CN103014553B

CN103014553B - 一种屈服强度630MPa级高强度高韧性钢板及其制造方法

Info

Publication number: CN103014553B
Application number: CN201110287705.2A
Authority: CN
Inventors: 张爱文; 焦四海; 张庆峰
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2031-09-26
Also published as: CN103014553A

Abstract

本发明涉及一种高强度高韧性钢板，其化学成分的重量百分比为：C：0.035-0.06％，Si：0.15-0.30％，Mn：1.5-1.65％，P≤0.015％，S≤0.005％，Al：0.015-0.04％，Nb：0.035-0.045％，Ti：0.01-0.02％，Cr：0.20-0.40％，Mo：0.20-0.30％，Ni≤0.25％，N≤0.006％，O≤0.004％，Ca≤0.005％，Ca/s≥1.5，余量为铁和不可避免杂质。其制造方法，包括：连铸坯或钢坯于1150-1220℃加热后在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行多道次轧制，总压下率≥70％，终轧温度≥860℃；轧后钢板以15-50℃/s快速水冷至Ms以下温度区间，空冷5-60s；冷却的钢板进入在线感应加热炉以1-10℃/s快速加热至555-615℃回火40-60s，然后出炉空冷。得到的10-25mm钢板的纵向、横向屈服强度≥630MPa，延伸率A₅₀≥20％，-60℃的A_kv≥200J，适合用于制造长距离输送管线。

Description

一种屈服强度630MPa级高强度高韧性钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种管线输送用热轧钢板，具体地说是涉及一种屈服强度630MPa级高强度高韧性管线输送用钢板及其制造方法。

背景技术

近年来，随着国际上长距离输送管线的快速发展，管线钢向高钢级发展已成趋势。传统的X70、X80已不能满足市场需求。现在国际上X90、X100、X120甚至X140都已经处于实用或者研发之中。在线热处理(回火)工艺除了可以缩短工艺流程，节省能源外，更主要的是使原先用TMCP工艺生产的钢板性能得到充分的提高，特别是解决了微合金钢由于未再结晶轧制导致的各向异性和屈强比过高的弊病，从而为生产高钢级管线钢板创造了条件。

目前，国内外已经有很多涉及高钢级管线钢的专利，如CN101165203A公开了一种超高强度高韧性X120管线钢及其制造方法，其成分为：C：0.015-0.06％，Si≤0.6％，Mn：1.8-2.5％，P≤0.015％，S≤0.003％，Al≤0.06％，Nb：0.043-0.15％，Ti：0.005-0.03％，V≤0.15％，B：0.0005-0.030％，N≤0.012％，以及Cu≤0.80％，Ni≤1.20％，Cr≤1.20％，Mo≤1.0％中的两种以上，1100-1250℃加热，再结晶900-1200℃，非再结晶720-940℃，终轧720-880℃，冷却3-30℃/s，终冷200-550℃，得到组织为贝氏体和马氏体的高强高韧X120钢板。

目前的X90级别及以上高钢级管线钢，其添加的合金元素较多，比如微合金元素Nb，一般添加0.04％以上，可能还要添加一定的V等；另外贵重合金元素如Cu、Ni、Cr和Mo的添加一般也比本发明高，所以其碳当量高以及焊接性不理想。

目前还需要提供焊接性提高的适合用于长距离输送管线的X90钢级的高强度高韧性管线用厚钢板。

发明内容

本发明的目的在于提供一种屈服强度在630MPa以上的高强度高韧性管线用钢板，特别是10-25mm厚度钢板。

为实现上述目的，本发明的屈服强度在630MPa以上的高强度高韧性钢板，其化学成分的重量百分比为：C：0.035-0.06％，Si：0.15-0.30％，Mn：1.5-1.65％，P≤0.015％，S≤0.005％，Al：0.015-0.04％，Nb：0.035-0.045％，Ti：0.01-0.02％，Cr：0.20-0.40％，Mo：0.20-0.30％，Ni≤0.25％，N≤0.006％，O≤0.004％，Ca≤0.005％，Ca/S≥1.5，余量为铁和不可避免杂质。

优选地，C：0.035-0.059％。

优选地，Si：0.20-0.30％。

优选地，Mn：1.54-1.65％。

优选地，P≤0.01％。

优选地，S≤0.004％。

优选地，Al：0.02-0.035％。

优选地，Cr：0.24-0.36％。

优选地，Mo：0.21-0.25％。

优选地，Ni：0.18-0.22％。

优选地，Nb：0.036-0.044％。

优选地，Ti：0.012-0.019％。

优选地，Ca≤0.0047％。

优选地，N：0.003-0.005％，更优选0.003-0.004％。

优选地，Ceq≤0.45。

本发明中，除非另有指明，含量均指重量百分含量。

所述钢板的组织为贝氏体+马氏体(可能含有少量残余奥氏体)。

本发明的另一目的在于提供所述高强度管线钢中厚钢板的制造方法，该方法包括：

连铸坯或钢坯于1150-1220℃加热后在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行多道次轧制，总压下率≥70％，终轧温度≥860℃；

轧后钢板以15-50℃/s快速水冷至Ms(Ms＝561-474C-33Mn-17Cr-17Ni-21Mo)以下温度区间空冷5-60s；

冷却的钢板进入在线感应加热炉以1-10℃/s快速加热至555-615℃回火40-60s，然后出炉空冷。

优选地，在多道次轧制中，再结晶区压下率≥65％，未再结晶区压下率≥50％。

优选地，钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，模铸后需经初轧成钢坯。

优选地，终轧温度为860-900℃。

优选地，轧后钢板以15-50℃/s快速水冷至150-300℃。

本发明通过合适的成分设计和加热、轧制及轧后快速冷却和在线快速加热短时间回火工艺，获得组织为贝氏体+回火马氏体(可能含有少量残余奥氏体)。10-25mm厚钢板纵向、横向屈服强度≥630MPa，延伸率A₅₀≥20％，-60℃的A_kv≥200J，冷弯性能优良，满足了管线输送用钢要求。

附图说明

图1是本发明实施例1的10mm厚钢板的金相组织照片。

图2是本发明实施例4的25mm厚钢板的金相组织照片。

具体实施方式

以下，通过结合实施例对本发明的特点和效果进行较为详细的说明。

为实现本发明的提供屈服强度在630MPa以上的高强度高韧性管线用钢板，特别是10-25mm厚度钢板的目的，对主要化学成分进行如下控制：

碳：确保钢板强度的关键元素。一般管线用钢碳含量小于0.11％。碳通过固溶和析出强化来提高钢板强度，但碳对钢的韧性、塑性和焊接性有明显的害处，因此管线钢的发展总是伴随着碳含量的不断降低。对于韧性要求较高的管线用钢，一般碳含量低于0.08％。为了获得较高的低温冲击韧性，本发明采用很低的碳含量0.035-0.06％，优选为0.035-0.059％。

硅：钢中加硅能提高钢质纯净度和脱氧。硅在钢中起固溶强化作用。但硅含量过高会使钢板加热时的氧化皮粘度较大，出炉后除鳞困难，导致轧后钢板表面红色氧化皮严重，表面质量较差。且高硅不利于焊接性能。综合考虑硅各方面的影响，本发明中硅含量0.15-0.30％，优选为0.20-0.30％。

锰：为了补偿碳含量的降低导致的强度损失，提高锰含量是最廉价直接的办法。但锰具有较高的偏析倾向，所以其含量不能太高，一般低碳微合金钢中锰含量不超过2.0％。锰的加入量主要取决于钢的强度级别。本发明锰的含量应控制在1.5-1.65％，优选为1.54-1.65％。

硫和磷：硫在钢中与锰等化合形成塑性夹杂物硫化锰，尤其对钢的横向塑性和韧性不利，因此硫的含量应尽可能地低。磷也是钢中的有害元素，严重损害钢板的塑性和韧性。对于本发明而言，硫和磷均是不可避免的杂质元素，应该越低越好，考虑到钢厂实际的炼钢水平，本发明要求P≤0.015％，S≤0.005％，优选为P≤0.01％，S≤0.004％。

铝：强脱氧元素。为了保证钢中的氧含量尽量地低，铝的含量控制在0.015-0.04％。脱氧后多余的铝和钢中的氮元素能形成AlN析出物，提高强度并且在热处理加热时能细化钢的元素奥氏体晶粒度。优选地，铝含量为0.02-0.035％。

铌：铌是现代管线钢不可或缺的最重要的元素之一，能显著提高钢的再结晶温度和细化晶粒。热轧过程中铌的碳化物应变诱导析出能阻碍形变奥氏体的回复和再结晶，经控轧和控冷后的形变奥氏体组织得到细小的相变产物。现代管线钢铌含量一般大于0.02％，本发明中铌含量控制在0.035-0.045％，优选为0.036-0.044％。

钛：钛是强碳化物形成元素，钢中加入微量的Ti有利于固定钢中的N，形成的TiN能使钢坯加热时奥氏体晶粒不过分涨大，细化原始奥氏体晶粒度。钛在钢中还可分别与碳和硫化合生成TiC、TiS、Ti₄C₂S₂等，它们以夹杂物和第二相粒子的形式存在。钛的这些碳氮化物析出物在焊接时还可阻止热影响区晶粒长大，改善焊接性能。本发明钛含量控制在0.01-0.02％，优选为0.012-0.019％。

铬：铬提高钢的淬透性，增加钢的回火稳定性。铬在奥氏体中溶解度很大，稳定奥氏体，淬火后在马氏体中大量固溶，并在随后的回火过程中会析出Cr₂₃C₇、Cr₇C₃等碳化物，提高钢的强度和硬度。为了保持钢的强度级别，铬可以部分代替锰，减弱高锰的偏析倾向。配合在线快速感应加热回火技术的细小碳化物析出，可相应降低Nb的合金含量，故本发明可添加0.20-0.40％的铬，优选为0.24-0.36％。

钼：钼能显著地细化晶粒，提高强度和韧性。钼能减少钢的回火脆性，同时回火时还能析出非常细小的碳化物，显著强化钢的基体。由于钼是非常昂贵的战略合金元素，所以本发明中仅添加0.20-0.30％的钼，优选为0.21-0.25％。

镍：稳定奥氏体的元素，对提高强度没有明显的作用。钢中加镍尤其是在调质钢中加镍能大幅提高钢的韧性尤其是低温韧性，同时由于镍属于贵重合金元素，所以本发明可选择性添加不超过0.25％的镍元素，优选不超过0.22％。

氮：在管线钢中氮主要与铌复合形成氮化铌或碳氮化铌析出强化。为了发挥铌的抑制再结晶的作用，希望在轧制时铌以固溶形态抑制再结晶，故管线钢中一般要求不添加过多的氮，使得钢坯在常规加热温度下(1200℃左右)铌的碳氮化物能大部分溶解。一般管线钢中氮含量不超过60ppm，优选N≤0.005％，更优选为0.003-0.004％。

钙：管线钢进行钙处理主要是改变硫化物形态，改善钢的厚向、横向性能和冷弯性能。对于硫含量很低的钢亦可不进行钙处理。本发明钙含量的高低视硫含量而定，Ca/S比≥1.5，优选为Ca≤0.005％，更优选为Ca≤0.0047％。

制造工艺过程对本发明产品的影响：

转炉吹炼和真空处理：目的是确保钢液的基本成分要求，去除钢中的氧、氢等有害气体，并加入锰、钛等必要的合金元素，进行合金元素的调整。

连铸或模铸：保证铸坯内部成分均匀和表面质量良好，模铸的钢锭需轧制成钢坯。

加热和轧制：连铸坯或钢坯在1150-1220℃的温度下加热，一方面获得均匀的奥氏体化组织，另一方面使铌、钛、铬、钼等合金元素的化合物部分溶解。在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行多道次轧制，再结晶区压下率≥65％，未再结晶区压下率≥50％，总压下率≥70％，终轧温度≥860℃，优选地，终轧温度860-900℃；

快速冷却：轧后钢板以15-50℃/s快速水冷至Ms以下(优选为150-300℃)，然后空冷5-60s；在快速冷却过程中，大部分的合金元素被固溶到马氏体中。

在线回火：冷却的钢板进入在线感应加热炉以1-10℃/s快速加热至555-615℃回火40-60s，然后出炉空冷。回火有助于消除快冷时钢板产生的内应力以及消除马氏体板条束内或之间的微裂纹，弥散析出部分碳化物强化，同时利于未转变奥氏体转变为贝氏体。

本发明通过合适的成分设计、加热、控制轧制、轧后快速冷却和自回火，使钢板实现细晶强化、相变强化、析出强化，提高了钢板的强度、硬度，具有很高的低温韧性，尤其是使钢板获得高的屈服强度，组织呈现为贝氏体+回火马氏体(可能还含有少量残余A)+弥散碳化物强化。10-25mm厚钢板纵向、横向屈服强度≥630MPa，延伸率A₅₀≥20％，-60℃的A_kv≥200J，冷弯性能优良，满足了长输管线用高钢级管线钢的要求。

实施例

实施例1

将按表3配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，板坯厚度80mm，所得坯料于1200℃加热后，在奥氏体再结晶温度范围内经多道次轧制，轧制成厚度为10mm的钢板，总压下率为88％，终轧温度为860℃，然后以35℃/s水冷至250℃，再在线快速加热至555℃回火，然后空冷至室温；

本实施例的部分钢板金相组织如图1所示。

实施例2-5的详细成分见表1，工艺过程如实施例1，工艺参数见表2，所有实施例所得钢板性能见表3。

表1本发明实施例1-4的化学成分、Ceq(wt％)、Pcm

^*Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/14

^**Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B

表2本发明实施例1-4的工艺参数及钢板厚度

试验例1：力学性能

按照GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法、GB 2106-1980金属夏比V型缺口冲击试验方法，GB/T 8363-2007落锤撕裂试验标准测定本发明实施例1-4钢板的各项力学性能，其结果见表3。

表3本发明钢板的力学性能

E_cvn-60℃：-60℃夏比V型缺口试样冲击功

SA％_-15℃：-15℃DWTT断裂试样断口剪切面积

DWTT：落锤撕裂试验

50％FATT：50％韧脆转变温度

试验例2：弯曲性能

按照GB/T 232-2010金属材料弯曲试验方法，对本发明实施例1-4钢板进行横向冷弯d＝2a，180°试验，其结果全部实施例钢板完好，均无表面裂纹。

试验例3：金相组织

图1是本发明实施例1的10mm厚钢板的金相组织图。

图2是本发明实施例4的25mm厚钢板的金相组织图。

从图中可见，钢板的组织为贝氏体和回火马氏体以及可能的少量残余奥氏体。

其他实施例也能得到类似的金相组织图。

从以上实施例结果可以看出，本发明通过合适的成分设计、加热、控制轧制、轧后快速冷却和自回火，使钢板实现细晶强化、相变强化、析出强化，提高了钢板的强度、硬度，具有很高的低温韧性，尤其是使钢板获得高的屈服强度，组织呈现为贝氏体+回火马氏体(可能还含有少量残余奥氏体)+弥散碳化物强化。10-25mm厚钢板纵向、横向屈服强度≥630MPa，延伸率A₅₀≥20％，-60℃的A_kv≥200J，冷弯性能优良，满足了长输管线用高钢级管线钢的要求。另外，从表1中可见Ceq较低以及Pcm较低，说明本发明钢板的焊接性和抗裂纹敏感性较好。

Claims

1.一种高强度高韧性钢板，其化学成分的重量百分比为：C：0.035-0.06％，Si：0.15-0.30％，Mn：1.5-1.65％，P≤0.015％，S≤0.005％，Al：0.015-0.04％，Nb：0.035-0.045％，Ti：0.01-0.02％，Cr：0.20-0.40％，Mo：0.20-0.30％，Ni≤0.25％，N≤0.006％，O≤0.004％，Ca≤0.005％，Ca/S≥1.5，余量为铁和不可避免杂质；

所述钢板通过包含如下步骤的方法制造：

连铸坯或钢坯于1150-1200℃加热后在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行多道次轧制，总压下率≥70％，终轧温度≥860℃；

轧后钢板以15-50℃/s快速水冷至Ms以下温度，空冷5-60s；

冷却的钢板进入在线感应加热炉以1-10℃/s快速加热至555-615℃回火40-60s，然后出炉空冷；

其中，Ms＝561-474C-33Mn-17Cr-17Ni-21Mo。

2.如权利要求1所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，C：0.035-0.059％。

3.如权利要求1或2所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，Si：0.20-0.30％。

4.如权利要求1-3任一所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，Mn：1.54-1.65％。

5.如权利要求1-4任一所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，P≤0.01％。

6.如权利要求1-5任一所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，S≤0.004％。

7.如权利要求1-6任一所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，Al：0.02-0.035％。

8.如权利要求1-7任一所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，Cr：0.24-0.36％。

9.如权利要求1-8任一所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，Mo：0.21-0.25％。

10.如权利要求1-9任一所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，Ni：0.18-0.22％。

11.如权利要求1-10任一所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，Nb：0.036-0.044％。

12.如权利要求1-11任一所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，Ti：0.012-0.019％。

13.如权利要求1-12任一所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，Ca≤0.0047％。

14.如权利要求1-13任一所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，N：0.003-0.005％。

15.如权利要求1-14任一所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，Ceq≤0.45。

16.如权利要求1-15任一所述的高强度高韧性钢板，其组织为贝氏体和马氏体以及可能的少量残余奥氏体。

17.如权利要求1-16任一所述的高强度高韧性钢板，其厚度为10-25mm。

18.如权利要求1-17任一所述的高强度高韧性钢板，其纵向、横向屈服强度≥630MPa，延伸率A₅₀≥20％，-60℃的A_kv≥200J。

19.如权利要求1所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，多道次轧制中，再结晶区压下率≥65％，未再结晶区压下率≥50％。

20.如权利要求1所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，终轧温度为860-900℃。

21.如权利要求1所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，轧后钢板以15-50℃/s快速水冷至150-300℃。