本发明涉及一种低成本、大热输入焊接460mpa级止裂钢板及其制造方法，钢板屈服强度≥460mpa、抗拉强度≥550mpa、-40℃的夏比冲击功(单个值)≥100j、kca(-10o℃)≥6500n/mm1.5，且可以实现大热输入焊接与超低成本制造。
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、船舶制造、桥梁结构、锅炉压力容器、建筑结构、汽车工业、铁路运输及机械制造之中。低碳(高强度)低合金钢性能取决于其化学成分、制造过程的工艺制度，其中强度、韧性和焊接性是低碳(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。随着科技不断地向前发展，人们对钢的强韧性、焊接性提出更高的要求，即在维持较低制造成本的同时大幅度地提高钢板的综合机械性能和使用性能，以减少钢材的用量而节约成本，减轻钢构件自身重量、稳定性和安全性。
目前世界范围内掀起了发展新一代高性能钢铁材料的研究高潮，通过合金组合设计、革新控轧/tmcp技术及热处理工艺获得更好的显微组织匹配，从而使钢板得到更优良强韧性、强塑性匹配、耐海水腐蚀性、更优良的焊接性及抗疲劳性能；本发明钢板正是采用上述技术，低成本地开发出强韧性、强塑形匹配及低温韧性优良且可大热输入焊接的重钢结构用宽厚钢板。
现有技术在制造屈服强度≥420mpa、-60℃的低温冲击韧性≥34j的厚钢板时，一般要在钢中添加一定量的ni或cu+ni元素(≥0.30％)【thefirth(1986)internationalsymposiumandexhibitonoffshoremechanicsandarcticengineering，1986，tokyo，japan，354；“developmentsinmaterialsforarcticoffshorestructures”；“structuralsteelplatesforarcticuseproducedbymultipurposeacceleratedcoolingsystem”(日文)，川崎制铁技报，1985，no.168～72；“applicationofacceleratedcoolingforproducing360mpayieldstrengthsteelplatesofupto150mminthicknesswithlowcarbonequivalent”，acceleratedcoolingrolledsteel，1986，209～219；“highstrengthsteelplatesforice－breakingvesselsproducedbythermo－mechanicalcontrolprocess”，acceleratedcoolingrolledsteel，1986，249～260；“420mpayieldstrengthsteelplatewithsuperiorfracturetoughnessforarcticoffshorestructures”，kawasakisteeltechnicalreport，1999，no.40，56；“420mpaand500mpayieldstrengthsteelplatewithhighhaztoughnessproducedbytmcpforoffshorestructure”，kawasakisteeltechnicalreport，1993，no.29，54；“toughnessimprovementinbainitestructurebythermo-mechanicalcontrolprocess”(日文)住友金属，vol.50,no.1(1998),26；“冰海地区使用的海洋平台结构用钢板”(日文)，钢铁研究，1984，第314号，19～43】，以确保母材钢板具有优异的低温韧性，采用<50kj/cm的热输入焊接时，热影响区haz的韧性也能够达到-60℃akv≥34j；但是采用超大热输入(≥100kj/cm)焊接时，焊接热影响区(haz)的低温韧性一般比较难以达到，热影响区(haz)低温韧性发生严重劣化。大量专利文献只是说明如何实现母材钢板的低温韧性，对于如何在焊接条件下，获得优良的热影响区(haz)低温韧性说明的较少，尤其采用超大热输入焊接时如何保证热影响区(haz)的低温韧性少之又少，且为了保证钢板的低温韧性，钢中一般均加入一定量的ni或cu+ni元素，钢板超大热输入焊接热影响区(haz)低温韧性也很少能够达到－60℃【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、美国专利uspatent4855106、uspatent5183198、uspatent4137104】。
目前改善超大热输入焊接钢板热影响区(haz)低温韧性的只有日本新日铁公司采用氧化物冶金技术(美国专利uspatent4629505、wo01/59167a1)，即在大热输入焊接过程中，在熔合线附近，由于长时间高温作用，tin粒子发生溶解而失去作用，ti2o3比tin更加稳定，即使到达钢的熔点，也不会发生溶解。ti2o3粒子可成为奥氏体晶内针状铁素体形核位置，促进奥氏体晶内针状铁素体(acicularferrite－af)形核，有效地分割奥氏体晶粒，细化haz组织，形成高强高韧性的针状铁素体组织。
中国专利申请号201410300713.x、201310244712.3、zl201310244706.8、zl201310124065.2、zl201310244713.8、zl201210209637.2公开的大热输入焊接各类低温钢板，为了保证大热输入焊接热影响区低温韧性，钢中均不可避免地添加一定数量贵重合金元素cu与ni，且钢板超大热输入焊接热影响区(haz)低温韧性较难保证，更没有涉及钢板止裂特性。
技术实现要素：
本发明的目的在于设计一种低成本、大热输入焊接460mpa级止裂钢板及其制造方法，钢板屈服强度≥460mpa、抗拉强度≥550mpa、-40℃的夏比冲击功(单个值)≥100j、kca(-10°℃)≥6500n/mm1.5，且可以实现大热输入焊接与超低成本制造。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
低成本、大热输入焊接460mpa级止裂钢板是厚板产品中难度较大的品种之一，其原因是该类钢板不仅要求超低c、低碳当量、高强度、优良的低温韧性及抗裂止裂特性，而且钢板还要能够承受大热输入焊接，焊接热影响区具有优良的低温冲击韧性及抗裂止裂特性；但是这些性能要求很难同时满足。超低c、低碳当量、低成本(即不含有cu、ni与mo等贵重合金元素)与高强度在成分设计和工艺设计上相互冲突，很难调和，即降低c含量、碳当量的同时，很难实现钢板的高强度；在提高强度的同时，很难实现钢板优良的焊接性，尤其大热输入焊接条件下焊接热影响区抗裂止裂特性。如何平衡高强度、低温韧性、抗裂止裂特性、大热输入焊接性与低成本制造是本产品最大的难点之一，也是关键核心技术；因此在关键技术路线、成分和工艺设计上，综合了影响钢板高强度、优良的低温韧性、抗裂止裂特性、大热输入焊接性及低成本制造等关键因素，成功地避开了新日铁公司专利的技术封锁(氧化钛冶金技术及氧化镁冶金技术)，从合金设计入手，采用超低碳c-超低si-高mn-nb系低合金钢作为基础，控制(％al)≤0.010％、微ti处理、11.5≤(di×t开冷×vc)/t停冷≤26.5，0.55≤(％mn)×ceq≤0.85，优化tmcp工艺，使成品钢板的显微组织为均匀细小的铁素体+弥散分布的贝氏体，显微组织平均晶粒尺寸在10μm以下，母材钢板获得高强度、优良的低温韧性、优良的大热输入焊接性的同时，钢板与焊接热影响区具有优良的抗裂止裂特性，特别适用于冰海地区的破冰船壳体、海洋平台、跨海大桥、海洋风塔结构、海工机械等。
具体的，本发明的低成本、大热输入焊接460mpa级止裂钢板，其成分重量百分比为：
c：0.040％～0.080％
si：≤0.15％
mn：1.70％～2.05％
p：≤0.013％
s：≤0.0040％
nb：0.015％～0.030％
ti：0.010％～0.025％
al：≤0.010％，
其余为fe和不可避免的杂质；且上述元素含量必须同时满足如下关系：
11.5≤(di×t开冷×vc)/t停冷≤26.5，其中淬火因子di＝0.367(％c)0.5[1+0.7(％si)][(1+3.33(％mn)][(1+0.35(％cu)][(1+0.36(％ni)][(1+2.16(％cr)][(1+3(％mo)][(1+1.75(％v)][(1+2.89(％nb)][(1+1.77(％al)][(1+200(％b)]；
t开冷为加速冷却的开冷温度，单位℃；t停冷为加速冷却的停冷温度，单位℃；vc为加速冷却的冷却速度，单位℃/s；
0.55≤(％mn)×ceq≤0.85，
ceq＝(％c)+(％mn)/6+[(％cr)+(％mo)+(％v)]/5+[(％ni)+(％cu)]/15。
在本发明钢板成分体系设计中：
为了获得高强度、优良的低温韧性、抗裂止裂特性及大热输入焊接性，本发明tmcp钢板化学成分具有以下特征：
c对tmcp钢板的强度、低温韧性、延伸率及焊接性尤其大热输入焊接性影响很大，从改善tmcp钢板低温韧性、抗裂止裂特性与大热输入焊接性角度，希望钢中c含量控制得较低；但是从钢板的强度、生产制造过程中显微组织控制与制造成本的角度，c含量不宜控制得过低；过低c含量易导致晶界迁移率过高，母材钢板与焊接haz显微组织晶粒粗大，而且钢中c含量过低导致晶界弱化，严重劣化母材钢板与焊接haz的低温韧性；因此，c含量合理范围为0.040％～0.080％。
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严重损害钢板的低温韧性、延伸率及焊接性，尤其mn含量高的钢板在大热输入焊接条件下，si不仅促进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的低温韧性与抗裂止裂特性，因此钢中的si含量应尽可能控制得低，考虑到炼钢过程的经济性和可操作性，si含量控制在0.15％以下。
mn作为最重要的合金元素在钢中除提高钢板的强度外，还具有扩大奥氏体相区、降低ar3点温度、细化tmcp钢板显微组织而改善钢板低温韧性、抗裂止裂特性的作用、促进低温相变组织形成而提高钢板强度的作用；其次，采用氧化钛冶金技术改善高强钢板大热输入焊接时，当钢中mn含量较高时，在ti2o3粒子周围形成高浓度梯度分布的mn含量(mn含量由粒子近旁的最低连续增加到钢中原始mn含量)大幅度提高铁素体形核驱动力，提升铁素体形核温度(即焊接热循环过程中奥氏体向铁素体转变温度ar3)，促进晶内铁素体、晶内针状铁素体形成的同时，大量mn偏聚在原奥氏体晶界，抑制晶界粗大的先共析铁素体与铁素体侧板条fsp形成，进一步促进晶内铁素体、晶内针状铁素体形成，分割原奥氏体晶粒，改善大热输入焊接热影响区低温韧性与抗裂止裂特性。但是，mn在钢水凝固过程中容易发生偏析，尤其mn含量过高时，不仅会造成浇铸操作困难，而且容易与c、p、s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轧制、热处理及焊接过程中易形成异常组织，导致钢板低温韧性低下和焊接接头出现裂纹；因此适合mn含量为1.70％～2.05％之间。
p作为钢中有害杂质对钢板的机械性能，尤其低温冲击韧性、抗裂止裂特性、延伸率及焊接性(尤其大热输入焊接性)具有巨大的损害作用，理论上要求越低越好；但考虑到炼钢可操作性和炼钢成本，p含量适宜的范围≤0.013％。
s作为钢中有害杂质对钢板的低温韧性具有很大的损害作用，更重要的是s与钢中的mn结合，形成mns杂质物，尤其钢中mn含量较高时，形成的mns不仅数量众多，而且尺寸巨大；在热轧过程中，mns的可塑性使mns沿轧向延伸，形成沿轧向mns杂质物带，严重损害钢板的低温冲击韧性尤其抗裂止裂特性(mns不仅为裂纹起裂点，而且降低裂纹扩展需要的能量、大幅度降低裂纹的扩展阻力)、延伸率、z向性能、焊接性(尤其大热输入焊接性)，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、炼钢成本和物流顺畅原则，s含量需要控制在≤0.0040％。
本发明钢种采用ti脱氧技术，目的是在钢中形成细小弥散分布的氧化钛粒子(ti2o3)，在大热输入焊接热循环过程中，促进奥氏体晶内铁素体或针状铁素体形核，分割原奥氏体晶粒，细化焊接热影响区晶粒，改善大热输入焊接热影响区低温韧性、抗裂止裂特性；当钢中ti添加量低于0.010％时，形成的细小弥散分布的氧化钛粒子(ti2o3)严重数量不足，不能有效细化大热输入焊接热影响区晶粒，焊接热影响区易出现粗大的仿晶界铁素体、铁素体侧板条fsp及魏氏组织，严重劣化大热输入焊接热影响区低温韧性、抗裂止裂特性；当钢中ti含量高于0.025％时，细小弥散的氧化钛粒子(ti2o3)不足而粗大的氧化钛粒子(ti2o3)过多，这些粗大的氧化钛粒子(ti2o3)粒子不仅对细化大热输入焊接热影响区晶粒效果有限，而且可能成为裂纹的形核点，其次过多ti含量可能导致共格状态tic析出脆化，严重恶化大热输入焊接热影响区低温韧性与抗裂止裂特性，因此适宜的ti含量范围为0.0010％～0.025％。
钢中添加微量的nb元素目的是进行未再结晶控制轧制、提高tmcp钢板强度和韧性，当nb添加量低于0.015％时，除不能有效发挥的控轧作用之外，对tmcp钢板强化、韧化能力也不足；当nb添加量超过0.030％时，大热输入焊接条件下诱发上贝氏体(bu)形成和nb(c,n)二次析出脆化作用，严重损害大热输入焊接热影响区的低温韧性、抗裂止裂特性，因此nb含量控制在0.015％～0.030％之间，获得最佳的控轧效果、实现tmcp钢板强韧性/强塑性匹配的同时，又不损害大热输入焊接热影响区的韧性。
al与o的亲和力远大于ti与o的亲和力，为了实现钢水的ti脱氧过程的顺利进行，确保钢中形成细小弥散分布的氧化钛粒子(ti2o3)，钢中al不得高于0.010％，以阻止al与o的结合而抑制ti脱氧过程，达不到氧化钛冶金工艺过程的实施；此外，较高的al含量促进大热输入焊接热影响区m-a岛形成，劣化焊接热影响区抗裂止裂特性。
11.5≤(di×t开冷×vc)/t停冷≤26.5，实现钢板的本征淬透性与在线淬火工艺的匹配，以获得成品钢板的显微组织为均匀细小的铁素体+弥散分布的贝氏体，显微组织平均晶粒尺寸在10μm以下，确保钢板具有高强度、优良的低温韧性与抗裂止裂特性，其中：
淬火因子di＝0.367(％c)0.5[1+0.7(％si)][(1+3.33(％mn)][(1+0.35(％cu)][(1+0.36(％ni)][(1+2.16(％cr)][(1+3(％mo)][(1+1.75(％v)][(1+2.89(％nb)][(1+1.77(％al)][(1+200(％b)]；
t开冷为加速冷却的开冷温度，单位℃；
t停冷为加速冷却的停冷温度，单位℃；
vc为加速冷却的冷却速度，单位℃/s；这是本发明关键技术之一。
0.55≤(％mn)×ceq≤0.85，实现高mn含量与碳当量之间的匹配，保证钢板具有优良的焊接性，钢板可以承受大热输入焊接，焊接热影响区为细小均匀的晶内铁素体或针状铁素体组织，确保钢板焊接热影响区具有高强度、优良的低温韧性与抗裂止裂特性，其中碳当量ceq＝(％c)+(％mn)/6+[(％cr)+(％mo)+(％v)]/5+[(％ni)+(％cu)]/15；这是本发明关键技术之一。
以上关系式中的成分数据按百分数计算，如碳含量为0.10％，关系式计算时，用0.10带入计算即可。
本发明的低成本、大热输入焊接460mpa级止裂钢板的制造方法，其包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按权利要求1所述成分冶炼、铸造成坯；
2)板坯加热，加热温度控制在1050℃～1150℃之间；
3)轧制，钢板总压缩比≥3.6
第一阶段为普通轧制，累计压下率≥50％；
第二阶段采用未再结晶控制轧制，控轧开轧温度控制在780℃～820℃，轧制道次压下率≥7％，累计压下率≥50％，终轧温度760℃～800℃；
4)冷却
控轧结束后，钢板立即运送到加速冷却；钢板开冷温度终轧温度750℃～790℃，冷却速度≥8℃/s，停冷温度为450℃～650℃，随后钢板自然空冷至350℃后进行缓冷，缓冷工艺为钢板温度表面大于300℃的条件下至少保温24小时。
在本发明钢板制造工艺中：
1、根据上述c、mn、nb及ti含量范围，板坯加热温度控制在1050℃～1150℃之间，确保钢中nb在板坯加热过程中全部固溶到奥氏体中去的同时，板坯奥氏体晶粒不发生反常长大；
2、轧制，钢板总压缩比(板坯厚度/成品钢板厚度)≥3.6，保证轧制形变穿透到钢板芯部，改善钢板中心部位显微组织与性能；
第一阶段为普通轧制，采用轧机最大轧制能力进行连续不间断地轧制，累计压下率≥50％，确保形变钢坯发生再结晶，细化奥氏体晶粒；
第二阶段采用未再结晶控制轧制，根据上述钢中nb元素含量范围，为确保未再结晶控轧效果，控轧开轧温度控制在780℃～820℃，轧制道次压下率≥7％，累计压下率≥50％，终轧温度760℃～800℃；
3、冷却，控轧结束后，钢板立即以辊道的最大输送速度运送到dq设备处，随即对钢板进行加速冷却；钢板开冷温度终轧温度750℃～790℃，冷却速度≥8℃/s，停冷温度为450℃～650℃，随后钢板自然空冷至350℃后进行缓冷，缓冷工艺为钢板温度表面大于300℃的条件下至少保温24小时。
本发明的有益效果：
本发明钢板通过去除贵重合金元素cu与ni，低成本地成分组合设计，并与tmcp制造工艺相结合，不仅大幅度低成本地生产出综合性能优良的tmcp钢板，而且大幅度地缩短了钢板的制造周期，为企业创造巨大的价值，实现了制造过程的绿色环保。钢板的高性能高附加值集中表现在钢板具有高强度、优异的低温韧性的同时，钢板的焊接性(尤其大热输入焊接性)也同样优异，成功地解决了在超低c、低碳当量条件下，钢板获得高强度、优良的低温韧性及抗裂止裂特性，极大地提高了大型重钢结构的安全稳定性；良好的焊接性(尤其大热输入单道次焊接)节省了用户钢构件制造的成本，大幅度地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。
附图说明
图1为本发明实施例3的显微组织(1/4厚度)。
图2为本发明实施例3的焊接热影响区显微组织(热输入350kj/cm)。
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。
本发明钢板实施例成分参见表1，表2、表3为本发明钢板制造工艺，表4为本发明钢板性能。
由图1可以看出，钢板显微组织为均匀细小的铁素体+弥散分布的贝氏体，显微组织平均晶粒尺寸在10μm以下；由图2可以看出，钢板焊接热影响区显微组织为细小均匀的晶内铁素体或针状铁素体组织。
本发明钢板通过去除贵重合金元素cu与ni，低成本地成分组合设计，并与tmcp制造工艺相结合，不仅大幅度低成本地生产出综合性能优良的tmcp钢板，而且大幅度地缩短了钢板的制造周期，为企业创造巨大的价值，实现了制造过程的绿色环保。钢板的高性能高附加值集中表现在钢板具有高强度、优异的低温韧性的同时，钢板的焊接性(尤其大热输入焊接性)也同样优异，成功地解决了在超低c、低碳当量条件下，钢板获得高强度、优良的低温韧性及抗裂止裂特性，极大地提高了大型重钢结构的安全稳定性；良好的焊接性(尤其大热输入单道次焊接)节省了用户钢构件制造的成本，大幅度地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，。
本发明钢板主要用于低温船体结构用钢、海洋平台、跨海大桥、海洋风塔结构、港口机械及寒冷地区的钢结构等，并且能够实现低成本稳定批量工业化生产。
随着我国国民经济发展，建设节约型和谐社会的要求，海洋开发已摆到日事议程，目前我国海洋工程建设及其相关装备制造业方兴未艾，海洋工程建设及其相关装备制造业的关键材料――可大热输入低温结构钢板具有广阔的市场前景。