一種超低碳貝氏體鋼板及其制造方法

專利名稱：一種超低碳貝氏體鋼板及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種高強度高韌性鋼板，具體地涉及一種屈服強度大于等于690MPa 的超低碳貝氏體鋼板及其制造方法。鋼板具有較好的低溫韌性和大線能量焊接性能，涉及用于橋梁、壓力容器、船舶、汽車等行業要求的高強度高韌性耐沖擊的結構鋼板，以及生產高強度高韌性鋼板的方法。
背景技術：
超低碳貝氏體是國際上近年來發展起來的高強度、高韌性、焊接性能優良的新鋼種，主要用于橋梁、壓力容器、船舶、汽車等行業要求的高強度高韌性耐沖擊的可焊接結構鋼板，傳統工藝在生產該鋼種時，多添加較多的Cu、Ni、Cr和Mo等貴重合金元素，彌補因采用超低碳技術路線導致的強度損失，成本較高，生產困難。在生產屈服強度小于等于590MPa 強度級別的低碳貝氏體鋼時可采用適量的微合金元素加控軋和合適的軋后冷卻速度實現目標，但在生產高強度級別和要求很高的焊接性能時，為了降低Pcm指數必須采用很低的碳含量，使碳達到超低碳的級別，通常小于等于0. 03%，由碳降低引起的強度損失必須添加適當的Cu、Ni、Cr、Mo貴重合金元素析出強化彌補和適當的微合金元素Nb、V、Ti及控軋控冷技術細化晶粒和析出強化彌補。為了在很寬的轉變溫度范圍和冷卻速度范圍內都能獲得貝氏體組織，B成為此類鋼中不可或缺的元素。值得一提的是，近年來國內外都有一些低碳貝氏體或超低碳貝氏體鋼的文獻或專利發表。我國鞍鋼、武鋼都在(超)低碳貝氏體鋼領域的技術上有所研究，并有一些專利技術公開，但大多以控軋+加速冷卻生產，或者軋后快速冷卻+離線回火工藝生產。隨著橋梁結構、壓力容器、船舶等領域技術的發展，其對鋼板焊接性的要求也大幅提高，需要鋼板能經受大線能量焊接，焊接熱輸入達到20kJ/mm以上，高的甚至要達到 200kJ/mm，在這樣高的焊接熱輸入情況下，鋼板的熱影響區的沖擊韌性必然惡化。傳統的橋梁、船體結構用高強度鋼均是在低碳合金鋼的基礎上通過采用控軋、調質熱處理等工藝獲得針狀鐵素體、貝氏體、回火馬氏體等組織來達到高強度高韌性的配合。為了確保較厚規格鋼板具有足夠的淬透性，鋼中通常需要添加較高含量的Ni、Cr、Mo等合金元素，鋼的屈服強度級別一般在570-690ΜΙ^之間。目前，國際上有關屈服強度在690MPa左右超低碳貝氏體高強度高韌性鋼板的制造方法已有一些文獻和專利。CN101787489A公開了一種易焊接低碳貝氏體鋼及制造方法，其化學成分重量百分數為:C :0. 02-0. 08，Si :0. 10-0. 50，Mn :1. 20-1. 80，P 彡 0. 015，S 彡 0. 010，Al ( 0. 035， Mo 0. 10-0.30，Nb :0. 020—0. 050，V :0. 03-0.10，Ti :0. 005—0.030，B :0. 0005—0. 002，N 0. 005-0. 010,0. 005 ( 3N-10B ( 0. 015，Ti+V+ΙΟΒ 彡 8. 525N。采用電爐或轉爐冶煉、爐外精煉、連鑄、控軋控冷的生產工藝。在550-600°C回火，保溫時間為Imin/mmX板厚+30min， 得到屈服強度彡550MPa，抗拉強度彡670MPa，延伸率彡20%,-40°C Akv彡200J, 20-100kJ/ cm焊接時近縫區-40°C Akv ^ 100J。該專利鋼板的屈服強度和抗拉強度偏低，且采用離線回火，回火時間長，生產周期長。
目前仍需要超低碳貝氏體高強度高韌性中厚鋼板。

發明內容
本發明的目的在于提供一種屈服強度> 690MPa的超低碳貝氏體高強度高韌性中厚鋼板，特別是6-25mm厚鋼板。為實現上述目的，本發明的屈服強度> 690MPa的超低碳貝氏體高強度高韌性鋼板，其成分(重量 ％ )為C 彡 0. 03 %、Si 彡 0. 15 %、Mn :1· 2-1. 6 %、P 彡 0.015%、 S 彡 0. 010%,Al 0. 02-0. 05%,Nb :0. 02-0. 04%,Ti :0. 005-0. 020%,V :0. 04-0. 06%,Cu 0. 45-0. 70%, Ni 0. 30-0. 50%, B :0. 0008-0. 003%, N ^ 0. 006%，余量為鐵和不可避免雜質。所述鋼板的組織為回火超低碳貝氏體和彌散析出物。本發明的另一目的在于提供所述超低碳貝氏體高強度高韌性中厚鋼板的制造方法。本發明的所述屈服強度690MPa級高強度鋼板的制造方法包括以下步驟(1)鋼水經真空脫氣處理后進行連鑄或模鑄，模鑄后需經初軋成鋼坯；(2)連鑄坯或鋼坯于1100-1250°C加熱后在奧氏體再結晶區和未再結晶區進行三道次以上軋制，總壓下率彡70%，終軋溫度彡8600C ；(3)軋后鋼板以15_50°C /s快速水冷至250_350°C溫度區間空冷5_60s ；(4)冷卻的鋼板進入在線感應加熱爐以1-10°C /s快速加熱至500-600°C回火 30-60s，然后出爐空冷。本發明通過合適的成分設計和加熱、軋制及軋后快速冷卻和在線短時間回火工藝，獲得組織為回火超低碳貝氏體+彌散析出物的高強度高韌性鋼板。6-25mm厚鋼板屈服強度彡690MPa，延伸率A5彡15%,-40°C Akv彡150J，冷彎性能優良，滿足了橋梁、管線、容器、船舶等行業對高強度高韌性鋼板的較高要求。


圖1是本發明實施例1鋼板的金相組織照片。圖2、3是本發明實施例3鋼板的金相組織照片。圖4是本發明實施例5鋼板的金相組織照片。
具體實施例方式以下對本發明進行較為詳細的說明。本發明中，除非另有指明，含量均指重量百分比含量。為實現本發明的提供一種屈服強度> 690MPa的超低碳貝氏體高強度高韌性中厚鋼板，特別是6-25mm厚鋼板的目的，不受限于任何理論，本發明的主要化學成分的選擇和控制理由描述如下碳確保鋼板強度的關鍵元素，其可以顯著提高鋼板的淬透性。但對于要獲得組織為超低碳貝氏體的鋼板而言，碳需要顯著降低。碳降低后鋼板的碳當量和焊接裂紋敏感指數Pcm就會相應降低，韌性也會相應大幅提高。碳降低后的強度損失需要靠其它合金元素添加來彌補。碳顯著降低后，鋼板適合大線能量焊接。對于本發明的屈服強度690MI^強度級別而言，為了獲得較高的低溫沖擊韌性，采用非常低的碳含量< 0.03%。優選地，碳含量為 0. 015-0. 030% ο硅鋼中加硅能提高鋼質純凈度和脫氧。硅在鋼中起固溶強化作用。但硅含量過高會使鋼板加熱時的氧化皮粘度較大，出爐后除鱗困難，導致軋后鋼板表面紅色氧化皮嚴重，表面質量較差。且高硅不利于焊接性能。綜合考慮硅各方面的影響，本發明硅含量為小于等于0.15%。優選地，硅含量為0.03-0. 15%。錳錳穩定奧氏體組織，其能力僅次于合金元素鎳，是廉價的穩定奧氏體與強化合金元素，同時錳增加鋼的淬透性，降低馬氏體形成的臨界冷速。但錳具有較高的偏析傾向， 所以其含量不能太高，一般低碳微合金鋼中錳含量不超過2.0%。錳的加入量主要取決于鋼的強度級別。本發明錳的含量應控制在1.2-1.6%。錳在鋼中還和鋁一起共同起到脫氧的作用。優選地，錳含量為1.21-1.60%。硫和磷硫在鋼中與錳等化合形成塑性夾雜物硫化錳，尤其對鋼的橫向塑性和韌性不利，因此硫的含量應盡可能地低。磷也是鋼中的有害元素，嚴重損害鋼板的塑性和韌性。對于本發明而言，硫和磷均是不可避免的雜質元素，應該越低越好，考慮到鋼廠實際的煉鋼水平，本發明要求P彡0. 015%, S ^ 0. 010%。優選地，P^O. 011%, S ^ 0. 005%。鋁強脫氧元素。為了保證鋼中的氧含量盡量地低，鋁的含量控制在 0. 02-0. 05%。脫氧后多余的鋁和鋼中的氮元素能形成AlN析出物，提高強度并且在熱處理加熱時能細化鋼的元素奧氏體晶粒度。優選地，鋁含量為0. 02-0. 045%。鈦鈦是強碳化物形成元素，鋼中加入微量的Ti有利于固定鋼中的N，形成的TiN 能使鋼坯加熱時奧氏體晶粒不過分漲大，細化原始奧氏體晶粒度。鈦在鋼中還可分別與碳和硫化合生成TiC、TiS、Ti4C2&等，它們以夾雜物和第二相粒子的形式存在。鈦的這些碳氮化物析出物在焊接時還可阻止熱影響區晶粒長大，改善焊接性能。目前，微鈦處理已成為大部分低合金高強度鋼的常規工藝。本發明鈦含量控制在0. 005-0. 020%。優選地，鈦含量為 0. 012-0. 018%。鈮和釩鈮和釩都是強碳化物形成元素，鋼中加入微量的鈮可大幅提高鋼的再結晶溫度，配合B的添加，再結晶溫度可再提高，細化奧氏體晶粒和隨后相變的組織，提高韌性和強度。鈮在軋制過程中和隨后冷卻過程中可析出細小碳化物，提高強度。釩亦可析出強化，本鋼中加入鈮和釩的最要目的是彌補碳很低導致的強度損失，且利于細化晶粒，提高沖擊韌性。本發明鈮含量控制在0.02-0. 04%，釩含量控制在0.04-0. 06%。優選地，鈮含量為 0. 031-0. 040% ；釩含量為 0. 045-0. 058%。銅Cu在鋼中可以起到析出強化作用，且不會惡化鋼的韌性，故本發明添加 0. 45-0. 70%的銅。優選地，銅含量為0. 46-0. 69%。鎳鋼中加鎳尤其是在調質鋼中加鎳能大幅提高鋼的韌性尤其是低溫韌性，同時由于鋼中加入了 Cu，為了防止加熱或軋制時的熱裂傾向，需加入一定量(大于等于銅含量的一半)的鎳，所以本發明添加0.30-0. 50%的鎳元素。優選地，鎳含量0.30-0. 49%。硼提高鋼的淬透性，抑制奧氏體向鐵素體和珠光體的轉變，使鋼在很大的冷卻速度范圍內均能形成貝氏體組織。微量的硼結合鈮的添加是鋼的再結晶溫度大幅提高，本鋼中硼的含量為0. 0008-0. 003% O優選地，硼的含量為0. 0015-0. 0025%
氮本發明添加了少量的Nb、V、Ti微合金元素，且主要以相變強化和回火碳化物析出強化為主要強化方式。小于等于60ppm含量的氮可以穩定0. 005-0. 02%的鈦形成TiN， 此TiN能保證加熱時板坯的奧氏體晶粒不過分粗大。Nb、V主要與C結合形成碳化物析出強化。本發明中控制氮含量< 0.006%。優選地，氮含量為0.0036-0.0045%。制造工藝過程對本發明產品的影響轉爐吹煉和真空處理目的是確保鋼液的基本成分要求，去除鋼中的氧、氫等有害氣體，并加入錳、鈦等必要的合金元素，進行合金元素的調整。連鑄或模鑄保證鑄坯內部成分均勻和表面質量良好，模鑄的鋼錠需軋制成鋼坯。加熱和軋制連鑄坯或鋼坯在1100-1250°C的溫度下加熱，一方面獲得均勻的奧氏體化組織，另一方面使鈮、釩、鈦等合金元素的化合物部分溶解。在奧氏體再結晶區和未再結晶區進行三道次以上軋制，總壓下率彡70%，終軋溫度彡860°C (優選860-890°C )；快速冷卻軋后鋼板以15_50°C /s的冷速水冷至250_350°C空冷5_60s ；在快速冷卻過程中，大部分的合金元素被固溶到貝氏體中。在線回火冷卻的鋼板進入在線感應加熱爐以1-10°C /s快速加熱至500-600°C回火30-60s，然后出爐空冷。回火有助于消除淬火時產生的內應力以及消除貝氏體板條內或之間的微裂紋，彌散析出部分銅粒子和碳化物強化，提高強塑型、韌性和冷彎性能。本發明通過合適的成分設計、加熱、控制軋制、軋后快速冷卻和在線感應加熱回火，使鋼板實現細晶強化、相變強化、析出強化，提高了鋼板的強度、硬度，具有很高的低溫韌性，組織呈現為回火超低碳貝氏體+彌散析出物。6-25mm厚鋼板屈服強度彡690MPa，延伸率A5彡15%，縱向-60°C Akv彡200J，冷彎性能優良，可用于橋梁、管線、容器、船舶等行業對高強度高韌性鋼板的較高要求。實施例以下用實施例對本發明作更詳細的描述。這些實施例僅僅是對本發明最佳實施方式的描述，并不對本發明的范圍有任何限制。實施例1將按表1配比冶煉完成的鋼水經真空脫氣處理后進行連鑄或模鑄，板坯厚度 80mm，所得坯料于1200°C加熱后，在奧氏體再結晶溫度范圍內經多道次軋制，軋制成厚度為 6mm的鋼板，總壓下率94%，終軋溫度為880°C，然后以50°C /s水冷至250°C再在線快速加熱至500°C回火，然后空冷至室溫；實施例2-5的詳細成分和工藝參數見表1和2，實施例所得鋼板性能見表3。表1本發明實施例1-5的化學成分、Ceq(wt% )及焊接裂紋敏感指數Pcm
權利要求
1.一種鋼板，其重量百分比成分為C彡0. 03 %、Si彡0. 15 %、Mn :1. 2-1. 6 %、 P ^ 0. 015%, S ^ 0. 010%, Al 0. 02-0. 05 %, Nb :0. 02-0. 04%, Ti :0. 005-0. 020%, V 0. 04-0. 06%, Cu 0. 45-0. 70%, Ni :0. 30-0. 50%, B :0. 0008-0. 003%, N ^ 0. 006%，余量為鐵和不可避免雜質。
2.如權利要求1所述的鋼板，其特征在于，碳當量Ceq:0. 30-0. 40。
3.如權利要求1或2所述的鋼板，其特征在于，所述鋼板的組織為回火超低碳貝氏體和彌散析出物。
4.如權利要求1-3任一所述的鋼板，其特征在于，鋼板厚度為6-25mm。
5.如權利要求1-4任一所述的鋼板，其特征在于，鋼板的屈服強度>690MPa，延伸率 A5 彡 15%, -400C Akv 彡 150Jo
6.如權利要求1-5任一所述的鋼板，其特征在于，C0. 015-0. 030%。
7.如權利要求1-6任一所述的鋼板，其特征在于，Si0. 03-0. 15%。
8.如權利要求1-7任一所述的鋼板，其特征在于，Mn1. 21-1. 60%。
9.如權利要求1-8任一所述的鋼板，其特征在于，P< 0. 011%。
10.如權利要求1-9任一所述的鋼板，其特征在于，S< 0. 005%。
11.如權利要求1-10任一所述的鋼板，其特征在于，Al0. 02-0. 45%。
12.如權利要求1-11任一所述的鋼板，其特征在于，Nb0. 031-0. 04%。
13.如權利要求1-12任一所述的鋼板，其特征在于，Ti0. 012-0. 018%。
14.如權利要求1-13任一所述的鋼板，其特征在于，V0. 045-0. 58%。
15.如權利要求1-14任一所述的鋼板，其特征在于，Cu0. 46-0. 69%。
16.如權利要求1-15任一所述的鋼板，其特征在于，Ni0. 30-0. 49%。
17.如權利要求1-16任一所述的鋼板，其特征在于，B0. 0015-0. 0025% 0
18.如權利要求1-17任一所述的鋼板，其特征在于，N0. 0036-0. 0045%。
19.如權利要求1-18任一所述鋼板的制造方法，包括鋼水經真空脫氣處理后進行連鑄或模鑄，模鑄后需經初軋成鋼坯； 連鑄坯或鋼坯于1100-1250°C加熱后在奧氏體再結晶區和未再結晶區進行三道次以上軋制，總壓下率彡70%，終軋溫度彡8600C ；軋后鋼板以15-50°C /s水冷至250-350°C溫度區間空冷5_60s ； 冷卻的鋼板進入在線感應加熱爐以1-10°C/s加熱至500-600°C回火30-60s，然后出爐空冷。
20.如權利要求19所述的方法，其特征在于，終軋溫度為860-890°C。
全文摘要
本發明涉及一種屈服強度為690MPa及以上的超低碳貝氏體高強度高韌性鋼板，其成分(重量％)為C≤0.03％、Si≤0.15％、Mn1.2-1.6％、P≤0.015％、S≤0.010％、Al0.02-0.05％、Nb0.02-0.04％、Ti0.005-0.020％、V0.04-0.06％、Cu0.45-0.70％、Ni0.30-0.50％、B0.0008-0.003％、N≤0.006％，余量為鐵和不可避免雜質。其制造方法包括將連鑄坯或鋼坯經1100-1250℃加熱后在奧氏體再結晶區和未再結晶區進行軋制，總壓下率≥70％，終軋溫度≥860℃，軋后以15-50℃/s水冷至250-350℃空冷5-60s；冷卻的鋼板進入在線感應加熱爐以1-10℃/s加熱至500-600℃回火30-60s，出爐空冷。所獲鋼板組織為回火超低碳貝氏體+彌散析出物。6-25mm厚鋼板橫向屈服強度≥690MPa，延伸率A5≥15％，縱向-40℃ Akv≥150J，冷彎性能優良，滿足了橋梁、管線、容器、船舶等行業對高強度高韌性鋼板的較高要求。
文檔編號C21D8/02GK102560250SQ201110383478
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月25日 優先權日2011年11月25日
發明者張愛文, 焦四海, 白巖 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司