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一种低温韧性优良的抗拉强度800MPa级易焊高强钢及其生产方法

2021-01-31 22:45:37

一种低温韧性优良的抗拉强度800MPa级易焊高强钢及其生产方法

　　技术领域

　　本发明涉及一种高强钢及其生产方法，具体涉及一种低温韧性优良的抗拉强度800MPa级易焊高强钢及其生产方法，特别适用于制造对低温韧性和焊接要求高的工程机械用钢。

　　背景技术

　　工程机械用钢主要供给机械、煤炭、运输、矿山及各类工程施工等部所需设备中矿山开采和各类工程用的设备，如挖掘机、装载机、推土机、各类起重设备及液压支架等。随着先进制造技术升级换代和机械制造业的蓬勃发展，工程机械建造数量不断增加、类型日益增多，设备大型化趋势也很显著，设备结构越来越复杂，焊接工作量大，应力集中程度高，工作条件越来越苛刻，要求钢材具有较高的屈服强度和疲劳极限、良好的冲击韧性及冷成形性和优良的焊接性能。

　　在现有的专利技术中，CN104513927A公开了一种“一种抗拉强度800MPa级高强度高韧性钢板及其制造方法”，添加0.15～0.25％C和适量Mn、微量Nb，采用等温热处理工艺，获得抗拉强度800MPa级高强度高韧性钢板，其显微组织以贝氏体铁素体和残余奥氏体为主，组织性能均匀，屈服强度≥390MPa，抗拉强度≥800MPa，延伸率≥20％，且低温冲击性能优异，-20℃冲击功＞100J。

　　CN101045977A公开了“800MPa级高韧性低屈服比厚钢板及其制造方法”，采用Mn－Nb－Ni－Ti系成分，添加0.3～0.7％Ni，采用TMCP控轧控冷工艺生产，板厚达40mm的高强高韧性厚钢板；钢的组织由马氏体和针状铁素体为主组成，屈服强度大于540MPa、抗拉强度大于800MPa、屈服比小于0.75、夏氏冲击功Akv(－40℃)200J、50％FATT低于－60℃，且具有良好的焊接性。

　　CN104532148A公开了“一种800MPa级低焊接裂纹敏感性调质型水电用钢板”，采用适量Cr-Nb-Mo-Cu-Ti-V-B合金化，利用V元素进行强化，其成品钢板厚度≤60mm，抗拉强度≥800MPa，-20℃冲击功≥47J。

　　但是目前鲜有调质型生产厚度达80mm、抗拉强度≥800MPa、-60℃下纵向冲击吸收能量大于180J钢板的报道。

　　发明内容

　　本发明就是针对现有调质型钢还没有生产厚度达80mm、抗拉强度≥800MPa、-60℃下纵向冲击吸收能量大于180J钢板的问题，提供一种低温韧性优良的800MPa级易焊高强钢及其生产方法,本发明的易焊高强钢板厚度范围10～80mm，抗拉强度≥800MPa，延伸率≥20％，-60℃夏比冲击功≥180J，具有良好的综合力学性能和焊接性能。

　　本发明的一种低温韧性优良的800MPa级易焊高强钢，所述钢是由下述质量百分百含量的元素组成：C：0.06～0.12％，Si：0.10～0.30％，Mn：0.80～1.80％，P≤0.012％，S≤0.0020％，Cr：0.15～0.40％，Mo：0.10～0.30％，Ni≤0.30％；Ti：0.005～0.020％，Nb：0.010～0.030％，B≤0.0020％，Ce≤0.0060％，N：0.002～0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素同时需满足如下关系：Ce/S≥1.5，0.43<CEV<0.52，CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。

　　所述高强钢的厚度规格为10～80mm，抗拉强度≥800MPa、-60℃冲击功≥180J，焊后热影响区冲击功-20℃夏比冲击功≥120J。

　　本发明的一种低温韧性优良的抗拉强度800MPa级易焊高强钢的生产方法，包括：铁水预处理—高洁净钢冶炼—铁水脱硫—转炉顶底复合吹炼—真空处理—稀土处理—铸坯—板坯加热—轧制—水冷—淬火—回火；特别是：

　　(1)铁水预处理：经预处理的铁水中S≤0.0030％；

　　(2)稀土处理：在连铸阶段从中间包喂入稀土丝；

　　(3)板坯加热：将钢坯加热到1200～1260℃，保证钢坯均热时间≥45min；

　　(4)轧制：分两阶段轧制，即再结晶区轧制和未再结晶区轧制；再结晶区轧制阶段开轧温度为1100℃～1150℃，终轧温度为920℃～1050℃，单道次压下率≥13％，累积压下率≥60％，中间坯待温厚度控制在成品厚度的1.5～3.5倍，采用中间坯水冷工艺，缩短中间坯的待温时间，控制未再结晶区开轧温度860-940℃，终轧温度在800～840℃；

　　(5)水冷：严格控制层流冷却的终冷温度和冷却速度；针对不同厚度规格，终冷温度控制为500～620℃，冷却速度控制在3～12.5℃/s；

　　(6)热处理：采用调质处理工艺，淬火温度为880～920℃，保温时间为15～35min，淬火阶段辊速为2～5m/min，保证钢板淬透；

　　(7)回火处理：针对不同厚度钢板，回火温度为500～650℃，在炉时间为1.5～3.5min/mm，保温时间为20～30min。

　　下面详述本发明钢中各化学元素的设计依据：

　　碳C：作为最基本的强化元素。C溶解在钢中形成间隙固溶体，起固溶强化的作用，与强碳化物形成元素形成碳化物析出，则起到沉淀强化的作用，且C能够提高钢的淬透性。但太高的C对钢的延性、韧性、止裂性能不利，碳当量高恶化焊接可焊性和性能，同时降低Nb、V等微合金化元素的固溶，影响析出强化效果，也会降低B的淬透性效果。所以C控制在0.06％～0.12％。

　　锰Mn：是低合金高强钢种最基本的合金元素，通过固溶强化提高钢的强度，以补偿钢中因C含量降低而引起强度损失。Mn扩大γ相区的元素，可降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性及止裂性能。Mn含量太高时，对于厚规格的钢种而言，易在钢板中心位置产生偏析，降低中心部位的低温韧性。因此本钢种Mn含量为0.80％～1.80％。

　　硫S、磷P：不可避免的钢中有害杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷，恶化钢板的焊接性能、冲击韧性和抗HIC性能。因此，本发明中工程机械用钢及其生产方法中采用超洁净钢生产技术控制P≤0.012％、S≤0.0020％，且通过Ce处理夹杂物改性技术，使夹杂物形态球化且分布均匀，在不添加较多贵重金属的前提下，提高低温冲击韧性。

　　铌Nb：析出NbC或Nb(CN)微细析出粒子，轧制时通过形变诱导析出细小的TiC粒子，进一步细化奥氏体晶粒，提高强度和韧性。但如含量太高，则成本增加显著。故其含量控制在0.010％～0.020％。

　　钛Ti：Ti通过与C和N形成TiN、TiC或Ti(CN)微细析出粒子，对钢的强化做出贡献。0.02％左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N，在板坯连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相。这种细小的TiN粒子可有效地阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度。适量的Ti含量，有利于形成稳定的析出粒子，在焊接时起到抑制热影响区晶粒长大，改善焊接热影响区的冲击韧性的作用。本发明中Ti含量限定在0.005％～0.030％。

　　铬Cr：提高钢的淬透性的重要元素，因此对于特厚规格的钢板而言需添加较高的Cr提高淬透性以弥补厚度带来的强度损失，提高钢的强度改善厚度方向上性能的均匀性。Cr可以抑制先共析铁素体及珠光体的转变，有利于获得针状铁素体组织。但太高的Cr和Mn同时加入钢中，在热加工过程中形成表面裂纹，同时会严重恶化焊接性能。因此本发明中Cr含量应限定在0.15％～0.40％。

　　钼Mo：提高淬透性的元素，作用仅次于Mn，因此能有效提高强度；Mo可以抑制先共析铁素体及珠光体的转变，有利于获得针状铁素体组织。但是，Mo属于贵金属，含量太高的Mo对成本不利。本发明中Mo含量0.10％～0.40％。

　　硼B：B主要是提高钢的淬透性，保证钢的力学性能。一般认为B含量小于0.0020％时，其效果最好。并且，其能够发挥作用的前提是必须固溶于钢中，Mo、Ti的添加有助于提高B的淬透性效果。因此，为了获得良好的淬透性效果，本发明限定B含量为≤0.0020％。

　　铈Ce：通过Ce处理可以改善硫化物和氧化物的形态，改善钢板的各向异性，提高低温韧性。为改善全部硫化物，Ce/S≥1.5。所以规定Ce含量范围为Ce≤0.0060％。

　　本发明钢的工艺参数设计原理如下：

　　(1)冶炼：在冶炼时，将钢中的P、S、N等元素含量处理到相应含量以下，是为了保证后续冶炼过程中控制钢液中夹杂物生成、净化钢质，在连铸步骤在中包加入稀土丝，是为了对夹杂物进行有益化处理。

　　(2)板坯加热：为了使微合金元素充分溶解，同时保证一定的奥氏体晶粒度，将钢坯加热到1200～1260℃，保证钢坯均热时间≥45min，既保证钢坯加热充分又抑制奥氏体晶粒过分长大；加热温度超过1260℃，奥氏体晶粒过度长大，引起晶间结合力减弱，在轧制时容易产生裂纹；另外加热温度高容易引起钢坯表面脱碳，对成品力学性能造成影响。

　　(3)轧制分两阶段轧制，即奥氏体再结晶区轧制和未再结晶区轧制；再结晶区轧制阶段开轧温度为1100℃～1150℃，终轧温度为920℃～1020℃，单道次压下率≥13％，累积压下率≥60％，确保在奥氏体区轧制，累积压下率≥60％，细化晶粒；中间待温厚度控制在成品厚度的1.5～3.5倍，并采用中间坯水冷工艺，缩短中间坯在高温阶段待温时间，防止奥氏体晶粒过度长大；控制未再结晶区开轧温度860-940℃，终轧温度在800～840℃，是为了进一步细化奥氏体晶粒。经热处理后钢的晶粒度和韧性具有一定遗传性，因此可以提高热处理后钢的强度和韧性。

　　(4)水冷：严格控制层流冷却的终冷温度和冷却速度；针对不同厚度规格，终冷温度控制为500～620℃，冷却速度控制在3～12.5℃/s；保证不同规格钢板冷却后板型良好的同时，获得细小晶粒组织，提高钢的韧性。

　　(5)热处理：采用调质处理工艺，淬火温度为880～920℃，保温时间为15～35min，淬火阶段辊速为2～5m/min，保证钢板淬透；采用调质热处理，淬火加热温度低于Ac3+30℃、保温时间低于5min合金难以充分固溶；加热温度大于Ac3+50℃、保温时间大于40min奥氏体晶粒容易长大，通过控制淬火加热温度和淬火加热时间在一定范围内，可以保证得到细小的奥氏体晶粒，从而细化淬火后的马氏体组织，改善钢的强韧性。

　　(6)回火处理时，针对不同厚度钢板采用不同回火温度和在炉时间，回火温度为500～650℃，在炉时间为1.5～3.5min/mm，保温时间为20～30min。其中，保温时间为钢板中心温度达到目标温度时开始计时的保温时间；在炉时间为钢板进入加热炉即开始计时的时间。本发明成分体系的钢回火温度超过500℃并保持钢板心部到温后20min以上时，淬火马氏体中的过饱和碳原子脱溶形成球状Fe3C渗碳体，合金Mo在该温度下会与C反应并形成细小的合金碳化物，可以改善钢的塑性和韧性，同时降低钢的内应力；回火温度超过620℃或高保温时间过长，球状Fe3C渗碳体和合金碳化物发生粗化，反而会恶化钢的韧性，并降低钢的强度；通过调整回火温度和回火时间可以保证强、韧性实现最佳匹配。

　　本发明的有益效果在于：

　　1.本发明抗拉强度800MPa级别的易焊高强钢采用适量合金元素复合强化，冶炼P、S、N含量低，钢质纯净，经过合理的加热、轧制、热处理工艺，获得厚度范围10～80mm，抗拉强度≥800MPa，A≥20％，-60℃夏比冲击功≥180J，强韧性匹配良好，具有良好的综合力学性能和焊接性能。

　　2.本发明钢加入的贵重金属含量少，成本低，具有强大的市场竞争力。

　　3.由于本发明钢有优良的综合性能，强度有适当的富裕量，钢板冲击韧性和焊接性能优良，目前用于国内首台40mm高铁运架一体架桥机上，也可广泛推广应用于工程机械制造及其它行业，具有很好的应用前景。

　　附图说明

　　图1为实施例2中调质状态钢板厚度中心(1/4处)TEM组织照片；

　　具体实施方式

　　为了更好地解释本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明，下述实施例仅仅是示例性的说明本发明的技术方案，并不以任何形式限制本发明。

　　下表1为本发明各实施例的高强钢所含化学成分的质量百分含量列表；

　　下表2为本发明各实施例的主要工艺参数的取值列表；

　　下表3为本发明各实施例的力学性能测试结果列表。

　　本发明各实施例的一种低温韧性优良的抗拉强度800MPa级易焊高强钢，所述钢是由下述质量百分百含量的元素组成：C：0.06～0.12％，Si：0.10～0.30％，Mn：0.80～1.80％，P≤0.012％，S≤0.0020％，Cr：0.15～0.40％，Mo：0.10～0.30％，Ni≤0.30％；Ti：0.005～0.020％，Nb：0.010～0.030％，B≤0.0020％，Ce≤0.0060％，N：0.002～0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素同时需满足如下关系：Ce/S≥1.5，0.43<CEV<0.52，CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。