專利名稱：一種高強(qiáng)度鋼、鋼管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼、鋼管，特別是涉及一種具有960MPa以上抗拉強(qiáng)度、低溫韌性好、焊接性能優(yōu)良的超高強(qiáng)度鋼、鋼管及其制造方法，本發(fā)明的鋼管可廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件、鋼結(jié)構(gòu)部件以及建筑結(jié)構(gòu)件。
背景技術(shù)：
當(dāng)今工程機(jī)械及鋼結(jié)構(gòu)件向大承重、輕量化方向發(fā)展。對(duì)于承受高載荷的鋼結(jié)構(gòu)部件來(lái)說(shuō)，減少結(jié)構(gòu)的自重不但節(jié)省材料，也有利于提高結(jié)構(gòu)承載能力。但減輕結(jié)構(gòu)自重，同時(shí)保證其安全性，是一個(gè)兩難問(wèn)題。尤其是當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)件采用焊接加工時(shí)，高強(qiáng)高韌的結(jié)構(gòu)件母材在較大熱輸入量下保證焊接接頭強(qiáng)度和韌性成為一大難題。高強(qiáng)鋼的焊接難點(diǎn)是必須保證焊接部件熱影響區(qū)的韌性。尤其對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)件，由于加工組裝過(guò)程主要依靠焊接加工，焊接占用的工作量大，為了提高工作效率，必須采用較 大線能量的焊接工藝提高熔敷率。CN1146784A提出了一種低溫韌性、現(xiàn)場(chǎng)可焊性優(yōu)良的抗拉強(qiáng)度為950MPa以上的超高強(qiáng)度鋼，它的主要特征是復(fù)合添加Ni-Nb-Mo-微量Ti的低碳高錳鋼，且其規(guī)定了顯微組織是由平均奧氏體粒徑為IOum以下的未再結(jié)晶奧氏體轉(zhuǎn)變而成的細(xì)微馬氏體及貝氏體組成。盡管碳當(dāng)量較低，但其實(shí)施例中標(biāo)注的焊接熱輸入量?jī)H為5kJ/cm以下。鋼結(jié)構(gòu)件實(shí)際生產(chǎn)中焊接熱輸入量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該值，一般都達(dá)到15kJ/cm以上。因此盡管其母材強(qiáng)度達(dá)到950MPa，-40°C低溫韌性能達(dá)到100J以上，但相對(duì)大熱輸入條件下，熱影響區(qū)晶粒會(huì)明顯長(zhǎng)大，由于其母材強(qiáng)度的提高主要依靠平均奧氏體粒徑為IOym以下的未再結(jié)晶奧氏體轉(zhuǎn)變而成的細(xì)微馬氏體及貝氏體來(lái)實(shí)現(xiàn)，一旦熱影響區(qū)晶粒明顯長(zhǎng)大后，其強(qiáng)度會(huì)急劇降低至950MPa以下。目前，還未發(fā)現(xiàn)能同時(shí)滿足抗拉強(qiáng)度大于960MPa，_40°C低溫沖擊韌性大于45J，在15kJ/cm以上焊接熱輸入量下焊接后焊接接頭及熱影響區(qū)強(qiáng)韌性能達(dá)到上述母材性能要求的相關(guān)文獻(xiàn)及專利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有960MPa以上抗拉強(qiáng)度、低溫韌性好、焊接性能優(yōu)良的超高強(qiáng)度鋼及鋼管。在此所用的“焊接性能優(yōu)良”是指大熱輸入，例如焊接熱輸入量為15kJ/cm以上，焊接后熱影響區(qū)具有足夠高強(qiáng)度和低溫韌性。在此所用的“足夠高強(qiáng)度”是指抗拉強(qiáng)度為960MPa以上。針對(duì)目前現(xiàn)有專利及產(chǎn)品，本發(fā)明的特征是添加適量Mn、Cr、Mo、W等合金元素，通過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理得到細(xì)晶鋼，從而提聞材料母材強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上，減少0、S,添加Ca、Mg等兀素來(lái)減少夾雜物數(shù)量并控制夾雜物形狀，同時(shí)復(fù)合添加Ti、B元素，降低N元素含量，形成大量彌散析出物，這些析出相的固溶溫度較高，能有效阻止焊接過(guò)程中熱影響區(qū)晶?？焖匍L(zhǎng)大，從而得到一種具有960MPa以上抗拉強(qiáng)度，低溫韌性好、焊接性能優(yōu)良的超高強(qiáng)度鋼及鋼管。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具有960MPa以上抗拉強(qiáng)度、低溫韌性好、焊接性能優(yōu)良的超高強(qiáng)度鋼管，其按重量百分比成分為c 0. 12-0. 18%, Si :0. 1-0.5%, Mn:
I.0-2. 0%, S < 0. 005%, Cr 0. 3-1. 0%,Mo 0. 10-0. 60%,ff 0. 10-0. 80%,0. 005%,Nb 0. 01-0. 1%, V 0. 01-0. 2%, Ni :0. 10-0. 40%, 0^ 0. 0030%, Ca+Mg :0. 001-0. 005%,B 0. 0003-0. 0020%, Ti :0. 001-0. 010%,同時(shí)還滿足如下關(guān)系式(B+Ti)/N > 1，Ceq =C+Mn/6+ (Cr+Mo+V)/5+Ni/15 < 0. 68，其余由Fe和不可避免的雜質(zhì)組成。以下說(shuō)明成份元素的限定理由C是確保基體強(qiáng)度的必要化學(xué)成分，低于0. 12%的含量不能得到所希望的強(qiáng)度。另一方面，高于0. 18%的含量將影響可焊性并在受熱影響的部分中導(dǎo)致較低韌性。因此，本發(fā)明中控制C含量為0. 12-0. 18%，優(yōu)選地為0. 12-0. 17%，更優(yōu)選為0. 13-0. 16%。Si在鋼中作為脫氧劑。為了達(dá)到效果，至少需加入0.1%的Si。但假如過(guò)多會(huì)降低鋼的可焊性和韌性，因此，本發(fā)明中控制Si含量為0. 1-50%，優(yōu)選地為0. 1-0. 45%，更優(yōu)選為 0. 13-0. 42%。Mn也是一種脫氧劑，同時(shí)可以使本發(fā)明鋼的顯微組織成為馬氏體主體組織，是確保優(yōu)良的強(qiáng)度、低溫韌性平衡所不可缺少的元素，其下限為1.0%，然而，過(guò)多的Mn元素則會(huì)增加鋼的可淬透性，以致不僅會(huì)降低HAZ (熱影響區(qū))韌性和可焊性，而且會(huì)助長(zhǎng)連續(xù)鑄造的中心偏析，母材的低溫韌性也會(huì)惡化，因此，本發(fā)明中控制Mn含量為I. 0-2.0%，優(yōu)選為 I. 2-2. 0%，更優(yōu)選為 I. 25-1. 95%。Ni可以提高材料的低溫韌性和現(xiàn)場(chǎng)可焊性。添加Ni，與添加Mn或Cr、Mo相比較，不僅在軋制組織中形成的有害于低溫韌性的硬化組織較少，而且0. I %以上的微量Ni添加對(duì)于提高HAZ韌性的改善也是有效的。但添加量過(guò)多，不僅不經(jīng)濟(jì)，而且會(huì)惡化HAZ韌性和現(xiàn)場(chǎng)可焊性，因此，本發(fā)明中控制Ni含量為0. 1-0. 50%，優(yōu)選為0. 1-0. 4%，更優(yōu)選為0. 15-0. 35%。Mo可以提高鋼的可淬性，獲得馬氏體主體的微觀組織。在添加B的鋼中Mo的可淬性提高效果更大。同時(shí)Mo也是強(qiáng)化元素，可以提高材料的強(qiáng)度。為了獲得很高的強(qiáng)度，Mo最低需要0. 15%。然而，過(guò)多地添加Mo會(huì)使HAZ韌性降低，因此，本發(fā)明中控制Mo含量為0. 15-0. 60%，優(yōu)選為 0. 2-0. 5%，更優(yōu)選為 0. 25-0. 4% Cr可以增加母材、焊接部位的強(qiáng)度，提高淬透性，但含量太多影響焊接開裂敏感性，降低焊接熱影響區(qū)的韌性，所以加入量最多為0. 8%W可以提聞鋼的可洋性,提聞材料的強(qiáng)度，更為關(guān)鍵的是其在提聞強(qiáng)度的同時(shí)，相比于Mo等元素，其降低焊接性能的程度較低。因此為了達(dá)到強(qiáng)化效果，限定其下限為0. 10%，過(guò)多地添加W會(huì)使HAZ韌性降低，因此，本發(fā)明中控制W含量為0. 10-0. 80%，優(yōu)選為 0. 15-0. 75 %，更優(yōu)選為 0. 20-0. 70 %。V具有和Nb大致相同的效果，但其效果比Nb弱一些。然而，超高強(qiáng)度鋼中的V的添加效果大，Nb和V的復(fù)合添加使本發(fā)明的優(yōu)良特征更加明顯?？紤]到熱影響區(qū)韌性，現(xiàn)場(chǎng)可焊性，Nb和V的含量不能過(guò)高。本發(fā)明中限定Nb含量控制范圍為0.01-0. 1%;V含量控制范圍為0. 01-0. 2%，優(yōu)選地，Nb含量為0. 02-0. 09%，V含量為0. 02-0. 18%，更優(yōu)選Nb含量為 0. 03-0. 08%，V 含量為 0. 03-0. 15%。Ti、B、N是本發(fā)明最為關(guān)鍵的幾個(gè)元素，通過(guò)添加適量的Ti、B元素，可以提高材料的焊接性能，微量的B元素可以提高材料的淬透性，在焊接冷卻過(guò)程析出的BN可以細(xì)化熱影響區(qū)組織，提高材料的韌性。TiN的固溶溫度可以達(dá)到1400°C以上，高溫下仍然細(xì)小彌散，焊接過(guò)程中TiN夾雜物釘扎可以阻止奧氏體晶粒在高溫下的長(zhǎng)大。鋼中的自由氮對(duì)材料韌性是有害的，在近熔合線處TiN不可避免地會(huì)有所固溶并釋放出一些自由N。添加B、Ti可以限制材料中的自由N，但過(guò)量的B、Ti會(huì)誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體形核，從而降低熱影響區(qū)的強(qiáng)度。因此本發(fā)明中規(guī)定B含量為0.0005-0.0023% ；Ti含量為0.001-0.010%，N含量< 0.005%，且這三種元素滿足關(guān)系式(B+Ti)/N> I。如果(B+Ti)/N< I會(huì)降低大熱輸入下焊接熔合區(qū)及熱影響區(qū)的韌性。優(yōu)選B含量為0.0006-0.0020%，Ti含量為0. 002-0. 009%，N 含量為 0. 00%到< 0. 005%;更優(yōu)選 B 含量為 0. 0008-0. 0017%, Ti 含量為 0. 003-0. 008%，N 含量 0. 003-0. 004%。Ca、Mg、S、0也是本發(fā)明最為關(guān)鍵的幾個(gè)元素。0和S易形成夾雜物，對(duì)材料的強(qiáng)度和韌性不利，因此必須嚴(yán)格控制0和S的含量。由于Mg、Ca與0和S具有很強(qiáng)的結(jié)合力，得到在高溫下穩(wěn)定、細(xì)小彌散的夾雜物，而不產(chǎn)生可能導(dǎo)致其他問(wèn)題的粗大夾雜物，且所生成的夾雜物在液相難于聚合且具有較高的熔點(diǎn)，可以起到釘扎阻止奧氏體晶粒在高溫下的長(zhǎng)大的作用。同時(shí)，MgO、MgS和Ca(0、S)在焊接冷卻過(guò)程將誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體形核，從而降低焊接接頭的強(qiáng)度。因此必須降低0、S含量的同時(shí)，也需要限制Mg、Ca含量的上限。由于Ca、Mg在本發(fā)明中起的作用相當(dāng)，因此規(guī)定Ca、Mg的含量總和范圍為0. 001-0. 005%,0 ^ 0. 003%,S^O. 005%;優(yōu)選地，Ca、Mg 的含量總和范圍為 0. 001-0. 004%, 0^0. 0025%,S^O. 004%；更優(yōu)選地，Ca、Mg的含量總和范圍為0. 0013-0. 0035%。控制Ceq = C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+Ni/15 < 0. 68，有利于提高材料的焊接性能，降低焊接預(yù)熱溫度，減少焊接缺陷。如果超過(guò)0.68，焊接預(yù)熱溫度需超過(guò)120°C，不利于現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模化生產(chǎn)。本發(fā)明還提供一種具有960MPa以上抗拉強(qiáng)度、低溫韌性好、焊接性能優(yōu)良的超高強(qiáng)度鋼管的制造方法。該方法包括將本發(fā)明的化學(xué)成分的鋼坯加熱穿孔后軋制成無(wú)縫鋼管，將上述無(wú)縫鋼管加熱至890-940°C范圍內(nèi)保溫10-30分鐘后水冷，然后在580_670°C的溫度間進(jìn)行回火處理，回火時(shí)間為40-80分鐘。通過(guò)890_940°C保溫10_30分鐘，讓鋼奧氏體化,但時(shí)間超過(guò)30分鐘會(huì)導(dǎo)致奧氏體晶粒明顯長(zhǎng)大，從而降低材料的強(qiáng)度；本發(fā)明提供的回火溫度和時(shí)間也是為保證材料得到理想的強(qiáng)度和韌性。
具體實(shí)施例方式以下通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的特點(diǎn)和效果進(jìn)行舉例說(shuō)明。實(shí)施例通過(guò)實(shí)驗(yàn)室真空冶煉爐熔煉制得具有各種鋼成分的鋼坯，編號(hào)1-12為本發(fā)明例，13-19為對(duì)比例，化學(xué)成分如表2所示。將這些鋼坯在1000°C以上鍛造成250mm*150mm*50mm的鋼塊，然后在1000°C以上熱軋制成12-14mm厚的鋼板后空冷至室溫。將編號(hào)為1、6的鋼板進(jìn)行890_910°C保溫15分鐘后在室溫的水里冷卻，然后在590-620度保溫60分鐘后空冷。將編號(hào)為2、3、7、8、12、的鋼板進(jìn)行910_930°C保溫15分鐘后在室溫的水里冷卻，在610-640度范圍內(nèi)保溫60分鐘后空冷。將編號(hào)為4、5、9、10、11的鋼板進(jìn)行920_940°C保溫20分鐘后在室溫的水里冷卻， 在630-660度范圍內(nèi)保溫60分鐘后空冷。將編號(hào)為13-19的對(duì)比例鋼板進(jìn)行900_920°C保溫15分鐘后在室溫的水里冷卻，在610-640度范圍內(nèi)保溫60分鐘后空冷。
權(quán)利要求
1.一種鋼，其按重量百分比計(jì)的化學(xué)成分為c :0. 12-0. 18% ；Si 0. l-o. 5% ；Mn I.0-2. 0% ；S < 0. 005% ；Cr :0. 3-1. 0% ；Mo :0. 10-0. 60% ；ff :0. 10-0. 80% ；N ^ 0. 005% ；Nb 0. 01-0. I % ；V 0. 01-0. 2 % ；Ni 0. 10-0. 40% ；0 ^ 0. 0030 % ；Ca+Mg 0. 001-0. 005 % ；B 0. 0003-0. 0020% ；Ti :0. 001-0. 010% ;其余由Fe和不可避免的雜質(zhì)組成。
2.如權(quán)利要求I所述的鋼，其特征在于，(B+Ti)/N>I。
3.如權(quán)利要求I或2所述的鋼，其特征在于，Ceq= C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+Ν /15< O. 68。
4.如權(quán)利要求1-3任一所述的鋼，其特征在于，C:0. 12-0. 17%，優(yōu)選為O. 13-0. 16%。
5.如權(quán)利要求1-4任一所述的鋼，其特征在于，Si:0. 1-0. 45%，優(yōu)選為O. 13-0. 42%。
6.如權(quán)利要求1-5任一所述的鋼，其特征在于，Mn:1. 2-2. 0%，優(yōu)選為I. 25-1. 95%。
7.如權(quán)利要求1-6任一所述的鋼，其特征在于，Ni:0. 1-0. 4%，優(yōu)選為O. 15-0. 35%。
8.如權(quán)利要求1-7任一所述的鋼，其特征在于，Mo:0. 15-0. 60%，優(yōu)選為O. 2-0. 5%，更優(yōu)選為 O. 25-0. 4%0
9.如權(quán)利要求1-8任一所述的鋼，其特征在于，Cr:0. 4-1. 0%，優(yōu)選為O. 4-0. 95%。
10.如權(quán)利要求1-9任一所述的鋼，其特征在于，W:0. 15-0. 75%，優(yōu)選為O. 20-0. 70%。
11.如權(quán)利要求1-10任一所述的鋼，其特征在于，Nb:0. 02-0. 09%, V :0. 02-0. 18% ；優(yōu)選為 Nb 0. 03-0. 08%, V 0. 03-0. 15%。
12.如權(quán)利要求1-11任一所述的鋼，其特征在于，B:0. 0006-0. 0020 %, Ti O.002-0. 009 %, N 0. 002-0. 004 ;優(yōu)選為 B 0. 0008-0. 0017 %, Ti 0. 003-0. 008 %, N O.003-0. 004%。
13.如權(quán)利要求1-12任一所述的鋼，其特征在于，Ca+Mg:0. 001-0. 004 %,O ≤ O. 0025%, S ≤ O. 004% ;優(yōu)選為 Ca+Mg :0. 0013-0. 0035%
14.如權(quán)利要求1-13任一所述的鋼制造的鋼管。
15.如權(quán)利要求14所述鋼管的制造方法，包括將所述化學(xué)成分的鋼坯加熱穿孔后軋制成無(wú)縫鋼管，將所述無(wú)縫鋼管加熱至890-940°C范圍內(nèi)保溫10-30分鐘后水冷，然后在580-670°C的溫度間進(jìn)行回火處理，回火時(shí)間為40-80分鐘。
16.如權(quán)利要求15所述的方法制造的鋼管，其母材的抗拉強(qiáng)度大于960MPa，-40°C下的低溫沖擊韌性大于45J，以及在15kJ/cm以上焊接熱輸入量下焊接后焊接接頭及熱影響區(qū)強(qiáng)韌性能達(dá)到母材的性能要求。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋼，其按重量百分比的化學(xué)成分為C0.12-0.18％；Si0.1-0.5％；Mn1.0-2.0％；S＜0.005％；Cr0.3-1.0％；Mo0.10-0.60％；W0.10-0.80％；N≤0.005％；Nb0.01-0.1％；V0.01-0.2％；Ni0.10-0.40％；O≤0.0030％；Ca+Mg0.001-0.005％；B0.0003-0.0020％；Ti0.001-0.010％；其余由Fe和不可避免的雜質(zhì)組成。本發(fā)明還涉及由所述鋼制造的低溫韌性好、焊接性能優(yōu)良的高強(qiáng)度鋼管，其制造方法包括將滿足上述化學(xué)成分要求的鋼坯加熱穿孔后軋制成無(wú)縫鋼管，將上述無(wú)縫鋼管加熱至890-940℃范圍內(nèi)保溫10-30分鐘后水冷，然后在580-670℃的溫度間進(jìn)行回火處理，回火時(shí)間為40-80分鐘。
文檔編號(hào)C22C38/50GK102796966SQ20111013793
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2011年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月25日
發(fā)明者洪杰, 王起江, 許軻 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司