專利名稱：60公斤級低成本、高韌性鋼板及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及低碳高強度低合金鋼的制造，特別涉及60公斤級低成本、高韌性鋼板及其制造方法，鋼板的屈服強度≥460MPa,抗拉強度≥600MPa, -40°C的Charpy沖擊功(單個值)≥47J，可焊接性優(yōu)良。
背景技術：
眾所周知，低碳(高強度)低合金鋼是最重要工程結構材料之一，廣泛應用于石油天然氣管線、海洋平臺、造船、橋梁結構、鍋爐容器、建筑結構、汽車工業(yè)、鐵路運輸及機械制造之中。低碳(高強度)低合金鋼性能取決于其化學成分、制造過程的工藝制度，其中強度、塑性、韌性和焊接性是低碳(高強度)低合金鋼最重要的性能，它最終決定于成品鋼材的顯微組織狀態(tài)；隨著科技不斷地向前發(fā)展，人們對高強鋼的強韌性、強塑性匹配提出更高的要求，即在維持較低的制造成本的同時，大幅度地提高鋼板的綜合機械性能和使用性能，以減少鋼材的用量節(jié)約成本，減輕鋼結構的自身重量、穩(wěn)定性和安全性，更為重要的是為進一步提高鋼結構安全穩(wěn)定性和冷熱加工性；目前日韓、歐盟范圍內掀起了發(fā)展新一代高性能鋼鐵材料的研究高潮，力圖通過合金組合設優(yōu)化計和革新制造工藝技術獲得更好的組織匹配，使高強鋼獲得更優(yōu)良的強韌性、強塑性匹配及焊接性。傳統(tǒng)的抗拉強度強度大于600MPa的鋼板主要通過再加熱淬火+回火(RQ+T)，即所謂離線調質方法來生產(chǎn)，為確保鋼板具有足夠高的強度、優(yōu)良的低溫韌性及顯微組織與性能的均勻，不可避免地向鋼中加入Cr、Mo、Ni、Cu等合金元素，大幅度提高制造成本，參見日本專利昭59-129724、平1-219121 ;而且鋼板的合金含量較高，不僅導致鋼板制造成本較高，而且碳當量Ceq、焊接冷裂紋敏感指數(shù)Pcm也相對較高,這給現(xiàn)場焊接帶來較大的困難，焊前預熱溫度高，焊后需要熱處理，焊接加工成本升高、焊接制作效率降低、焊接現(xiàn)場工作環(huán)境惡化?，F(xiàn)有大量專利文獻只是說明如何實現(xiàn)調質鋼板母材的強度和低溫韌性，就改善鋼板焊接能性，獲得優(yōu)良焊接熱影響區(qū)HAZ低溫韌性說明較少，更沒有涉及如何確保調質鋼板中心部位淬透性，以保證鋼板強度、韌性及沿鋼板厚度方向強度、韌性均勻性，參見日本專利昭 63-93845、昭 63-79921、昭 60-258410、特平開 4-285119、特平開 4-308035、平3-264614、平 2-250917、平 4-143246 及美國專利 US Patent4855106、US Patent5183198、USPatent4137104。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種60公斤級低成本、高韌性鋼板及其制造方法，獲得的成品鋼板的顯微組織為均勻細小鐵素體+珠光體+含有少量的粒狀貝氏體，鐵素體平均晶粒尺寸在15pm以下，獲得均勻優(yōu)良的強韌性、強塑性匹配的同時，鋼板具有極其優(yōu)良的低溫韌性，特別適用于承壓構件、石油儲罐、移動儲罐車等大型鋼結構容器，并且能夠實現(xiàn)低成本穩(wěn)定批量工業(yè)化生產(chǎn)。為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是
本發(fā)明采用中C-低Si-高Mn-超低Als-高V合金化的成分體系作為基礎，控制 Mn/C ≥ 8. 5、V/N 在 9. 0 11. 0 之間且(% V) X (% N)≥ 0. 0023、100 [(% V) -3. 65(%N)]≥ Mn/C、Ca 處理且 Ca/S 比在 0. 80 3. 00 之間且(％ Ca) (% S)0'18 ^ 2. 5X 1(T3 等冶金技術手段，優(yōu)化RCR+NT工藝，使成品鋼板的顯微組織為均勻細小鐵素體+珠光體+含有少量的粒狀貝氏體，鐵素體平均晶粒尺寸在15 Pm以下，獲得均勻優(yōu)良的強韌性、強塑性匹配的同時，鋼板具有極其優(yōu)良的低溫韌性。具體的，本發(fā)明的60公斤級低成本、高韌性鋼板，其成分重量百分比為C:0. 145% 0. 185%，Si :≤ 0. 30%，Mn :1. 35% I. 65%，P ≤ 0. 013%，S :≤ 0. 003%,Cu (0. 25%, Ni :≤ 0. 25%, Als :0. 005% 0. 015%, V :0. 150% 0. 190%, N :0. 015%
0.020%, Ca :0. 001% 0. 003%，其余為Fe和不可避免的雜質；且上述元素含量必須同時滿足如下關系Mn/C≥8. 5，保證鋼板晶粒均勻細小且在_40°C下夏比沖擊試樣斷口纖維率至少高于50% (即發(fā)生塑性斷裂)，且鋼板顯微組織中的珠光體晶團尺寸細小、均勻分布；V/N在9. 0 11. 0之間且V) X (% N)≥0. 0023，保證形成數(shù)量足夠且均勻彌散分布的VN粒子,作為鐵素體形核位置,促進正火過程中Y — a相變,細化鐵素體晶粒尺寸，改善正火回火型鋼板的低溫韌性；100[(% V)-3. 65(% N≥Mn/C，保證形成數(shù)量足夠且均勻彌散分布的納米級VC粒子，強化正火回火型鋼板，保證鋼板屈服強度、抗拉強度，實現(xiàn)鋼板的強韌性匹配；Ca 與 S 之間的關系Ca/S 在 0.80 3.0 之間，且(% Ca) (% S)a 18 ^ 2.5X1(T3，保證鋼中硫化物球化，以改善鋼板低溫韌性、焊接性、抗SR脆性、抗層狀撕裂性能。在本發(fā)明鋼的成分設計中C對正火回火型鋼板的強度、低溫韌性、延伸率及焊接性影響很大，從改善正火回火型鋼板低溫韌性和焊接性角度，希望鋼中C含量控制得相對較低；但是從鋼板強韌性、強塑性匹配及生產(chǎn)制造過程中顯微組織控制與制造成本的角度，C含量不宜控制得過低；因次C含量合理范圍為0. 145% 0. 185%。Mn作為最重要的合金元素在鋼中除提高正火回火型鋼板的強度外，還具有擴大奧氏體相區(qū)、降低Ac3、Ac1, Ar3、Ar1點溫度、細化晶粒尺寸而改善正火回火型鋼板的低溫韌性之作用、促進VC在低溫下以納米級細小彌散地狀態(tài)析出而提高鋼板強度的作用；但是Mn在鋼水凝固過程中容易發(fā)生偏析，尤其Mn含量較高時，不僅會造成澆鑄操作困難，而且容易與C、P、S等兀素發(fā)生共軛偏析現(xiàn)象,尤其鋼中C含量較聞時,加重鑄還中心部位的偏析與疏松，嚴重的鑄坯中心區(qū)域偏析在后續(xù)的軋制、熱處理及焊接過程中易形成異常組織，導致鋼板低溫韌性低下和焊接接頭出現(xiàn)裂紋；因此根據(jù)C含量范圍，選擇適宜的Mn含量范圍對于正火回火型鋼板極其重要，通過研究本發(fā)明鋼適合Mn含量為I. 35% I. 65%，且C含量高時，Mn含量適當降低；反之亦然，即C含量低時，Mn含量適當提高。Si促進鋼水脫氧并能夠提高正火回火型鋼板的強度，但是采用Al脫氧的鋼水，Si的脫氧作用不大，Si雖然能夠提高鋼板的強度，但是Si嚴重損害鋼板的低溫韌性、延伸率及焊接性，尤其在較大線能量焊接條件下，Si不僅促進M-A島形成，而且形成的M-A島尺寸較為粗大、分布不均勻，嚴重損害焊接熱影響區(qū)(HAZ)的韌性，因此鋼中的Si含量應盡可能控制得低，考慮到煉鋼過程的經(jīng)濟性和可操作性，Si含量控制在0. 30%以下。
P作為鋼中有害雜質對正火回火型鋼板的機械性能，尤其低溫沖擊韌性、延伸率、焊接性(尤其較大線能量焊接性)及焊接接頭SR性能具有巨大的損害作用，理論上要求越低越好；但考慮到煉鋼可操作性和煉鋼成本，對于要求可較大線能量焊接、-40°C韌性及優(yōu)良強韌性/強塑性匹配的正火回火型鋼板鋼板，P含量需要控制在< 0. 013%。S作為鋼中有害雜質對正火回火型鋼板的低溫韌性具有很大的損害作用，更重要的是S在鋼中與Mn結合，形成MnS夾雜物，在熱軋過程中，MnS的可塑性使MnS沿軋向延伸，形成沿軋向MnS夾雜物帶，嚴重損害鋼板的低溫沖擊韌性、延伸率、Z向性能、焊接性及焊接接頭SR性能，同時S還是熱軋過程中產(chǎn)生熱脆性的主要元素，理論上要求越低越好；但考慮到煉鋼可操作性、煉鋼成本和物流順暢原則，對于要求優(yōu)良焊接性、-40°C韌性及優(yōu)良強韌性/強塑性匹配的正火回火型鋼板鋼板，S含量需要控制在< 0. 003%。Cu也是奧氏體穩(wěn)定化元素，添加Cu也可以降低Ar3點溫度，提高正火回火型鋼板的強度、韌性及耐大氣腐蝕性；但是Cu添加量過多，高于0. 30%，除了提高合金用量、增加制造成本外，還容易造成銅脆、鑄坯表面龜裂、內裂問題及尤其厚鋼板焊接接頭SR性能劣化，因此可以適當添加Cu元素，Cu添加量彡0. 25%。添加Ni不僅可以提高低溫鐵素體位錯的可動性，降低位錯運動的P-N力，促進位錯交滑移，改善正火回火型鋼板的低溫韌性；Ni作為奧氏體穩(wěn)定化元素，降低Ac3、ACl、Ar3、Ar1點溫度，細化鐵素體晶粒尺寸，因此Ni具有同時提高正火回火型強度、延伸率和低溫韌性的功能；鋼中加Ni還可以降低含銅鋼的銅脆現(xiàn)象，減輕熱軋過程的晶間開裂，提高鋼板的耐大氣腐蝕性。因此從理論上講，鋼中Ni含量在一定范圍內越高越好，但是過高的Ni含量會硬化焊接熱影響區(qū)，對鋼板的焊接性及焊接接頭SR性能不利；同時Ni是一種很貴重元素，從性能價格比考慮，Ni含量控制在< 0. 25%，以確保正火回火型的強韌性匹配、低溫韌性而不損害鋼板的焊接性。為保證鋼中的N與V結合，形成VN彌散分布的粒子，作為鐵素體形核位置，促進正火過程中Y — a相變，細化鐵素體晶粒尺寸，且獲得高的VC析出強化；因此，在保證鋼水脫氧的情況下，鋼中的Al盡可能控制得越低越好；當鋼中Als含量低于0. 005%時，鋼水脫氧不充分，鋼中氧化物夾雜增多，惡化鋼板的低溫韌性與焊接性；當鋼中Als高于0. 015%時，VN粒子析出受到影響；因此，鋼中Als含量控制在0. 005% 0. 015%。在本發(fā)明鋼中，V的作用極其重要，V有兩方面的作用其一是與N結合，形成彌散分布的VN粒子,作為鐵素體形核位置,促進正火過程中Y — a相變,細化鐵素體晶粒尺寸，保證正火回火型鋼板的低溫韌性；其二是剩余V與C結合，形成均勻細小彌散分布的VC粒子，強化鐵素體晶粒，提高正火回火型鋼板的強度；因此，大量添加V元素必不可少，根據(jù)上述分析與Al-V-N-C之間關系的試驗研究，適合的V含量控制在0. 150% 0. 190%。為了確保鋼中形成高密度的彌散分布的VN粒子作為鐵素體形核位置，根據(jù)Al-V-N-C之間關系的試驗研究，鋼中的N控制在0. 015% 0. 020%。對鋼進行Ca處理，一方面可以進一步純潔鋼液，另一方面對鋼中硫化物進行變性處理，使之變成不可變形的、穩(wěn)定細小的球狀硫化物、抑制S的熱脆性、提高鋼板的低溫韌性、延伸率及Z向性能、改善鋼板韌性的各向異性。Ca加入量的多少，取決于鋼中S含量的高低，Ca加入量過低，處理效果不大；Ca加入量過高，形成Ca(0，S)尺寸過大，脆性也增大，可成為斷裂裂紋起始點，降低鋼的低溫韌性和延伸率，同時還降低鋼質純凈度、污染鋼液。一般控制 Ca 含量按 ESSP = (wt% Ca) [1-1. 24(wt% 0)]/I. 25(wt% S)，其中 ESSP 為硫化物夾雜形狀控制指數(shù)，對于高V-N鋼，取值范圍0. 8 4之間為宜，因此Ca含量的合適范圍為 0. 0010% 0. 0030% o本發(fā)明的60公斤級低成本、高韌性鋼板的制造方法，其包括如下步驟a)冶煉、鑄造根據(jù)上述成分冶煉、鑄造成板坯；
b)軋制，鋼板總壓縮比即板坯厚度/成品鋼板厚度彡8. 5，保證軋制形變穿透到鋼板芯部，改善鋼板中心部位顯微組織與性能；板坯加熱溫度控制在1000°C 1100°C之間，確保鋼中V的析出物在板坯加熱過程中全部固溶到奧氏體中去的同時，板坯奧氏體晶粒不發(fā)生反常長大；第一階段為普通軋制，采用軋機最大軋制能力進行不間斷地軋制，最大程度提高軋線產(chǎn)能的同時，確保形變金屬發(fā)生再結晶，細化奧氏體晶粒；第二階段采用再結晶控制軋制，開軋溫度控制在820°C 860°C，軋制道次壓下率彡8%，累計壓下率彡75%，終軋溫度780°C 820°C ；c)冷卻軋制結束后，鋼板自然空冷至350°C以下進行緩冷，緩冷工藝為鋼板溫度表面大于300°C的條件下至少保溫24小時。d)熱處理正火，正火溫度(板溫)為880 910°C，正火保持時間為15 35min ;正火保持時間定義為鋼板中心溫度達到正火目標溫度后開始計時的保溫時間；鋼板出爐后自然空冷至室溫，以確保鋼板顯微組織和珠光體晶團尺寸均勻細小，珠光體分布均勻，提高鋼板低溫韌性的同時，抗SR脆化性能優(yōu)異；回火，回火溫度(板溫)為580 630°C，回火保持時間彡(I. 0 I. 5)min/mmX成品鋼板厚度，時間單位為min，成品鋼板厚度單位為mm ；以確保顯微組織中的粒狀貝氏體分解，獲得強韌性匹配；回火保持時間定義為鋼板中心溫度達到回火目標溫度后開始計時的保溫時間。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明鋼板通過簡單成分組合設計，并與RCR+NT制造工藝相結合，不僅低成本地生產(chǎn)出低溫韌性優(yōu)良的正火回火型鋼板，不僅大幅度地減少了 Cu、Ni合金用量，而且去除了 Mo、Cr合金化，消除了含有大量Cu、Ni、Cr、Mo廢鋼回收困難，為企業(yè)創(chuàng)造巨大的價值，實現(xiàn)了制造過程的綠色環(huán)保。鋼板的高性能、高附加值集中表現(xiàn)在鋼板具有優(yōu)異的強韌性、強塑性匹配的同時，鋼板的焊接性(尤其較大線能量焊接性)也同樣優(yōu)異，并成功地解決了正火回火型鋼板SR處理后性能嚴重劣化的問題，極大地提高了大型重鋼結構的安全穩(wěn)定性、抗疲勞性能；良好的焊接性節(jié)省了用戶鋼構件制造的成本，縮短了用戶鋼構件制造的時間，為用戶創(chuàng)造了巨大的價值，因而此類鋼板不僅是高附加值、綠色環(huán)保性的產(chǎn)品。


圖I為本發(fā)明實施例2鋼的顯微組織(1/4厚度)。
具體實施例方式下面結合 實施例對本發(fā)明做進一步說明。表I為本發(fā)明實施例鋼的成分，表2、表3、表4為本發(fā)明實施例鋼的制造工藝。表5為本發(fā)明實施例鋼的性能。從圖I及表5可以看出，本發(fā)明鋼板的顯微組織為均勻細小鐵素體+珠光體+含有少量的粒狀貝氏體，鐵素體平均晶粒尺寸在15pm以下，獲得均勻優(yōu)良的強韌性、強塑性匹配的同時，鋼板具有極其優(yōu)良的低溫韌性。綜上所述，本發(fā)明采用中C-低Si-高Mn-超低Als-高V合金化的成分體系作為基礎，優(yōu)化RCR+NT工藝，使成品鋼板的顯微組織為均勻細小鐵素體+珠光體+含有少量的粒狀貝氏體，鐵素體平均晶粒尺寸在15pm以下，獲得均勻優(yōu)良的強韌性、強塑性匹配的同時，鋼板具有極其優(yōu)良的低溫韌性，特別適用于承壓構件、石油儲罐、移動儲罐車等大型鋼結構容器，并且能夠實現(xiàn)低成本穩(wěn)定批量工業(yè)化生產(chǎn)。
權利要求
1.60公斤級低成本、高韌性鋼板，其成分重量百分比為C :0. 145% 0. 185%Si :≤ 0. 30%Mn :1. 35% I. 65%P :≤ 0. 013%S :≤ 0. 003%Cu :≤ 0. 25% Ni 0. 25%Als :0. 005% 0. 015%V :0. 150% 0. 190%N :0. 015% 0. 020%Ca :0. 001% 0. 003% 其余為Fe和不可避免的雜質； 且上述元素含量必須同時滿足如下關系Mn/C ^ 8. 5 ； V/N 在 9.0 11.0 之間，且(% V) X (% N)≤ 0.0023 ；100 [(% V)-3. 65 (% N)]≤ Mn/C; Ca 與 S 之間的關系:Ca/S 在 0. 80 3.0 之間，且(% Ca) (% S)0-18 ^ 2.5X10'
2.如權利要求I所述的60公斤級低成本、高韌性鋼板的制造方法，其包括如下步驟 a)冶煉、鑄造 根據(jù)上述成分冶煉、鑄造成板坯； b)軋制，鋼板總壓縮比即板坯厚度/成品鋼板厚度>8.5板坯加熱溫度控制在1000°C 1100°C 之間； 第一階段為普通軋制，采用軋機最大軋制能力進行不間斷地軋制； 第二階段采用再結晶控制軋制，開軋溫度控制在820°C 860°C，軋制道次壓下率≤8%，累計壓下率≤75%，終軋溫度780°C 820°C ； c)冷卻 軋制結束后，鋼板自然空冷至350°C以下進行緩冷，緩冷工藝為鋼板溫度表面大于300°C的條件下至少保溫24小時； d)熱處理 正火，正火溫度為880 910°C，正火保持時間為15 35min ； 正火保持時間定義為鋼板中心溫度達到正火目標溫度后開始計時的保溫時間；鋼板出爐后自然空冷至室溫； 回火，回火溫度為580 630°C，回火保持時間彡(I. 0 I. 5)min/mmX成品鋼板厚度，時間單位為min，成品鋼板厚度單位為mm ;回火保持時間定義為鋼板中心溫度達到回火目標溫度后開始計時的保溫時間。
全文摘要
60公斤級低成本、高韌性鋼板及其制造方法，其成分重量百分比為C0.145％～0.185％，Si≤0.30％，Mn1.35％～1.65％，P≤0.013％，S≤0.003％，Cu≤0.25％，Ni≤0.25％，Als0.005％～0.015％，V0.150％～0.190％，N0.015％～0.020％，Ca0.001％～0.003％，余為Fe和不可避免的雜質；本發(fā)明采用中C-低Si-高Mn-超低Als-高V合金化的成分體系作為基礎，結合冶金技術控制，優(yōu)化RCR+NT工藝，使成品鋼板的顯微組織為均勻細小鐵素體+珠光體+含有少量的粒狀貝氏體，鐵素體平均晶粒尺寸在15μm以下，獲得均勻優(yōu)良的強韌性、強塑性匹配的同時，鋼板具有極其優(yōu)良的低溫韌性，特別適用于承壓構件、石油儲罐、移動儲罐車等大型鋼結構容器。
文檔編號C22C38/16GK102618784SQ20121007711
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月22日 優(yōu)先權日2012年3月22日
發(fā)明者劉自成, 吳勇, 李先聚 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司