一种极简成分高强度结构用钢板及其制造方法
【专利摘要】一种极简成分高强度结构用钢板及其制造方法，它的主要化学成分重量百分比为：C：0.12～0.20％，Si：0.15～0.50％，Mn：1.30～1.80％，P≤0.020％，S≤0.010％，Al：0.020～0.050％，Ti：0.015～0.035％，Nb：0.020～0.060％，B：0.0015～0.0035％，其余为Fe及不可避免的杂质。尽管本发明的钢板成分简单，但是钢板强度、韧性、塑形等机械性能指标较为优良，钢板质量良好、性能稳定均匀，碳当量低易焊接，完全可应用于对强度、韧性要求较高的机械结构件的制造。
【专利说明】
-种极简成分高强度结构用钢板及其制造方法
技术领域
[0001] 本发明属于金属材料制造领域，设及到一种具有极简成分的抗拉强度SOOMPa级高 强度结构用钢板及其制造方法，该高强度钢板合金元素种类少、成本低廉，强初性良好，适 用于机械结构件的制造。
【背景技术】
[0002] 随着经济发展和技术进步，在煤矿机械、工程机械和港口机械等重型设备制造行 业，焊接结构越来越趋向高参数和大型化方向发展，为减轻自重对钢板强度指标要求越来 越高。目前，抗拉强度SOOMPa级高强钢逐步代替WQ345为代表的低合金高强钢，成为机械设 备领域的重点钢铁产品，随着冶金设备W及社钢技术的提高，国内大型钢铁企业均有能力 批量供货高强度结构用钢产品，随着应用量的提高，其工艺技术已相对成熟。尽管如此，由 于该强度级别钢板需要采用调质工艺生产，各大钢企为保证泽透性在成分上采用了相对较 高的C元素 W及Cr、Mo、Ni等合金，另外添加 Nb、V等微合金化元素，随着厚度提高，合金添加 量更高。Mo、Ni、师、Cr合金价格较为昂贵，极大的增加了产品合金成本和冶炼难度，也导致 碳当量升高、焊接裂纹敏感性增大。
[0003] 专利"800MI^级高强度大线能量焊接用厚板（CN 102839330 B)"提供了一种 SOOMPa级大线能量焊接用钢板，其化学成分中含有大量加、灯、]/[0、化等贵重合金，成本较 局。
[0004] 专利"低成分低化m值800M化级高强钢及其生产方法(CN 103725973 B)"提供了一 种低化m值的800M化级高强钢板，其化学成分相对简单，但是相比本发明的钢板添加了Cr、 V等合金元素。
[0005] 专利"抗拉强度800M化级别低屈强比结构钢板及其制造方法(CN 102851615 A)" 提供了一种800M化级低屈强比高强度钢板，其化学成分中含有大量的加、吐、1〇、化等贵重 合金，成本较局。
[0006] 专利"一种800M化级低焊接裂纹敏感性钢板及其制造方法(CN 10273279713 Br 提供了一种低焊接裂纹敏感性钢板，同本发明专利相比，其化学成分中有意添加了Cr、Mo等 贵重合金元素。
[0007] 专利"一种SOOMPa经济型耐腐蚀高强度钢板（CN 102796967 BT提供了一种 800M化级耐腐蚀高强度钢板，为保证耐腐蚀性有意添加了化-化-Ni等合金元素。
[000引专利"一种抗拉强度达800M化W上的高强初钢板及其制造方法（CN 103131956 A)"提供了一种SOOMPaW上强度的高强钢，同本发明专利相比，其化学成分中添加了Cr、Mo 等贵重合金元素。
【发明内容】
[0009]鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种具有极简成分的800M化级高强度结构用 钢板及其制造方法，解决800M化级高强钢成分复杂、合金成本高、容易出现焊接裂纹的问 题。
[0010] 本发明的技术方案:该种极简成分高强度结构用钢板，其特征在于，它的主要化学 成分重量百分比为：C:0.12~0.20%，Si :0.15~0.50%，Mn:1.30~1.80%，P《0.020%，S 《0.010%，A1:0.020~0.050%，Ti :0.015~0.035%，师：0.020~0.060%，B:0.0015~ 0.0035%，其余为化及不可避免的杂质。同时，钢的化学成分还满足碳当量要求：
[0011] 碳当量：Ceq = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu/+Ni)/15《0.50%(其中，Cr、Mo、V、Cu、 Ni均为残余元素）。
[0012] 该种极简成分高强度结构用钢板的厚度范围为10~60mm，其特征在于，它的主要 机械性能指标为屈服强度(Rp日.2)>690MPa，抗拉强度(Rm)770~930M化，断后伸长率(A)> 14%，-40°C及W上试验溫度夏比冲击吸收功化V2) >47J。
[0013] 所述极简成分高强度结构用钢板的制造方法，其冶炼工艺特征在于通过采铁水预 处理脱硫至0.008%及W下、转炉顶底复吹少渣冶炼降低憐含量0.017%及W下，采用LF炉 外精连+W1循环真空脱气并控制夹杂物球化，配合全流程保护大板巧连铸工艺，获得的钢巧 内部质量为C类偏析《2.0、中屯、疏松《0.5、无中屯、裂纹，此外，钢巧主要化学成分重量百分 比符合如下条件：C:0.12~0.20%，Si:0.15~0.50%，Mn:1.30~1.80%，P《0.020%，S《 0.010%，A1:0.020 ~0.050 %，Ti:0.015~0.035 %，Nb :0.020~0.060%，B :0.0015~ 0.0035%，其余为化不可避免的杂质，同时其碳当量Ceq《50%。
[0014] 所述极简成分高强度结构用钢板的制造方法，其社制工艺特征在于采用再结晶区 +未再结晶区双阶段控制社制，钢巧堆煤放置48小时W上后经检查钢巧表面无缺陷后进入 加热炉加热，加热时间不小于4个小时，加热溫度1200~1280 °C;社制前高压水除鱗2~3次， 第一阶段在奥氏体再结晶区将钢巧社制成中间巧，该阶段控制至少2道次压下量20mmW上， 获得的中间巧厚度为成品厚度的2.0~2.5倍W上;第二阶段在奥氏体未再结晶区发生铁素 体相变前将中间巧社制成成品厚度钢板，该阶段控制总压下率50% W上，社制溫度范围890 ~790°C，社完矫直后空冷。
[0015] 所述极简成分高强度结构用钢板的制造方法，热处理工艺特征在于采用离线泽火 +回火工艺，泽火前抛丸处理，泽火溫度为900~930°C，在炉时间根据钢板厚度(S)规格调 整，具体计算方法为2.0min/mmX S+0~15min;回火溫度为450~600°C，在炉时间根据钢板 厚度(S)规格调整，具体计算方法为2.0~2.5min/mmXS+〇~15min，回火后矫直、精整、喷号 标识并检验。
[0016] 本发明除去钢铁材料五大元素外，仅有意添加了 41、1'1、抓、8共4种元素，为了为了 保证本发明的目的，使钢板具有高强度的同时，具有良好的塑初性、良好的焊接性能，W下 就本发明中(：、51、111、5、口、41、1'1、佩、8具体添加量进行说明。
[0017] C元素是最经济的强化元素，作为间隙原子时起到明显的固溶强化作用。C元素可 W显著提高钢板的本质泽透性，泽火时增加钢板泽透能力，但是C元素容易引起初性和焊接 性的下降，含量不宜过高。本发明选择C含量范围为0.12~0.20%，有效地避开了包晶区防 止铸巧裂纹，在保证钢板的泽透性的基础上，不至于C含量过高对焊接性和塑初性造成较大 的危害。
[0018] 本发明的Si含量为0.15~0.50%，Si是钢中的脱氧元素，也可W通过固溶强化提 高钢板强度，由于Si对初性和表面质量不利，不宜添加过高。
[0019] 本发明的Mn元素含量为1.30~1.80%，有别于普通调质型高强钢本发明适当提高 了Mn含量，目的是通过Mn的强初化作用补偿不添加贵重合金引起的强度下降，同时利用Mn 对贝氏体相变的促进作用提高泽透性。
[0020] 本发明限制P含量不大于0.020%，P作为杂质元素会引起钢板塑初性的下降，适当 降低P含量有利于钢板初性指标的提高。
[0021] 本发明限制S含量不大于0.010%，S是钢中另一个危害较大的杂质元素，对钢板初 性指标影响较大，S含量越低越好，但是脱S越低成本就越高，从脱S的经济性和性能要求角 度考虑，S含量控制在《0.010 %内较为合适。
[0022] 本发明A1元素含量范围为0.020~0.050%，作为主要脱氧元素，限定含量下限为 了保证脱氧效果，对细化晶粒也有一定的效果，但是过多的A1容易导致夹杂物产生，因此设 定上限为0.050%。
[0023] 本发明限制Ti元素含量范围为0.015~0.035%，Ti容易与钢中的N结合，形成高 烙点化合物，阻碍奥氏体晶界移动，抑制奥氏体晶粒长大，起到细晶强化作用，焊接时TiN可 W有效钉社奥氏体晶界，防止焊接热影响区晶粒粗化。
[0024] 本发明限制师元素含量范围为0.020~0.060,相对于常规调质型高强钢本发明适 当提高了师的用量，固溶Nb可W抑制奥氏体再结晶提高粗社社制溫度，也可W提高钢板的 泽透性，同时社制诱导析出的师的碳氮化物起到较强的细晶强化作用，对提高钢板的初性 和强度有利。
[0025] 本发明限制B元素含量范围为0.0015~0.0035，B通过在奥氏体晶界偏聚抑制铁素 体相变，从而提高基体泽透性，B是强泽透性元素，但是过多的B对初性和焊接性不利。
[0026] 本发明提供的钢板的机械性能同上述专利相比基本一致，但是本发明的高强度结 构用钢板及其制造方法优点非常突出。本发明钢板除去钢铁材料五大元素(：、51、111、口、5外， 仅添加了 41、1'1、抓、8四种元素，成分极其简单，与其他同类型8001?曰级高强度结构钢相比， 节约了钢铁3.4~6.8kg/t、电解儀1.5~3.f5kg/t、铭铁4~8kg/t，合金成本降低30% W上。 尽管钢板成分简单，但是通本发明制造方法充分挖掘了现代冶金工业社制和热处理设备潜 能，保证了钢板屈服强度(Rp〇.2)不低于690MPa、抗拉强度(Rm)满足770~930MPa的基础上，其 低溫冲击吸收功不低于47J(试验溫度-40°C，KV2)，断后伸长率(A)超过14%，钢板塑初性优 良。钢板质量良好、性能稳定均匀，碳当量低，钢板实物碳当量(Ceq)大多在0.45% W下，属 于具有良好焊接性的钢板，适当低溫预热就能够避免焊接冷裂纹，完全可应用于机械设备 结构件的制造。
【附图说明】
[0027] 图1为实施例1中钢板金相组织；
[00%]图2为实施例4中钢板金相组织；
【具体实施方式】
[0029] W下用实施例1、2、3、4并结合附图对本发明做更详细的描述，实施例1的钢板厚度 为10mm，实施例2的钢板厚度20mm、实施例3的钢板厚度40mm，实施例3的钢板厚度为60mm。实 施例钢板均按照如下工艺流程生产：
[0030] KR铁水预处理^顶底复吹转炉冶炼^CAS微合金化^LF+畑精炼^板巧诱铸^加 热^高压水除鱗^再结晶区社制^未再结晶区社制^矫直^冷却^抛丸^泽火处理^回 火处理^矫直^精整^喷号标识^取样检验。
[0031] 实施例1
[0032] 严格按照生产工艺流程生产，主要工艺环节关键参数控制如下：
[0033] KR预处理:处理后S含量为0.007% ;
[0034] 顶底复吹转炉冶炼:采用优质废钢，依次加入侣块、儘铁合金、娃儘合金、娃铁、妮 铁，冶炼终点碳含量按照比目标值低0.04%控制，P含量为0.014%，S含量为0.018%，转炉 终点溫度1679 °C;
[00对 CAS站：加入0 13mm的侣线0.5~1. Om/t，吹氣时间1 Imin，处理完毕，P含量为 0.016%，S含量为0.015%，A1 含量:0.034%
[0036] LF炉外精炼:造白渣脱S，加热结束加入铁铁、棚铁，终点S含量为0.004 %出站溫度 1635。。
[0037] 畑炉外精炼:真空度《200化的处理时间为17min，进行成分微调；
[0038] 板巧诱注:控制过冷度15~25°C范围内波动，获得板巧厚度为250mm，板巧低倍中 屯、C类偏析2.0、中屯、疏松0.5、无中屯、裂纹，本实施例最终获得的烙炼成分为C:0.12%，Si : 0.30%，Mn: 1.35%，P:0.018%，S:0.005%，A1:0.035%，Ti :0.023%，帅：0.022%，B: 0.0018%，其余为化不可避免的杂质，经计算其碳当量Ceq为0.36%。
[0039] 板巧加热：板巧放置缓冷90小时后入炉加热，加热时间为4.2小时，均热溫度为 1220。。
[0040] 社制前高压水除鱗3次，钢巧表面无明显氧化铁皮；
[0041] 再结晶区社制：开社溫度llOOr，终社108(TC，倒数第2、3道次的压下量分别为 25mm、23mm，最终获得的中间巧厚度为40mm;
[0042] 未再结晶区社制:开社890°C，终社840°C，总压下率为75%，获得厚度为10mm钢板；
[0043] 离线热处理:抛丸处理后泽火，泽火处理均热溫度为900°C，在炉35min;回火处理 均热溫度为600°C，在炉35min，出炉后矫直缓冷至常溫，然后精整、喷号标识W及取样检验。 实施例1的机械性能见表1，其金相组织见图1.
[0044] 实施例2
[0045] 严格按照生产工艺流程生产，主要工艺环节关键参数控制如下：
[0046] KR预处理:处理后S含量为0.006% ;
[0047] 顶底复吹转炉冶炼:采用优质废钢，依次加入侣块、儘铁合金、娃儘合金、娃铁、妮 铁，冶炼终点碳含量按照比目标值低0.04%，P含量为0.015%，S含量为0.018%，转炉终点 溫度 1673 °C;
[004引 CAS站：加入0 13mm的侣线0.5~1. Om/t，吹氣时间12min，处理完毕，P含量为 0.017%，S含量为0.016%，侣含量:0.028%
[0049] LF炉外精炼:造白渣脱S，加热结束加入铁铁、棚铁，终点S含量为0.006 %出站溫度 1632。。
[0050] 畑炉外精炼:真空度《200化的处理时间18min，进行成分微调；
[0051 ]板巧诱注:控制过冷度15~25°C范围内波动，获得板巧厚度为250mm，板巧低倍中 屯、c类偏析1.5、中屯、疏松0.5、无中屯、裂纹，本实施例最终获得的烙炼成分为:C: 0.14%，Si : 0.28%，Mn: 1.45%，P:0.017%，S:0.007%，A1:0.028%，Ti :0.020%，帅：0.032%，B: 0.0025 %，其余为化不可避免的杂质，经计算其碳当量Ceq为0.39 %。
[0052] 板巧加热：板巧放置缓冷106小时后入炉加热，加热时间为4.5小时，均热溫度为 1270。。
[0053] 社制前高压水除鱗2次，钢巧表面无明显氧化铁皮；
[0054] 再结晶区社制：开社溫度108(TC，终社106(TC，倒数第2、3道次的压下量分别为 24mm、27mm，最终获得的中间巧厚度为80mm;
[0055] 未再结晶区社制:开社880°C，终社850°C，总压下率为75%，获得厚度为20mm钢板； [0化6] 离线热处理:抛丸处理后泽火，泽火处理均热溫度为910°C，在炉50min;回火处理 均热溫度为560°C，在炉55min，出炉后矫直缓冷至常溫，然后精整、喷号标识W及取样检验。 实施例2的机械性能见表1。
[0化7]实施例3
[005引严格按照生产工艺流程生产，主要工艺环节关键参数控制如下：
[0化9] KR预处理:处理后S含量《0.007% ;
[0060]顶底复吹转炉冶炼:采用优质废钢，依次加入侣块、儘铁合金、娃儘合金、娃铁、妮 铁，冶炼终点碳含量按照比目标值低0.03%，P含量为0.014%，S含量为0.015%，转炉终点 溫度 1678 °C;
[00川 CAS站：加入0 13mm的侣线0.5~1. Om/t，吹氣时间14min，处理完毕，P含量为 0.015%，S含量为0.010%，侣含量:0.032%
[0062] LF炉外精炼:造白渣脱S，加热结束加入铁铁、棚铁，终点S含量为0.006 %出站溫度 1635。。
[0063] 畑炉外精炼:真空度《200化的处理时间20min，进行成分微调；
[0064] 板巧诱注:控制过冷度15~25°C范围内波动，获得板巧厚度为250mm，板巧低倍中 屯、C类偏析1.0、中屯、疏松0.5、无中屯、裂纹，本实施例最终获得的烙炼成分为:C: 0.14%，Si : 0.32%，Mn: 1.78%，P:0.016%，S:0.007%，A1:0.029%，Ti :0.023%，帅：0.043%，B: 0.0023%，其余为化不可避免的杂质，经计算其碳当量Ceq为0.44%。
[0065] 板巧加热：板巧放置缓冷120小时后入炉加热，加热时间为4.3小时，均热溫度为 1200。。
[0066] 社制前高压水除鱗3次，钢巧表面无明显氧化铁皮；
[0067] 再结晶区社制:开社溫度llOOr，终社1070°C，倒数第2、3道次的压下量分别为26、 24mm，中间巧厚度为110mm;
[006引未再结晶区社制:开社860°C，终社850°C，总压下率为55%，实施例1的机械性能见 表1，其金相组织见图1.;
[0069] 离线热处理:抛丸处理后泽火，泽火处理均热溫度为920°C，在炉1 lOmin;回火处理 均热溫度为480°C，在炉llOmin，出炉后矫直缓冷至常溫，然后精整、喷号标识W及取样检 验。实施例3的机械性能见表1。
[0070] 实施例4
[0071 ]严格按照生产工艺流程生产，主要工艺环节关键参数控制如下：
[0072] KR预处理:处理后S含量为0.007% ;
[0073] 顶底复吹转炉冶炼:采用优质废钢，依次加入侣块、儘铁合金、娃儘合金、娃铁、妮 铁，冶炼终点碳含量按照比目标值低0.02%，P含量为0.016 %，S含量为0.015%，转炉终点 溫度为167 rc;
[0074] CAS站：加入〇 13mm的侣线0.5~1. Om/t，吹氣时间12min，处理完毕，P含量为 0.015%，S含量为0.013%，侣含量:0.031 %
[0075] LF炉外精炼:造白渣脱S，加热结束加入铁铁、棚铁，终点S含量为0.005 %出站溫度 1638。。
[0076] I?H炉外精炼:真空度《200化的处理时间20min，进行成分微调；
[0077] 板巧诱注:控制过冷度15~25°C范围内波动，获得板巧厚度为250mm，板巧低倍中 屯、C类偏析1.5、中屯、疏松0.5、无中屯、裂纹，本实施例最终获得的烙炼成分为:C: 0.20%，Si : 0.35%，Mn: 1.42%，P:0.016%，S:0.005%，A1:0.030%，Ti :0.025%，帅：0.055%，B: 0.0028%，其余为化不可避免的杂质，同时其碳当量Ceq为0.45%。
[0078] 板巧加热：板巧放置缓冷60小时后入炉加热，加热时间为4.2小时，均热溫度为 1280。。
[0079] 社制前高压水除鱗3次，钢巧表面无明显氧化铁皮；
[0080] 再结晶区社制：开社溫度1120°C，终社1100°C，倒数第2、3道次的压下量分别为 27、28mm，中间巧厚度为130mm;
[0081] 未再结晶区社制:开社830°C，终社800°C，总压下率为54%，获得厚度60mm的钢板；
[0082] 离线热处理:抛丸处理后泽火，泽火处理均热溫度为930°C，在炉120min;回火处理 均热溫度为450°C，在炉150min，出炉后矫直缓冷至常溫，然后精整、喷号标识W及取样检 验。实施例4的机械性能见表1，其金相组织见图2。
[0083] 表1实施例1-4钢板机械性能
[OORAl
[0085] 从表1可W看出，本发明厚度范围跨度大，但是钢板的性能良好，尽管采用极简成 分设计降低了合金消耗，但是性能满足标准要求且比较优异。
[0086] 表2为实施例4厚度为60mm钢板的焊接接头斜Y坡口试验结果。焊接冷裂纹敏感性 是高强钢应用的一个关键指标，随着钢板厚度的增加冷裂纹敏感性也增加。从表2来看，钢 板在室溫不预热条件下仅出现少量内部裂纹，预热5(TC即没有出现裂纹，说明发明的焊接 工艺性优良，易于焊接。
[0087] 表2实施例4焊接接头斜Y坡口试验结果
[008引
[0089] 注:富氣气体保护焊，焊接热输入量为15kJ/cm。
[0090] 为检验发明钢板的焊接接头机械性能，采用了 15kJ/cm、30kJ/cm两种焊接热输入 量进行了对接接头焊接和机械性能检验，试验结果见表3。
[0091 ]表3实施例4焊接对接接头机械性能结果
[0092]
[0093] 从表3来看，本发明钢的焊接接头机械性能良好，工艺适应性强。
【主权项】
1. 一种极简成分高强度结构用钢板，其特征在于，它的主要化学成分重量百分比为:c: 0· 12~0.20%，Si :0.15~0.50%，Mn: 1.30~1.80%，P彡0.020%，S彡0.010%，A1:0.020~ 0.050%，Ti :0.015~0.035%，Nb:0.020~0.060%，Β:0·0015~0.0035%，其余为Fe及不可 避免的杂质；同时钢的化学成分还满足碳当量要求:碳当量:Ceq = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+ (Cu/+Ni)/15彡0·50%(其中，0、]?〇、￥、(：11、附均为残余元素）。2. 如权利要求1所述的一种极简成分高强度结构用钢板，其特征在于，所述钢板厚度范 围为10~60mm，它的主要机械性能指标为屈服强度（R pQ.2)彡690MPa，抗拉强度（Rm)770-930MPa，断后伸长率(A)彡14%，-40°C及以上试验温度夏比冲击吸收功(KV 2)彡47J。3. 如权利要求1或2所述的一种极简成分高强度结构用钢板的制造方法，其特征在于其 工艺流程为:KR铁水预处理-顶底复吹转炉冶炼-CAS微合金化-LF+RH精炼-板坯浇铸- 加热-高压水除鳞-再结晶区乳制-未再结晶区乳制-矫直-冷却-抛丸-淬火处理- 回火处理-矫直-精整-喷号标识-取样检验。4. 如权利要求3所述的一种极简成分高强度结构用钢板的制造方法，其特征在于:采用 所述制造方法所获得的钢坯内部质量为C类偏析<2.0、中心疏松<0.5、无中心裂纹。5. 如权利要求3所述的一种极简成分高强度结构用钢板的制造方法，其特征在于： 所述板坯堆垛放置48小时以上后经检查钢坯表面无缺陷后进入加热炉加热，加热时间 不小于4个小时，加热温度1120~1280°C。6. 如权利要求3所述的一种极简成分高强度结构用钢板的制造方法，其特征在于： 所述的高压水除鳞2~3次。7. 如权利要求3所述的一种极简成分高强度结构用钢板的制造方法，其特征在于： 所述的再结晶区乳制工艺具体为:在奥氏体再结晶区将钢坯乳制成中间坯，该阶段控 制至少2道次压下量20mm以上，获得的中间坯厚度为成品厚度的2.0~2.5倍。8. 如权利要求3所述的一种极简成分高强度结构用钢板的制造方法，其特征在于:所述 的未再结晶区乳制工艺具体为:在奥氏体未再结晶区发生铁素体相变前将中间坯乳制成成 品厚度钢板，该阶段控制总压下率50%以上，乳制温度范围890~790°C，乳完矫直后空冷。9. 如权利要求3所述的极简成分高强度结构用钢板的制造方法，其特征在于:所述的淬 火处理为离线淬火，淬火前抛丸处理，淬火温度为900~930 °C。10. 如权利要求3所述的一种极简成分高强度结构用钢板的制造方法，其特征在于:所 述的回火处理工艺，回火温度为450~550°C。
【文档编号】C22C38/02GK106048408SQ201610463631
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】侯东华, 周兰聚, 宋国栋, 冯勇, 王杰, 李彩霞, 薛艳龙, 侯登义, 梁英, 宋志超
【申请人】山东钢铁股份有限公司