一种高强度钢、高强度钢管及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钢种及其制造方法，尤其涉及一种高强度钢及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 目前，工程机械及钢结构件逐渐向着大承重、轻量化方向发展。特别是对于承受高 载荷的钢结构件来说，减少结构的自重不仅可以降低材料成本，还有利于提高钢结构件的 承载能力。然而，在减轻结构自重的情况下，同时还要保障结构件的安全性是一个两难的问 题。这是因为高强钢的焊接难点在于必须保证焊接部件的热影响区的韧性，而另外一方面， 对于钢结构件而言，由于加工组装过程主要依靠焊接加工工艺，焊接加工所需的工作量较 大，因此，为了提高工作效率，必须采用较大线能量的焊接工艺以提高生产效率。因此，如何 使得高强高韧的结构件母材在较大热输入量的条件下还能保证焊接接头的强度和韧性也 是一项亟待解决的技术问题。
[0003][0004]
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种高强度钢，其具有足够高的抗拉强度，良好的低温韧 性及优良的焊接性能。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提出了一种高强度钢，其化学元素质量百分比含量 为：
[0007] C ：0. 11-0. 18%,
[0008] Si :0.1-0. 4%，
[0009] Mn ：1. 0-1. 6%,
[0010] Cr ：0. 25-0. 9%,
[0011] Mo ：0. 10-0. 50%,
[0012] W ：0. 10-0. 55%,
[0013] Nb ：0. 01-0. 08%,
[0014] V ：0. 01-0. 12%,
[0015] Ni ：0. 10-0. 40%,
[0016] B ：0<B<0. 0020%,
[0017] N ：0 < N ^ 0. 004%,
[0018] Ti ：0<Ti ^ 0. 010%,
[0019] 0 ：0<0. 0030%,
[0020] S ：S<0. 005%,
[0021] Ca 和 Mg :Ca+Mg :0· 001-0. 005%，
[0022] 余量为Fe和其他不可避免的杂质；
[0023] 此外还满足关系式：（B+Ti) /N>1。
[0024] 本发明所述的高强度钢中的各化学元素的设计原理为：
[0025] 碳：C是确保基体强度的必要化学元素。在本技术方案中，若C含量低于0. 11% 时，其不能令钢材料达到所需的强度。不过，若C含量高于0. 18%时，将影响钢材料的可焊 性，并且使得钢材料的受热影响区的韧性降低。为此，本发明所述的高强度钢中的C含量需 要控制为〇· 11-0. 18%。
[0026] 硅：Si在钢中作为脱氧剂。为了达到脱氧效果，至少需要加入0. 1%的Si。然而， 如果加入太多的Si就会降低钢材料的可焊性和韧性。对于本发明的高强度钢来说，应当将 Si含量设定为0. 1-0. 4%。
[0027] 锰：Mn也是一种脱氧剂。同时，Mn也是确保钢材料兼具较高的强度和较好低温韧 性的不可缺少的元素。因此本技术方案中Mn的含量必须在1. 0%以上，但是，过多含量的 Mn则会增加钢的淬透性，不仅会降低HAZ (焊接热影响区）的韧性和可焊性，而且还会导致 钢材料在连续铸造过程中产生中心偏析。同时，焊接后的母材的低温韧性也会恶化。鉴于 此，本发明所述的高强度钢中的Mn含量需要控制为1. 0-1. 6%。
[0028] 铬：Cr可以提高母材和焊接部位的强度，以提升钢材料的淬透性。但是，Cr含量太 高时，不仅使得钢材料的焊接开裂敏感性增大，而且会降低焊接热影响区的韧性。因此，在 本发明所述的高强度钢中的Cr含量需要控制为0. 25-0. 9%。
[0029] 钼：Mo可以提高钢的可淬性。在含有B元素的钢中添加 Mo可以更好的提高钢的 可淬性。同时，Mo也是强化元素，其可以有效地提高材料的强度。在本技术方案中，为了令 钢材料获得较高的强度，Mo的含量至少要达到0. 10%。然而，过多地添加 Mo也会使得钢的 HAZ韧性降低。为此，在本发明的高强度钢中的Mo含量需要设定在0. 10-0. 50%范围之间。
[0030] 鹤：W可以提尚钢的可泮性，并提尚材料的强度。更为关键的是，$父之于Mo等其他 合金元素，W在提高强度的同时，其降低钢的焊接性能的程度相对较低。为了达到强化效果， W含量的下限设定为0. 10%，然而，过多地添加 W会使得钢的HAZ韧性降低，为此，需要将钢 中的W含量的上限设定为0. 55%。
[0031] 铌：Nb是获得细晶钢的重要元素，其在热轧时可以推迟奥氏体再结晶以起到细化 晶粒的作用。在之后的冷却和热轧过程中，NbC粒子弥散析出，又能够起到析出强化的作用， 在随后的再加热过程中，Nb又可以起到阻碍奥氏体晶粒长大的作用。考虑到热影响区的韧 性及现场可焊性，Nb的含量不能过高。为此，将本发明所述的高强度钢中的Nb含量控制为 0· 01-0. 08% 〇
[0032] 钒：一般来说，V起到的作用与Nb大致相同。然而，在高强度钢中，添加 V所产生 的析出强化效果更好，Nb和V的复合添加更能进一步地提高本发明的高强度钢的综合力学 性能。同样地，考虑到热影响区的韧性及现场可焊性，V的含量也不能太高。鉴于此，本发 明所述的高强度钢中的V含量控制在0. 01-0. 12 %的范围之间。
[0033] 镍：Ni可以提高材料的低温韧性和现场可焊性。较之于添加 Mn、Cr或Mo等合金 元素，Ni的添加不但不会在钢中形成不利于低温韧性的硬化组织，添加含量在0. 1 %以上 的Ni反而有利于提尚钢材料的HAZ的初性。但是，Ni含量过尚时，又会恶化钢材料的HAZ 的韧性和现场可焊性。对于本发明所述的高强度钢来说，需要控制Ni含量为0. 10-0. 40%。
[0034] 硼、钛及氮：B、Ti、N是本发明较为关键的合金元素。通过添加适量的B、Ti元素， 可以提高材料的焊接性能。微量的B元素还可以提高材料的淬透性。钢中的自由氮对材料 韧性是有害的，复合添加的B、Ti固定了材料中的自由N。在焊接冷却过程中析出的BN可 以细化热影响区的组织，提高材料的韧性。TiN的固溶温度可以达到1400°C以上，在高温下 仍然会细小弥散。另外，焊接过程中的TiN的钉扎作用可以有效地阻止奥氏体晶粒在高温 下的长大。不过，过量的固溶于基体的B、Ti会诱导晶内铁素体形核，从而降低热影响区的 强度。基于此，本发明的技术方案将高强度钢中的B含量设定为：0〈B〈0. 0020%，将Ti含量 设定为：〇〈Ti < 0. 010%，并将N含量设定为0 < NS 0.004%。与此同时，这三种元素还 需要满足关系式：(B+Ti)/N>l，原因在于：若（B+Ti)/N< 1，则会大幅度地降低钢材料在大 热输入状态下的焊接熔合区及热影响区的韧性。
[0035] 钙、镁、硫及氧：Ca、Mg、S和0也是本发明的高强度钢中的关键元素。0和S容易在 钢中形成夹杂物，割裂钢中基体的连续性，这会对材料的强度和韧性产生不利影响，为此， 必须严格控制〇和S的含量，将0含量控制为〈0. 0030%，并将S含量控制为〈0. 0050%。 由于Ca、Mg与0和S具有很强的结合力，使钢中的液态夹杂物球化，同时所生成的夹杂物 在液相中难以聚合并且具有较高的熔点，因此，在高温下获得稳定、细小弥散的夹杂物的同 时，还不会产生可能导致钢材料其他缺陷的粗大夹杂物。这种弥散细小的夹杂物可以起到 阻止炼钢过程中奥氏体晶粒在高温下长大的作用，以实现细化晶粒、提高韧性的有益效果。 然而，过量的MgO、MgS、CaO和CaS在焊接冷却过程将诱导晶内的铁素体形核，从而降低焊接 接头的强度。因此，在降低〇、S含量的同时，还需要限制Mg、Ca总量的范围。在本发明所述 的高强度钢中的Ca+Mg的总量需要控制在在0. 001-0. 005%范围之间。
[0036] 本发明所述的高强度钢通过复合添加适量的Cr、Mo、W、V、Nb等合金元素，并通过 后序的优化工艺步骤以获得本发明所述的高强度钢。本发明的技术方案通过合金元素的固 溶强化和析出强化来提高钢材料的强度，使得钢材料在保持高强度的同时还具有良好的低 温韧性。在此基础上，控制〇、S含量，控制Ca和Mg的添加总量以减少钢中夹杂物的数量并 控制夹杂物的形状。与此同时，复合添加 Ti、B元素，并控制N元素含量，以获得强度足够 尚，低温初性足够尚且焊接性能优良的尚强度钢。
[0037] 需要说明的是，基于本发明的技术方案，"强度足够高"或"足够高的强度"是指抗 拉强度达到980Mpa以上，"低温韧性足够高"或"足够高的低温韧性"是指-40°C下的低温 冲击韧性大于52J。"焊接性能优良"则是指在较大的焊接热输入情况下，例如，当焊接热输 入量达到15kJ/cm以上时，焊接后的钢材料的热影响区仍具有上述足够高的强度和足够高 的低温韧性。
[0038] 进一步地，本发明所述的高强度钢还满足Ceq = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+Ni/15<0. 62〇
[0039] 控制Ceq = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+Ni/15〈0. 62的目的在于提高材料的焊接性能， 降低焊接的预热温度，减少材料的焊接缺陷。如果Ceq多0. 62,那么材料的焊接预热温度将 超过150°C，这样不利于现场规模化生产作业。
[0040] 进一步地，本发明所述的高强度钢的微观组织为回火索氏体。
[0041] 更进一步地，在本发明所述的高强度钢中，上述回火索氏体上具有弥散的BN和 TiN析出物。
[0042] 在本发明所述的高强度钢中的回火索氏体的基体上，会形成大量弥散的BN、TiN 的析出物，这些析出物的固溶温度较高，能够有效地阻止焊接过程中热影响区晶粒的快速 长大。
[0043] 更进一步地，在本发明所述的高强度钢中，上述回火索氏体上还具有弥散的NbC 析出物和/或VC析出物。
[0044] 在回火索氏体上的弥散的NbC