本发明属于工程机械用钢领域，具体涉及一种低成本、高机械加工性的工程机械用钢及其制造方法，其抗拉强度≥700MPa、屈服强度≥630MPa、屈强比≤0.90、-40℃夏比横向冲击功(单个值)≥47J、断裂延伸率δ5≥18％、具高冷弯特性、焊接性优良，且具有优良冷机械加工成型性的工程机械用高强度调质钢板。
背景技术：
众所周知，低碳(高强度)低合金钢是最重要工程结构材料之一，广泛应用于石油天然气管线、海洋平台、造船、桥梁结构、锅炉容器、建筑结构、汽车工业、铁路运输及工程机械制造之中；低碳(高强度)低合金钢的性能取决于其化学成分与制造工艺，其中强度、韧性、塑性、焊接性及抗疲劳/冲击载荷性能是低碳(高强度)低合金钢最重要的性能，它最终决定于成品钢材的显微组织状态。
随着冶金学及冶金工艺不断地向前发展，人们对高强钢的塑韧性、高机械加工性、抗疲劳/冲击载荷性能提出更高的要求，即钢板能够承受高应变冷机械加工、弯曲及扭转，并在-40℃低温状态下，具有抗脆性断裂、塑性失稳断裂及抗疲劳/冲击载荷的能力；而且在较低的制造成本条件下，能够大幅度地提高钢板的综合机械性能、服役性能及焊接加工性能，以减少钢材的用量，节约材料成本与加工制作成本，减轻钢构件的自身重量，提高构件的稳定性、安全性及耐久性。目前，世界钢铁强国掀起了发展新一代高性能钢铁材料的研究高潮，力图通过合金组合设优化计与调质工艺技术相结合，以获得铁素体、贝氏体、马氏体及M/A岛等复相组织结构，使高强度钢获得更好的复相显微、亚显微组织的匹配、超细化组织与亚结构，使高强钢获得更优良的塑韧性、高机械加工性、抗疲劳及冲击载荷特性。
目前在工程机械大型化、零件结构的复杂化及使用环境过酷化的大背景下，工程机械用钢向高强度化、高韧性化、高应变机械加工性、优良的 抗疲劳冲击载荷特性及焊接性方向发展。但是，伴随着钢铁材料的高强度化，钢板的塑韧性、焊接性、抗延迟裂纹特性及抗疲劳/冲击载荷的特性一般均会大幅度下降，尤其是高应变机械加工性发生严重劣化，严重限制大型化工程机械简单零件结构的设计、加工制造与使用，造成整车钢板用量大幅度增加、整车装配困难，导致整车制造成本居高不下；在环境与资源双重约束下，通过零件的设计优化、降低零件结构的复杂性、提升高应变钢板冷机械加工特性，降低整车钢板用量、简化整车拼装是必由之路；为满足上述车辆对钢板力学性能(尤其高应变冷机械加工性)、焊接性的要求，低成本开发具有优良冷机械加工性、抗疲劳冲击载荷特性、焊接性的高强度钢板刻不容缓。
现有技术中，抗拉强度≥700MPa的高强度调质钢板主要通过离线调质工艺(即RQ+T)生产；但是对于钢板厚度≤40mm，也可以采用在线调质工艺来生产(即DQ/TMCP+T)；为了获得高强度，钢板必需具有足够高的淬透性，即钢板淬透性指数DI≥2.0×成品钢板厚度〖DI＝0.311(％C)1/2[(1+0.64(％Si)]×[(1+4.10(％Mn)]×[(1+0.27(％Cu)]×[(1+0.52(％Ni)]×[(1+2.33(％Cr)]×[(1+3.14(％Mo)]×25.4(mm)〗，以确保钢板具有足够高的强度、优良的低温韧性，因而不可避免地向钢中加入一定量的Cr、Mo、Ni、Cu、V等合金元素，甚至Ni含量添加到1.00％以上，导致钢板的碳当量、冷裂纹敏感指数较高，严重影响钢板的焊接性(参见中国专利ZL201210077114.7、ZL201010113835.X、ZL200810042088.8、ZL200810042124.0)。
此外，高合金含量的钢板表(亚)面层易产生过淬火，形成粗大的马氏体组织，使钢板表(近)面层的低温韧性与延伸率严重劣化(参见《电力土木(日文)》，1986，Vol.201，P33；《鉄と鋼》，1986，Vol.72,S612；《鉄と鋼》，1986，Vol.72，S614；《鉄と鋼》，1985，Vol.71，S1523；《鉄と鋼》，1986，Vol.72，S615；《鉄と鋼》，1986，Vol.73，S1398；《川崎制铁技报(日文)》，1988，Vol.20，P233；《制铁研究(日文)》，1986，Vol.322，P99；《CAMP-ISIJ日文)》，1989，Vol.3，P207；《NKK技报(日文)》，1990，Vol.133，P37；《电力土木(日文)》，1994，Vol.249，P1；《住友金属(日文)》，1995，Vol.47，P1；《西山記念技术講座》191-192， 2008，P162)；较高的环境脆性敏感性、低温韧性对钢板的抗疲劳性能、抗应力集中敏感性、抗延迟裂纹、抗裂性及结构稳定性影响较大，在大型工程机械结构上使用时，存在安全较大的隐患；因此大型疲劳重载钢结构采用超高强钢时，一般希望700MPa级以上的高强钢具有优良的强韧性、强塑性匹配及焊接性，优良的抗延迟裂纹性能，以保证大型工程机械在运行过程中的安全可靠性。
现有大量专利与技术文献只是说明如何实现母材钢板的强度和低温韧性，针对改善钢板焊接能性，获得优良焊接热影响区HAZ低温韧性的说明较少，没有涉及如何在提高钢板抗拉强度的同时，提高钢板的抗延迟裂纹性能，也没有指出如何防止超高强度钢板的表(亚)面层过淬，更为重要的是，对于如何改善调质钢板高的冷加工成型型也未涉及。(参见日本专利昭63－93845、昭63－79921、昭60－258410、特平开4－285119、特平开4－308035、平3－264614、平2－250917、平4－143246、特平开2007-9324、美国专利US Patent5798004、欧洲专利EP 0288054A2)。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种低成本、高机械加工性的工程机械用钢及其制造方法，该钢板的显微组织为细小铁素体+回火贝氏体/马氏体，平均晶团尺寸在20μm以下，其抗拉强度≥700MPa、屈服强度≥630MPa、屈强比≤0.90、-40℃夏比横向冲击功(单个值)≥47J、断裂延伸率δ5≥18％、高冷弯特性(弯曲角度180°×弯心直径a×试样宽度7a，其中a为钢板厚度)、焊接性优良，具有优良冷机械加工成型性的工程机械用高强度调质钢板。
本发明以超低C-高Mn-(Cu+Ni+Mo+V)合金化-(Ti+B)微合金化的成分体系作为基础，控制Mn/C≥15、415≤{钢板淬火温度×[(％Cr)+3.3(％Mo)+1.75(％V)+2.15(％Si)]}/[11.7(％C)1/2+1.23(％Mn)+0.36(％Cu)+(％Ni)]≤565在之间、进行Ca处理，Ca/S比在0.80～1.50之间，且2.5×10－6≤(％Ca)×(％S)≤2.5×10－3等冶金技术控制手段，优化控轧CR+Q'(奥氏体/铁素体两相区淬火)+T(回火)工艺，使成品钢板的显微组织为细小铁素体+回火贝氏体/马氏体，平均晶团尺寸在20μm以下，获得均匀优良的强 韧性、高的机械加工成型性的同时，实现低成本制造，特别适用于工程机械、桥梁结构、汽车工业及铁路运输等。
具体地，本发明的低成本、高机械加工性的工程机械用钢，其化学成分重量百分比为：C：0.06～0.10％；Si：0.30～0.60％；Mn：1.00～1.60％；P≤0.015％；S≤0.0030％；Ni：0.20～0.60％；Cr：0.50～0.80％；Mo：0.25～0.55％；V：0.025～0.065％；B：0.0008～0.0020％；Ti：0.008～0.018％；Al：0.030～0.070％；N：≤0.0050％；Ca：0.0010～0.0040％；其余为Fe和不可避免的夹杂，并且，上述元素含量必须同时满足如下关系：
Mn/C≥15：可以改善贝氏体/马氏体组织形态，细化贝氏体/马氏体晶团(packet)尺寸，减小回火贝氏体/马氏体内部碳化物析出尺寸，改善回火贝氏体/马氏体内部碳化物的分布与形貌，提高贝氏体/马氏体组织低温冲击韧性，确保高强度调质钢板韧脆转变温度低于-40℃。
415≤{钢板淬火温度×[(％Cr)+3.3(％Mo)+1.75(％V)+2.15(％Si)]}/[11.7(％C)1/2+1.23(％Mn)+0.36(％Cu)+(％Ni)]≤565：在奥氏体/铁素体两相区调质(Q'+T)时，确保钢板的显微组织中稳定地含有20％～30％的细小弥散分布的铁素体晶粒，保证调质钢板在具有高强度、高韧性的同时，还具有优良的冷机械加工成型性及低屈强比，这是本发明关键技术之一。
Ca/S比在0.80～1.50之间，且2.5×10－6≤(％Ca)×(％S)≤2.5×10－3：对钢水进行Ca处理，不仅可以进一步脱O、脱S、净化钢水、球化硫化物夹杂，更重要的是Ca与钢中的O、S生成纳米级Ca(O，S)粒子，钉扎焊接热影响区奥氏体晶粒长大，细化热影响区显微组织，降低热影响区硬度、提高热影响区低温韧性、抗疲劳/冲击载荷特性及氢致裂纹特性，为了保证钢中硫化球化，Ca/S比控制在0.80～1.50之间；为了保证钢中存在足够数量的Ca(O，S)粒子抑制焊接热影响区奥氏体晶粒长大，控制2.5×10－6≤(％Ca)×(％S)；此外，当Ca(O，S)粒子数量过多时，Ca(O，S)粒子不仅发生粗大化，而且降低钢板纯净性，危害钢板低温冲击韧性、冷机械加工成型性、焊接性及抗疲劳/冲击载荷特性(粗大的Ca(O，S)粒子成为裂纹形核点)，因此(％Ca)×(％S)≤2.5×10－3。
本发明上述关系式中的成分数据按百分数计算，如碳含量为0.06％，关系式计算时，用0.06带入计算公式即可。
本发明钢板显微组织为细小铁素体+回火贝氏体/马氏体，平均晶团尺寸在20μm以下，抗拉强度≥700MPa、屈服强度≥630MPa、屈强比≤0.90、-40℃夏比横向冲击功(单个值)≥47J、断裂延伸率δ5≥18％。
在本发明的成分设计中：
C：为了保证钢板具有优良的冷机械加工成型性、低温韧性及焊接性，本发明钢中C含量不宜过高，原因是：1)当钢中C含量超过0.10％时，高强度调质钢板冷机械加工成型性急剧恶化；2)钢中碳含量较高时，损害高强度调质钢板低温塑韧性、抗疲劳/冲击载荷特性、焊接性及抗延迟裂纹特性；3)钢中碳含量较高时，将导致钢中偏析程度大幅度提高，这对超强度调质钢板抗疲劳/冲击载荷特性、焊接性及抗延迟裂纹特性将是致命的影响，严重危及工程机械服役工程的安全可靠性；综合上述，C含量上限不宜超过0.10％；然而对于高强度调质钢板，C含量对于保证调质钢板的强度至关重要，因此钢中C含量也不宜过低，当C含量低于0.06％时，调质钢板抗拉强度很难达到700MPa(除非加入大量的Mn、Ni、Cr、Mo等合金元素，这不仅导致钢板制造成本急剧升高，而且导致钢板表面质量、钢板冷热机械加工、焊接等一些列使用问题)，因此钢中C含量不宜低于0.06％。
Mn：作为最重要廉价的合金元素在钢中除增加钢的淬透性、大幅度提高钢板的强度外，还具有扩大奥氏体相区、降低Ar3点温度、细化显微组织的packet结构尺度、增大block结构之间的位向差而改善钢板塑韧性的作用、促进低温相变组织马氏体形成而提高钢板强度的作用；但是，Mn在钢水凝固过程中容易发生偏析，尤其Mn含量较高时，不仅会造成浇铸操作困难，而且容易与C、P、S、Mo、Cr等元素发生共轭偏析现象，尤其钢中C含量较高时，加重铸坯中心部位的偏析与疏松，严重的铸坯中心区域偏析在后续的RQ'及焊接过程中易形成异常组织，导致高强度钢板低温韧性、冷机械加工成型性低下、焊接接头出现裂纹，更重要的是偏析区长条状MnS夹杂物极易聚集H原子，导致延迟裂纹在MnS处形核，沿偏析区扩展，形成严重的延迟裂纹；因此，选择适宜的Mn含量范围对于高强度调质钢板极其重要，这不仅可以充分利用Mn的廉价性来替代Ni、Mo等贵重合金，而且Mn的高效淬透性及细化显微组织特性也是其他合金元素无法比拟的；本发明钢Mn含量适宜的范围为1.00％～1.60％。
Si：添加Si促进钢水脱氧并能够提高钢板强度，但是采用Al脱氧的钢水，Si的脱氧作用不大；Si虽然能够提高钢板的强度，但是Si促进packet尺寸粗化，严重损害高强度钢板的低温塑韧性、抗疲劳/冲击载荷特性、焊接性；其次，Si不仅促进高强度钢(碳含量一般较高)M-A岛形成，而且形成的M-A岛尺寸较为粗大、分布不均匀，严重损害焊接热影响区(HAZ)韧性，因此钢中Si含量不宜高于0.60％；为了促进两相区调质过程中，铁素体析出、增加未相变的奥氏体淬透性，本发明钢中Si含量也不宜低于0.30％。
P：作为钢中有害夹杂严重损害高强度调质钢板低温塑韧性、冷机械加工成型性、抗疲劳/冲击载荷特性、焊接性、抗延迟裂纹特性，尤其P促进钢水凝固偏析，进一步恶化上述性能，理论上要求越低越好；但考虑到炼钢可操作性、炼钢成本及超高强度调质钢板的特性，本发明P含量控制在≤0.015％。
S：作为钢中有害夹杂，严重损害高强度调质钢板的低温塑韧性、冷机械加工成型性、抗疲劳/冲击载荷特性、焊接性、抗延迟裂纹特性，尤其S促进钢水凝固偏析，进一步恶化上述性能；更重要的是S在钢中与Mn结合，形成MnS夹杂物，在热轧过程中，MnS的可塑性使MnS沿轧向延伸，形成沿轧向MnS夹杂物带，严重损害钢板的低温冲击韧性、冷机械加工成型性、延伸率、焊接性及抗氢致裂纹特性，同时S还是热轧过程中产生热脆性的主要元素，理论上要求越低越好；但考虑到炼钢可操作性、炼钢成本及超高强度调质钢板的特性，S含量控制在≤0.0030％。
Ni：添加Ni不仅可以促进铁素体相中位错交滑移，提高位错可动性，而且可增大马氏体/贝氏体板条间位向差；Ni作为奥氏体稳定化元素，降低Ar3点温度，细化马氏体/贝氏体晶团尺寸，因此Ni具有同时提高调质钢板强度、冷机械加工成型性和低温韧性的功能；钢中加Ni还可以降低含铜钢的铜脆现象，减轻热轧过程的晶间开裂，提高钢板的耐大气腐蚀性，且Ni对碳当量贡献值低。因此从理论上讲，钢中Ni含量在一定范围内越高越好，但是过高的Ni含量会硬化焊接热影响区，增加钢板焊接性热裂纹敏感性；同时Ni是一种很贵重元素，从性能价格比考虑，Ni含量控制在0.20％～0.60％之间，以确保钢板的淬透性和钢板的强韧性水平而不损害钢板的焊接性。
Cr：作为相对廉价的合金元素，Cu在钢中不仅能提高钢板的淬透性(比Mn、Mo弱)、促进贝氏体/马氏体形成，而且贝氏体/马氏体板条间位向差增 大，增大裂纹穿过马氏体packet结构的阻力，在提高钢板强度的同时，具有一定的改善钢板韧性之作用；但是，当Cr添加量过多时，严重损害钢板的焊接性，尤其会发生焊接再热脆化现象；因此Cr含量控制在0.50％～0.80％之间。
Mo：添加Mo可以提高钢板的淬透性，促进马氏体形成，但是Mo作为强碳化物形成元素，在促进贝氏体/马氏体形成的同时，增大马氏体/贝氏体packet的尺寸且形成的马氏体/贝氏体block间位向差很小，减小裂纹穿过马氏体/贝氏体packet结构的阻力，此外Mo促进高强度钢表(亚)面层过淬；因此Mo在大幅度提高钢板强度的同时，降低了高强度钢板的低温韧性、冷机械加工成型性，诱发钢板表(亚)面层过淬，并且当Mo添加过多时，不仅严重损害钢板的冷机械加工成型性、焊接性及焊接再热脆化现象，而且大幅度增加钢板生产成本；因此，本发明Mo含量控制在0.25％～0.55％之间。
V：不仅可以提高钢板淬透性且通过V(C，N)在贝氏体/马氏体板条中析出，提高调质钢板的强度；更为重要的是处于奥氏体/铁素体两相区调质时，在铁素体中弥散析出，提高铁素体屈服强度，保证钢板冷机械加工成型过程中，铁素体、贝氏体马氏体之间协调形变，既保证了两相区调质钢板的屈服强度，又确保了钢板具有高的冷机械加工成型性；对于V添加量低于0.025％时，上述作用效应很小，但V加入量高于0.065时，钢板的低温韧性、冷机械加工成型性、钢板的焊接性急剧劣化；因此，适宜V含量控制在0.025％～0.065％之间。
B：对于调质工艺来说，钢中添加一定量的B能够极大提高钢板的淬透性，因此B含量控制在0.0008％～0.0020％之间，确保钢板淬透性的同时，不损害高强度调质钢板的低温塑韧性、冷机械加工成型性、抗疲劳/冲击载荷特性、焊接性、抗延迟裂纹特性及板坯表面质量。
Ti：含量在0.008％～0.018％之间，抑制板坯加热、板坯热轧过程中奥氏体晶粒过分长大，改善钢板低温韧性，更重要的是抑制焊接过程中HAZ晶粒长大，改善HAZ韧性；此外，Ti具有固N作用，消除钢中自由N，保证B元素以固溶B形式存在；然而，当Ti含量超过0.018％时，在高酸溶铝含量条件下，过剩Ti在贝氏体/马氏体板条内部、贝氏体/马氏体板条界面上及贝氏体/马氏体晶团界上以TiC共格析出，导致调质钢板严重脆化及冷机械加工 成型性。
Al：钢中的Al能够固定钢中的自由[N]，除降低焊接热影响区(HAZ)自由[N]，改善焊接HAZ的低温韧性作用之外，更重要的是保证钢中具有一定的固溶B、改善钢板淬透性；因此Al下限控制在0.030％；但是钢中加入过量的Al不但会造成浇铸困难，而且会在钢中形成大量弥散的针状Al2O3夹杂物，损害钢板内质健全性、低温韧性、焊接性与抗延迟裂纹特性(H原子易聚集在针状Al2O3夹杂物处，导致延迟裂纹发生)，因此Al上限控制在0.070％。
N：为了确保钢板中固溶[B]的存在及防止大量粗大的AlN沿原奥氏体晶界链状析出，损害钢板横向冲击韧性与晶界延迟裂纹，钢中的N含量不得超过0.005％。
Ca：对钢进行Ca处理，一方面可以进一步纯洁钢液，净化与强化高强度调质钢板晶界，抑制高强度调质钢板低温沿晶脆断；另一方面对钢中硫化物进行变性处理，使之变成不可变形的、稳定细小的球状硫化物、抑制S的热脆性、提高钢板低温韧性及冷机械加工成型性、改善钢板韧性的各向异性与焊接性，其次通过球化钢中硫化物，减少长条状的MnS夹杂，极大程度改善高强度钢板抗氢致裂纹特性；更重要的是Ca在钢中形成热稳定性很高、不易聚集长大、弥散分布的纳米尺寸级Ca(O，S)粒子，钉扎焊接热影响区奥氏体晶粒长大，细化热影响区显微组织，降低热影响区硬度、提高热影响区低温韧性、抗疲劳/冲击载荷特性及氢致裂纹特性，因此Ca含量的合适范围为0.0010％～0.0040％。
本发明钢板显微组织为细小铁素体+回火贝氏体/马氏体，平均晶团尺寸在20μm以下，获得高强度的同时，钢板的低温韧性、冷机械加工成型性、焊接性及抗疲劳冲击载荷特性也同样优异。
本发明的低成本、高机械加工性的工程机械用钢的制造方法，包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按上述成分冶炼、连铸成坯，中间包浇注过热度ΔT为10℃～25℃，拉速为0.6m/min～1.0m/min；
2)板坯加热
加热温度1100℃～1170℃，发生[Al]+BN→AlN+[B]完全固溶；
3)轧制，钢板总压缩比(板坯厚度/成品钢板厚度)≥6.0
第一阶段为普通轧制，轧机以不间断的模式，连续将出炉板坯轧制到中间坯厚度，即成品厚度2倍以上；
第二阶段采用再结晶控制轧制，控轧开轧温度840～900℃，轧制道次压下率≥8％，累计压下率≥50％，终轧温度800℃～860℃。
4)冷却、保温
钢板从轧制结束到入缓冷坑之间的间隔时间不大于50min，钢板入缓冷坑时的表面温度≥200℃，缓冷坑保温，缓冷坑温度≥300℃，至少保温24小时，保证钢板脱氢充分，防止产生氢致裂纹；
5)调质热处理
钢板淬火至室温，奥氏体/铁素体两相区淬火温度为800℃～840℃，淬火保持时间为10～20min；回火温度为500～550℃，回火保持时间为15～30min，回火结束后钢板自然空冷至室温。
进一步，步骤1)连铸成坯过程中，结晶器液面波动≤5mm。
本发明获得钢板的显微组织为细小铁素体+回火贝氏体/马氏体，平均晶团尺寸在20μm以下，其抗拉强度≥700MPa、屈服强度≥630MPa、屈强比≤0.90、-40℃夏比横向冲击功(单个值)≥47J、断裂延伸率δ5≥18％。
本发明的有益效果：
本发明在低C-高Mn-(Cr+低Mo+V)合金化-(Ti+B)微合金化的成分体系中，少量添加Ni、Mo等贵重合金的基础上，采用控轧+两相区调质工艺相结合，使本发明的钢板在获得700MPa高强度，低屈强比的同时，钢板的低温韧性、冷机械加工成型性、焊接性及抗疲劳冲击载荷特性也同样优异，成功地解决了高强调质钢板高强度与冷机械加工成型性、低温塑韧性及焊接性之间相互矛盾的问题，提高了大型工程机械整体加工、制作及安装的效率；良好的焊接性节省了用户钢构件制造的成本，缩短了用户钢构件制造的时间，为用户创造了巨大的价值，因而此类钢板不仅是高附加值、绿色环保性的产品。
此外，本发明采用CR+Q'+T工艺充分发挥了成分设计的潜能，元素的淬透、淬硬性得到最大程度地发挥，可以在较少量的Ni、Mo等贵重合金含量下，获得高强度、高韧性、优良的冷机械加工成型性及焊接性，降低 了钢板生产成本；采用Ca及控制Ca(O，S)大小、数理与数理，改善了钢板的焊接性，焊接冷裂敏感性大幅度减少，合适的焊接热输入量范围更宽，相应地减少用户加工制作的成本。
附图说明
图1为本发明实施例3的显微组织(1/4厚度)照片。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
本发明实施例成分参见表1，表2、表3、表4为本发明制造工艺的实施例；表5为本发明实施例钢板的性能，图1为本发明实施例3的显微组织(1/4厚度)照片。
由图1可以看出，钢板显微组织非常细小均匀，显微组织类型为复相组织--弥散分布的铁素体+回火贝氏体/马氏体，铁素体体积分数约为20％～30％，贝氏体/马氏体晶团(packet)尺寸细小均匀，平均晶团尺寸在20μm以下，调质钢板具有高强度的同时，获得优良低温韧性、冷机械加工成型性及焊接性。
本发明高强度、优良冷机械加工成型性的调质钢板主要用于大型工程机械设备的制造，是重大国民经济建设的关键材料。