專(zhuān)利名稱(chēng)：：低碳低焊接裂紋敏感性的高強(qiáng)度鋼、鋼板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及鋼鐵材料，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種低碳低焊接裂紋敏感性的高強(qiáng)度鋼。
背景技術(shù)：
：目前，屈服強(qiáng)度700MPa以上的高強(qiáng)度鋼已被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、礦山機(jī)械、港口碼頭機(jī)械等領(lǐng)域，但這類(lèi)高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼一般都具有較高的碳含量和較高的裂紋敏感性。通常，工程機(jī)械等結(jié)構(gòu)都是焊接結(jié)構(gòu)，較高的裂紋敏感性會(huì)使鋼板焊接時(shí)易于產(chǎn)生冷裂紋，鋼板的可焊性變差。為了解決鋼板焊接的問(wèn)題，往往需要對(duì)鋼板進(jìn)行焊前預(yù)熱，而且焊接裂紋敏感指數(shù)Pcm(Pcm=C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B)越高，需要的預(yù)熱溫度就越高。這將使得焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的工況環(huán)境變差，不僅影響生產(chǎn)效率，浪費(fèi)大量能源，而且會(huì)使焊接結(jié)構(gòu)的性能不穩(wěn)定，影響到工程機(jī)械的使用安全。對(duì)于已有的涉及低焊接裂紋敏感性鋼板的專(zhuān)利或現(xiàn)有產(chǎn)品，往往都是通過(guò)TMCP(熱機(jī)械控制工藝，即控制軋制+控制冷卻)工藝生產(chǎn)的低碳貝氏體鋼，其主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樘烊粴?、石油管線等領(lǐng)域。這類(lèi)鋼板通常強(qiáng)度級(jí)別較低，限于其工藝特點(diǎn)，也難以生產(chǎn)屈服強(qiáng)度700MPa以上、厚度規(guī)格在40mm以上的高強(qiáng)度厚板。即便要實(shí)現(xiàn)這一要求，也往往需要添加大量的合金，不但增加了鋼板生產(chǎn)的合金成本，也會(huì)使鋼板的Pcm增加，影響鋼板焊接性能。對(duì)已公開(kāi)的的專(zhuān)利及生產(chǎn)技術(shù)總結(jié)如下。中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN200510047196.0和CN200510047195.6均涉及一種高強(qiáng)度低焊接裂紋敏感性鋼厚板，都是采用了TMCP+回火工藝生產(chǎn)的低碳貝氏體鋼，其抗拉強(qiáng)度均僅有610MPa。中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN200610018010.3公開(kāi)了一種低碳貝氏體鋼，其抗拉強(qiáng)度僅有620MPa級(jí)，同樣是用TMCP+回火工藝生產(chǎn)。中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN02115877.0公開(kāi)了一種調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)低焊接裂紋敏感性系列高強(qiáng)鋼，但所涉及鋼板的抗拉強(qiáng)度只有60-70公斤級(jí)，強(qiáng)度級(jí)別較低；且其在成分設(shè)計(jì)上采用了Ni-V-Cu-Mo-Zr-RE，成分復(fù)雜且成本較高。日本專(zhuān)利文獻(xiàn)JP54130426A和JP57152422A所涉及的低焊接裂紋敏感性鋼板，也是抗拉強(qiáng)度60公斤級(jí)以下的低碳貝氏體鋼。日本專(zhuān)利文獻(xiàn)JP53052228也涉及一種具有低焊接裂紋敏感性的高強(qiáng)高韌鋼板，但其抗拉強(qiáng)度級(jí)別僅在70公斤級(jí)。日本專(zhuān)利文獻(xiàn)JP54066323所涉及的鋼板屈服強(qiáng)度只有50公斤級(jí)，且加入了較多的Cu、Ni，并需要添加稀土元素。以上專(zhuān)利文獻(xiàn)所涉及的低焊接裂紋敏感性鋼板，最高抗拉強(qiáng)度僅為700MPa左右，都沒(méi)有達(dá)到屈服強(qiáng)度700MPa的強(qiáng)度級(jí)別。另外，除中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN02115877.0所涉及鋼采用調(diào)質(zhì)工藝外，其他專(zhuān)利文獻(xiàn)所涉及鋼都采用TMCP或TMCP+回火工藝生產(chǎn)低碳貝氏體鋼。同時(shí)，在成分體系上，以上專(zhuān)利文獻(xiàn)所涉及鋼往往需要添加較昂貴的M元素，且常常還要添加較多的Cr、Cu等元素。對(duì)于現(xiàn)有的700-800MPa級(jí)高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)厚板，如表1所列SSAB和迪林根的兩個(gè)產(chǎn)品WeldoX700E和Dillimax690T，都是采用傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)鋼成分設(shè)計(jì)，碳含量較高，Pcm在0.25以上，其厚鋼板無(wú)法進(jìn)行常溫?zé)o預(yù)熱焊接。上述專(zhuān)利文獻(xiàn)以及SSAB和迪林根所涉及鋼板的化學(xué)成分見(jiàn)表1，生產(chǎn)工藝及鋼板性能見(jiàn)表2。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>在工程、礦山機(jī)械大型化、輕量化、高性能的發(fā)展形勢(shì)下，對(duì)鋼板的強(qiáng)度要求越來(lái)越高。同時(shí)，鋼板還要具有很好的低溫韌性及良好的易焊接性能，因?yàn)榇笮蜋C(jī)械結(jié)構(gòu)件諸如采煤機(jī)液壓支架等都采用焊接工藝組配。為了便于生產(chǎn)并能得到安全可靠的質(zhì)量，鋼板的焊接性能尤為關(guān)鍵。要實(shí)現(xiàn)無(wú)預(yù)熱的常溫焊接，必須要求鋼板具有很低的焊接裂紋敏感性能，其敏感指數(shù)要在0.20以下。由以上比較可知，傳統(tǒng)的700MPa以上的高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼板，尤其是40mm以上的厚規(guī)格產(chǎn)品，Pcm值一般都在0.25以上。因此，工程機(jī)械領(lǐng)域迫切需要一種焊接裂紋敏感性低(Pcm<0.20)的700MPa及以上強(qiáng)度級(jí)別的調(diào)質(zhì)厚板來(lái)改變這種狀況。為解決這一難題，本發(fā)明的目的在于提供一種綜合性能優(yōu)良的低焊接裂紋敏感性的調(diào)質(zhì)鋼，主要是提供一種調(diào)質(zhì)厚板及其制造方法。本發(fā)明的鋼板的屈服強(qiáng)度達(dá)到700MPa乃至SOOMPa以上，具有低碳低焊接裂紋敏感性(Pcm^0.20)，并具有很好的-40°C低溫沖擊韌性(》47J)，鋼板最大厚度規(guī)格60mm。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的第一個(gè)方面提供一種高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于，以重量百分比計(jì)含有C0.05-0.10%；Mn1.10-1.80%;Cr^0.30%；Mo0.10-0.40%；Ti彡0.03%和/或Nb^0.03%；V0.01-0.06%；B0.001-0.003%；Si0.10-0.30%；Al0.02-0.05%;N彡0.006%；P^0.015%；S^0.006%；其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。所述鋼的焊接裂紋敏感指數(shù)Pcm<0.20。本發(fā)明選擇上述成分配比的理由如下C:碳對(duì)鋼的強(qiáng)度、韌性、焊接性影響都很大。碳是奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體、貝氏體等強(qiáng)化相的必需元素，對(duì)提高鋼的強(qiáng)度有很大貢獻(xiàn)，是鋼中最廉價(jià)的合金強(qiáng)化元素。但若碳含量增加，會(huì)顯著增加鋼板裂紋敏感指數(shù)，使鋼板焊接性能下降。因此，C含量的范圍以0.05-0.10%為宜。Mn:錳是鋼中提高強(qiáng)度和韌性的主要元素之一，也是提高鋼的淬透性的有效元素，可部分代替Mo以降低鋼的合金成本。但若錳含量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致鋼的韌性和焊接性變差。因此，Mn含量的范圍以1.10-1.80%為宜。Cr鉻是鋼中重要的強(qiáng)化元素之一，可使C曲線右移。鉻和錳配合，能有效提高鋼的淬硬性，且其偏析傾向較錳為小，故可部分替代鉬以增加鋼板的淬透性。但在厚鋼板中，鉻對(duì)提高鋼板淬透性的能力要弱于錳，所以對(duì)于厚度較大的鋼板，更適宜增加錳含量而降低鉻含量。若鉻含量過(guò)高，會(huì)降低鋼板韌性，增加焊接裂紋敏感性。因此，Cr含量的范圍宜彡0.30%。Mo鉬能有效增加鋼的淬透性和淬硬性，使鋼淬火后得到均勻細(xì)小的馬氏體、板條貝氏體組織，可顯著提高鋼的強(qiáng)度和韌性。雖然在一定范圍內(nèi)增加鋼中鉬含量對(duì)鋼的性能是有利的，但由于鉬是一種昂貴的合金元素，為降低鋼的成本，鉬含量的范圍以0.10-0.40%為宜。Ti和Nb鈦和鈮都是強(qiáng)碳氮化合物形成元素，它們的細(xì)小析出相可細(xì)化組織，提高鋼的強(qiáng)度和韌性。通過(guò)這種細(xì)小析出相，可阻礙鋼板淬火加熱時(shí)奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，從而得到更加細(xì)小的等軸淬火組織，使得到的馬氏體_貝氏體組織更加細(xì)小，從而獲得良好的低溫沖擊韌性，-40°C的沖擊功可達(dá)47J以上。另外，Ti在鋼中還有固氮的作用，可提高鋼中的有效硼含量。因此，Ti含量的范圍宜<0.03%,Nb含量的范圍宜<0.03%。V釩可以在鋼的回火過(guò)程中析出大量細(xì)小的碳化物沉淀，大大增加鋼的強(qiáng)度。通常，碳含量在0.以下的調(diào)質(zhì)鋼，由于淬火組織中的馬氏體含量較低，回火后的屈服強(qiáng)度較低。為了滿(mǎn)足700MPa以上的高強(qiáng)度的需要，并減少M(fèi)o等強(qiáng)化合金元素的添加量，必須在組織強(qiáng)化的同時(shí)采用其他有效的強(qiáng)化方式。在本發(fā)明中，釩是關(guān)鍵的強(qiáng)化元素，利用釩在回火過(guò)程中析出的細(xì)小彌散碳化物的沉淀強(qiáng)化機(jī)制，可顯著提高屈服強(qiáng)度IOOMPa以上。但釩的含量需要嚴(yán)格控制，若含量過(guò)高，釩的碳化物析出相會(huì)變得粗大，不但不能有效提高強(qiáng)度，還會(huì)使鋼的韌性降低。因此，V含量的范圍以0.01-0.06%為宜。B硼是提高鋼的淬透性最有效的元素，極微量的硼(0.001%)就會(huì)產(chǎn)生非常明顯的效果，尤其對(duì)于碳含量在0.以下的調(diào)質(zhì)鋼，可節(jié)約鉬元素、提高淬透性，從而提高鋼板的強(qiáng)度。對(duì)于40mm規(guī)格以上的厚鋼板，B是必須添加的元素。但當(dāng)硼含量超過(guò)0.003%時(shí)，對(duì)淬透性的作用就不明顯，會(huì)在晶界析出Fe23(CB)6,降低韌性并引起熱脆。因此，B含量的范圍以0.001-0.003%為宜。Si硅是煉鋼脫氧的必要元素，在鋼中有一定的固溶強(qiáng)化作用，但若含量太高會(huì)影響鋼的韌性，并使焊接性能變差。因此，Si含量的范圍以0.10-0.30%為宜。Al鋁同硅、錳一樣也是鋼中的脫氧元素。鋁可固定鋼中的氮元素，形成AlN有效細(xì)化晶粒，提高鋼的韌性；同時(shí)，固定氮可防止其與硼結(jié)合，提高鋼中硼的有效含量。但若鋁含量過(guò)高，會(huì)使鋼水澆注困難，同時(shí)影響鋼板表面質(zhì)量。因此，Al含量的范圍以0.02-0.05%為宜。P、S和N這三種雜質(zhì)元素含量越低，鋼質(zhì)就越純凈，性能也就越好。綜合煉鋼成本的因素，其含量范圍優(yōu)選N彡0.006%,P^0.015%,S^0.006%;更優(yōu)的是，N彡0.004%,<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>Pcm裂紋敏感指數(shù)Pcm是評(píng)價(jià)鋼的可焊性的一個(gè)重要指標(biāo)。Pcm越低，焊接時(shí)產(chǎn)生冷裂紋的傾向就越小，因此所需的的焊接預(yù)熱溫度就會(huì)越低，可更好地保證焊接質(zhì)量，同時(shí)增加生產(chǎn)效率、節(jié)約能源。當(dāng)Pcm^0.20時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)鋼板的常溫?zé)o預(yù)熱焊接，因此本發(fā)明鋼板的Pcm彡0.20。本發(fā)明的第二個(gè)方面提供一種高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼板，其特征在于，以重量百分比計(jì)含有C0.05-0.10%；Mn1.10-1.80%=Cr^0.30%:Mo0.10-0.40%；Ti彡0.03%和/或Nb彡0.03%；V0.01-0.06%；B0.001-0.003%；Si0.10-0.30%；Al0.02-0.05%；N^0.006%；P^0.015%；S^0.006%；其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。所述鋼板的焊接裂紋敏感指數(shù)Pcm<0.20。本發(fā)明的第三個(gè)方面提供所述高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼板的制造方法，包括熱軋、淬火、回火工序。在所述熱軋工序中，加熱溫度為1050-1250°C。在所述淬火工序中，將鋼板加熱到920-950°C，以1.5-2.5min/mm保溫一定時(shí)間后，離線淬火。在所述回火工序中，在560-630°C按2.5-3.5min/mm進(jìn)行回火。本發(fā)明的有益效果與已有專(zhuān)利和現(xiàn)有產(chǎn)品及技術(shù)相比，本發(fā)明充分利用在回火的過(guò)程中，控制釩的碳化物等細(xì)小彌散析出相的沉淀強(qiáng)化作用，大幅提高了鋼板的強(qiáng)度，可節(jié)約Mo等合金元素的添加量，降低鋼板的合金成本?？梢陨a(chǎn)60mm以下的高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)厚板，具有較低的碳含量(<0.10%)和較低的Pcm(<0.20)，不但滿(mǎn)足了現(xiàn)在工程、礦山機(jī)械等的高強(qiáng)度厚板需求，而且鋼板具有很好焊接性能，可以實(shí)現(xiàn)常溫?zé)o預(yù)熱焊接，提高了焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，減少了能源浪費(fèi)。另外，本發(fā)明采用調(diào)質(zhì)工藝，可以更充分地發(fā)揮組織強(qiáng)化，最大限度地利用水冷介質(zhì)減少合金元素的含量。本發(fā)明還利用Ti、Nb的碳氮化物的晶粒細(xì)化作用，在加熱過(guò)程中控制晶粒長(zhǎng)大，配合Mo等在淬火過(guò)程中作用，在淬火時(shí)得到的馬氏體-貝氏體組織更加細(xì)小，因此鋼板具有很好的低溫沖擊韌性。同時(shí)，由于調(diào)質(zhì)工藝形成的組織為細(xì)小均勻的等軸組織，所以鋼板性能無(wú)各向異性，綜合性能更加優(yōu)異。本發(fā)明涉及的低碳低焊接裂紋敏感性的高強(qiáng)度高韌性調(diào)質(zhì)厚板，屈服強(qiáng)度700MPa乃至800MPa以上，_40°C沖擊值可達(dá)47J以上，Pcm彡0.20，最大厚度規(guī)格60_。具體實(shí)施例方式以下用實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的描述。這些實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明最佳實(shí)施方式的描述，并不對(duì)本發(fā)明的范圍有任何限制。本發(fā)明實(shí)施例的化學(xué)成分見(jiàn)表3。表3本發(fā)明實(shí)施例的化學(xué)成分<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15Pcm=C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B將上述實(shí)施例所得鑄坯加熱到1150°C保溫一定時(shí)間后，熱軋軋制成相應(yīng)尺寸的鋼板，軋制過(guò)程不用控軋。鋼板冷卻后在加熱爐內(nèi)再加熱到920-950°C，保溫約2倍板厚的時(shí)間后，水冷淬火快速冷卻至200°C以下，然后進(jìn)行530-620°C回火，回火時(shí)間約按3倍板厚進(jìn)行。本發(fā)明實(shí)施例的加工工藝和性能見(jiàn)表4。表4本發(fā)明實(shí)施例的加工工和性能<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從本發(fā)明的實(shí)施例可以看出，在本發(fā)明的成分設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，在Pcm<0.20的條件下，鋼板性能都到達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，屈服強(qiáng)度為700MPa以上，實(shí)施例5、6所得鋼板的屈服強(qiáng)度達(dá)到800MPa以上，_40°C沖擊值47J以上。其中實(shí)施例4所得鋼板的最大厚度達(dá)到60mm。對(duì)本發(fā)明實(shí)施例3所得50mm鋼板和實(shí)施例6所得30mm鋼板進(jìn)行小鐵研試驗(yàn)，在室溫條件下未發(fā)現(xiàn)焊接冷裂紋，說(shuō)明本發(fā)明鋼種的焊接性能良好，室溫條件下焊接無(wú)需預(yù)熱。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。表5本發(fā)明實(shí)施例3所得50mm鋼板和實(shí)施例6所得30mm鋼板小鐵研試驗(yàn)結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權(quán)利要求一種鋼，其特征在于，以重量百分比計(jì)含有C0.05-0.10％；Mn1.10-1.80％；Cr≤0.30％；Mo0.10-0.40％；Ti≤0.03％和/或Nb≤0.03％；V0.01-0.06％；B0.001-0.003％；Si0.10-0.30％；Al0.02-0.05％；N≤0.006％；P≤0.015％；S≤0.006％；其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。2.如權(quán)利要求1所述的鋼，其特征在于，焊接裂紋敏感指數(shù)Pcm(0.20。3.一種鋼板，其特征在于，以重量百分比計(jì)含有=C0.05-0.10%；Mn1.10-1.80%；Cr^0.30%；Mo0.10-0.40%；Ti彡0.03%和/或Nb彡0.03%；V0.01-0.06%;B0.001-0.003%；Si0.10-0.30%；Al0.02-0.05%;N^0.006%;P^0.015%；S^0.006%；其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。4.如權(quán)利要求3所述的鋼板，其特征在于，焊接裂紋敏感指數(shù)Pcm<0.20。5.權(quán)利要求3所述鋼板的制造方法，包括熱軋、淬火、回火工序，其特征在于，所述鋼板以重量百分比計(jì)含有=C0.05-0.10%；Mn1.10-1.80%；Cr彡0.30%；Mo0.10-0.40%；Ti(0.03%和/或Nb彡0.03%;V0.01-0.06%;B0.001-0.003%;Si0.10-0.30%;A10.02-0.05%；N^0.006%；P^0.015%；S^0.006%；其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。6.如權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述熱軋工序中，加熱溫度為1050-1250°C。7.如權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述淬火工序中，將鋼板加熱到920-950°C，以1.5-2.5min/mm保溫一定時(shí)間后，離線淬火。8.如權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述回火工序中，在560-630°C按2.5-3.5min/mm進(jìn)行回火。全文摘要本發(fā)明提供一種低碳低焊接裂紋敏感性的高強(qiáng)度鋼，以重量百分比計(jì)含有C0.05-0.10％；Mn1.10-1.80％；Cr≤0.30％；Mo0.10-0.40％；Ti≤0.03％和/或Nb≤0.03％；V0.01-0.06％；B0.001-0.003％；Si0.10-0.30％；Al0.02-0.05％；N≤0.006％；P≤0.015％；S≤0.006％；其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明還提供該鋼板及其制造方法，包括熱軋、淬火、回火工序。該鋼板屈服強(qiáng)度達(dá)700MPa乃至800MPa以上，-40℃沖擊值達(dá)47J以上，Pcm≤0.20，最大厚度規(guī)格60mm。文檔編號(hào)C22C38/32GK101812634SQ20091004644公開(kāi)日2010年8月25日申請(qǐng)日期2009年2月23日優(yōu)先權(quán)日2009年2月23日發(fā)明者宋鳳明,施青,李自剛,柏明卓,溫東輝申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司