本發(fā)明涉及鋼材制備，具體涉及一種低成本690mpa級(jí)別不預(yù)熱焊接煤礦機(jī)械用鋼及其制造方法。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，隨著煤炭開采量日益增加，煤礦機(jī)械行業(yè)日益火熱，每開采1億噸煤需要6～8萬(wàn)噸煤礦機(jī)械用鋼板，鋼板需求量很大。而且高強(qiáng)度煤礦液壓支架結(jié)構(gòu)，采用大量焊接結(jié)構(gòu)，焊接預(yù)熱是制造過(guò)程中最大的工序瓶頸，尤其在煤礦機(jī)械市場(chǎng)需求量井噴時(shí)期，嚴(yán)重制約煤機(jī)企業(yè)發(fā)展。從焊接操作人員考慮，對(duì)焊工技能要求高，預(yù)熱焊接環(huán)境惡劣。成本方面，制造成本增高，噸結(jié)構(gòu)件預(yù)熱成本高。效率方面，預(yù)熱時(shí)間增加，單部件預(yù)熱2-3次，每次2h。

2、中國(guó)專利201510227332.8公開了“一種80kg級(jí)低溫不預(yù)熱焊接高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)方法”，該專利在成分上添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5％的cr，0.1～0.4％的mo，還添加了0.03～0.05的ti；同時(shí)，在生產(chǎn)過(guò)程中，水冷后還需要進(jìn)行回火處理，大大提高了生產(chǎn)成本。

3、中國(guó)專利202211116605.8公開了“低碳當(dāng)量q690級(jí)別調(diào)質(zhì)鋼的不預(yù)熱焊接方法”，該專利針對(duì)690mpa級(jí)別的低合金鋼設(shè)計(jì)了一種焊接方案。為了實(shí)現(xiàn)不預(yù)熱焊接，采用了嚴(yán)格的焊接工藝，如中道間溫度控制在100-150℃，v型坡口鈍邊2-3mm，組隊(duì)間隙1.5-2mm等等，這些要求大多只能停留在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段，不適用于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用，例如煤礦機(jī)械生產(chǎn)焊接組裝時(shí)，實(shí)際的道間溫度通常都要大于200℃，該專利設(shè)計(jì)參數(shù)操作難度較大且適用范圍小，成本較高。

4、中國(guó)專利201510407828.8公開了“屈服強(qiáng)度690mpa級(jí)橋梁用結(jié)構(gòu)鋼板及其生產(chǎn)方法”，該專利為了讓鋼板強(qiáng)度達(dá)到690mpa級(jí)別，在成分上添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3％的cr，0.3％的mo和0.25％的ni，合金成本過(guò)高，雖然采用了單道次大壓下，如粗軋道次壓下率≥15％，精軋道次壓下率≥18％，但是沒有與快速冷卻相配合，冷卻速度采用3-9℃/s，使大壓下后細(xì)小的變形晶粒得到回復(fù)再結(jié)晶長(zhǎng)大，大大削弱了大壓下軋制的作用。

5、現(xiàn)有技術(shù)中，一方面通過(guò)改進(jìn)焊接工藝，實(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)械用鋼的不預(yù)熱焊接。另一方面通過(guò)成分設(shè)計(jì)，降低鋼中碳含量、提高合金元素含量，保證淬透性，在不影響鋼板強(qiáng)度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)鋼板的不預(yù)熱焊接，但是合金元素含量的提高會(huì)導(dǎo)致鋼板的成本急劇上升。因此，有必要設(shè)計(jì)一種更低成本，在不需要額外改進(jìn)焊接技術(shù)的前提下，滿足環(huán)境溫度在5℃以上時(shí)無(wú)預(yù)熱焊接的煤礦機(jī)械用鋼，來(lái)同時(shí)提高鋼廠和用戶的經(jīng)濟(jì)效益。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于提供一種低成本690mpa級(jí)別不預(yù)熱焊接煤礦機(jī)械用鋼及其制造方法，成分設(shè)計(jì)上采用較低的c含量設(shè)計(jì)，不添加ni，cr，mo等貴重合金元素，在工藝上不需要進(jìn)行回火的情況下，就可以獲得鋼板屈服強(qiáng)度≥690mpa，抗拉強(qiáng)度≥770mpa，-20℃沖擊功在210～380j，環(huán)境溫度在5℃以上時(shí)實(shí)現(xiàn)不預(yù)熱焊接。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

3、一種低成本690mpa級(jí)別不預(yù)熱焊接煤礦機(jī)械用鋼，其化學(xué)成分重量百分比為：c：0.04～0.08％，si：0.35～0.55％，mn：1.4～1.8％，p≤0.008％，s≤0.003％，nb：0.035～0.055％，ti：0.006～0.020％，b：0.0014～0.0022％，al：0.020～0.030％，余量包含fe及其它不可避免的雜質(zhì)；且需要同時(shí)滿足：

4、焊接裂紋敏感指數(shù)pcm≤0.20％；

5、碳當(dāng)量cev≤0.40％。

6、進(jìn)一步，余量為fe及其它不可避免的雜質(zhì)。

7、本發(fā)明所述鋼的顯微組織為針狀鐵素體和少量粒狀貝氏體，其中，粒狀貝氏體含量為5％～15％，原始奧氏體平均晶粒尺寸≤12μm，所述針狀鐵素體平均長(zhǎng)度為8～12μm，平均寬度為0.8～3μm。

8、本發(fā)明所述鋼的屈服強(qiáng)度≥690mpa，抗拉強(qiáng)度≥770mpa，-20℃沖擊功為210～380j。

9、本發(fā)明所述鋼在環(huán)境溫度在5℃以上時(shí)可以實(shí)現(xiàn)不預(yù)熱焊接。

10、在本發(fā)明的成分設(shè)計(jì)中：

11、c：在本發(fā)明鋼中，c可以穩(wěn)定奧氏體，提高淬透性從而提高鋼板的強(qiáng)度。但c含量的上升會(huì)使脆性相增加，大幅提高碳當(dāng)量cev和焊接裂紋敏感指數(shù)pcm，從而嚴(yán)重影響鋼板的韌性和焊接性，因此，本發(fā)明中將c含量控制在0.04～0.08％。

12、si：在本發(fā)明鋼中，si可以固溶強(qiáng)化，提高鋼的耐蝕性能，但si含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致鋼表面脫碳嚴(yán)重，降低焊接性能，因此，本發(fā)明中將si含量控制在0.35～0.55％。

13、mn：在本發(fā)明鋼中，mn可以提高鋼的強(qiáng)度、硬度和淬透性，起到固溶強(qiáng)化的作用，但是mn含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致鋼偏析嚴(yán)重同時(shí)成本過(guò)高，因此，本發(fā)明中將mn含量控制在1.4～1.8％。

14、微ti-b處理：在本發(fā)明鋼中，b可以大大提高鋼馬氏體或貝氏體臨界冷速?gòu)亩岣咪摰拇阃感?，但b含量超過(guò)0.003％會(huì)在晶界形成碳化物影響韌性，因此，本發(fā)明將b含量控制在0.0014～0.0022％。同時(shí)為保證b元素在鋼中保持足夠的酸溶b形態(tài)，添加0.006～0.020％的ti來(lái)固定鋼中的n，防止bn的形成以保證有效b含量，還能在軋制時(shí)析出ti(c，n)來(lái)細(xì)化晶粒，提高鋼的強(qiáng)度和韌性。

15、nb：在本發(fā)明鋼中，nb主要起到細(xì)化晶粒的作用，一方面在精軋過(guò)程中，通過(guò)形變誘導(dǎo)析出nb(c，n)來(lái)細(xì)化奧氏體晶粒，同時(shí)析出的碳化物釘扎位錯(cuò)還能起到析出強(qiáng)化的作用；另一方面在線淬火時(shí)阻止晶粒長(zhǎng)大，進(jìn)一步細(xì)化晶粒。過(guò)多的nb細(xì)化晶粒作用并不明顯，反而提升成本，因此，本發(fā)明將nb含量控制在0.035～0.055％。

16、al：添加al可以有效的防止鋼中碳化物的形成，有利于奧氏體中碳的固溶，提高冷卻過(guò)程中奧氏體的穩(wěn)定性，對(duì)改善鋼板的韌性大有益處。但若鋼中的鋁含量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致鋼在冶煉和澆注的難度增大，制造成本上升，形成過(guò)度的氧化物惡化鋼板質(zhì)量。因此，本發(fā)明將al含量控制在0.020～0.030％。

17、本發(fā)明利用了nb、ti等微合金元素的細(xì)化和強(qiáng)化晶粒特點(diǎn)，原始奧氏體平均晶粒尺寸≤12μm，所述針狀鐵素體平均長(zhǎng)度為8～12μm，平均寬度為0.8～3μm，保留變形晶粒在高溫時(shí)的組織形態(tài)，在減少碳含量，不使用貴重合金元素ni、cr、mo的前提下，保證了鋼板擁有良好的力學(xué)性能和優(yōu)異焊接性能，屈服強(qiáng)度≥690mpa，抗拉強(qiáng)度≥770mpa，-20℃沖擊功為210j～380j。由于碳含量和合金元素含量的降低，可以確保碳當(dāng)量cev和焊接裂紋敏感指數(shù)pcm保持在較低水平，保持鋼板的焊接性能良好，使鋼板可以滿足環(huán)境溫度在5℃以上時(shí)實(shí)現(xiàn)不預(yù)熱焊接，大大節(jié)省了預(yù)熱成本，提高了生產(chǎn)效率。

18、本發(fā)明所述低成本690mpa級(jí)別不預(yù)熱焊接煤礦機(jī)械用鋼的制造方法，包括如下步驟：

19、1)冶煉、精煉

20、按照上述成分冶煉、精煉、鑄造成坯；

21、2)板坯加熱

22、加熱溫度：1100～1200℃，保溫時(shí)間：1～2h；

23、3)軋制

24、粗軋開軋溫度：900～1100℃，粗軋階段單道次軋制壓下率大于20％；

25、精軋開軋溫度：830～850℃，精軋階段單道次軋制壓下率大于25％，終軋溫度：770～800℃；

26、4)冷卻

27、開冷溫度：740～760℃，停冷溫度：300～360℃，冷卻速度≥60℃/s。

28、優(yōu)選的，步驟4)中，所述冷卻采用水冷。

29、進(jìn)一步，鋼板停冷后空冷至室溫。

30、在本發(fā)明的制造方法中：

31、軋制分為粗軋和精軋，粗軋開軋溫度為900～1100℃，粗軋階段單道次軋制壓下率大于20％，使原奧氏體晶粒充分破碎細(xì)化；精軋開軋溫度為830～850℃，精軋階段單道次壓下率大于25％，采用大壓下軋制，奧氏體晶粒沿軋制方向伸長(zhǎng)，同時(shí)向晶粒內(nèi)導(dǎo)入大量變形帶，晶界面積增加，增加奧氏體中位錯(cuò)密度形核點(diǎn)，位錯(cuò)為碳、氮等小原子的擴(kuò)散提供了快速通道，碳、氮原子容易偏聚于位錯(cuò)塞積處，在位錯(cuò)纏積處誘導(dǎo)ti(c，n)和nb(c，n)形變析出，這種彌散細(xì)小的金屬碳氮化物能更有效地釘扎位錯(cuò)，進(jìn)一步阻礙晶粒的長(zhǎng)大，確保顯微組織中原始奧氏體平均晶粒尺寸≤12μm，產(chǎn)生形變強(qiáng)化，細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化。終軋溫度控制在770～800℃，嚴(yán)格控制終軋溫度有利于使前面細(xì)小的變形晶粒來(lái)不及發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，增加變形抗力產(chǎn)生形變強(qiáng)化，還不會(huì)析出先共析鐵素體，從而同時(shí)提高鋼板的強(qiáng)度與韌性。

32、冷卻過(guò)程中，控制開冷溫度為740～760℃，停冷溫度為300～360℃，冷卻速度大于常規(guī)鋼板冷卻速度，提高鋼板冷卻時(shí)的過(guò)冷度，控制冷卻速度大于60℃/s，采用水冷的話，需要保證大水量且均勻冷卻，有利于提高形核率細(xì)化晶粒，使軋制變形晶粒以貝氏體形態(tài)保留到室溫。

33、采用較高的冷卻速度使變形晶粒在高溫時(shí)的組織形態(tài)來(lái)不及發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶就冷卻下來(lái)，停冷溫度為300～360℃后空冷使得鋼板殘余應(yīng)力得到釋放但不會(huì)讓晶粒得以長(zhǎng)大，起到自回火的效果，最終得到極細(xì)的超低碳針狀鐵素體及少量粒狀貝氏體組織(粒狀貝氏體含量為5％～15％)，針狀鐵素體平均長(zhǎng)度為8～12μm，平均寬度為0.8～3μm，細(xì)小的針狀鐵素體保障了鋼板的強(qiáng)度，同時(shí)，控制粒狀貝氏體含量在5％～15％保證充足的強(qiáng)度基礎(chǔ)上又保證了鋼具有良好的韌性，有利于鋼板強(qiáng)度和韌性的最佳匹配。

34、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

35、本發(fā)明在成分設(shè)計(jì)上，利用了nb、ti等微合金元素的細(xì)化和強(qiáng)化晶粒特點(diǎn)，保留變形晶粒在高溫時(shí)的組織形態(tài)，保證了鋼板擁有良好的力學(xué)性能和優(yōu)異焊接性能，屈服強(qiáng)度≥690mpa，抗拉強(qiáng)度≥770mpa，-20℃沖擊功為210j～380j。與現(xiàn)有的690mpa級(jí)別不預(yù)熱焊接煤礦機(jī)械用鋼相比減少了碳含量，并且不用添加ni、cr、mo等貴重合金元素，降低了成本。由于碳含量和合金元素含量的降低，可以確保碳當(dāng)量cev和焊接裂紋敏感指數(shù)pcm保持在較低水平，保持鋼板的焊接性能良好，使鋼板可以滿足環(huán)境溫度在5℃以上時(shí)實(shí)現(xiàn)不預(yù)熱焊接，大大節(jié)省了預(yù)熱成本，提高了生產(chǎn)效率。

36、在成分設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明在軋制工藝中采用單道次大壓下軋制，粗軋階段單道次軋制壓下率大于20％，精軋階段單道次壓下率大于25％，增加奧氏體中位錯(cuò)密度形核點(diǎn)，在位錯(cuò)纏積處誘導(dǎo)ti(c，n)和nb(c，n)形變析出，進(jìn)一步阻礙晶粒的長(zhǎng)大，顯微組織中原始奧氏體平均晶粒尺寸≤12μm，產(chǎn)生形變強(qiáng)化，細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化。后續(xù)結(jié)合快速冷卻，控制冷卻速度≥60℃/s，以及終軋溫度、冷卻溫度的控制，保留變形晶粒在高溫時(shí)的組織形態(tài)，并使變形晶粒以貝氏體形態(tài)保留到室溫，使得鋼板殘余應(yīng)力得到釋放但不會(huì)讓晶粒得以長(zhǎng)大，起到自回火的效果，最終得到極細(xì)的超低碳針狀鐵素體及少量粒狀貝氏體組織(粒狀貝氏體含量為5％～15％)，針狀鐵素體平均長(zhǎng)度為8～12μm，平均寬度為0.8～3μm，細(xì)小的針狀鐵素體保障了鋼板的強(qiáng)度，使鋼板擁有良好的力學(xué)性能和優(yōu)異焊接性能。

37、而常規(guī)tmcp工藝生產(chǎn)同規(guī)格的鋼板，單道次壓下率一般控制在10～15％，冷卻速度最高也僅有20～30℃/s。本發(fā)明通過(guò)將粗軋階段單道次壓下率提高到20％以上，精軋階段單道次壓下率提高到25％以上，結(jié)合快速冷卻，冷卻速率提高至60℃/s以上，充分提高組織細(xì)化程度和形變強(qiáng)化效果，進(jìn)而減少碳和合金元素的含量，實(shí)現(xiàn)最大化降低碳當(dāng)量cev和焊接裂紋敏感指數(shù)pcm。不需要通過(guò)后續(xù)熱處理來(lái)進(jìn)行強(qiáng)化，避免同類型鋼板采用調(diào)質(zhì)或者回火造成的能源浪費(fèi)及成本過(guò)高問題，大大降低了成本，生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單，提高了生產(chǎn)效率。