CN102605293A - 低温韧性优异的非调质低裂纹敏感性钢板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温韧性优异的非调质低焊接裂纹敏感性钢及其生产方法，本发明钢的化学成分及重量百分比为：C：0.05～0.09％，Si：0.15～0.30％，Mn：1.40～1.70％，P：≤0.015％，S：≤0.007％，Ni：0.10～0.15％，Cr：0.10～0.18％，Mo：0.10～0.20％，Nb：0.02～0.04％，V：0.02～0.05％，Ti：0.01～0.02％，Al：≤0.03％，N：0.003～0.007％，余量为Fe及不可避免杂质；钢的化学成分还必须满足：Ti/N在2.0～3.0之间；Pcm≤0.18％，采用控制轧制与控制冷却技术，不需进行任何额外热处理工艺，生产出的钢板焊接裂纹敏感性低、强度高，低温冲击性能优异，抗裂性能好，可广泛应用于极寒地区能源工程建设。

Description

低温韧性优异的非调质低裂纹敏感性钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于属低合金高强钢制造领域，特别涉及一种低温韧性优异的非调质低裂纹敏感性钢板及其生产方法。

背景技术

由于能够简化焊接工艺和提高焊接效率，低焊接裂纹敏感性钢广泛应用于水电站压力钢管、工程机械、铁路、桥梁及高层建筑等对焊接性要求较高的领域。

目前，610MPa级别钢板(抗拉强度＞610MPa，屈服强度＞500MPa)是市场上应用量最大的品种之一，该类钢板一般只能满足-20℃冲击功要求(D级)；但随着极寒地区能源工程建设的兴起，市场急需能够满足-60℃冲击功(F级)要求的钢板，以保证工程结构安全。

在本发明前，专利CN1396294、CN101096738、CN1932063和CN101096738涉及的钢种普遍采用调质或回火等热处理工艺生产，能耗及成本高，且在保证板型和表面质量方面投入大。专利CN101481774采用热机械轧制及控制冷却技术，省去了后续热处理过程，缩短了生产流程；但同时该专利技术有以下两个缺点：1)精轧开轧温度过低，轧机负荷大，板形控制难度大；2)添加的硼(B)容易发生偏聚，常常会导致钢板化学成分不均匀和性能不稳定，影响成材率。此外，上述专利钢种只能满足D级冲击韧性要求。专利CN 101619423A公开了一种高强韧低屈强比易焊接结构钢板及制造方法，虽然其冲击韧性可满足-40℃要求(E级)，但由于其焊接裂纹敏感性指数高达0.21％，因此并不属于低裂纹敏感性钢。

综上，目前市场上还没有能够满足F级冲击韧性要求的低裂纹敏感性钢板，尤其是强度610MPa级别钢种。

发明内容

本发明的目的是提供一种低温韧性优异的非调质低裂纹敏感性钢板及其生产方法。该发明钢板综合性能优良，抗拉强度＞610MPa、屈服强度＞500MPa、Akv-60℃≥178J、焊接裂纹敏感指数Pcm≤0.18％、抗裂性能好、冷热加工能力好，可应用于极寒地区能源工程建设。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供的低温韧性优异的非调质低焊接裂纹敏感性钢板包括的化学成分(按重量百分比)：C 0.05～0.09％，Si 0.15～0.30％，Mn 1.40～1.70％，P≤0.015％，S≤0.007％，Ni 0.10～0.15％，Cr 0.10～0.18％，Mo 0.10～0.20％，Nb 0.02～0.04％，V 0.02～0.05％，Ti 0.01～0.02％，Al≤0.03％，N 0.003～0.007，余量为Fe及不可避免杂质；钢的化学成分还必须满足：Ti/N在2.0～3.0之间；

Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cr+Cu)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.18％。

发明钢中各化学元素限定量的理由详述如下：

C：虽可提高强度，但对焊接性能和低温韧性不利，含量越高，焊接性能越差；降低含量既可降低Pcm指数，也可提高焊接性能，因此本发明C含量控制为0.05～0.09％。

Si：主要以固溶强化形式提高钢材强度，但过多加入会导致钢的韧性降低，本发明Si含量控制为0.15～0.30％。

Mn：提高强度和韧性的有效元素，对贝氏体转变有极大的促进作用，在低碳条件下效果更显著。但Mn含量过高，如大于2％时对韧性有害，本发明Mn含量控制为1.40～1.70％。

P、S：杂质元素，本发明P、S含量控制为P≤0.015％，S≤0.007％。

Nb：显著提高奥氏体非再结晶温度，同时能细化晶粒，改善钢材的强度和韧性；极微量的Nb就能显著细化钢板晶粒并提高强度，本发明Nb含量控制为0.02～0.04％。

Ti：主要作用是固氮，形成一定数量和尺寸TiN粒子来抑制焊接过程中粗晶热影响区奥氏体晶粒的粗化，达到改善焊接热影响区的冲击韧性；其含量控制在0.01～0.02％较适宜。

N：主要作用是与Ti结合生成一定数量和尺寸TiN粒子来改善焊接热影响区的冲击韧性；其含量控制在0.003～0.007％，且Ti/N重量比在2.0～3.0之间效果最好。

Ni：主要用于改善低温韧性。作为贵重元素，含量过高时导致炼钢成本大幅增加，本发明Ni含量控制为0.10～0.15％。

Cr、Mo：提高钢的淬透性以提高钢的强度，根据强度要求，本发明Cr、Mo含量控制为Cr 0.10～0.18％，Mo 0.10～0.20％。

V：强碳化物形成元素，通过细化晶粒与碳化物的形成提高钢材强度，本发明V含量控制为0.02～0.05％。

Al：可减少M-A组元数量及尺寸，减少固溶N量；其含量控制为≤0.03％。

Pcm：焊接裂纹敏感指数，是反映钢的焊接冷裂纹倾向的判定指标，本发明钢的焊接裂纹敏感指数Pcm(C+Si/30+(Mn+Cr+Cu)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B)≤0.18％，焊接施工时不需要预热。

一种低温韧性优异的非调质低焊接裂纹敏感性钢板的生产方法，包含以下步骤：

1)冶炼及连铸：采用洁净钢生产工艺按以下质量百分比冶炼：C 0.05～0.09％，Si 0.15～0.30％，Mn 1.40～1.70％，P≤0.015％，S≤0.007％，Ni 0.10～0.15％，Cr0.10～0.18％，Mo 0.10～0.20％，Nb 0.02～0.04％，V 0.02～0.05％，Ti 0.01～0.02％，Al≤0.03％，N 0.003～0.007％，余量为Fe及不可避免杂质；

2)加热：轧制前钢坯的加热温度为1150～1200℃；加热温度不宜过高，否则会导致原始奥氏体晶粒尺寸粗大，恶化成品钢板的性能；

3)轧制：本发明采用两阶段控制轧制(粗轧+精轧)工艺；粗轧温度为1050～1100℃，累计压下率≥50％；精轧开轧温度为840～880℃，精轧结束温度为800～850℃，累计压下率≥60％，单道次压下率≥15％；

4)冷却：钢板进入加速冷却装置，以10～25℃/s的速度冷却至400～500℃，然后钢板出水后空冷至室温。

本发明的有益效果：(1)本发明钢板通过合理的成分和轧制工艺设计，在保证焊接冷裂纹敏感指数(Pcm≤0.18％)和高强度(抗拉强度≥610MPa；屈服强度≥500MPa)的前提下，获得了优良的低温韧性，其Akv-60℃≥178J，Akv-80℃≥128J；(2)本发明采用热机械控制轧制与控制冷却技术(TMCP+AcC)，不需进行任何额外热处理工艺，简化了生产工序，降低了生产成本；(3)本发明钢板综合性能优良，兼顾了高强度、优良低温韧性、低焊接裂纹敏感性，可广泛应用于极寒地区能源工程建设。

附图说明

图1为本发明40mm钢板金相组织图片

图2为本发明60mm钢板金相组织图片

具体实施方式

以下结合附图及若干较佳实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，但不限于此。

实施例1

冶炼钢坯化学成分为C 0.06％，Si 0.26％，Mn 1.48％，P 0.0076％，S 0.0045％，Ni 0.14％，Cr 0.18％，Mo 0.12％，Nb 0.03％，V 0.04％，Ti 0.016％，Al≤0.03％，N 0.006，余量为Fe及不可避免杂质，焊接裂纹敏感性指数Pcm＝0.166％。

轧制前钢坯的加热温度为1180℃并保温2小时；粗轧温度为1080℃，厚度压下量220→110mm；精轧开轧温度为860℃，终轧温度为820℃，厚度压下量110→40mm(压下率0.64)；轧后钢板进入加速冷却装置，以16℃/s的冷速冷却至475℃后钢板出水空冷至室温。

轧板屈服强度544Mpa，抗拉强度647Mpa，断后延伸率23.8％；轧板低温冲击性能见表1，Akv-60℃≥263J，且Akv-80℃≥242J。

实施例2

冶炼钢坯化学成分为C 0.07％，Si 0.23％，Mn 1.52％，P 0.0082％，S 0.0042％，Ni 0.12％，Cr 0.18％，Mo 0.15％，Nb 0.02％，V 0.02％，Ti 0.012％，Al 0.03％，N 0.0055，余量为Fe及不可避免杂质，焊接裂纹敏感性指数Pcm＝0.176％。

轧制前钢坯的加热温度为1180℃并保温2小时；粗轧温度为1080℃，厚度压下量320→160mm；精轧开轧温度为845℃，终轧温度为810℃，厚度压下量160→60mm(压下率0.62)；轧后钢板进入加速冷却装置，以22℃/s的冷速冷却至445℃后钢板出水空冷至室温。

轧板屈服强度537Mpa，抗拉强度653Mpa，断后延伸率25.8％；轧板低温冲击性能见表1，其Akv-60℃≥178J，且Akv-80℃≥128J。

表1实施例系列低温冲击性能

	实施例1(厚度40mm)	实施例2(厚度60mm)
			-20℃冲击功/J	360，356，361	353，215，329
-40℃冲击功/J	332，260，269	202，256，249
			-60℃冲击功/J	263，267，280	178，246，324
-80℃冲击功/J	302，241，242	137，160，128

冷热加工能力评价

钢板冷热加工性能好坏将会给工程应用环节的后续加工装配造成直接影响。本发明钢板的系列时效冲击试验结果见表2，表明钢板良好的冷热加工能力。抗裂性能

采用气体保护焊来进行斜Y坡口抗裂试验。焊接参数为：焊接电流260A，焊接电压30V，焊接速度240mm/min，保护气体Ar+20％CO2，热输入19kJ/cm，环境温度4℃，相对湿度55％，焊接材料为自制SHS-80实芯焊丝(Φ1.2mm)，焊前无预热，焊后无热处理。焊后放置48小时后观察断面，没有发现裂纹，表明该发明钢板抗裂性能好。

钢板焊接热影响区性能

采用热输入15～50kJ/cm的埋弧焊进行热影响区性能试验。焊接参数为：焊接电流450～750A，焊接电压29～36V，焊接速度320～520mm/min，焊丝H08C(Φ4mm)，焊剂SJ102D，环境温度9℃，相对湿度55％，焊前无预热，焊后无热处理，层间温度≤200℃。焊接热影响区冲击性能见表3，揭示了钢板在大热输入条件下优良的焊接性能。

由此可见，本发明通过适当的成分和轧制工艺设计获得了能够满足F级别冲击功要求的610Mpa级别低裂纹敏感性钢，该发明钢板冷热加工性能好、抗裂性能优良、较大热输入条件下焊接热影响区低温冲击韧性优良，可广泛应用于极寒地区能源工程建设领域。

Claims (5)

1.一种低温韧性优异的非调质低焊接裂纹敏感性钢板，其特征在于采用以下化学成分，按重量百分比为：C 0.05～0.09％，Si 0.15～0.30％，Mn 1.40～1.70％，P≤0.015％，S≤0.007％，Ni 0.10～0.15％，Cr 0.10～0.18％，Mo 0.10～0.20％，Nb0.02～0.04％，V 0.02～0.05％，Ti 0.01～0.02％，N 0.003～0.007％，Al≤0.03％，余量为Fe及不可避免杂质；钢的化学成分还必须满足：

2.0≤Ti/N≤3.0；

Pcm＝C+Si/30+(Mn+C叶Cu)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.18％。

2.根据权利要求1所述的一种低温韧性优异的非调质低焊接裂纹敏感性钢板，其特征在于：抗拉强度＞610Mpa，屈服强度＞500Mpa，Akv-60℃≥178J，断后延伸率＞23％。

3.根据权利要求1所述的一种低温韧性优异的非调质低焊接裂纹敏感性钢板，其特征在于：所述钢板成品厚度≤60mm。

4.根据权利要求1所述的一种低温韧性优异的非调质低焊接裂纹敏感性钢板，其特征在于该钢板按照以下方法生产的：

1)在冶炼、浇铸工序中，按照权利要求1所述的化学成分重量百分比冶炼、浇铸成板坯；

2)在加热工序中，板坯加热温度控制在1150～1200℃之间，保温时间2～2.5h；

3)在轧制工序中：采用两阶段控制轧制，粗轧控制在1050～1100℃之间，累计压下率≥50％；精轧开轧温度在840～880℃之间，精轧结束温度在800～850℃之间，累计压下率≥60％，单道次压下率≥15％；

4)在冷却工序中：轧后钢板进入加速冷却装置，以10～25℃/s的速度冷却至400～500℃，然后钢板出水空冷至室温。

5.一种低温韧性优异的非调质低焊接裂纹敏感性钢板的生产方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在冶炼、浇铸工序中，按照重量百分比为：C 0.05～0.09％，Si 0.15～0.30％，Mn 1.40～1.70％，P≤0.015％，S≤0.007％，Ni 0.10～0.15％，Cr 0.10～0.18％，Mo0.10～0.20％，Nb 0.02～0.04％，V 0.02～0.05％，Ti 0.01～0.02％，N 0.003～0.007％，Al≤0.03％，余量为Fe及不可避免杂质的化学成分冶炼、浇铸成板坯；

2)在加热工序中，板坯加热温度控制在1150～1200℃之间，保温时间2～2.5h；

3)在轧制工序中：采用两阶段控制轧制，粗轧控制在1050～1100℃之间，累计压下率≥50％；精轧开轧温度在840～880℃之间，精轧结束温度在800～850℃之间，累计压下率≥60％，单道次压下率≥15％；

4)在冷却工序中：轧后钢板进入加速冷却装置，以10～25℃/s的速度冷却至400～500℃，然后钢板出水空冷至室温。

Images