專利名稱：：高強(qiáng)度高韌性Zr-B復(fù)合微合金鋼及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)鋼及其生產(chǎn)方法，特別涉及高強(qiáng)度高韌性Zr-B復(fù)合微合金鋼及其生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
：眾所周知，微合金鋼中最常用的微合金添加元素主要有三種，即Nb、Ti和V。從己有的資料來看，Nb-Ti復(fù)合添加對控制晶粒長大效果最顯著。微合金鋼中Nb的加入一方面提高未再結(jié)晶溫度；另一方面與Ti等其他元素在鋼中形成細(xì)小彌散的復(fù)合碳氮化物以控制晶粒尺寸。大量的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果己經(jīng)證實(shí)，在Nb-Ti復(fù)合微合金鋼中，高溫時(shí)首先形成以TiN為主要成分的析出相，然后在較低溫度下NbC以TiN作為形核核心，并在此基礎(chǔ)上形核和長大。Zr與Ti屬于元素周期表中的IVA族，其化學(xué)性能相似。目前Zr微合金鋼添加量一般較高，通常在0.015~0.060%之間。船體用結(jié)構(gòu)鋼按照其最小屈服點(diǎn)劃分強(qiáng)度級別為一般強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。而目前結(jié)構(gòu)用鋼的開發(fā)總的趨勢是向著高強(qiáng)度高韌性的方向發(fā)展，但是隨著強(qiáng)度的提高，其沖擊韌性和焊接性能勢必降低，焊接裂紋敏感性增加。與此同時(shí)，為提高生產(chǎn)效率，鋼板的焊接也逐漸向大能量焊接方向發(fā)展，這又容易引起傳統(tǒng)低合金高強(qiáng)鋼的焊接熱影響區(qū)性能(強(qiáng)度、韌性)惡化，易產(chǎn)生焊接冷裂紋問題，給大型鋼結(jié)構(gòu)的制造帶來困難。由于焊接為厚板加工的主要方式，滿足大線能量焊接性能也逐步成為各種鋼種所具備的一種性能。所以，在追求高強(qiáng)度的同時(shí)，改善鋼板的韌性以提高鋼板的焊接性能越來越迫切。通常情況下，焊接熱影響區(qū)(HAZ)的強(qiáng)度和沖擊韌性隨輸入線能量的增大而降低。因此，HAZ的韌性成為制約鋼大線能量焊接的關(guān)鍵因素。為了解決HAZ的韌性問題，國內(nèi)外相繼開展了大線能量焊接用鋼的3研究工作，提出了一些改善韌性的方法，主要有降低C含量和碳當(dāng)量C叫、利用微合金元素和氧化物夾雜細(xì)化奧氏體晶粒、獲得韌性好的組織如針狀鐵素體以及貝氏體組織的超低碳鋼、通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝提高韌性等。本發(fā)明主要是通過在鋼中形成彌散細(xì)小的具有很高熱穩(wěn)定性的ZrB2析出物來細(xì)化奧氏體晶粒從而改善大線能量焊接時(shí)HAZ的韌性。中國船級社規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的一般強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼分為A、B、D、E四個質(zhì)量等級；中國船級社規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼為三個強(qiáng)度級別、四個質(zhì)量等級。表1為常用高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能的規(guī)定。傳統(tǒng)的船板鋼其主要成分特點(diǎn)是鋼中元素種類較多，并經(jīng)常添加Ni、Cu等價(jià)格昂貴的金屬元素，這無疑會增加鋼板的生產(chǎn)成本。而且，從已有鋼板的組織和性能指標(biāo)來看，傳統(tǒng)船板鋼晶粒尺寸較大，強(qiáng)度級別低，而強(qiáng)度級別較高的船板鋼合金元素多，生產(chǎn)成本較高。其次，從生產(chǎn)工藝角度看，高強(qiáng)度船板鋼大多采用熱處理工藝，如正火、正火+回火等，在這一過程中增加了能源消耗，而采用TMCP+RPC工藝可以使高強(qiáng)度高韌性鋼板的生產(chǎn)工藝過程變得更加緊湊，降低了生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)量。表1DNV船級社規(guī)范對高強(qiáng)度船板鋼的力學(xué)性能的規(guī)定<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>目前，造船行業(yè)為提高生產(chǎn)效率而廣泛采用大線能量焊接，這就要求船板鋼具有良好的焯接性，即焊接熱影響區(qū)HAZ具有良好的韌性。傳統(tǒng)的成分設(shè)計(jì)原則一般是采用Ti微合金化技術(shù)，通過調(diào)整鋼中Ti和N的比例，使之有利于形成TiN粒子來抑制高溫奧氏體晶粒的長大，改善HAZ韌性。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度高韌性Zr-B復(fù)合微合金鋼及其生產(chǎn)方法，更為有效地來滿足大線能量焊接用鋼板，同時(shí)對鋼板的性能有所改善。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，高強(qiáng)度高韌性Zr-B復(fù)合微合金鋼，其成分質(zhì)量百分比為CS0.10%，Si0.200.40%，Mn1.201.40%，Nb0.0卜0.02%，P$0.012%，S，005%，Zr￡0.005%，B，001%，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)；其中，Zr/B^10。本發(fā)明鋼中碳的含量應(yīng)控制在較低水平，這是因?yàn)樘己刻岣邔⒋蟠笤黾愉摪宓暮附永淞鸭y傾向，提高鋼板焊接時(shí)的預(yù)熱溫度，不利于鋼的焊接并降低HAZ韌性，尤其是大線能量焊接時(shí)對HAZ韌性的降低更明顯。加入少量Nb主要是為了提高鋼的未再結(jié)晶溫度，通過在未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行大壓下量軋制，通過動態(tài)再結(jié)晶細(xì)化奧氏體晶粒；鋼中P和S的含量應(yīng)盡量低，避免在鋼坯凝固過程中形成硫化物或由于P在晶界的偏聚導(dǎo)致鋼的脆性。需要注意的是，Zr和B兩種關(guān)鍵添加元素的重量百分比需控制在合理的范圍內(nèi)，通常在10之內(nèi)以盡可能多地形成可抑制晶粒長大所需的納米級ZrB2二相粒子。若Zr/B比過大，鋼中"多余"的B易于偏析在晶界處，引起鋼的脆性，降低韌性。本發(fā)明高強(qiáng)度高韌性Zr-B復(fù)合微合金鋼的生產(chǎn)方法，包括如下步驟1)高強(qiáng)度高韌性Zr-B復(fù)合微合金鋼，其成分質(zhì)量百分比為CS0.10%，Si0.200.40%，Mn1.201.40%，Nb0.0卜0.02%，P￡0.012%，S<0.005%，Z《0.005%，BS0.001%，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)；其中，Zr/B^lO;2)按上述成分轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，再經(jīng)真空爐二次精煉，澆鑄成鑄坯或鑄錠；3)鑄坯或鑄錠再加熱，11501200°C，保溫時(shí)間12小時(shí)；4)軋制，開軋溫度10001070°C，950"以上累計(jì)變形量^50%，在9501000。C左右中間坯待溫，終軋溫度80085(TC，軋后以81(TC/s的速度進(jìn)行冷卻，終冷溫度500550°C。鋼坯的加熱溫度一般控制在1150120(TC之間，過高的加熱溫度將導(dǎo)致奧氏體晶粒粗大，降低鋼的性能。鋼坯從加熱爐出來之后，在1000107(TC之間進(jìn)行高溫區(qū)軋制，主要目的是通過動態(tài)再結(jié)晶細(xì)化奧氏體晶粒；同時(shí)在950100(TC中間坯待溫，其主要目的是通過待溫使得細(xì)小的析出相有充足的時(shí)間大量形成，即RPC工藝。終軋溫度控制在800S50。C，避免出現(xiàn)較多的晶界鐵素體影響強(qiáng)度，而在隨后的冷卻階段，通過水冷控制最終形成以尺寸較小的貝氏體為主要組織的鋼板。本發(fā)明采用控軋控冷工藝，同時(shí)在未再結(jié)晶溫度區(qū)間采用弛豫析出控制工藝即可生產(chǎn)出具有優(yōu)良綜合性能的微合金厚板。工藝過程簡單，降低了生產(chǎn)成本，縮短了制造周期。若通過成分調(diào)整和工藝優(yōu)化，其性能還有進(jìn)一步上升的空間。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明所提供的技術(shù)可用于制造最低溫度為-10(TC具有良好韌性的高強(qiáng)度高韌性厚鋼板，可滿足大線能量焊接對HAZ韌性的要求，在500kJ/cm以下焊接時(shí)其HAZ-2(TC沖擊功大于50J，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和焊接性能，由此帶來以下方面的有益效果(1)鋼的制造成本有所降低。按照目前普遍使用的鋼種成分，Ti的添加量一般在0.015%左右，而采用Zr微合金化處理后其添加量可減少至0.005%以下。盡管Zr的價(jià)格略高于Ti，但由于Zr的添加量僅為Ti添加量的1/3或者更低，總的成本仍有明顯降低。若Ti的價(jià)格按15萬元/噸，而Zr的價(jià)格按20萬元/噸計(jì)算，僅此一項(xiàng)即可節(jié)約成本12.5元/噸鋼；當(dāng)應(yīng)用在超低溫條件下時(shí)，常用的鋼種需添加約5%的鎳元素，而本發(fā)明鋼種則無需添加鎳元素即可滿足低溫沖擊韌性要求。若按12萬元/噸計(jì)算(鎳的產(chǎn)品收得率按92%計(jì)算)，僅此一項(xiàng)即節(jié)約成本652元/噸鋼；7(2)采用Zr-B復(fù)合微合金化技術(shù)生產(chǎn)的鋼板，其強(qiáng)度和韌性與Ti微合金鋼相比均有所提高，同時(shí)具有更優(yōu)良的低溫沖擊韌性，二者韌性對比如圖3所示?？蓾M足大線能量焊接工藝要求，鋼的預(yù)熱溫度約為19°C，即無需焊前預(yù)熱，減少了工序，提高了生產(chǎn)效率；(3)采用控軋控冷工藝，同時(shí)在未再結(jié)晶溫度區(qū)間采用弛豫析出控制工藝即可生產(chǎn)出具有優(yōu)良綜合性能的微合金厚板。工藝過程簡單，降低了生產(chǎn)成本，縮短了制造周期。若通過成分調(diào)整和工藝優(yōu)化，其性能還有進(jìn)一步上升的空間。圖1為本發(fā)明高強(qiáng)度高韌性微合金鋼軋制工藝示意圖2為本發(fā)明實(shí)施例1試驗(yàn)鋼板系列溫度夏比V型橫向沖擊曲線示意圖3為本發(fā)明實(shí)施例1試驗(yàn)鋼板經(jīng)不同熱輸入焊接熱循環(huán)后焊接熱影響區(qū)(HAZ)-20°C沖擊功變化示意圖4為本發(fā)明Zr-B復(fù)合微合金鋼板和Ti微合金鋼板系列溫度夏比V型沖擊功對比示意圖。具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。參見圖1，本發(fā)明高強(qiáng)度高韌性Zr-B復(fù)合微合金鋼的生產(chǎn)方法，包括如下步驟按上述成分轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，再經(jīng)真空爐二次精煉，澆鑄成鑄坯或鑄錠；鑄坯或鑄錠再加熱，U501200。C，保溫時(shí)間12小時(shí)；軋制，開軋溫度10001070°C，95(TC以上累計(jì)變形量^50。/。，在9501000。C左右中間坯待溫，終軋溫度800850°C，軋后以810°C/s的速度進(jìn)行冷卻，終冷溫度500550°C。本發(fā)明實(shí)施例參見表l、表2:8表1實(shí)施例CSiMnAlNbZrBZr/B10.060.291.320.0330.0140.00050.0010.520.090.291.320.0360.0160.0050.000510.030.050.301.300.0300.0150.0030細(xì)56.040.070.211.370.0310.0190.0040.00085.00.070.251.250.0330.017O扁0細(xì)66.760.080.221.350.0350.0150.0050扁95.60.100.381.280.0330.0120.0050.00077.1表2實(shí)施例加熱溫度°C軋制工藝(鋼坯厚度220mm)冷卻參數(shù)°C/s機(jī)械性能屈服強(qiáng)度MPa抗拉強(qiáng)度MPa延伸率%-100。C橫向V型沖擊功，J1070~1000°C軋制厚度mm950~800°C軋制厚度mm11200220-120120-40846257223.82721150220-120120-40849359823.37531200220-120120-40845258024.14641200220-120120-40847356222.83251150220-120120-40848059523.15561200220-120120-40847559626.36371150220-120120-40849760124.739圖2為實(shí)施例1鋼板系列溫度夏比V型橫向沖擊曲線。圖3則為鋼板經(jīng)不同大線能量焊接熱循環(huán)后HAZ-2(TC沖擊功的變化情況。由圖可見，本發(fā)明提供的技術(shù)方法可生產(chǎn)出抗拉強(qiáng)度2550MPa、延伸率^23%、-100°C橫向V型沖擊功227J的高強(qiáng)度高韌性厚鋼板(S40mm)。焊接時(shí)無需預(yù)熱，在500kJ/cm如此高的熱輸入條件下進(jìn)行焊接，其熱影響區(qū)(HAZ)-20。C沖擊功仍SOJ，表現(xiàn)出非常優(yōu)異的焊接性能。圖4給出Zr-B復(fù)合微合金化鋼板與Ti微合金鋼板系列夏比V型橫向9沖擊功對比。從圖4中可看出，在-6(TC以上，二者的韌性較為接近；當(dāng)溫度低于-6(TC時(shí)，Zr-B復(fù)合微合金鋼板比Ti微合金鋼板表現(xiàn)出更優(yōu)異的低溫韌性。綜上所述，本發(fā)明與現(xiàn)有的微合金鋼采用TiN析出控制晶粒尺寸改善HAZ韌性的方法不同，本發(fā)明采用Zr-B復(fù)合微合金化以及TMCP(熱機(jī)械加工工藝)和RPC(弛豫析出控制)技術(shù)，同時(shí)控制添加元素Zr/B比例，以形成比TiN具有更高熱穩(wěn)定性的納米ZrB2粒子，從而改善鋼板的強(qiáng)度、韌性以及焊接性，可作為一種極具應(yīng)用潛力的新型高強(qiáng)度高韌性微合金鋼的生產(chǎn)技術(shù)方法。10權(quán)利要求1.高強(qiáng)度高韌性Zr-B復(fù)合微合金鋼，其成分質(zhì)量百分比為C≤0.10％，Si0.20～0.40％，Mn1.20～1.40％，Nb0.01～0.02％，P≤0.012％，S≤0.005％，Zr≤0.005％，B≤0.001％，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)；其中，Zr/B≤10。2.高強(qiáng)度高韌性Zr-B復(fù)合微合金鋼的生產(chǎn)方法，包括如下步驟1)高強(qiáng)度高韌性Zr-B復(fù)合微合金鋼，其成分質(zhì)量百分比為C^).10。/。，Si0.200.40%，Mn1.201.40%，Nb0.01~0.02%,P^0.012%，S^0.005%，Zr^0.005%，B^0.001%，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)；其中，Zr/B^lO;2)按上述成分轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，再經(jīng)真空爐二次精煉，澆鑄成鑄坯或鑄錠；3)鑄坯或鑄錠再加熱，1150~1200°C，保溫時(shí)間12小時(shí)；4)軋制，開軋溫度1000~1070°C，95(TC以上累計(jì)變形量^50。/。，在950100(TC中間坯待溫，終軋溫度800850°C，軋后以810°C/s的速度進(jìn)行冷卻，終冷溫度500550°C。全文摘要高強(qiáng)度高韌性Zr-B復(fù)合微合金鋼，其成分質(zhì)量百分比為C≤0.10％，Si0.20～0.40％，Mn1.20～1.40％，Nb0.01～0.02％，P≤0.012％，S≤0.005％，Zr≤0.005％，B≤0.001％，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)；其中，Zr/B≤10。其生產(chǎn)方法，包括如下步驟按上述成分轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，再經(jīng)真空爐二次精煉，澆鑄成鑄坯或鑄錠；鑄坯或鑄錠再加熱，1150～1200℃，保溫時(shí)間1～2小時(shí)；軋制，開軋溫度1000～1070℃，950℃以上累計(jì)變形量≥50％，在950～1000℃中間坯待溫，終軋溫度800～850℃，軋后以8～10℃/s的速度進(jìn)行冷卻，終冷溫度500～550℃。本發(fā)明更為有效地來滿足大線能量焊接用鋼板，同時(shí)對鋼板的性能有所改善。文檔編號C22C38/14GK101660092SQ20081004212公開日2010年3月3日申請日期2008年8月27日優(yōu)先權(quán)日2008年8月27日發(fā)明者巍王,王煥榮申請人:寶山鋼鐵股份有限公司