一种低温韧性优异的高强度钢板及其制造方法与流程

本发明涉及钢的制造技术领域，特别涉及一种低温韧性优异的高强度钢板及其制造方法。

背景技术：

高强韧性船板钢一般采用加入微合金元素进行控制轧制或正火热处理，随着社会发展和科技进步，桥梁、容器、工程机械、船板等各行业对自身钢板的性能提出更多的要求。要求钢板具有更高的强度以减轻钢板的重量，要求钢板具备良好的低温冲击韧性以扩大材料的使用领域和应用环境，同时要求钢板的成分设计要保证强度元素和抗敏感系数pcm平衡，以方便材料的焊接加工。但现有的钢板强度和低温冲击韧性通常难以同时满足工程机械的吊臂、平台钢构件、容器的承压罐体、以及桥梁的吊杆等主要承重钢构件的性能要求。

通常情况下，为了获得高强高韧性的钢板，往往是采用较高的碳含量设计，常见的是碳含量0.14~0.20%，但由于碳含量过高导致低温冲击韧性差，因此成分会添加微量合金ni以获得优良低温冲击性能，轧后采用回火或调质热处理，增加了能源消耗和生产成本。国内外也有采用低碳成分设计，并加入较高的微合金nb、v、ni等元素，尽管强度和冲击韧性得到改善，但屈服强度级别基本停留在550mpa级别以下，很难达到屈服强度900mpa以上。

经检索，中国公开专利号为cn102634727a“一种高韧性工程机械用钢及其采用tmcp生产的方法”中公开的是，可以采用tmcp工艺生产出16~60mm-60℃低温冲击功≥200j钢板，其化学成分为c:0.04～0.07%；si:0.25~0.45%；mn：1.6~1.9%；p≤0.015%；s≤0.0080%；als：0.015～0.050%，nb+ti：0.06~0.09%；mo+cr：0.20~0.40%。但是钢板的最高屈服强度仅为585mpa。

cn101831586a“一种低温韧性优异的低碳当量最高强度厚钢板及制造方法”和cn105624553a“一种改善低温冲击韧性的高强度钢板及其制造方法”都是采用低碳tmcp工艺设计，但是生产的钢板强度止步于q460mpa，其中cn105624553a专利添加了贵重钇基稀土，成本昂贵。

cn102337482a“屈服强度900mpa级贝氏体型高强韧性钢板及其制造方法”中公开了一种tmcp+回火工艺生产的900mpa级贝氏体型高强钢，-20℃冲击值＞150j，其化学成分为c:0.07～0.14%；si:0.25~0.50%；mn：1.7~2.2%；cr：0.05~0.50%；ni：0.20~0.50%；nb：0.03%~0.10%；v：0.03~0.10%；ti：0.01~0.04%；al:0.02~0.04%；b：0.0006~0.0025%。为了保证冲击值，采用了cr-nb-v-ti-b合金体系，并添加了贵重合金ni，且需要回火热处理，工序流程长。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种低温韧性优异的高强度钢板及其制造方法，解决现有承重钢构件的钢板碳含量高、合金含量高、制造工艺流程长、能源消耗大、制造成本高等问题，该钢板厚度规格为10~30mm，工艺上免除了热处理工序，常温下屈服强度reh≥900mpa，抗拉强度≥1000mpa，延伸率a＞13%，-40℃温度下冲击功kv2＞200j，具有优异的低温韧性和高强度，适用于建造船舶及海洋工程的钢结构。

为实现上述目的，本发明提出一种低温韧性优异的高强度钢板，其组分及重量百分比含量包括：

c：0.05～0.07%，si：0.20～0.50%，mn：1.50～1.70%，p≤0.015%，s≤0.006%，cr：0.25~0.35%、nb：0.035～0.055%、v:0.020~0.040%、ti：0.005～0.020、b：0.0005~0.0015%，pcm=c+si/30+(mn+cu+cr)/20+mo/15+ni/60+v/10+5b≤0.20%，其余为fe和不可避免的杂质，并且满足nb+ti≤0.06。

优选地，所述钢板常温下的屈服强度rel≥900mpa，抗拉强度rm≥1000mpa，延伸率a＞13%，-40℃温度下冲击功kv2＞200j。

优选地，所述钢板的成品厚度为10~30mm。

此外，为实现上述目的，本发明提出一种低温韧性优异的高强度钢板的制造方法，采用tmcp工艺生产，包括如下步骤：

1）转炉冶炼并连铸成坯；

2）将铸坯加热到1150～1190℃；

3）进行分段轧制：在粗轧段，控制粗轧开轧温度不低于1080℃，控制最后两道次的压下率在20～22%，其余轧制道次的压下率不低于15%，控制最后一道次的开轧温度在960～1000℃；精轧开轧温度在910～960℃，终轧温度820~880℃，末三道次累计压下率不低于35%。

4）进行第一阶段冷却，钢板的开冷温度为800～840℃，以20～30℃/秒冷却速度冷却至200～300℃，返红温度为200～300℃。

5）进行第二阶段冷却，采用冷床空冷至室温待用。

本发明的技术方案中，轧制和冷却工艺的原理及主要工艺参数控制理由在于：

（1）为使得铸坯充分奥氏体化，同时nb、cr合金充分溶于奥氏体，须将铸坯在1150~1190加热，当温度低于1150℃时，则须增加加热时间，增加成本，同时合金不能完全溶于奥氏体，降低合金使用效果；当温度高于1220℃时，将会得到粗大的奥氏体晶粒，造成强度不均，恶化低温韧性。

（2）采用两阶段轧制，粗轧阶段在未再结晶温度之上变形，为得到充分细化的奥氏体晶粒，必须确保最后两道次的压下率在20～22%，其余轧制道次的压下率不低于15%，轧机的大压下一方面保证奥氏体晶粒充分破碎，提高位错能，另一方面保证铸坯芯部缺陷充分压合，提高钢板韧性。

（3）精轧阶段轧制在钢板的未再结晶区，为确保精轧阶段道次压下率，得到充分细化组织，精轧开轧温度在910～960℃，末三道次累计压下率不低于35%。终轧温度控制在800~880℃。一方面是为了保证钢板轧制板形，另一方面是为了让碳氮化物在位错处发生应变诱导析出，钉轧位错运动，在后期贝氏体相变过程中，贝氏体会在位错和缺陷处形核，细化最终贝氏体组织，使钢板具有高强度和低温冲击韧性。

（4）轧后以20～30℃/秒冷却速度快速冷，返红温度为200～300℃。冷却过程中发生贝氏体转变。较快的冷却速度使奥氏体具有较大的过冷度，提高贝氏体转变的形核率。在较低温度发生贝氏体转变时，碳原子扩散能力低，贝氏体铁素体片层状长大受到抑制，细化了贝氏体组织，提高了钢板的强度和冲击韧性。冷却速度低于20℃/秒时，会出现珠光体组织，造成钢板强度不足，而且低温韧性变差；冷却速度高于30℃/秒时，钢中会出现大量马氏体组织，恶化钢板冲击性能。为得到充分细化的组织和性能极佳，同时板形合格的钢板，返红温度控制在200~300℃。

本发明提供的技术方案通过在钢种成分上降低c含量，不添加贵重金属ni，并采用tmcp工艺，通过控制铸坯加热温度、轧制温度和冷却速率，使铸坯充分奥氏体化，nb、cr合金充分溶于奥氏体，且轧制和冷却工艺的控制，形成大量碳氮化物，有效降低钢中碳含量，从而获得细晶强化组织和固溶强化组织，控制相变点，实现钢内部组织的转变，以使刚内部组织变相完整，以获得良好的组织性能，提高钢板的强度和低温冲击韧性。

本发明的所述低温韧性优异的高强度钢板具有以下有益效果：

（1）所述钢板不需要使用贵金属合金元素ni，且合金含量低，原料成本低，焊接裂纹敏感性小；

（2）所述钢板无需回火工艺的调质热处理，制造工序简单，易于进行大规模生产；

（3）所述钢板厚度规格为10~30mm，常温下的屈服强度rel≥900mpa，抗拉强度rm≥1000mpa，延伸率a＞13%，-40℃温度下冲击功kv2＞200j，适用于工程机械的吊臂、平台钢构件、容器的承压罐体、以及桥梁的吊杆等主要承重钢构件，具有良好的经济效益和社会效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一种低温韧性优异的高强度钢板的显微组织为细小的贝氏体组织的金相组织图；

图2为本发明一种低温韧性优异的高强度钢板的制造方法一实施例的流程示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

下述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本文中，单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的一种低温韧性优异的高强度钢板，其组分及重量百分比含量包括：

c：0.05～0.07%，si：0.20～0.50%，mn：1.50～1.70%，p≤0.015%，s≤0.006%，cr：0.25~0.35%、nb：0.035～0.055%、v：0.020~0.040%、ti：0.005～0.020、b：0.0005~0.0015%，pcm=c+si/30+(mn+cu+cr)/20+mo/15+ni/60+v/10+5b≤0.20%，其余为fe和不可避免的杂质，并且满足nb+ti≤0.06。

本发明中各组分的作用及控制具有以下特征：

c：碳是奥氏体转变成马氏体、贝氏体等强化相的必需元素，作为最有效的固溶元素可以大幅度提高钢的强度，但是碳含量超过0.07%时，钢的低温韧性显著恶化，但低于0.05%时对强度不利，因此控制在0.05～0.07%。

mn：能够显著降低贝氏体相变温度，增加韧性和强度。因为适量的锰可导致在中温下相界处锰的富集，对相界迁移起拖拽作用，使高温转变孕育期明显长于中温转变，抑制了铁素体、珠光体转变，使获得细小贝氏体更为容易，此类组织具有良好的强韧性配合。本发明加入1.5%~1.7%的mn有利于形成细小贝氏体组织，使钢板具有良好的强度和冲击韧性。

p和s：都属于钢种有害夹杂元素，易形成夹杂、偏析等缺陷，影响钢板的冲击韧性、延伸率。硫含量高时，对焊接性能不利。

cr：和mn的作用相似，固溶在钢中，形成细小的碳化物，提高钢板强度。本发明加入0.25~0.35%的cr，保证钢板的强度和冲击功。

nb：铌可以显著提高钢的奥氏体再结晶温度，扩大未再结晶区范围，便于实现高温轧制。铌还可以抑制奥氏体晶粒长大，具有显著地细晶强化和析出强化作用。nb在二阶段轧制过程中会发生应变诱导析出，析出的nb(cn)颗粒有阻碍位错运动的能力，提高奥氏体中的位错密度，抑制铁素体相变，提高贝氏体相变的形核率，提高钢板的强度和韧性。在高强度贝氏体钢中，添加过量的铌会促使m-a岛的形成，降低焊接热影响区的韧性。本发明加入0.035～0.055%的nb以获得对应性能的金相组织。

v：钒与钢中的氮结合形成vn粒子，vn粒子在冷却的返红过程中不断析出，可提高钢的强度。当v的含量低于0.020%时，上述作用不明显，v含量过高时，影响钢板焊接性能，因此本发明的v控制在0.02～0.04%。

ti：钛与铌在钢中的作用类似，都是强氮化合物形成元素，它们的细小析出相可细化组织，提高钢板的强度和韧性，尤其可以提高低温冲击韧性，降低韧脆转变温度。有较强的细晶强化和析出强化作用。ti含量过高会导致析出相过分长大，恶化冲击性能。本发明的ti含量控制在0.005~0.020%。

b：加入微量b可显著提高淬透性，有利于获得均匀贝氏体组织，b含量较低，对贝氏体相变的促进效果不明显，b含量过高会形成各种对冲击韧性不利的含b析出相，本发明的b控制在0.0005~0.0015%。pcm:pcm=c+si/30+(mn+cu+cr)/20+

mo/15+ni/60+v/10+5b≤0.20%，是反映钢的焊接冷裂纹倾向的判定指标，pcm越低，焊接性能越好。焊接性能差的钢在焊接后容易产生裂纹。本发明钢pcm要求低于0.20%，属于超低焊接裂纹敏感性钢。

nb+ti≤0.06：nb和ti具有较强的复合作用，如果含量过高，不仅会因为析出相尺寸过大没有起到细化组织左右，而且成为裂纹扩展源，从而降低钢板低温冲击性能，本发明限定nb+ti≤0.06。

按照上述组分及重量百分比含量制造的所述低温韧性优异的高强度钢板，通过在钢种成分上降低c含量，不添加贵重金属ni，并采用tmcp工艺，通过控制铸坯加热温度、轧制温度和冷却速率，使铸坯充分奥氏体化，nb、cr合金充分溶于奥氏体，且轧制和冷却工艺的控制，形成大量碳氮化物，有效降低钢中碳含量，从而获得细晶强化组织和固溶强化组织，控制相变点，实现钢内部组织的转变，以使钢内部组织相变完整，以获得良好的组织性能，提高钢板的强度和低温冲击韧性。图1为本发明一种低温韧性优异的高强度钢板的显微组织为细小的贝氏体组织的金相组织图。所述钢板厚度规格为10~30mm，常温下的屈服强度rel≥900mpa，抗拉强度rm≥1000mpa，延伸率a＞13%，-40℃温度下冲击功kv2＞200j，适用于工程机械的吊臂、平台钢构件、容器的承压罐体、以及桥梁的吊杆等主要承重钢构件，具有良好的经济效益和社会效益。

本发明还提出一种低温韧性优异的高强度钢板的制造方法，图2为本发明一种低温韧性优异的高强度钢板的制造方法一实施例的流程示意图，包括如下步骤：

步骤s10，转炉冶炼并连铸成坯，按照上述组分冶炼出铁水，将冶炼出的铁水经脱s、脱p、以及合金化处理，精炼成钢水，后连铸成铸坯。

步骤s20，将铸坯加热到1150～1190℃，均热时间20~30min。

为使得铸坯充分奥氏体化，同时nb、cr合金充分溶于奥氏体，须将铸坯在1150~1190加热，当温度低于1150℃时，则须增加加热时间，增加成本，同时合金不能完全溶于奥氏体，降低合金使用效果；当温度高于1220℃时，将会得到粗大的奥氏体晶粒，造成强度不均，恶化低温韧性。

步骤s30，进行分段轧制，轧制过程分两个阶段完成，在粗轧段，控制粗轧开轧温度不低于1080℃，控制最后两道次的压下率在20～22%，其余轧制道次的压下率不低于15%，控制最后一道次的开轧温度在960～1000℃；精轧开轧温度在910～960℃，终轧温度820~880℃，末三道次累计压下率不低于35%。

采用两阶段轧制，粗轧阶段在未再结晶温度之上变形，为得到充分细化的奥氏体晶粒，必须确保最后两道次的压下率在20～22%，其余轧制道次的压下率不低于15%，轧机的大压下一方面保证奥氏体晶粒充分破碎，提高位错能，另一方面保证铸坯芯部缺陷充分压合，提高钢板韧性。

精轧阶段轧制在钢板的未再结晶区，为确保精轧阶段道次压下率，得到充分细化组织，精轧开轧温度在910～960℃，末三道次累计压下率不低于35%。终轧温度控制在800~880℃。一方面是为了保证钢板轧制板形，另一方面是为了让碳氮化物在位错处发生应变诱导析出，钉轧位错运动，在后期贝氏体相变过程中，贝氏体会在位错和缺陷处形核，细化最终贝氏体组织，使钢板具有高强度和低温冲击韧性。

步骤s40，进行第一阶段冷却，钢板的开冷温度为800～840℃，以20～30℃/秒冷却速度冷却至200～300℃，返红温度为200～300℃。冷却时根据成品钢板厚度、冷却水温以及冷却区域的长度，选择合适的冷却水量、上下水比、辊速及边部遮挡模式，使钢板冷却均匀。冷却速率过大，冷却后钢板温度过低，会使钢板韧性降低；冷却速率过小，冷却后钢板温度过高，会使钢板强度降低。

轧后以20～30℃/秒冷却速度快速冷，返红温度为200～300℃。冷却过程中发生贝氏体转变。较快的冷却速度使奥氏体具有较大的过冷度，提高贝氏体转变的形核率。在较低温度发生贝氏体转变时，碳原子扩散能力低，贝氏体铁素体片层状长大受到抑制，细化了贝氏体组织，提高了钢板的强度和冲击韧性。冷却速度低于20℃/秒时，会出现珠光体组织，造成钢板强度不足，而且低温韧性变差；冷却速度高于30℃/秒时，钢中会出现大量马氏体组织，恶化钢板冲击性能。为得到充分细化的组织和性能极佳，同时板形合格的钢板，返红温度控制在200~300℃。

步骤s50，进行第二阶段冷却，采用冷床空冷至室温待用。

上述tmcp工艺是获得细小贝氏体组织的关键工序，设计关键在于，通过板坯加热，轧制制度和冷却制度控制钢板高温奥氏体组织形态、控制相变过程，最终控制钢板的组织类型、形态、分布和析出相等因素，满足钢板设计性能要求；同时tmcp工艺也是控制板形的重要手段。通过tmcp工艺，充分细晶强化、析出强化作用，获得均匀的贝氏体组织，以达到力学性能要求，尤其是提高低温冲击性能。

采用上述元素组分含量及加工工艺步骤制造的所述低温韧性优异的高强度钢板，所述钢板厚度规格为10~30mm，常温下的屈服强度rel≥900mpa，抗拉强度rm≥1000mpa，延伸率a＞13%，-40℃温度下冲击功kv2＞200j，,适用于工程机械的吊臂、平台钢构件、容器的承压罐体、以及桥梁的吊杆等主要承重钢构件，具有良好的经济效益和社会效益。

以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，不用于限定本发明。

所述一种低温韧性优异的高强度钢板的组分及其重量百分比含量为：c：0.05～0.07%，si：0.20～0.50%，mn：1.50～1.70%，p≤0.015%，s≤0.006%，cr：0.25~0.35%、nb：0.035～0.055%、v：0.020~0.040%、ti：0.005～0.020、b：0.0005~0.0015%，pcm=c+si/30+(mn+cu+cr)/20+mo/15+ni/60+v/10+5b≤0.20%，其余为fe和不可避免的杂质，并且满足nb+ti≤0.06。

所述一种低温韧性优异的高强度钢板的制造方法的步骤为：

步骤s10，转炉冶炼并连铸成坯，按照上述组分冶炼出铁水，将冶炼出的铁水经脱s、脱p、以及合金化处理，精炼成钢水，后连铸成铸坯。

步骤s20，将铸坯加热到1150～1190℃，均热时间20~30min。

步骤s30，进行分段轧制，轧制过程分两个阶段完成，在粗轧段，控制粗轧开轧温度不低于1080℃，控制最后两道次的压下率在20～22%，其余轧制道次的压下率不低于15%，控制最后一道次的开轧温度在960～1000℃；精轧开轧温度在910～960℃，终轧温度820~880℃，末三道次累计压下率不低于35%。

步骤s40，进行第一阶段冷却，钢板的开冷温度为800～840℃，以20～30℃/秒冷却速度冷却至200～300℃，，返红温度为200～300℃。

步骤s50，进行第二阶段冷却，采用冷床空冷至室温待用。

在实际应用中，根据钢板生产规格和批次不同，具有控制范围内的不同组分含量、具体工艺控制条件、以及对应的力学性能指标，为了更好地说明和解释本发明，表1、表2中将发明例（本发明涉及的钢种）和对比例（现有钢种）的组分、工艺条件及力学性能罗列出来进行对比。

表1本发明的实施例与对比例的化学组分表（wt%）

表2本发明实施例与对比例的工艺控制参数列表

表3本发明实施例与对比例的力学性能列表

注：rel（下屈服强度）、rm（抗拉强度）、a（断后伸长率）、d（弯曲直径）、a（试样厚度）

从表1至表3中数据可知，本发明通过在钢种成分上降低c含量，不添加贵重金属ni，且合金含量低，原料成本低，焊接裂纹敏感性小。并采用tmcp工艺，通过控制铸坯加热温度、轧制温度和冷却速率，使铸坯充分奥氏体化，nb、cr合金充分溶于奥氏体，且轧制和冷却工艺的控制，形成大量碳氮化物，有效降低钢中碳含量，从而获得细晶强化组织和固溶强化组织，控制相变点，实现钢内部组织的转变，以使刚内部组织变相完整，以获得良好的组织性能，提高钢板的强度和低温冲击韧性。所述钢板厚度规格为10~30mm，常温下的屈服强度rel≥900mpa，抗拉强度rm≥1000mpa，延伸率a＞13%，-40℃温度下冲击功kv2＞200j，适用于工程机械的吊臂、平台钢构件、容器的承压罐体、以及桥梁的吊杆等主要承重钢构件，且钢板无需回火工艺的调质热处理，制造工序简单，易于进行大规模生产具有良好的经济效益和社会效益。