范围为0. 0010% 0. 0040%。本发明的低成本80公斤级特厚调质钢板的制造方法，其包括如下步骤1)冶炼、铸造按上述成分冶炼，高温浇铸，浇注温度控制在1565 1585°C之间，且浇铸前钢包纯吹Ar时间> 2min，钢包镇静时间> 2min，确保夹杂物上浮去除；2)板坯加热，加热温度控制在1130 1180°C，保温时间4 6小时；3)轧制工艺
第一阶段为普通轧制，采用轧机最大能力进行不间断地连续轧制，确保形变金属 发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒；第二阶段采用再结晶控制轧制，控轧开轧温度950 980°C，轧制道次压下率 彡8%，累计压下率彡40%，终轧温度850 900°C ；对板厚> 50mm的钢板，钢板从停冷结束到入缓冷坑保温之间的间隔时间不大于 60min，保温工艺为钢板温度表面大于300°C的条件下至少保温24小时；4)热处理工艺钢板淬火温度(板温)为900 930°C，淬火保持时间彡20min,淬火保持时间为 钢板中心温度达到淬火目标温度时开始计时的保温时间。钢板回火温度(板温)为570 630°C，回火保持时间彡(1. 0 1. 2) X成品钢板 厚度，回火保持时间为钢板中心温度达到回火目标温度时开始计时的保温时间，时间单位 为min ；回火结束后钢板自然空冷至室温。其中，1、根据本发明钢工艺，采用高温浇铸，浇注控制在1565 1585°C之间，且浇铸前 钢包纯吹Ar时间> 2min，钢包镇静时间> 2min，确保夹杂物上浮去除。板坯加热温度控制在1130 1180°C之间，保温时间4 6小时，以保证板坯微合 金碳氮化物固溶、板坯内部偏析扩散均勻化的同时，原始奥氏体晶粒不过分长大。第一阶段为普通轧制，采用轧机最大能力进行不间断地连续轧制，确保形变金属 发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒。第二阶段采用再结晶控制轧制，控轧开轧温度950 980°C，轧制道次压下率 ^8%,累计压下率彡40 %，终轧温度850 900°C，基于上述成分C、Mn之间的关系，第二阶 段采用再结晶控制轧制，确保奥氏体晶粒在再结晶控制轧制下细化，保证成品钢板的韧性。对板厚> 50mm的钢板，钢板从停冷结束到入缓冷坑保温之间的间隔时间不大于 60min，保温工艺为钢板温度表面大于300°C的条件下至少保温24小时。2、热处理工艺中，钢板淬火温度(板温)为900 930°C，淬火保持时间彡20min,淬火保持时间为 钢板中心温度达到淬火目标温度时开始计时的保温时间。钢板回火温度(板温)为570 630°C，钢板较薄时回火温度偏上限、钢板较厚时 回火温度偏下限，回火保持时间> (1. 0 1. 2) X成品钢板厚度，回火保持时间为钢板中心 温度达到回火目标温度时开始计时的保温时间，时间单位为min;回火结束后钢板自然空
冷至室温。基于DI指数和成品钢板厚度的关系，采用上述热处理工艺，可以确保成品钢板具 有优好的强韧性和强塑性。本发明的有益效果本发明通过钢板合金元素的组合设计与特殊调质工艺(RCR+QT)相结合，在同时 获得优良的母材钢板低温韧性、高强度及焊接性的同时，钢板的制造成本低廉，并且成功地解决了高强调质钢板的综合性能与制造成本在成分设计、工艺设计上相互冲突、很难调和 的问题；而且由于制造成本低廉，使高强调质特厚钢板向量大面广的工程机械、桥梁结构、 汽车工业及铁路运输等行业推广得到极大的促进，加快了这些行业用的升级换代；此外，低 廉钢板制造成本和良好的焊接性节省了用户钢构件制造的成本，缩短了用户钢构件制造的 时间，为用户创造了巨大的价值，因而此类钢板不仅是高附加值、绿色环保性的产品。
本发明钢板是工程机械、矿山机械、重型设备构架、桥梁结构、汽车工业及铁路运 输等行业更新换代的关键材料；但是低成本80公斤级特厚调质钢板如特厚高强HT780钢板 制造成本昂贵，难以向量大面广的工程机械、矿山机械、重型设备构架、桥梁结构、汽车工业 及铁路运输等行业推广，高强调质特厚钢板在这些行业中使用受到极大的限制，影响了这 些行业设备的设计与制造更新换代及新技术、新工艺的采用；随着我国国民经济发展，建设 节约、环境友好型和谐社会的要求，降低资源消耗，提高资源利用率已摆到日事议程；高强调质钢板在这些行业的广泛使用，不仅可以大幅度减少钢材使用量，降低单位GDP资源消 耗量，而且减少加工、制作时间与成本，更重要的是这些高性能材料的使用加快促进我国重 型装备制造业科技进步，提升整体行业国际竞争力。由于这些行业高强调质 特厚钢板用量 很大(10万吨/年)而具有广阔市场前景。
权利要求
低成本80公斤级特厚调质钢板，其成分重量百分比为C0.10％～0.14％Si≤0.30％Mn1.10％～1.50％P≤0.013％S≤0.003％Cr0.70％～1.20％Mo0.05％～0.20％Als0.040％～0.070％Ti0.006％～0.011％V0.015％～0.045％N≤0.0050％Ca0.001％～0.004％B0.0006％～0.0013％其余为铁和不可避免的夹杂；且，上述元素必须同时满足如下关系C、Mn之间的关系(Mn+0.76Cr+1.23Mo)/C≥15；Als、Ti与N之间的关系Als≥[(Mn+0.76Cr+1.23Mo)/C]×(Ntotal-0.292Ti)；Ca与S之间的关系Ca/S在0.80～3.0之间；DI≥(0.118/C)×t；其中t为成品钢板厚度，DI＝0.367C0.5(1+0.7Si)(1+3.33Mn)(1+0.35Cu)(1+0.36Ni)(1+2.16Cr)(1+3Mo)(1+1.75V)(1+1.77Al)×25.4(mm)。
2.如权利要求1所述的低成本80公斤级特厚调质钢板的制造方法，其包括如下步骤1)冶炼、铸造按上述成分冶炼，高温浇铸，浇注温度控制在1565 1585°C之间，且浇铸前钢包纯吹 Ar时间彡2min，钢包镇静时间彡2min，确保夹杂物上浮去除；2)板坯加热，加热温度控制在1130 1180°C，保温时间4 6小时；3)轧制工艺第一阶段为普通轧制，采用轧机最大能力进行不间断地连续轧制，确保形变金属发生 动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒；第二阶段采用再结晶控制轧制，控轧开轧温度950 980°C，轧制道次压下率彡8%，累 计压下率≥40%，终轧温度850 900°C ；对板厚> 5 Omm的钢板，钢板从停冷结束到入缓冷坑保温之间的间隔时间不大于 60min，保温工艺为钢板温度表面大于300°C的条件下至少保温24小时；4)热处理工艺钢板淬火温度(板温)为900 930°C，淬火保持时间≥20min，淬火保持时间为钢板 中心温度达到淬火目标温度时开始计时的保温时间；钢板回火温度(板温)为570 630°C，回火保持时间≥(1. 0 1. 2) X成品钢板厚度， 回火保持时间为钢板中心温度达到回火目标温度时开始计时的保温时间，时间单位为min; 回火结束后钢板自然空冷至室温。
全文摘要
低成本80公斤级特厚调质钢板及其制造方法，采用低C-中Mn-低N-(Ti+V+B)微合金钢的成分体系作为基础，适当提高钢中酸溶Als含量且Als≥[(Mn+0.76Cr+1.23Mo)/C]×(Ntotal-0.292Ti)、控制(Mn+0.76Cr+1.23Mo)/C≥15之间、不含铜/镍贵重合金元素、(低Mo+高Cr)合金化、Ca处理且Ca/S比在0.80～3.00之间、控制DI指数≥(0.118/C)×成品钢板厚度等冶金技术手段，优化再结晶控轧+调质工艺(Q+T)，使特厚成品钢板的显微组织为细小回火马氏体+回火下贝氏体，平均晶团尺寸在30μm以下，获得均匀优良的强韧性的同时，实现低成本制造，特别适用于工程机械、桥梁结构、汽车工业及铁路运输等行业。
文档编号C22C33/04GK101845597SQ20091004828
公开日2010年9月29日 申请日期2009年3月26日 优先权日2009年3月26日
发明者刘自成, 施青 申请人:宝山钢铁股份有限公司