一種低焊接裂紋敏感性鋼板及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于冶金制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種屈服強度690MPa的低焊接裂紋敏感性鋼 板及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著工程機械、煤礦機械向裝備大型化、輕量化、重載荷等方向發(fā)展，使用鋼板強 度由傳統(tǒng)的屈服強度460級別向550、690MPa高強鋼發(fā)展，而且高強鋼板用量呈現(xiàn)不斷增加 的趨勢。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)有介紹貝氏體高強鋼、低裂紋敏感性鋼板的文獻。
[0004] 中國專利CN1218115公開了 "銅硼系低碳及超低碳貝氏體高強鋼"，其成分設(shè)計上 采用超低碳至低碳、銅及Nb的復(fù)合加入，利用銅硼等元素促使貝氏體相變，同時利用ε和Nb、 Ti復(fù)合沉淀析出作用獲取高強度;不足之處是添加了Cu元素，含量在0.5%左右，成本高，而 且增加了冶煉和連鑄難度，如果加熱溫度不當(dāng)，鋼板表面很容易出現(xiàn)龜裂等缺陷，所能生產(chǎn) 的鋼板厚度僅在16mm以下。
[0005] 中國專利CN102888565A公開了"一種屈服強度690MPa級高強度鋼板及其制造方 法"，其化學(xué)成分為〇:0.04~0.09%、51 :0.25~0.50%、]?11:1.4~1.7%、？：<0.020%、5 :< 0.010%、Cr < 0.45%、Mo < 0.20%、Nb:0.04~0.05%、V:0.05~0.07%、Ti :0.005~ 0.020%、B: 0.0005~0.0025%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。采用低碳微合金化設(shè)計，通過 TMCP+回火工藝，獲得了細化貝氏體為主的基體組織，從而獲得了強度、塑性和韌性的良好 匹配，不足之處是合金設(shè)計同時增加了 Cr、Mo和V，合金成本上升，且需采用回火工藝來彌補 伸長率低問題，增加熱處理成本及影響交貨及時度。
[0006] 中國專利CN102345061A公開了 "一種Q690D優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中厚板及其生產(chǎn)方法"，化 學(xué)成分為C:0.05~0.15wt%、Si:0.20~0.40 wt%、Mn:1.40~1.65 wt%、P:<0.010 wt%、S: < 0.005 wt%、Nb或/和V或/和Ti:0.05 ~0.20wt%、Mo:0.10 ~0.30wt%、B:0.05 ~ 0.15wt%、Als: < 0.050 wt%，余為Fe。采用TMCP和控制冷卻技術(shù)獲得了強度韌性塑性良好匹 配的以貝氏體為主的鋼板。不足之處是需添加貴重合金Mo,合金成本上升，且韌性只滿足-20°C，不能達到更高韌性鋼種要求。
[0007] 中國專利CN104357755A公開了一種適于低溫下使用的大厚度、高強度鋼板及其制 造方法，化學(xué)成分為C: 0 · 08~0 · 15%，Si : 0 · 15~0 · 35%，Μη: 0 · 95~1 · 25%，P: < 0 · 01%，S: < 0.005%，Cr:0.35~0·55%，Μο:0.35~0.55%，Ni:0.8~1.5%，Cu:0.20~0.40%，A1:0.02~ 0·08%，ν:0·03~0.05%，Nb:0.02~0.04%，Ti : <0·02%，Ν: <0·006%，Β:0·0008~0.002%，余 量為Fe及不可避免的雜質(zhì)元素。所述鋼板的制造工藝流程為冶煉、連鑄-加罩緩冷-帶溫 清理-加熱-乳制-空冷和矯直-緩冷-調(diào)質(zhì)處理，通過添加貴重Mo、Cu、Ni并采用離線調(diào) 質(zhì)工藝才能達到屈服強度550MPa，-60°C沖擊2 100J的性能。
[0008] 由以上可見，現(xiàn)有技術(shù)中要獲得高韌性的屈服強度690MPa級工程機械用高強度鋼 板主要以固溶強化、析出強化為主來提高強度，添加貴重的Cu、Mo、V等合金元素，工藝方面 需采用回火或調(diào)質(zhì)。焊接時需不同程度的焊前預(yù)熱和焊后熱處理，不僅增加了鋼企的生產(chǎn) 成本，同時又增加了下游用戶的生產(chǎn)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為克服上述的技術(shù)缺點，本發(fā)明提供一種低焊接裂紋敏感性鋼板及其制造方法， 它采用Si-Mn-Nb-Ti-Cr-Al-B系低成本成分設(shè)計，通過控制熱機械乳制和冷卻技術(shù)，無需回 火處理，不需添加昂貴的Mo、V等合金，制備了一種屈服強度達690MPa級的具有-60°C低溫超 高韌性和焊接裂紋敏感性指數(shù)低鋼板，具有成本低廉、強度高、僅TMCP無需回火處理等特 點。
[0010] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方法是:一種低焊接裂紋敏感性鋼板，通過 公式 Pcm = C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B 來確定焊接裂紋敏感性指數(shù) Pcm，其化學(xué)成分及重量百分?jǐn)?shù)wt. %為：C:0.03~0.09%、Si:0.20~0.60%、Mn:1.40~ 1.80%、P < 0.020%，S < 0.005%，Cr:0.15~0.45%、Nb:0.03~0.06%、Ti :0.006~ 0.04%、Als:0.015~0.04%、B:0.0008~0.003%、As<0.04%、Sn<0.03%、N<0.005%、0< 0.003%、H < 0.0002%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì);焊接裂紋敏感系數(shù)Pcm < 0.25%，屈服強 度2 690MPa、抗拉強度2 770MPa、伸長率2 15%，夏氏沖擊功Akv (-40°C)大于100J; 其中碳是傳統(tǒng)的鋼的強化元素，但它對韌性和焊接性十分有害，碳含量小于0.1%時具 有良好的焊接性，而隨著微合金化和控乳控冷等技術(shù)的發(fā)展，使得含碳量降低的同時還能 保持其較高強韌性，但當(dāng)鋼的含碳量<0.01%時，由于間隙碳原子的減少和Nb、C、N的沉淀析 出減少而弱化了晶界，使熱影響區(qū)晶界相對脆化，從綜合性能出發(fā)，碳含量范圍定在0.03%~ 0.09%； Si主要起固溶強化作用，煉鋼過程中加 Si作為還原劑和脫氧劑;Si含量增加可使鋼的 硬度和強度增加，但塑性及韌性下降并降低鋼的焊接性能，本發(fā)明控制其范圍在0.20~ 0.60% ； Μη主要起固溶強化的作用，在碳含量相同的情況下，隨著Μη含量的增加，強度增加，且 韌性不惡化，固溶在奧氏體中的Μη通過溶質(zhì)拖曳效應(yīng)，降低擴散相變的相變驅(qū)動力，一方面 抑制了鐵素體相變，另一方面抑制了貝氏體板條的端面擴散控制長大，細化了貝氏體板條， 提高了鋼板的強度和韌性，所以Μη是不可缺少的元素，但Μη含量過高，造成鋼板帶狀組織嚴(yán) 重，增強各向異性，本發(fā)明控制其范圍在1.4 0~1.8 0 %， S易與Μη結(jié)合生成MnS夾雜，影響鋼材的低溫沖擊韌性;磷在鋼材中是容易造成偏析的 元素，它還會惡化焊接性能，顯著降低鋼的低溫沖擊韌性，提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度，因此，P、S元 素應(yīng)盡量去除，P < 0 · 020%，S < 0 · 005%; 而由于As、Sn元素它們的電負性因素和尺寸因素，使得它們極易在晶界偏聚，降低晶界 內(nèi)聚力，對宏觀性能的影響為鋼材的斷裂功減小，沖擊韌性明顯降低，因此，應(yīng)該對其含量 予以特別地適當(dāng)控制； 鈮是取得良好的控乳效果最有效的微合金化元素之一，通常含鈮鋼加熱到1200°C以 上、均熱2H后，鋼中鈮可固溶于奧氏體中，這種固溶鈮在加熱過程中可以阻礙奧氏體晶粒長 大，在乳制中會在位錯、亞晶界、晶界上沉淀析出鈮的碳、氮化物，阻礙奧氏體動態(tài)再結(jié)晶， 細化晶粒，提尚強度，提尚鋼板初性； Cr固溶在鋼中，提高鋼板的淬透性，Cr是碳化物形成元素，會形成細小的碳化物，提高 鋼板的強度，Cr固溶在鋼中，提高鋼板的淬透性，本發(fā)明中加入0.15~0.45%的Cr，保證鋼 板的強度和沖擊功； Ti的作用主要是其未溶解的碳、氮化物顆粒分布在奧氏體晶界上，用微Ti來固定鋼中 的氮，由于形成難溶的TiN而消除了鋼中的自由氮，從而改善鋼的韌性，TiN可阻礙鋼在熱加 工前的加熱過程中奧氏體晶粒長大，提高奧氏體狀態(tài)下鈮的固溶度，進一步發(fā)揮鈮的細化 晶粒和沉淀強化作用，另外，微量Ti可以防止在焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)粗晶，保證在焊接熱影響 區(qū)具有高韌性，Ti的加入量過多，會形成對韌性不利的TiC，因此，實際生產(chǎn)中Ti含量控制在 0 · 006-0 · 030%，N 含量控制在 0 · 001-0 · 005%; A1在較高溫度時和鋼中N形成細小而彌散的A1N析出，抑制晶粒長大，達到細化晶粒、提 高鋼在低溫下的韌性的目的，本發(fā)明中加入〇. 015~0.04%的A1細化晶粒，提高鋼板的韌性 并保證其焊接性能， B在鋼中的位錯和缺陷處富集，降低晶界能量，抑制了鐵素體轉(zhuǎn)變，促進了鋼在中溫區(qū) 域的貝氏體轉(zhuǎn)變，增加了鋼板強度，B含量較低時，對貝氏體相變的促進效果不明顯，B元素 過高，會導(dǎo)致晶界強度大幅降低，形成"硼脆"現(xiàn)象，因此，本發(fā)明中B的加入量為0.0008~ 0.003% ； 0以A1203、Si02夾雜物形式存在于鋼中，Η則會造成氫脆，影響鋼板的韌性，因此均需 控制，本發(fā)明中要求〇 < 〇. 003%，Η < 0.0002%。
[0011] 制備低焊接裂紋敏感性鋼板的方法，其步驟是： 第一步:鑄坯工序，通過冶煉一精煉一連鑄工序后，保證鋼中的成分和純凈度，在連鑄 過程中采用電磁攪拌、動態(tài)輕壓下或電磁+輕壓下等方式保證鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，連鑄坯的疏松 和偏析< Β1級(按照ΥΒ/Τ 4003"連鑄鋼板坯低倍組織缺陷評級圖"評級）； 第二步:鑄坯加熱工序，對堆冷后的鑄坯進行加熱;加熱整體時間按鑄坯厚度計時率2 8min/cm控制，其中，加熱段控制溫度1150-1280°C，均熱段控制溫度1230-1250°C; 第三步:乳制及冷卻工序，對加熱后鑄坯進行粗乳、精乳，然后控制冷卻，通過奧氏體再 結(jié)晶區(qū)范圍內(nèi)粗乳細化奧氏體晶粒，乳制溫度980~1100°C、后兩道的單道次壓下率大于 15%、粗乳總變形率2 50%;變形中累計的位錯會提高鋼板內(nèi)部缺陷能，使鋼板發(fā)生動態(tài)再結(jié) 晶和靜態(tài)再結(jié)晶，細化奧氏體晶粒，在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)進行精乳，獲得壓扁的變形奧氏 體；控制精乳速度1.5~6m/s、鋼板開乳溫度840-920°C，終乳溫度770-820°C、道次壓下量 為4-30%，精乳總變形率為60~75%，制得精乳板件;精乳累積壓下率大于60%，通過在未再 結(jié)晶區(qū)大變形量，提高位錯密度，同時碳氮化物在位錯處發(fā)生應(yīng)變誘導(dǎo)析出，釘扎了位錯的 運動，為下一步冷卻過程做好組織準(zhǔn)備，對精乳板件進行快速水冷，鋼板以15~35°C/s的速 度冷卻至< 350°C，出水后空冷，制得板件，采用高冷卻速度，避開了鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變 區(qū)，獲得細化的位錯密度高的細小板條貝氏體組織，在高冷卻速度和低的終冷溫度條件下， 貝氏體以高的形核速率和較慢的長大速度形成，轉(zhuǎn)變的奧氏體形成細小彌散Μ組元分布在 貝氏體基體上，保證了鋼板的強度和韌性； 第四步:獲得工程用鋼材成品。
[0012] 在所述第三步中鋼板終乳結(jié)束后空冷，馳豫一段時間，弛豫時間為25~35s，使碳 氮化物在位錯和亞晶界處形成彌散而細小析出，馳豫后進行加速冷卻。
[0013] 所述第四步中鋼材成品最大厚度為40mm。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是:生產(chǎn)出來的鋼板屈服強度2 690MPa、抗拉強度2 770MPa、伸 長率2 14%、夏氏沖擊功Akv(-60°C) 2 100J，焊接裂紋敏感性指數(shù)Pcm<0.25%，焊前無需預(yù) 熱，具有優(yōu)良的焊接性能，而且制作過程不需進行任何額外的熱處理，從而簡化了制造工 序，降低了鋼板的制造成本，