一种低屈强比低焊接裂纹敏感性钢的控轧控冷方法与流程

本发明属于低合金钢领域，特别是涉及一种低屈强比低焊接裂纹敏感性钢的控轧控冷方法。

背景技术：

对低合金钢，铁素体+珠光体或贝氏体的混合组织是获得低屈强比的常用途径，通常屈服强度主要取决于铁素体的屈服强度，而抗拉强度遵从混合物规律。因此，采用足够的碳含量获得一定量的珠光体或获得强度足够高的贝氏体是保证低屈强比的关键。有关文献表明，在钢铁材料强化机制当中，置换固溶强化提高抗拉强度的作用略大于提高屈服强度的作用，而位错强化和细晶强化主要是显著提高屈服强度；小颗粒析出沉淀强化对屈服强度的影响更大，大颗粒析出物尤其是晶界上的弱化相对抗拉强度不利。因此，为满足高强度和低屈强比的要求，有必要加入适量的合金元素。然而，提高钢中的碳含量和合金元素含量，将会提高焊接裂纹敏感性。一般采用焊接裂纹敏感性指数Pcm进行可焊性的评估：Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。由此可见，对以铁素体、珠光体、贝氏体组织为主的低合金钢，低屈强比与低焊接裂纹敏感性存在矛盾。

中国专利CN104018071A公布了“低碳当量高韧性Q420E钢板及其生产方法”，钢板的强韧性不错，其Pcm≤0.20，但屈强比为0.85~0.91。中国专利CN101497972A公布了“一种高强度低屈强比焊接结构钢及其生产方法”，该钢强韧性匹配优异，屈服强度在550~700MPa，-40℃冲击功在200~300J，屈强比≤0.80，但其Pcm为0.25~0.30。中国专利CN105063472A公布了“低成本345MPa级别低合金钢板及其生产方法”，该钢采用C-B-N，不添加任何合金元素，其Pcm≤0.20，屈强比≤0.80，但该钢强韧性较差，屈服强度为370~430MPa，-20℃冲击功在70~150J。中国专利CN101660099A公布了“高强度低合金热轧铁素体贝氏体耐候钢及其生产方法”，美国专利US6056833A公布了“Thermo mechanically controlled processed high strength weathering steel with low yield/tensile ratio”，这些钢的Pcm≤0.20，屈强比≤0.85，但都采用较低碳含量，然后增加较多的Ni、Cr、Mo、Cu等贵重金属，合金成本高。中国专利CN102080192A公布了“一种低屈强比高塑性超细晶粒高强钢及其制造方法”，中国专利CN101906569B公布了“一种热处理方法制备的抗大变形管线钢及其制备方法”，日本专利JP2009235548公布了“Low yield ratio high tensile strength thick steel plate having excellent toughness in super-large heat input weld affected zone, and method for producing the same”，这些专利虽都能满足Pcm≤0.20、屈强比≤0.85的要求，但采用了临界区亚温淬火、或亚温淬火+回火的热处理工艺，制造工序复杂，生产周期长。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低屈强比低焊接裂纹敏感性钢的控轧控冷方法，通过低Pcm成分设计，严格控制碳和铌的配比，采用部分再结晶区轧制，得到奥氏体的混晶组织，并设定窄范围的冷却速率，利用混晶组织中细晶粒和粗晶粒不同的连续冷却转变过程，获得45~55%的铁素体、40~50%的贝氏体、以及少量珠光体的混合组织，其屈强比≤0.85、Pcm≤0.20%。

本发明的技术方案：

一种低屈强比低焊接裂纹敏感性钢的控轧控冷方法，钢的化学成分以重量百分数计为：C≤0.10，Si=0.30~0.50，Mn=1.2~1.8，P≤0.020，S≤0.010，Nb=0.010~0.050，Ti=0.01~0.03，Cr≤0.30，Alt=0.02~0.06%，B≤0.0005，且C×Nb=0.18~0.22ppm，Pcm≤0.20%，余量为Fe和不可避免的杂质元素。钢的控轧控冷关键工艺参数为：

（1）控制轧制：（a）再结晶区轧制：轧制温度1020~1080℃时有2道次压下率≥20%；

（b）部分再结晶区轧制：轧制温度900~980℃时有3道次压下率≥15%；

（c）未再结晶区轧制：轧制温度≤900℃时累计压下率≥20%；

（d）终轧温度为850~880℃。

（2）控制冷却：终轧后加速冷却至580~620℃，冷却速率为4~6℃/s。

发明原理：现有研究和经验表明，钢的过冷奥氏体组织越细小，单位体积内晶界面积就越大，过冷奥氏体转变时形核率将增多，从而降低了过冷奥氏体的稳定性，使连续冷却转变C曲线左移。而且，过冷奥氏体晶粒越细小，轧制变形时越容易被压扁，存储的局部形变能就越大，从而促进了过冷奥氏体的转变，使连续冷却转变C曲线向左上方移动。因此，奥氏体晶粒越细小时，越容易得到强度较低的高温组织，而晶粒较大时，有利于得到强度较高的中温组织，并且中温转变后的晶粒也会明显细化。众所周知，奥氏体的混晶组织通常被认为是内部缺陷，对钢的强度和韧性不利。部分再结晶区轧制时会产生混晶组织，所以现有控制轧制方式通常要避开部分再结晶区轧制，提倡再结晶区和未再结晶区的两阶段控制轧制。本发明采用部分再结晶区轧制，获得奥氏体晶粒尺寸大小、压扁程度不均匀的混晶组织，然后通过合适的成分和冷却工艺设计，得到一定比例的高温组织和中温组织的混合组织，其组织转变示意图如图1所示。这种方式不仅能够有效减缓低屈强比与低焊接裂纹敏感性的矛盾，同时也是一种有别于现有控制轧制和控制冷却技术的新思路。

本发明采用该成分和控轧控冷工艺的依据是：C和B是影响焊接裂纹敏感性指数Pcm最大的元素，所以控制C和B的上限。Si和Mn具有较大的固溶强化作用，并且Si对焊接裂纹敏感性指数的影响较小，在考虑Si对表面质量以及Mn对带状组织不利影响的前提下，设计较高的Si和Mn含量。低C、较高的Cr、Si、Mn含量对珠光体转变有较大的推迟作用，一方面使奥氏体混晶组织中的细晶粒主要发生铁素体相变，获得一定量的铁素体组织，另一方面使奥氏体混晶组织中的粗晶粒在一定的加速冷却速率下，不发生铁素体和珠光体相变，从而使其在加速冷却后的空冷过程中发生较多的贝氏体相变。微Ti处理主要是利用TiN钉扎奥氏体晶界，抑制加热奥氏体化和焊接热影响区的晶粒长大。通过严格控制C和Nb的固溶度积，控制部分再结晶区在900~980℃之间，并在此温度区间要求有3道次压下率≥15%，以得到适当大小的粗晶粒和细晶粒混合的奥氏体组织。轧制温度≤900℃时要求累计压下率≥20%，以及终轧温度要求在较高温度（850~880℃），是为了进一步控制适当压扁程度的不均匀混晶组织。轧制温度1020~1080℃时要求有2道次压下率≥20%，是为了在再结晶区较低温度范围内轧制时生成相对细小的再结晶晶粒，以控制最终轧制后奥氏体混晶组织中的粗晶粒尺寸大小。

本发明的有益效果为：

a) 本发明低合金钢焊接裂纹敏感性指数低，Pcm≤0.20，可焊性优异；

b) 本发明低合金钢成分、工艺窗口窄，性能稳定性好，屈强比在0.80~0.84之间；

c) 本发明低合金钢含贵重金属少，不需热处理，制造工序简单，降低了成本；

d) 本发明低合金钢精轧在较高温度区间轧制，有利于板形的控制；

e) 本发明低合金钢轧制温度范围窄，节奏更紧凑，生产效率高。

附图说明

图1为本发明控轧控冷过程组织转变示意图。

图2为本发明实施例1钢板1/4厚度处的光学显微镜照片。

具体实施方式

以下以一组实施例进一步说明本发明的内容。

实施例钢种的化学成分如表1。

表1 实施例钢种的化学成分（%）

实施例1：10mm厚度Q370qD。

钢的化学成分如表1。连铸坯的厚度为260mm，钢板的厚度为10mm。其控制轧制和控制冷却关键工艺参数为：

（1）控制轧制：轧制温度1046℃时道次压下率25.5%；轧制温度1038℃时道次压下率24.8%；轧制温度975℃时道次压下率25.0%；轧制温度954℃时道次压下率20.8%；轧制温度925℃时道次压下率17.4%；轧制温度≤900℃时累计压下率33.5%；终轧温度为858℃。

（2）控制冷却：终轧后加速冷却至600~620℃，冷却速率为4~5℃/s。

对实施例1钢板进行微观组织观察，1/4厚度处的光学显微镜照片如图2，其微观组织为50%左右的多边形铁素体+45%左右的贝氏体+5%左右的珠光体的多相组织。

实施例2：50mm厚度Q420qD。

钢的化学成分如表1；铸坯的厚度为300mm；钢板的厚度为50mm。其控制轧制和控制冷却关键工艺参数为：

（1）控制轧制：轧制温度1055℃时道次压下率23.5%；轧制温度1051℃时道次压下率21.7%；轧制温度958℃时道次压下率22.5%；轧制温度954℃时道次压下率21.8%；轧制温度949℃时道次压下率10.5%；轧制温度≤900℃时累计压下率29.1%；终轧温度为870℃。

（2）控制冷却：终轧后加速冷却至580~600℃，冷却速率为5~6℃/s。

实施例3：32mm厚度Q460GJC。

钢的化学成分如表1。连铸坯的厚度为260mm，钢板的厚度为32mm。其控制轧制和控制冷却关键工艺参数为：

（1）控制轧制：轧制温度1054℃时道次压下率22.0%；轧制温度1052℃时道次压下率27.7%；轧制温度973℃时道次压下率20.1%；轧制温度970℃时道次压下率18.0%；轧制温度967℃时道次压下率18.6%；轧制温度≤900℃时累计压下率39.6%；终轧温度为863℃。

（2）控制冷却：终轧后加速冷却至580~600℃，冷却速率为5~6℃/s。

对以上三个实施例的钢板进行拉伸试验，其拉伸性能如表2，其屈强比均在0.80~0.84之间。

表2 实施例钢板的拉伸性能