一种超低碳贝氏体钢板及其制造方法

专利名称：一种超低碳贝氏体钢板及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种高强度高韧性钢板，具体地涉及一种屈服强度大于等于690MPa 的超低碳贝氏体钢板及其制造方法。钢板具有较好的低温韧性和大线能量焊接性能，涉及用于桥梁、压力容器、船舶、汽车等行业要求的高强度高韧性耐冲击的结构钢板，以及生产高强度高韧性钢板的方法。
背景技术：
超低碳贝氏体是国际上近年来发展起来的高强度、高韧性、焊接性能优良的新钢种，主要用于桥梁、压力容器、船舶、汽车等行业要求的高强度高韧性耐冲击的可焊接结构钢板，传统工艺在生产该钢种时，多添加较多的Cu、Ni、Cr和Mo等贵重合金元素，弥补因采用超低碳技术路线导致的强度损失，成本较高，生产困难。在生产屈服强度小于等于590MPa 强度级别的低碳贝氏体钢时可采用适量的微合金元素加控轧和合适的轧后冷却速度实现目标，但在生产高强度级别和要求很高的焊接性能时，为了降低Pcm指数必须采用很低的碳含量，使碳达到超低碳的级别，通常小于等于0. 03%，由碳降低引起的强度损失必须添加适当的Cu、Ni、Cr、Mo贵重合金元素析出强化弥补和适当的微合金元素Nb、V、Ti及控轧控冷技术细化晶粒和析出强化弥补。为了在很宽的转变温度范围和冷却速度范围内都能获得贝氏体组织，B成为此类钢中不可或缺的元素。值得一提的是，近年来国内外都有一些低碳贝氏体或超低碳贝氏体钢的文献或专利发表。我国鞍钢、武钢都在(超)低碳贝氏体钢领域的技术上有所研究，并有一些专利技术公开，但大多以控轧+加速冷却生产，或者轧后快速冷却+离线回火工艺生产。随着桥梁结构、压力容器、船舶等领域技术的发展，其对钢板焊接性的要求也大幅提高，需要钢板能经受大线能量焊接，焊接热输入达到20kJ/mm以上，高的甚至要达到 200kJ/mm，在这样高的焊接热输入情况下，钢板的热影响区的冲击韧性必然恶化。传统的桥梁、船体结构用高强度钢均是在低碳合金钢的基础上通过采用控轧、调质热处理等工艺获得针状铁素体、贝氏体、回火马氏体等组织来达到高强度高韧性的配合。为了确保较厚规格钢板具有足够的淬透性，钢中通常需要添加较高含量的Ni、Cr、Mo等合金元素，钢的屈服强度级别一般在570-690ΜΙ^之间。目前，国际上有关屈服强度在690MPa左右超低碳贝氏体高强度高韧性钢板的制造方法已有一些文献和专利。CN101787489A公开了一种易焊接低碳贝氏体钢及制造方法，其化学成分重量百分数为:C :0. 02-0. 08，Si :0. 10-0. 50，Mn :1. 20-1. 80，P 彡 0. 015，S 彡 0. 010，Al ( 0. 035， Mo 0. 10-0.30，Nb :0. 020—0. 050，V :0. 03-0.10，Ti :0. 005—0.030，B :0. 0005—0. 002，N 0. 005-0. 010,0. 005 ( 3N-10B ( 0. 015，Ti+V+ΙΟΒ 彡 8. 525N。采用电炉或转炉冶炼、炉外精炼、连铸、控轧控冷的生产工艺。在550-600°C回火，保温时间为Imin/mmX板厚+30min， 得到屈服强度彡550MPa，抗拉强度彡670MPa，延伸率彡20%,-40°C Akv彡200J, 20-100kJ/ cm焊接时近缝区-40°C Akv ^ 100J。该专利钢板的屈服强度和抗拉强度偏低，且采用离线回火，回火时间长，生产周期长。
目前仍需要超低碳贝氏体高强度高韧性中厚钢板。

发明内容
本发明的目的在于提供一种屈服强度> 690MPa的超低碳贝氏体高强度高韧性中厚钢板，特别是6-25mm厚钢板。为实现上述目的，本发明的屈服强度> 690MPa的超低碳贝氏体高强度高韧性钢板，其成分(重量 ％ )为C 彡 0. 03 %、Si 彡 0. 15 %、Mn :1· 2-1. 6 %、P 彡 0.015%、 S 彡 0. 010%,Al 0. 02-0. 05%,Nb :0. 02-0. 04%,Ti :0. 005-0. 020%,V :0. 04-0. 06%,Cu 0. 45-0. 70%, Ni 0. 30-0. 50%, B :0. 0008-0. 003%, N ^ 0. 006%，余量为铁和不可避免杂质。所述钢板的组织为回火超低碳贝氏体和弥散析出物。本发明的另一目的在于提供所述超低碳贝氏体高强度高韧性中厚钢板的制造方法。本发明的所述屈服强度690MPa级高强度钢板的制造方法包括以下步骤(1)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；(2)连铸坯或钢坯于1100-1250°C加热后在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行三道次以上轧制，总压下率彡70%，终轧温度彡8600C ；(3)轧后钢板以15_50°C /s快速水冷至250_350°C温度区间空冷5_60s ；(4)冷却的钢板进入在线感应加热炉以1-10°C /s快速加热至500-600°C回火 30-60s，然后出炉空冷。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短时间回火工艺，获得组织为回火超低碳贝氏体+弥散析出物的高强度高韧性钢板。6-25mm厚钢板屈服强度彡690MPa，延伸率A5彡15%,-40°C Akv彡150J，冷弯性能优良，满足了桥梁、管线、容器、船舶等行业对高强度高韧性钢板的较高要求。


图1是本发明实施例1钢板的金相组织照片。图2、3是本发明实施例3钢板的金相组织照片。图4是本发明实施例5钢板的金相组织照片。
具体实施例方式以下对本发明进行较为详细的说明。本发明中，除非另有指明，含量均指重量百分比含量。为实现本发明的提供一种屈服强度> 690MPa的超低碳贝氏体高强度高韧性中厚钢板，特别是6-25mm厚钢板的目的，不受限于任何理论，本发明的主要化学成分的选择和控制理由描述如下碳确保钢板强度的关键元素，其可以显著提高钢板的淬透性。但对于要获得组织为超低碳贝氏体的钢板而言，碳需要显著降低。碳降低后钢板的碳当量和焊接裂纹敏感指数Pcm就会相应降低，韧性也会相应大幅提高。碳降低后的强度损失需要靠其它合金元素添加来弥补。碳显著降低后，钢板适合大线能量焊接。对于本发明的屈服强度690MI^强度级别而言，为了获得较高的低温冲击韧性，采用非常低的碳含量< 0.03%。优选地，碳含量为 0. 015-0. 030% ο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，本发明硅含量为小于等于0.15%。优选地，硅含量为0.03-0. 15%。锰锰稳定奥氏体组织，其能力仅次于合金元素镍，是廉价的稳定奥氏体与强化合金元素，同时锰增加钢的淬透性，降低马氏体形成的临界冷速。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1.2-1.6%。锰在钢中还和铝一起共同起到脱氧的作用。优选地，锰含量为1.21-1.60%。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彡0. 015%, S ^ 0. 010%。优选地，P^O. 011%, S ^ 0. 005%。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. 02-0. 05%。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. 045%。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、Ti4C2&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。目前，微钛处理已成为大部分低合金高强度钢的常规工艺。本发明钛含量控制在0. 005-0. 020%。优选地，钛含量为 0. 012-0. 018%。铌和钒铌和钒都是强碳化物形成元素，钢中加入微量的铌可大幅提高钢的再结晶温度，配合B的添加，再结晶温度可再提高，细化奥氏体晶粒和随后相变的组织，提高韧性和强度。铌在轧制过程中和随后冷却过程中可析出细小碳化物，提高强度。钒亦可析出强化，本钢中加入铌和钒的最要目的是弥补碳很低导致的强度损失，且利于细化晶粒，提高冲击韧性。本发明铌含量控制在0.02-0. 04%，钒含量控制在0.04-0. 06%。优选地，铌含量为 0. 031-0. 040% ；钒含量为 0. 045-0. 058%。铜Cu在钢中可以起到析出强化作用，且不会恶化钢的韧性，故本发明添加 0. 45-0. 70%的铜。优选地，铜含量为0. 46-0. 69%。镍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，同时由于钢中加入了 Cu，为了防止加热或轧制时的热裂倾向，需加入一定量(大于等于铜含量的一半)的镍，所以本发明添加0.30-0. 50%的镍元素。优选地，镍含量0.30-0. 49%。硼提高钢的淬透性，抑制奥氏体向铁素体和珠光体的转变，使钢在很大的冷却速度范围内均能形成贝氏体组织。微量的硼结合铌的添加是钢的再结晶温度大幅提高，本钢中硼的含量为0. 0008-0. 003% O优选地，硼的含量为0. 0015-0. 0025%
氮本发明添加了少量的Nb、V、Ti微合金元素，且主要以相变强化和回火碳化物析出强化为主要强化方式。小于等于60ppm含量的氮可以稳定0. 005-0. 02%的钛形成TiN， 此TiN能保证加热时板坯的奥氏体晶粒不过分粗大。Nb、V主要与C结合形成碳化物析出强化。本发明中控制氮含量< 0.006%。优选地，氮含量为0.0036-0.0045%。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勻和表面质量良好，模铸的钢锭需轧制成钢坯。加热和轧制连铸坯或钢坯在1100-1250°C的温度下加热，一方面获得均勻的奥氏体化组织，另一方面使铌、钒、钛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三道次以上轧制，总压下率彡70%，终轧温度彡860°C (优选860-890°C )；快速冷却轧后钢板以15_50°C /s的冷速水冷至250_350°C空冷5_60s ；在快速冷却过程中，大部分的合金元素被固溶到贝氏体中。在线回火冷却的钢板进入在线感应加热炉以1-10°C /s快速加热至500-600°C回火30-60s，然后出炉空冷。回火有助于消除淬火时产生的内应力以及消除贝氏体板条内或之间的微裂纹，弥散析出部分铜粒子和碳化物强化，提高强塑型、韧性和冷弯性能。本发明通过合适的成分设计、加热、控制轧制、轧后快速冷却和在线感应加热回火，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，组织呈现为回火超低碳贝氏体+弥散析出物。6-25mm厚钢板屈服强度彡690MPa，延伸率A5彡15%，纵向-60°C Akv彡200J，冷弯性能优良，可用于桥梁、管线、容器、船舶等行业对高强度高韧性钢板的较高要求。实施例以下用实施例对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。实施例1将按表1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°C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 6mm的钢板，总压下率94%，终轧温度为880°C，然后以50°C /s水冷至250°C再在线快速加热至500°C回火，然后空冷至室温；实施例2-5的详细成分和工艺参数见表1和2，实施例所得钢板性能见表3。表1本发明实施例1-5的化学成分、Ceq(wt% )及焊接裂纹敏感指数Pcm
权利要求
1.一种钢板，其重量百分比成分为C彡0. 03 %、Si彡0. 15 %、Mn :1. 2-1. 6 %、 P ^ 0. 015%, S ^ 0. 010%, Al 0. 02-0. 05 %, Nb :0. 02-0. 04%, Ti :0. 005-0. 020%, V 0. 04-0. 06%, Cu 0. 45-0. 70%, Ni :0. 30-0. 50%, B :0. 0008-0. 003%, N ^ 0. 006%，余量为铁和不可避免杂质。
2.如权利要求1所述的钢板，其特征在于，碳当量Ceq:0. 30-0. 40。
3.如权利要求1或2所述的钢板，其特征在于，所述钢板的组织为回火超低碳贝氏体和弥散析出物。
4.如权利要求1-3任一所述的钢板，其特征在于，钢板厚度为6-25mm。
5.如权利要求1-4任一所述的钢板，其特征在于，钢板的屈服强度>690MPa，延伸率 A5 彡 15%, -400C Akv 彡 150Jo
6.如权利要求1-5任一所述的钢板，其特征在于，C0. 015-0. 030%。
7.如权利要求1-6任一所述的钢板，其特征在于，Si0. 03-0. 15%。
8.如权利要求1-7任一所述的钢板，其特征在于，Mn1. 21-1. 60%。
9.如权利要求1-8任一所述的钢板，其特征在于，P< 0. 011%。
10.如权利要求1-9任一所述的钢板，其特征在于，S< 0. 005%。
11.如权利要求1-10任一所述的钢板，其特征在于，Al0. 02-0. 45%。
12.如权利要求1-11任一所述的钢板，其特征在于，Nb0. 031-0. 04%。
13.如权利要求1-12任一所述的钢板，其特征在于，Ti0. 012-0. 018%。
14.如权利要求1-13任一所述的钢板，其特征在于，V0. 045-0. 58%。
15.如权利要求1-14任一所述的钢板，其特征在于，Cu0. 46-0. 69%。
16.如权利要求1-15任一所述的钢板，其特征在于，Ni0. 30-0. 49%。
17.如权利要求1-16任一所述的钢板，其特征在于，B0. 0015-0. 0025% 0
18.如权利要求1-17任一所述的钢板，其特征在于，N0. 0036-0. 0045%。
19.如权利要求1-18任一所述钢板的制造方法，包括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； 连铸坯或钢坯于1100-1250°C加热后在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行三道次以上轧制，总压下率彡70%，终轧温度彡8600C ；轧后钢板以15-50°C /s水冷至250-350°C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°C/s加热至500-600°C回火30-60s，然后出炉空冷。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，终轧温度为860-890°C。
全文摘要
本发明涉及一种屈服强度为690MPa及以上的超低碳贝氏体高强度高韧性钢板，其成分(重量％)为C≤0.03％、Si≤0.15％、Mn1.2-1.6％、P≤0.015％、S≤0.010％、Al0.02-0.05％、Nb0.02-0.04％、Ti0.005-0.020％、V0.04-0.06％、Cu0.45-0.70％、Ni0.30-0.50％、B0.0008-0.003％、N≤0.006％，余量为铁和不可避免杂质。其制造方法包括将连铸坯或钢坯经1100-1250℃加热后在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行轧制，总压下率≥70％，终轧温度≥860℃，轧后以15-50℃/s水冷至250-350℃空冷5-60s；冷却的钢板进入在线感应加热炉以1-10℃/s加热至500-600℃回火30-60s，出炉空冷。所获钢板组织为回火超低碳贝氏体+弥散析出物。6-25mm厚钢板横向屈服强度≥690MPa，延伸率A5≥15％，纵向-40℃ Akv≥150J，冷弯性能优良，满足了桥梁、管线、容器、船舶等行业对高强度高韧性钢板的较高要求。
文档编号C21D8/02GK102560250SQ201110383478
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月25日 优先权日2011年11月25日
发明者张爱文, 焦四海, 白岩 申请人:宝山钢铁股份有限公司