非調質高強度焊接結構用鋼及其生產工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種屈強比≤0.80的非調質高強度焊接結構用鋼，以質量分數(shù)計，它包含如下化學成分：0.02～0.06％ C，0.10～0.28％ Si，2.50～3.50％ Mn，P≤0.005％，S≤0.002％，0.05～0.30％Mo，0.05～0.25％ Cr，0.05～0.25％ Cu，0.10～0.40％ Ni，0.030～0.080％ Nb，0.030～0.10％ V，0.005～0.020％ Ti，0.010～0.050％ Als，0.0005～0.0060％ Ca，0.0005～0.0060％ Mg，10～50×10～4％ [N]，10～20×10-4％ [O]，余量為Fe及不可避免的雜質；其中，6C+Mn＝2.8～3.7；Mo+2Cr+2Cu＝0.65～0.80％；(Ca+Mg)/[O]＝2.5～6.5；Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.25％。本發(fā)明還提供了一種屈強比≤0.80的非調質高強度焊接結構用鋼的生產工藝。利用本發(fā)明工藝生產的鋼綜合性能優(yōu)異，無需進行復雜的調質熱處理工序，克服了調質鋼板屈強比高、焊接性能差等缺點，具有成本低廉，制造工序簡單，生產周期短等優(yōu)點。
【專利說明】非調質高強度焊接結構用鋼及其生產工藝

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及低合金高強鋼制造領域，具體的是指一種非調質高強度焊接結構用鋼 及其生產工藝。

【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)高強鋼通常采取調質工藝生產，較高的屈強比和較差的焊接性能是此類鋼的 一個重要缺陷。屈強比是抵抗從屈服到塑性不穩(wěn)定變形的一種能力，從安全角度考慮，低 屈強比是鋼結構的一個重要特征。但采用調質工藝生產的高強鋼材在確保鋼材高強度的 同時屈強比也在不斷提高，尤其當抗拉強度達到600MPa以上時，其屈強比就已經達到0. 90 以上，塑性指標也下降至20%以下甚至更低，基于安全方面的考慮，較高的屈強比和較差的 焊接性能限制了此類高強鋼材在工程領域的推廣應用。隨著冶金科技的不斷進步，大型工 程對高強鋼材的技術要求也越來越高，除了在強度、韌性、塑性等傳統(tǒng)指標提高要求外，還 對鋼材的抗震性能（低屈強比）和焊接性能提出了更高的要求，同時要求鋼材具有較低的 制造成本，優(yōu)良的綜合機械性能和應用性能，以減少鋼材用量，節(jié)約建造成本和減輕構件自 身重量，并保證構件的穩(wěn)定性和安全性。顯然，傳統(tǒng)高強鋼較高的屈強比和較低的延伸率 以及較差的焊接性能已不能滿足大型工程的需求。而近年來，曾有文獻報道采用兩相區(qū)淬 火+回火方式生產的鋼板滿足該類工程的技術要求，其組織類型為鐵素體+馬氏體，利用軟 相鐵素體組織的合理比例來達到低屈強比的目的，但該種熱處理的工藝窗口較窄，在實際 生產中不易控制，甚至需要進行多次熱處理過程，大大延長了生產工藝流程，增加了生產成 本，不利于推廣應用。
[0003] 專利號為"200910061106. 1"的中國發(fā)明專利公開了一種高強度低屈強比焊接 結構鋼及其生產方法，該發(fā)明鋼須含有較高的Cu、Cr、Ni等貴重合金元素，且需要進行 消除應力回火處理，對鋼板的延伸率也不做要求。另有專利號為"201110003640. 4"和 "201110003621. 1"的中國發(fā)明專利公開了一種大熱輸入焊接用結構鋼及其制造方法和一 種大熱輸入焊接用結構鋼及其制造方法，該兩個發(fā)明鋼強度級別均較低，且對屈強比不做 要求。還有專利號為"201010599469. 3"的中國發(fā)明專利公開了一種800MPa級低屈強比結 構鋼板及其生產方法，該鋼須含有較多的Cu、Ni元素，合金成本高，且添加 B元素造成延伸 率較低，回火后鋼板屈服強度較低。專利號為"EP20010930007"的發(fā)明專利公開了 "THICK STEEL PLATE BEING EXCELLENT IN CTOD CHARACTERISTIC IN WELDING HEAT AFFECTED ZONE AND HAVING YIELD STRENGTH OF 460MPa OR MORE"，該發(fā)明鋼采用直接淬火 + 回火或 TMCP工藝路線生產，但其發(fā)明鋼種的強度均較低，且對單位面積的Mg和Al的氧化物顆粒數(shù) 進行限制，控制難度較大，不利于在各冶金行業(yè)推廣生產。專利號為"201310649811. X"的 發(fā)明專利公開了一種屈強比< 〇. 8的低碳貝氏體建筑用鋼及其生產方法，該發(fā)明采用TMCP 工藝生產，后續(xù)無需進行任何熱處理，但該發(fā)明添加較多的(：11、(>、附^〇、1等貴重合金，且 要求鋼組織中鐵素體面積百分比為12?25%，大生產中極難控制，不利于推廣應用。另有 專利號為"201310498628. 4"的發(fā)明專利公開了一種低成本高強度鋼板及其生產方法，該發(fā) 明采用TMCP+回火工藝生產，但本發(fā)明的鋼的屈強比均高于0. 80,抗震性能較差，且延伸率 也較低，不能滿足現(xiàn)代大型工程的技術要求。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是要提供一種非調質高強度焊接結構用鋼及其生產工藝。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的屈強比< 0.80的非調質高強度焊接結構用鋼，其 特征在于：以質量分數(shù)計，它包含如下化學成分：
[0006] 0.02?0.06%C，0.10?0.28%Si，2.50?3.50%Mn，P<0.005%，S<0.002%， 0. 05 ?0. 30 % Mo,0. 05 ?0. 25 % Cr,0. 05 ?0. 25 % Cu,0. 10 ?0. 40 % Ni,0. 030 ? 0? 080 % Nb，0. 030 ?0? 10 % V，0. 005 ?0? 020 % Ti，0. 010 ?0? 050 % Als，0. 0005 ? 0.0060%〇&，0.0005 ?0.0060%]\%，10?50\10-4%[幻，10?20\10-4%[0]，余量為卩6 及不可避免的雜質；
[0007] 其中，6。+]?11 = 2.8?3.7^〇+20+2〇1 = 0.65?0.80%;(〇&+]\%)/[0]=2.5? 6. 5 ;Pcm = C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B 彡 0? 25%。
[0008] 本發(fā)明還提供了一種屈強比< 0.80的非調質高強度焊接結構用鋼的生產工藝， 它包括如下步驟：
[0009] (1)進行深脫硫：來料鐵水溫度控制在1280?1320°C，S彡0? 020%，脫硫終點 S^O. 0008% ；
[0010] ⑵進行轉爐冶煉：控制入轉爐鐵水溫度1230?1260°C，保證鐵水成分 P彡0. 10%，S彡0. 0010%，控制轉爐冶煉中點吹次數(shù)不大于2次，出鋼溫度控制在1660? 1700 0C ；
[0011] ⑶進行LF精煉：保證精煉時間在45?55分鐘；隨后進行RH真空處理，處理時 間在12?25分鐘；
[0012] (4)將鋼坯加熱至1230?1280°C，加熱速率控制在7?11°C /s，在1120?1160°C 溫度下保溫30?50min ;
[0013] (5) I階段粗軋開軋溫度為1080?1130°C，單道次壓下率為15?45%，粗軋結束 溫度為1020?1050°C ;
[0014] (6) II階段精軋開軋溫度為880?980°C，總壓下率50?70%，精軋結束溫度 760 ?840。。；
[0015] (7)對鋼板進行快速冷卻，其開始溫度為720?800°C，終冷溫度為200?500°C， 冷卻速度為15?25°C /s，隨后空冷至室溫；
[0016] (8)對鋼板進行離線回火處理，回火溫度200?500°C，保溫時間[板厚（mm) +50? 70]min。
[0017] 作為優(yōu)選方案，所述步驟（1)中，來料鐵水溫度為1320°C ;所述步驟（2)中，入轉 爐鐵水溫度為1260°C，轉爐冶煉中點吹次數(shù)為2次，出鋼溫度為1700°C ;所述步驟（3)中， 精煉時間為55分鐘，進行RH真空處理的時間為25分鐘；所述步驟（4)中，將鋼坯加熱至 1280°C，加熱速率為11°C /s，在1160°C溫度下保溫50min ;所述步驟（5)中，I階段粗軋開 軋溫度為1130°C，單道次壓下率為45%，粗軋結束溫度為1050°C ;所述步驟￠)中，II階段 精軋開軋溫度為980°C，總壓下率為70%，精軋結束溫度為840°C ;所述步驟（7)中，對鋼板 進行快速冷卻的開始溫度為800°C，終冷溫度為500°C，冷卻速度為25°C /s ;所述步驟（8) 中，回火溫度為500°C，保溫時間[板厚（mm)+70]min。
[0018] 本發(fā)明的工作原理及其中化學成分限定量的理由如下：
[0019] (1)本發(fā)明的C含量選擇在0. 02?0. 06%，C通過間隙置換固溶強化強烈提高鋼 的強度，是確保鋼強度必不可少的元素之一，提高C含量還可以降低鋼材的屈強比。C屬于 擴大奧氏體相區(qū)元素，當C含量低于0.02%時，相變點明顯提升，不利于組織晶粒細化，造 成鋼材強度不足和屈強比的提高，且導致TMCP工藝窗口狹窄，不利于生產。當C含量高于 0. 06%時，碳偏析的傾向、鋼中M-A島量以及鋼的焊接冷裂紋敏感性系數(shù)增加，從而惡化鋼 的塑韌性和焊接性能，影響鋼的冷熱加工性能。故C含量限定為0. 02?0. 06%。
[0020] (2)本發(fā)明的Si含量選擇在0? 10?0? 28%，Si在鋼中的主要作用是固溶強化和 脫氧。由于本發(fā)明鋼中添加有Mg、Ca、Als等與[0]具有更強結合力的元素，因此，Si在本 發(fā)明鋼中主要是固溶強化作用。當Si含量低于0. 10%時，其固溶強化對鋼材強度的貢獻有 限，當Si含量高于0. 28%時，不利于鋼材和焊接熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性。故Si含量限定 為 0? 10 ?0? 28%。
[0021] (3)本發(fā)明的Mn含量選擇在2. 50?3. 50%，Mn是確保鋼材強韌性的重要元素，當 Mn含量低于2. 50%時，不能確保鋼材強度，當Mn含量高于3. 50%時，則會形成尺寸較大的 MnS復雜硫化物夾雜，不利于鋼材力學性能和焊接性能。故Mn含量限定為2. 50?3. 50%。
[0022] (4)本發(fā)明的？彡0.005%、5彡0.002%沖、5是鋼中的有害雜質元素。高？易導 致偏析，影響鋼的組織均勻性，S與Mn、Ca易形成硫化物夾雜，均不利于低溫韌性。
[0023] (5)本發(fā)明的Mo含量選在0.05?0.30%，Mo在鋼中的主要作用是固溶強化，少 量Mo以碳化物形式析出，提高鋼的強度。Mo是奧氏體穩(wěn)定性元素，促進高密度位錯亞結構 的貝氏體形成，Mo還可以在回火過程中防止回火脆性。Mo含量小于0. 05%時，上述作用不 明顯，但Mo含量較多時，惡化鋼材的低溫韌性和焊接性能。
[0024] (6)本發(fā)明的Cr、Cu含量選在0.05?0.25%，與Mo相同，Cr、Cu也是有效提高鋼 板強度的元素，Cu在回火過程還可以析出e -Cu相，起到沉淀強化作用。
[0025] (7)本發(fā)明的Ni含量選在0. 10?0.40%，本發(fā)明鋼中，Ni與Cu、Cr等固溶強化 元素一起加入時能明顯改善鋼材的低溫韌性，Ni含量過高，除增加生產成本外，鋼板表面易 產生難以脫落的氧化鐵皮，同時不利于鋼材的焊接性能。
[0026] (8)本發(fā)明的Nb含量選擇在0? 030?0? 080%，Nb是一種強碳化物形成元素，具 有強烈的細化晶粒作用，能顯著提高奧氏體再結晶溫度，擴大軋制工藝范圍，使發(fā)明鋼在II 階段軋制過程中充分細化組織，確保鋼材具有良好的強韌性匹配。在軋制過程中，Nb在鋼 中形成的碳氮化物顆?？捎行б种茒W氏體晶粒長大，提高鋼材強度和韌性。本發(fā)明鋼中，當 Nb含量低于0. 030%時，導致屈服強度不足，當Nb含量高于0. 080%時，惡化鋼材焊接性能。
[0027] (9)本發(fā)明的V選在0. 03?0. 10%，V是一種相當強烈的碳化物形成元素，適量 的V具有明顯的沉淀析出強化作用。當Nb與V復合加入時，可明顯改善橫向裂紋現(xiàn)象的發(fā) 生。但V含量過高，不利于鋼材韌性。
[0028] (10)本發(fā)明的Ti選擇在0. 008?0. 020%，Ti也是一種強碳氮化物形成元素，在 Mg、Als超細氧化物顆粒上析出細小的TiN、Ti (CN)或Nb\Ti的復合碳氮化物，阻止加熱和焊 接過程中奧氏體晶粒長大，提高熱影響區(qū)低溫韌性。Ti與Nb同時加入，會進一步提高鋼奧 氏體再結晶溫度，擴大軋制工藝范圍。但Ti大于0. 020%時，析出的Ti的碳氮化物顆粒尺 寸較大，其細化奧氏體晶粒的作用減弱，不利于焊接熱影響區(qū)韌性，當Ti小于0. 008%時， 其上述作用不明顯，故Ti限定為0.008?0.020%。
[0029] (11)本發(fā)明的Als含量選擇在0.010?0.050%，Als是鋼中主要的脫氧元素，也 可與N結合形成AlN顆粒，通過細化組織晶粒提高鋼材強度。Als含量高于0. 050%時，易 引起鋼中Al的氧化物夾雜物增多，尺寸較大，降低鋼的純凈度和塑韌性，不利于鋼材韌性。
[0030] (12)本發(fā)明的Ca是脫氧元素，也是脫硫元素，其含量控制在0.0005?0.0060 %。 鋼中添加適量的Ca將硫化物夾雜物球化，利于基材低溫韌性和HAZ韌性。為了實現(xiàn)上述作 用，Ca含量應不低于0. 0010% ;Ca含量超過0. 0060%時，則會形成尺寸較大的Ca氧化物和 硫化物混合夾雜，不利于鋼材韌性。
[0031] (13)本發(fā)明的Mg控制在0. 0005?0. 0060%。Mg與[0]結合形成細小的氧化物 顆粒，這些細小的氧化物顆?？梢宰鳛樘嫉锖拖嘧兘M織的形核核心，促進碳氮化物析 出和相變組織轉變，促使碳氮化物在鋼中均勻細小析出，促進相變組織的轉變，從而細化組 織，提高鋼材強度和韌性。當鋼中Mg含量低于0. 0005 %時，這些氧化物復雜顆粒數(shù)量不足， 無法起到形核核心作用。當Mg含量為0. 0060%時，則可能形成含Mg的復合氧化物和硫化 物夾雜物，不利于鋼材韌性和焊接熱影響區(qū)韌性。
[0032] (14)本發(fā)明的N含量選擇在10?50X1(T4%，N與鋼中恥、11、41、￥、(：等元素形 成氮化物、碳化物或碳氮化物，足夠多的析出相顆粒是確保鋼材強度和韌性的關鍵因素。若 N含量低于10 X 1(T4%，則鋼中氮化物和碳氮化物顆粒數(shù)量有限，對鋼材強度和韌性貢獻不 大。當N含量高于50 X 1(T4%時，將會增加鋼中固溶N的含量，不利于鋼材和HAZ韌性。
[0033] (15)本發(fā)明的0含量選擇在10?20XKT4%，一般情況下，0在鋼中屬于有害氣 體，為確保鋼質純凈度和鋼中氧化物夾雜的總量，需將〇含量嚴格限制在較低水平。但當〇 含量低于IOX 1(T4%時，則鋼中形成MgO氧化物顆粒數(shù)量有限，但為避免鋼中出現(xiàn)過多的氧 化物類的復合夾雜物，〇含量應限制在20 X KT4 %以內。
[0034] 同時上述化學成分還必須滿足公式：①6C+Mn = 2. 8?3. 7,②Mo+2Cr+2Cu = 0. 65 ?0. 80%，③（Ca+Mg)/[0] = 2. 5 ?6. 5,④ Pcm = C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+M 〇/15+V/10+5B 彡 0. 25%。
[0035] 本發(fā)明中，當6C+Mn < 2. 8時，鋼材強度不足，當6C+Mn > 3. 7時，鋼的焊接裂 紋敏感性增加，不利于鋼材的焊接性能；當此+2〇+2(：11<0.65(%時，造成鋼強度不足，當 1〇+20+2&1>0.80%時，對鋼材韌性產生不利影響，同時惡化鋼的焊接性能；當化&+1%)/ [0] < 2. 5時，鋼中形成的氧化物顆粒數(shù)量不足，作為析出相和相變的有效形核核心有限， 不利于保證鋼材強度和韌性，當（Ca+Mg)/[0] >6. 5時，鋼中將會形成大尺寸的氧化物和硫 化物復合夾雜物，不利于鋼材和熱影響區(qū)韌性；為確保鋼的焊接性能，Pcm值必須小于等于 0? 25%。
[0036] 本發(fā)明鋼除含有上述化學成分外，余量為Fe及不可避免的夾雜。
[0037] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明提供的非調質高強度焊接結構用鋼及其生產工藝，目 的在于克服本【技術領域】目前存在的不足，開發(fā)出合金成本和制造成本較低的具有高強度、 高韌性、低屈強比、良好的延展性、焊接性能和冷熱加工性能等特點的鋼，本發(fā)明的鋼綜合 性能優(yōu)異，無需進行復雜的調質熱處理工序，克服了調質鋼板屈強比高、焊接性能差等缺 點，具有成本低廉，制造工序簡單，生產周期短等優(yōu)點。

【具體實施方式】
[0038] 以下結合具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
[0039] 本發(fā)明屈強比< 0. 80的非調質高強度焊接結構用鋼的生產工藝，具體步驟如下：
[0040] (1)進行深脫硫：來料鐵水溫度控制在1280?1320°C，S彡0? 020%，脫硫終點 S^O. 0008% ；
[0041] ⑵進行轉爐冶煉：控制入轉爐鐵水溫度1230?1260°C，保證鐵水成分 P彡0. 10%，S彡0. 0010%，控制轉爐冶煉中點吹次數(shù)不大于2次，出鋼溫度控制在1660? 1700 0C ；
[0042] (3)進行LF精煉：保證精煉時間在45?55分鐘；隨后進行RH真空處理，處理時 間在12?25分鐘；
[0043] (4)將鋼坯加熱至1230?1280°C，加熱速率控制在7?11°C /s，在1120?1160°C 溫度下保溫30?50min ;
[0044] (5) I階段粗軋開軋溫度為1080?1130°C，單道次壓下率為15?45%，粗軋結束 溫度為1020?1050°C ;
[0045] (6) II階段精軋開軋溫度為880?980°C，總壓下率50?70%，精軋結束溫度 760 ?840。。；
[0046] (7)對鋼板進行快速冷卻，其開始溫度為720?800°C，終冷溫度為200?500°C， 冷卻速度為15?25°C /s，隨后空冷至室溫；
[0047] (8)對鋼板進行離線回火處理，回火溫度200?500°C，保溫時間[板厚（mm) +50? 70]min。
[0048] 以下：表1為本發(fā)明各實施例及對比例化學成分取值列表；表2為本發(fā)明各實施 例及對比例主要工藝參數(shù)取值列表；表3為本發(fā)明實施例的力學性能試驗結果。
[0049] 表1本發(fā)明鋼與對比鋼的化學成分對比（wt，％ )( -）
[0050]

【權利要求】
1. 一種屈強比< 0. 80的非調質高強度焊接結構用鋼，其特征在于：以質量分數(shù)計，它 包含如下化學成分： 0. 02 ?0. 06% C,0. 10 ?0. 28% Si,2. 50 ?3. 50% Mn, P 彡 0. 005%，S 彡 0. 002%， 0. 05 ?0. 30 % Mo,0. 05 ?0. 25 % Cr，0. 05 ?0. 25 % Cu，0. 10 ?0. 40 % Ni，0. 030 ? 0? 080 % Nb，0. 030 ?0? 10 % V，0. 005 ?0? 020 % Ti，0. 010 ?0? 050 % Als，0. 0005 ? 0? 0060 % Ca，0? 0005 ?0? 0060 % Mg，10 ?50 X 1(T4 % [N]，10 ?20 X 10-4 % [0]，余量為 Fe 及不可避免的雜質； 其中，6C+Mn = 2. 8 ?3. 7 ;Mo+2Cr+2Cu = 0? 65 ?0? 80%; (Ca+Mg)/[0] = 2. 5 ?6. 5 ; Pcm = C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B 彡 0. 25%。
2. -種生產如權利要求1所述屈強比< 0. 80的非調質高強度焊接結構用鋼的工藝，它 包括如下步驟： (1) 進行深脫硫：來料鐵水溫度控制在1280?1320 °C，S彡0.020 %，脫硫終點 S ^ 0. 0008% ； (2) 進行轉爐冶煉：控制入轉爐鐵水溫度1230?1260°C，保證鐵水成分P < 0. 10 %， S彡0. 0010%，控制轉爐冶煉中點吹次數(shù)不大于2次，出鋼溫度控制在1660?1700°C ; (3) 進行LF精煉：保證精煉時間在45?55分鐘；隨后進行RH真空處理，處理時間在 12?25分鐘； (4) 將鋼坯加熱至1230?1280°C，加熱速率控制在7?11°C /s，在1120?1160°C溫 度下保溫30?50min ; (5) I階段粗軋開軋溫度為1080?1130°C，單道次壓下率為15?45%，粗軋結束溫度 為 1020 ?1050°C ; (6) II階段精軋開軋溫度為880?980°C，總壓下率50?70%，精軋結束溫度760? 840。。； (7) 對鋼板進行快速冷卻，其開始溫度為720?800°C，終冷溫度為200?500°C，冷卻 速度為15?25°C /s，隨后空冷至室溫； (8) 對鋼板進行離線回火處理，回火溫度200?500°C，保溫時間[板厚（mm) +50?70] min〇
3. 根據(jù)權利要求2所述的屈強比<0.80的非調質高強度焊接結構用鋼的生產工藝，其 特征在于： 所述步驟（1)中，來料鐵水溫度為1320°C ; 所述步驟（2)中，入轉爐鐵水溫度為1260°C，轉爐冶煉中點吹次數(shù)為2次，出鋼溫度為 1700。。； 所述步驟（3)中，精煉時間為55分鐘，進行RH真空處理的時間為25分鐘； 所述步驟（4)中，將鋼坯加熱至1280°C，加熱速率為11°C /s，在1160°C溫度下保溫 50min ； 所述步驟（5)中，I階段粗軋開軋溫度為1130°C，單道次壓下率為45%，粗軋結束溫度 為 1050°C ; 所述步驟￠)中，II階段精軋開軋溫度為980°C，總壓下率為70%，精軋結束溫度為 840。。； 所述步驟（7)中，對鋼板進行快速冷卻的開始溫度為800°C，終冷溫度為500°C，冷卻速 度為25V /s ; 所述步驟（8)中，回火溫度為500°C，保溫時間[板厚（mm)+70]min。
【文檔編號】C21D8/02GK104451445SQ201410713631
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權日:2014年11月28日
【發(fā)明者】童明偉, 張開廣, 郭斌, 范巍, 陳顏堂, 程吉浩, 劉文斌, 董中波 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司