专利名称：：一种屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板及其制造方法
技术领域：
：本发明涉及钢铁冶金领域，具体地说，涉及一种屈服强度500MPa级的低裂纹敏感性钢板。
背景技术：
：为了便于焊接和简化焊接工艺，对于机械结构和工程建设所使用的高强度钢，要求钢的焊接裂纹敏感性指数Pcm尽可能低，以达到焊前无需预热的目的，这种钢被称为低焊接裂纹敏感性高强钢，也称CF钢。它是一类具有优良焊接性能和低温韧性的低合金高强度钢，其优点在于焊前不预热或稍加预热而不产生裂纹，主要是解决了大型钢结构件的焊接施工问题；对于屈服强度500MPa级钢板，一般要求钢的Pcm《0.20。/0。降低Pcm的唯一手段就是减少碳和合金元素的加入量，而对于采用淬火+回火工艺生产的高强钢来说，减少碳和合金元素的加入量将不可避免地带来钢强度的降低，然而，若采用热机械控制轧制与控制冷却技术(TMCP)，则可以弥补这种缺陷。此外，相对于调质(淬火+回火)工艺，热机械控制轧制与控制冷却技术(TMCP)还具有细化晶粒从而提高钢的低温韧性的好处。专利号CN139629和CN1932063涉及的钢种的合金元素设计成分的对比如表1所示。由于Cr、Cu、Mo、和Ni均为贵重合金元素，尤其Mo和Ni价格更高，因此从添加的合金元素的种类来分析，这两种钢种冶炼成本较高，且分别要求对钢板进行淬火+回火和离线回火处理，制造工序复杂。表l相关专利钢的成分对比(wt%)元^CSiMnPSAlNBNbVTiNiCuCrMoZrREPcm0.000.000.000.00CN13962940.020.10.6《《0.010《2058《《《《《《《0.130.61.80.020.010.0060.00200.0400.100.0250.550.650.50.040.020,333<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>
发明内容本发明的目的是通过提供一种屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板及其制造方法，从而获得一种焊接裂纹敏感性指数Pcm《0.17%，具备良好的低温韧性和焊接性的高强度钢板。本发明的技术方案为一种屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板，包括如下重量百分配比的化学元素C:0.0100.09%、Si:0.100.65%、Mn:1.102.00%、P《0.010%、S《0.006%、Nb:0.0200.090%、Al:0.020.06%、Ti:0.0040.030%、B:0.00050.0025%，余量为Fe和不可避免的杂质。下面，对本发明的屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板的化学成分作用作详细叙述。C:在钢中的作用是固溶强化，是对钢的强度贡献最大的元素，但是C对焊接性能和韧性不利。C含量越高，焊接性能越差，对于采用TMCP工艺生产的贝氏体钢来说，C含量越低则韧性越好，较低的碳含量可以生产更大厚度的高韧性钢板，因此本发明C含量控制为0.0100.09%。Si:在钢中的作用主要是固溶强化，加入Si可显著提高钢的强度，且对钢的焊接性能没有明显的负面影响；但过多的加入会使钢的韧性降低，本发明Si含量控制为0.100.65%。Mn:在钢中的作用主要是提高钢的屈服强度，另外可以降低钢的奥氏体向铁素体相变的转变温度，通过控制轧制，获得较细的晶粒尺寸，最终增加钢的强度和低温韧性。Nb:本发明通过加入较多的Nb，一方面以达到细化晶粒和增加钢板厚度的目的，另一方面是提高钢的未再结晶温度，便于在轧制过程中采用相对较高的终轧温度，从而加快轧制速度，提高生产效率。此外，由于强化了晶粒细化作用，使得可生产钢板的厚度增大，采用本发明设计的化学成分，能够生产钢板的最大厚度为60mm。B:能够显著增加钢的淬透性，本发明加入0.00050.0025。/。的B，可以使钢在一定冷却条件下，比较容易地获得高强度贝氏体组织。焊接裂纹敏感性指数Pcm是反映钢的焊接冷裂纹倾向的判定指标，Pern越低，焊接性越好，反之，则焊接性越差。焊接性好是指焊接时不易产生焊接裂纹，而焊接性差的钢容易产生裂纹，为了避免裂纹的产生，必须在焊接前对钢进行预热，焊接性越好，则所需的预热温度越低，反之则需要较高的预热温度。一般认为，当Pcm《0.25X时，60公斤级(屈服强度500MPa)钢可以实现不预热焊接。本发明钢的焊接裂纹敏感性指数Pcm《0.17。/。。低裂纹敏感性钢板的焊接裂纹敏感性指数Pcm可按下式确定Pcm=C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B一种屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板的制造方法，包含如下步骤(1)冶炼，并浇铸成铸坯或钢锭按如下化学元素的重量百分配比冶炼C:0.0100.09%、Si:0.100.65%、Mn:1.102.00%、P《0.010%、S《0.006%、Nb:0.0200.090%、Al:0.020.06%、Ti:0.0040.030%、B:0.00050.0025%，余量为Fe和不可避免的杂质。(2)加热加热温度为10801180°C。(3)轧制第一次轧制中初轧温度为10501150°C，第二次轧制，初轧温度为78084(TC，终轧温度为74085(TC;对于含Nb钢来说，其未再结晶温度约为950105(TC，将轧制钢坯温度降至78084(TC，目的是为了保证其在未再结晶区有足够的变形量，增加奥氏体晶粒中的滑移带和位错密度，增大有效晶界面积，为铁素体相变形核创造有利条件。较大的变形也有利于Nb的碳氮化合物的析出，由于变形诱导析出的作用，较大的道次变形率将有利于析出物的形成并且使其更加细小和弥散，同时，细小和弥散的析出物及其钉扎作用为铁素体提供高密度的形核地点并且阻止其长大和粗化，这对于钢的强度与韧性都起到有利的作用。将终轧温度控制在未再结晶区的低温段，同时该温度区接近相变点Ar3，即终轧温度为740850°C，在这个温度范围内终轧，既为相变提供更高的能量累积，也不至于给轧机带来过高的负荷，比较适合于厚板生产。(4)冷却钢板进入加速冷却装置，冷却至45056(TC，出水后空冷。由于钢板在轧制过程中积累了密度很高的位错和极高的应变能，高密度的位错将与Nb的析出物Nb(CN)粒子相互作用，在轧制完成至加速冷却的空冷(驰豫)过程中，这种相互作用促使在奥氏体晶粒内部形成大量细小的多边5形位错胞结构，Nb原子在位错墙上的偏聚以及大量微细Nb(CN)在位错胞壁上的析出，稳定了这种具有一定取向差的多边形胞状结构。同时，一个道次的较大变形具有诱导铁素体相变的作用，在这种诱导作用下，Ar3点有所提高，即出现所谓"应变诱导相变"现象，在未再结晶温度区较大的变形量，将有利于针状铁素体的晶内形核，同时会使贝氏体基体上的马氏体岛分布更加均匀弥散。优选地，所述步骤(2)中，保温时间为120180分钟。优选地，所述步骤(3)中，初轧后，轧件厚度为成品钢板厚度的23倍。优选地，所述步骤(4)中，冷却速度为515°C/S，采用较快的冷速是为了为贝氏体转变提供更高的过冷度，增加相变驱动力，获得更高密度的形核率，从而得到以细化的贝氏体为主的基体组织，使本发明钢板具有较高的强度和良好的韧性。优选地，所述步骤(4)中，空冷的方式采用堆垛或冷床冷却。本发明的有益效果为-1.本发明通过合理设计化学成分，无需添加Mo、Ni、Cu等贵重元素，充分利用加速冷却工序中水的作用，来弥补合金元素缺失带来的强度和韧性降低。因此原料成本大大降低，且焊接裂纹敏感性较小，焊前无需预热。2.本发明钢板采用热机械控制轧制与控制冷却技术(TMCP)，不需进行任何额外的热处理，从而简化了制造工序，节约能源，降低了钢的制造成本。3.由于成分和工艺设计合理，从实施效果来看，工艺制度比较宽松，可以在中、厚钢板产线上稳定生产。4.本发明的低裂纹敏感性钢板屈服强度大于500MPa、抗拉强度大于610MPa、夏氏冲击功Akv(—20。C)>100J、板厚可达80腿板，且钢板截面硬度比较均匀；焊接性能优良。以下将结合附图和实施例对本发明作更详细的描述。图1为本发明实施例4钢板的截面硬度测量值分布示意图。图2为本发明实施例1的焊接热影响区最高硬度测量结果示意图。具体实施例方式表2为本发明实施例1-6的低裂纹敏感性钢板的化学成分(wt%)及其焊接裂纹敏感性指数Pcm的数值。表2实施例CSiMnNbAlTiBFePcm10.010.652.000.0900.0500.0300.0025余量0.1420.020.601.800細0細0.0250.0020余量0.1430.040.501.650.0600.0550.0200細5余量0.1540.060.401.550扁0.0400.0150週0余量0.160.070.301.400.0300.0350細0細8力，曰象里0.1560.090.101.300.0200.0200.0040細7余量0.16Pcm:焊接裂纹敏感性指数Pcm=C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B实施例l本发明钢的化学元素百分配比为C:0.01%、Si:0.65%、Mn:2.00%、P《0.010%、S《0.006%、Nb:0.090%、Al:0.050%、Ti:0.030%、B:0.0025%，余量为Fe和不可避免的杂质。制造方法如下加热温度为108(TC，保温120分钟；第一阶段轧制的开轧温度为106(TC，轧件厚度为90mm;第二阶段轧制的开轧温度为78(TC，终轧温度为74(TC，成品钢板厚度为30mm;钢板冷却速度为15°C/S，终止温度为450°C。实施例2本发明钢的化学元素百分配比为C:0.02%、Si:0.60%、Mn:1.80%、P《0.010%、S《0.006%、Nb:0,080%、Al:0.060%、Ti:0.025%、B:0.0020%，余量为Fe和不可避免的杂质。7制造方法如下加热温度为110(TC，保温160分钟；第一阶段轧制的开轧温度为1090°C，轧件厚度为100mm;第二阶段轧制的开轧温度为780°C，终轧温度为770'C，成品钢板厚度为40mm;钢板冷却速度为5°C/S，终止温度为560°C。实施例3本发明钢的化学元素百分配比为C:0.04%、Si:0.50%、Mm1.65%、P《0.010%、S《0,006%、Nb:0.060%、Al:0.055%、Ti:0.020%、B:0.0015%，余量为Fe和不可避免的杂质。制造方法如下加热温度为112(TC，保温150分钟；第一阶段轧制的开轧温度为IIO(TC，轧件厚度为150mm;第二阶段轧制的开轧温度为800°C，终轧温度为79(TC，成品钢板厚度为60mm;钢板冷却速度为12°C/S，终止温度为500°C。实施例4本发明钢的化学元素百分配比为C:0.06%、Si:0.40%、Mn:L55%、P《0.010%、S《0.006%、Nb:0.040%、Al:0.040%、Ti:0.015%、B:0.0010%，余量为Fe和不可避免的杂质。制造方法如下其中加热温度为1140°C，保温150分钟；第一阶段轧制的开轧温度为1100°C，轧件厚度为150mm;第二阶段轧制的开轧温度为820°C，终轧温度为85(TC，成品钢板厚度为80iran;钢板冷却速度为15°C/S，终止温度为520°C。实施例5本发明钢的化学元素百分配比为C:0.07%、Si:0.30%、Mn:1.40%、P《0.010%、S《0.006%、Nb:0.030%、Al:0.035%、Ti:0.008%、B:0.0008%，余量为Fe和不可避免的杂质。制造方法如下加热温度为116(TC，保温180分钟；第一阶段轧制的开轧温度为110(TC，轧件厚度为90mm;第二阶段轧制的开轧温度为840°C，终轧温度为82(TC，成品钢板厚度为30mm;钢板冷却速度为8°C/S，终止温度为510°C。实施例6本发明钢的化学元素百分配比为C:0.09%、Si:0.10%、Mn:1.30%、P8《0.010%、S《0.006%、Nb:0.020%、Al:0.020%、Ti:0.004%、B:0.0007%，余量为Fe和不可避免的杂质。制造方法如下加热温度为1180。C，保温160分钟；第一阶段轧制的开轧温度为1150°C，轧件厚度为120mm;第二阶段轧制的开轧温度为840°C，终轧温度为84(TC，成品钢板厚度为40mm;钢板冷却速度为10°C/S，终止温度为490°C。试验例l对本发明实施例1-6的低裂纹敏感性钢板进行力学性能测试，测试结果见表3。表3本发明实施例1-4的低裂纹敏感性钢板的力学性能实施例屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)延伸率(%)一2(TC纵向冲击功/韧性断口比例(J/%)1580,560700，69021.0，22.5325/100，318/100，339/1002565,580680,69523.0,22.0295/100,275/100,268/1003600，600740,74021.0，22.5201/100,198/100，178/1004535,540710,72021.5,22.0185/100，156/100,151/100315/100，5570,705,21.0，328/100,56569021.5319/1009<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>从表2和表3可以看出，本发明低裂纹敏感性钢板的Pcm《0.17%，屈服强度均大于500MPa，抗拉强度大于610MPa，夏氏冲击功Akv(—20。C)>100J，板厚可达80mm，具有良好的低温韧性和焊接性。试验例2按标准GB/T4340-1999对本发明实施例4的低裂纹敏感性钢板的截面硬度进行测量，测量值见图l。从图l可以看出，除表面激冷层外，本发明钢板的厚度截面硬度比较均匀。试验例3参照GB/T4675.5-1984《焊接性试验焊接热影响区最高硬度试验方法》对本实施例1进行了焊接热影响区最高硬度试验。该试验适用手工电弧焊，焊接试板尺寸取200x75x30mm。焊接参数为焊接电流170A，焊接电压24V，焊接速度150mm/min。焊接材料为大西洋J707RH。环境温度18°C，湿度55%。硬度测量结果如图2所示。由试验结果可见，HAZ最高硬度位于距熔合线底部切点lmm处，最高硬度为301。按照最高硬度试验的评定标准，当试验钢的HAZ最高硬度<350时，一般无需考虑焊接预热或后热。试验例4对实施例5的低焊接裂纹敏感性钢板进行了小铁研试验，来评价该钢种的抗冷裂纹性能。小铁研试验参照GB/T4675.1-1984《焊接性试验斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》进行。该试验适用手工电弧焊。焊接参数为焊接电流170A，焊接电压24V，焯接速度150mm/min。焊接材料为大西洋J707RH。将试板组对，焊好拘束焊缝，测量坡口间隙在标准规定的范围内。然后进行试验焊缝的焊接，焊后自然冷却至室温，放置48小时以上再观察裂纹情况。试验结果如表4所示。在试验条件下，没有发现焊接冷裂纹。表4小铁研试验结果<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>权利要求1.一种屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板，其特征在于包括如下重量百分配比的化学元素C0.010～0.09％、Si0.10～0.65％、Mn1.10～2.00％、P≤0.010％、S≤0.006％、Nb0.020～0.090％、Al0.02～0.06％、Ti0.004～0.030％、B0.0005～0.0025％，余量为Fe和不可避免的杂质。2.—种屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板的制造方法，其特征在于包含如下步骤(1)冶炼，浇铸成铸坯或钢锭按如下化学元素的重量百分配比冶炼C:0.0100.09c/q、Si:0.100.65。/q、Mn:1.102.00%、P《0,010%、s《0.006%、Nb:0.0200.090%、Al:0,020.06%、Ti:0.0040.030%、B:0.00050.0025%,余量为Fe和不可避免的杂质；(2)加热加热温度为10801180。C;(3)轧制第一阶段的初轧温度为10501150°C，第二阶段的初轧温度为780840°C，终轧温度为740850°C;(4)冷却钢板进入加速冷却装置，冷却至45056(TC，出水后空冷。3.如权利要求2所述的屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板的制造方法，其特征在于所述步骤(2)中，保温时间为120180分钟。4.如权利要求2所述的屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板的制造方法，其特征在于所述步骤(3)中，初轧后，轧件厚度为成品钢板厚度的23倍。5.如权利要求2所述的屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板的制造方法，其特征在于所述步骤(4)中，冷却速度为515°C/S。6.如权利要求2所述的屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板的制造方法，其特征在于所述步骤(4)中，空冷的方式采用堆垛或冷床冷却。全文摘要本发明公开了一种屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板，其特征在于包括如下重量百分配比的化学元素C0.010～0.09％、Si0.10～0.65％、Mn1.10～2.00％、P≤0.010％、S≤0.006％、Nb0.020～0.090％、Al0.02～0.06％、Ti0.004～0.030％、B0.0005～0.0025％，余量为Fe和不可避免的杂质。其制造方法如下1)冶炼并浇铸成铸坯或钢锭；2)加热；3)轧制；4)进入加速冷却装置，冷却至450～560℃，出水后空冷。本发明焊接裂纹敏感性小，屈服强度大于500MPa焊接性能良好。文档编号C22C38/14GK101481774SQ20081003233公开日2009年7月15日申请日期2008年1月7日优先权日2008年1月7日发明者赵小婷申请人:宝山钢铁股份有限公司