一種厚度大于60mm屈服強度690MPa級鋼板及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于鋼鐵【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，本發(fā)明涉及一種厚度大于60mm屈服強度690MPa級鋼板，其化學成分按重量百分比計包含：C：0.10％～0.20％、Si：0.15％～0.50％、Mn：1.20％～1.70％、Ni：0.10％～0.40％、Cr：0.20％～0.60％、Nb：0.01％～0.05％、V：0.02％～0.06％、Als：0.015％～0.050％、Ti：0.008％～0.025％、Mo：0.15％～0.45％、B：0.0008％～0.0030％、P≤0.025％、S≤0.008％、N≤40ppm、O≤20ppm、H≤2ppm，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明的鋼板具有優(yōu)良的力學性能，其屈服強度≥690MPa，并且具有良好的塑韌性，可廣泛應用于煤礦液壓支架、重型工程機械、海洋平臺等大型工程機械裝備或鋼結(jié)構(gòu)的制造。
【專利說明】-種厚度大于60mm屈服強度690MPa級鋼板及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鋼鐵【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，本發(fā)明涉及一種厚度大于60mm屈服強度 690MPa級鋼板及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展需要大量的高強鋼材，隨著國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)、工程機械、礦山 機械等行業(yè)蓬勃發(fā)展，同時為順應起重機械、挖掘機懸臂梁、礦井用液壓支架等工程機械大 型化、高強化的市場需求趨勢，對高強度、高質(zhì)量等級工程機械用鋼的需求日益強烈。與此 同時，為了滿足高強鋼對降低焊接裂紋敏感性的要求，各大鋼鐵企業(yè)在研發(fā)方面投入了大 量人力物力。
[0003] 在中國專利CN101812634A中，公開了一種低碳低焊接裂紋敏感性的高強度鋼板 的制造方法，在鋼的成分設(shè)計方面采用Cr-Cu-Mo-V-Nb-Ti-B復合添加，乳制過程不用控 車L，之后鋼板再進行離線淬火+回火工藝處理，鋼的屈服強度在700MPa以上，抗拉強度在 SOOMPa以上。該專利雖然也提供了一種80kg級的低焊接裂紋敏感性鋼板的生產(chǎn)方法，但不 足之處在于未能充分利用軋制過程中的控軋控冷的細晶、相變及位錯強化機制，同時鋼板 還需要進行離線淬火和回火熱處理，造成生產(chǎn)成本增加。
[0004] 在中國專利CN101418418B中，公開了一種屈服強度690MPa級低裂紋敏感性鋼 板的制造方法，在鋼的成分設(shè)計方面采用Cr-Mo-V-Nb-Ti-B復合添加，鋼的屈服強度在 690MPa以上，抗拉強度在770MPa以上。該專利雖然提供了一種不經(jīng)過任何熱處理就能生產(chǎn) 80kg級的低焊接裂紋敏感性鋼板的方法，但加入了 0. 04?0. 12%的貴重金屬V，造成該鋼 種合金成本較高。
[0005] 在中國專利CN100439545C中，公開了一種800MPa級高韌性低屈服比厚鋼板的制 造方法，在鋼的成分設(shè)計上加入了 0. 30%?0. 70%的貴重金屬Ni,造成合金成本較高，而 且該鋼板屈服強度僅能保證大于540MPa。
[0006] 對現(xiàn)有技術(shù)分析之后發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)公開的文獻中大部分鋼板的屈服強度不高于 690MPa，或者屈服強度達到80kg級別，但貴重金屬含量高或熱處理工藝復雜造成生產(chǎn)成本 較聞。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種60mm以上特厚規(guī)格屈服強度690MPa級高強鋼板及其 減量化制造方法，通過對化學成分、乳制工藝、冷卻工藝和回火熱處理工藝的控制，在鋼板 中獲得一種由板條貝氏體/馬氏體為主的組織，實現(xiàn)了 60mm以上特厚規(guī)格屈服強度690MPa 級高強鋼板的生產(chǎn)；同時通過對軋制和冷卻工藝模型的創(chuàng)新開發(fā)，實現(xiàn)了鋼板軋后省去離 線淬火工序，僅進行一道離線回火熱處理，降低生產(chǎn)組織難度，減少生產(chǎn)工序，縮短生產(chǎn)周 期。
[0008] 本發(fā)明的厚度大于60mm屈服強度690MPa級鋼板，其化學成分按重量百分比計包 含：C:0· 10%?0· 20%、Si:0· 15%?0· 50%、Mn:1. 20%?I. 70%、Ni:0· 10%?0· 40%、Cr:0. 20%?0. 60%、Nb:0. 01%?0. 05%、V:0. 02%?0. 06%、Als:0. 015%?0. 050%、 Ti:0· 008 % ?0· 025%、Mo:0· 15 % ?0· 45%、B:0· 0008 % ?0· 0030%、P彡 0· 025 %、 3彡0.008%州彡40--111、0彡20--111、!1彡2--111，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)；其中，418表 示酸溶鋁。
[0009] 本發(fā)明的鋼板組織由板條貝氏體和馬氏體為主組成，其屈服強度大于等于 690MPa〇
[0010] 以下對根據(jù)本發(fā)明的厚度大于60mm特厚規(guī)格屈服強度690MPa級高強鋼板的化學 成分進行詳細說明。
[0011] C:c既是最主要的固溶強化元素，能顯著提高鋼的淬透性，對馬氏體鋼的強度和 硬度起決定性的作用，但碳含量的增加使鋼的塑性和沖擊韌性降低，冷脆傾向性和時效傾 向性提高，惡化焊接性能?？紤]到降碳的同時必須額外增加其它貴重的微合金含量才能保 證鋼強度，而這將造成成本大幅度增加，綜合考慮將C的適宜量控制在0. 10%?0. 20%。
[0012] Si:Si進入鐵素體起固溶強化作用，但Si會顯著地提高鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，同時 也會惡化塑性及焊接性能，因此，Si的適宜量控制在0. 15%?0. 50%。
[0013]Mn:Mn能夠降低臨界轉(zhuǎn)變溫度Ar3,明顯提高鋼的淬透性，同時具有一定的固溶強 化作用，起到提高鋼的強度和硬度的作用。由于錳和硫具有較大的親和力，MnS在高溫時 有一定的塑性，避免了鋼的熱脆，但過高的Mn會影響鋼的焊接性能，也會加劇鑄坯的中心 偏析，造成產(chǎn)品帶狀組織嚴重，進而影響到?jīng)_擊韌性。因此，Mn的適宜量控制在1. 20%? 1. 70%。
[0014]P:P屬于低溫脆性元素，P顯著擴大液相和固相之間的兩相區(qū)，在鋼凝固過程中偏 析于晶粒之間，形成高磷脆性層，提高帶狀組織的級別，使鋼的局部組織異常，造成機械性 能不均勻，降低鋼的塑性，使鋼易產(chǎn)生脆性裂紋，抗腐蝕性下降，對焊接性能也有不利影響， 增加焊接裂紋敏感性，所以應盡可能降低磷在鋼中的含量?？紤]到生產(chǎn)成本，將P的含量控 制在0.025%以下。
[0015]S:當S以FeS的形式存在于鋼中時，如果S含量高則易產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象。當S以MnS 的形式存在于鋼中時，S常以條狀形態(tài)沿軋制方向分布，形成嚴重的帶狀組織，破壞了鋼的 連續(xù)性，對鋼材不同方向的性能也會產(chǎn)生重要影響，降低鋼的塑性和沖擊韌性，提高韌脆轉(zhuǎn) 變溫度。因此，將S的含量控制在0.008%以下。
[0016] Ni:Ni通過形成簡單的置換固溶體起著強化鐵素體的作用，可提高鋼的強度，同 時Ni是奧氏體穩(wěn)定元素，可顯著提高鋼的耐低溫沖擊韌性。但是，Ni板價格相對比較昂貴， 考慮到成本因素，Ni的適宜量控制在0. 10%?0.40%。
[0017]Cr:Cr能防止加Mo鋼的石墨化傾向，屬于穩(wěn)定奧氏體元素，可極大地提高鋼的 淬透性，提高鋼的強度，但過高的Cr會降低鋼的焊接性能，綜合考慮，Cr的適宜量控制在 0· 20%?0· 60%。
[0018] Nb:Nb能產(chǎn)生顯著的晶粒細化、析出強化以及中等的沉淀強化作用。固溶于奧氏 體的Nb能夠提高淬透性，Nb(C、N)析出相具有細化晶粒作用但降低淬透性，而且當Nb含量 過高時，Nb易與Fe、C等元素形成低熔點共晶物，有增加焊接熱影響區(qū)熱裂紋的傾向。綜合 各方面因素，Nb的適宜量控制在0. 01 %?0. 05%之間。
[0019]V:V可以在鋼的回火過程中析出大量碳氮化物沉淀，大幅提高鋼的強度，尤其對 于特厚規(guī)格高強鋼而言，V(C、N)在基體中大量彌散析出，能有效彌補降低其它貴重金屬含 量和厚度增加引起的鋼板強度下降。但如果含量過高，釩的碳化物析出相會變得粗大，從而 不能有效提高強度，而且會惡化鋼板的低溫韌性和焊接性能。綜合各方面因素，V的適宜量 控制在0· 02%?0· 06%之間。
[0020] Al:A1能細化鋼的晶粒，提1?鋼的強度，同時也能提1?沖擊初性。由于Al和N有 較強的親和力，還可以消除N元素造成的時效敏感性，因此，Als的含量定為0.015 %? 0. 050%。
[0021]Ti:Ti在1200?1300°C高溫下即可析出TiN顆粒，可以作為Nb(C、N)的析出核 心，從而減少微細鈮析出物的數(shù)量，進而降低含Nb鋼的裂紋敏感性。Ti可形成細小的鈦的 碳化物、氮化物顆粒，在板坯加熱過程中通過阻止奧氏體晶粒的粗化從而得到較為細小的 奧氏體顯微組織。Ti與N結(jié)合生成穩(wěn)定的高彌散化合物，不但可以消除鋼中的自由氮，而且 能在熱加工過程和焊接時的熱影響區(qū)中控制晶粒尺寸，改善鋼結(jié)構(gòu)各部位的低溫韌性。過 量的Ti將形成微米級尺寸的液析TiN，不僅無法細化晶粒，反而會惡化鋼板韌性。因此，Ti 的適宜量控制在0. 008 %?0. 025 %。
[0022] Mo:Mo在鋼中存在于固溶體相和碳化物相中，屬于穩(wěn)定奧氏體元素，可極大地提 高鋼的淬透性，可將C曲線強烈右移，以促進貝氏體/馬氏體轉(zhuǎn)變，同時可改善鋼的回火脆 性，極大地提高鋼的低溫韌性，提高鋼的耐延遲斷裂性能。綜合成本因素，Mo的適宜量控制 在 0· 15%?0· 45%。
[0023]B:B強烈偏聚于奧氏體晶界及其它晶體缺陷處，能夠增加鋼的淬硬性，提高鋼的 淬透性。加入微量B可明顯抑制鐵素體在奧氏體晶界上的形核，使鐵素體轉(zhuǎn)變曲線明顯右 移，以促進貝氏體/馬氏體轉(zhuǎn)變，但硼含量超過〇. 0030%后上述作用達到飽和，而且還可能 形成各種對熱加工性能和韌性不利的含B析出相，綜合考慮，硼含量應控制在0. 0008%? 0· 0030%。
[0024] N:N含量過高會惡化高強鋼的沖擊韌性，一般控制在40ppm以下。
[0025] 0:0含量過高表明鋼中夾雜物太多，對鋼的各項機械性能均會產(chǎn)生不利的影響， 故〇含量應盡量控制在20ppm以下，以提高鋼水潔凈度。
[0026]H:H對于屈服強度大于690MPa的高強鋼而言，危害較大，易造成探傷不合，并影響 低溫沖擊韌性，需要通過真空處理等手段控制在2ppm以下。
[0027] 本發(fā)明針對不同厚度的鋼板，優(yōu)化成分設(shè)計，隨著厚度增加，為改善沖擊韌性，碳 含量有所降低，同時Ni、Nb和Mo含量適當增加；厚規(guī)格為保證強度，適量Mo含量有利于C 曲線右移，利于在強冷條件下貝氏體/馬氏體硬相組織的形成，同時適當提高V含量，以增 加組織中二相粒子析出數(shù)量，發(fā)揮微合金沉淀強化作用，從而實現(xiàn)60_以上特厚鋼板在較 低合金成分體系條件下獲得較高的強度指標性能。
[0028] 另外，本發(fā)明還提供了一種厚度大于60mm特厚規(guī)格屈服強度690MPa級高強鋼板 的減量化制造方法，所述制造方法包括冶煉、澆鑄、加熱、乳制、冷卻和回火。
[0029] 具體地，本發(fā)明的上述厚度大于60mm特厚規(guī)格屈服強度690MPa級高強鋼板的制 備方法，包括以下步驟：
[0030] (1)冶煉和澆鑄；
[0031] ⑵加熱：對澆鑄后獲得的鋼坯加熱，鋼坯出爐溫度控制在1150?1220°C;
[0032] (3)軋制：步驟⑵加熱后的鋼坯粗軋獲得中間述，中間坯厚度為成品厚度的 1. 7?2. 8倍，鋼坯精軋開軋溫度為840?970°C，終軋溫度為830?930°C;
[0033] (4)冷卻：開冷溫度為750?850 °C，終冷溫度不高于300 °C，冷卻速度為5? 20〇C/s；
[0034] (5)回火處理：回火溫度為600?670°C，回火保溫時間為20?50min。
[0035] 上述冶煉和澆鑄：采用轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，澆鑄采用連鑄或模鑄。
[0036] 上述制備方法，采用中厚板軋機軋制：
[0037] (a)軋制前的加熱溫度：鋼坯出爐溫度控制在1150?1220°C。為了充分發(fā)揮Nb、 Ti等微合金元素在控軋過程中延遲奧氏體再結(jié)晶、乳制及軋后冷卻過程中析出強化等作 用，應保證微合金元素更多的固溶到奧氏體中，充分發(fā)揮其固溶優(yōu)勢，所以鋼坯加熱溫度至 少應提高1150°C以上；同時考慮到加熱溫度過高，奧氏體晶粒將過分長大，并遺傳到軋后 鋼板，對鋼板沖擊韌性會造成不良影響，故應盡可能保證鋼坯出爐溫度控制在1220°C以下。
[0038] (b)軋制條件：中間坯厚度為成品厚度的1.7?2.8倍，鋼坯精軋開軋溫度為 840?970°C，終軋溫度為830?930°C。鋼坯經(jīng)過粗軋機軋制后得到中間坯，在輥道上待 溫到目標開軋溫度后，進行精軋。精軋過程為保證軋后晶粒細化，改善鋼板綜合力學性能， 需要充分發(fā)揮第二相質(zhì)點Nb(C、N)釘扎位錯，阻止奧氏體再結(jié)晶，提高Tnr溫度（再結(jié)晶終 止溫度）的作用，以擴大控軋工藝窗口。為改善軋制板形，可適當提高精軋開軋溫度以減少 軋制抗力，同時還要避免開軋溫度高于Tnr所產(chǎn)生的混晶現(xiàn)象，故精軋開軋溫度不能高于 970°C，同時為避免鋼板入水前發(fā)生過多的先共析鐵素體轉(zhuǎn)變，以保證鋼板組織由奧氏體經(jīng) 強冷直接轉(zhuǎn)變成貝氏體/馬氏體組織，結(jié)合微合金碳氮化物釘扎位錯的作用，共同細化鋼 板冷卻后貝氏體/馬氏體板條團晶粒尺寸，快速提高特厚規(guī)格鋼板強度，故精軋開軋溫度 不能低于840°C。
[0039] 隨著中間坯溫度下降到Tnr以下，奧氏體晶粒再結(jié)晶受到抑制，通過大壓下軋制， 奧氏體晶粒呈壓扁和拉長狀態(tài)，隨著壓下量的增加，晶粒內(nèi)產(chǎn)生大量滑移帶和位錯，增大了 有效晶界面積，增加相變細化效果，提高鋼的強韌性，同時考慮到60_以上特厚規(guī)格鋼板 應保證粗軋階段的足夠的壓下量，以均勻細化鋼板斷面組織，改善鋼板低溫沖擊韌性，綜合 考慮，中間坯厚度應控制在成品厚度的1. 7?2. 8倍。
[0040] (c)冷卻條件：開冷溫度為750?850°C，終冷溫度不高于300°C，冷卻速度為5? 20°C/s。在該發(fā)明鋼板生產(chǎn)過程中，為確保鋼板入水前組織基本以奧氏體為主，在鋼板強 冷過程中，奧氏體直接轉(zhuǎn)變成貝氏體/馬氏體，通過在線強冷手段快速提高特厚鋼板強度 水平，因此為避免基體中過多軟相（先共析鐵素體）的形成，鋼板開冷溫度不得低于750°C; 考慮到軋后到入水前鋼板需要在輥道上走行10秒左右時間，若此時鋼板溫度過高，乳后可 能會存在應變誘導奧氏體組織再結(jié)晶、部分再結(jié)晶或者亞晶回復的現(xiàn)象，導致鋼板入水前 晶粒粗大，影響特厚板的低溫韌性，因此鋼板開冷溫度不得高于850°C。
[0041] 考慮到終冷溫度過高，貝氏體/馬氏體相變不完全，鋼板強度難以大幅快速提高， 故終冷溫度控制在300°C以下。
[0042] 隨著冷卻速度的增加，促進奧氏體向低溫組織的轉(zhuǎn)變，提高板條貝氏體/馬氏體 硬相組織體積分數(shù)，從而實現(xiàn)特厚鋼板強度大幅提升，同時考慮到60_以上特厚鋼板熱傳 導能力有限，綜合考慮，冷卻速度控制在5?20°C/s范圍內(nèi)。
[0043] (d)回火：通過對鋼板實施合理的回火熱處理，有效均勻組織，提高鋼板的塑韌 性，同時促進二相粒子的充分析出，發(fā)揮鋼中微合金元素的析出強化作用，確保鋼板獲得穩(wěn) 定的強度、塑性和韌性指標。綜合考慮，回火溫度控制在600?670°C范圍內(nèi)，回火保溫時間 控制在20?50min范圍內(nèi)。
[0044] 本發(fā)明的鋼板具有高強度、優(yōu)良的塑韌性并且生產(chǎn)工藝可實現(xiàn)減量化，成本低廉， 節(jié)能綠色環(huán)保，適用于推廣使用。
[0045] 具體地，本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0046] (1)對磷含量要求較寬松，可極大降低冶煉成本，同時合金化時，可采用價格低廉 的高碳錳鐵代替低碳錳鐵，而且通過對不同厚度規(guī)格成分進行合理優(yōu)化，結(jié)合軋后超快速 冷卻工藝的實施，大幅降低鋼種的合金成本；
[0047] (2)軋后超快速冷卻工藝能夠極大地保留軋制過程所產(chǎn)生的高密度位錯組織，為 冷卻過程相變提供更多的形核點，基體組織明顯細化，同時鋼板強度也得到快速提升
[0048] (3)經(jīng)過超快速冷卻的軋后組織具備非常穩(wěn)定的回火穩(wěn)定性，在熱加工或焊接過 程中，由于位錯強化和第二相粒子的析出強化作用，鋼板表現(xiàn)出更加穩(wěn)定的力學性能。
[0049] (4)本發(fā)明鋼軋后直接進行回火熱處理，無需進行離線淬火，相比傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)工藝可 簡化生產(chǎn)工序，大幅降低生產(chǎn)成本，同時還可明顯縮短交貨周期，綜合效益顯著。
[0050] 綜上所述，本發(fā)明鋼的綜合力學性能優(yōu)越，不易斷裂和破壞，使用安全可靠，可廣 泛應用于煤礦液壓支架、重型工程機械、海洋平臺等大型工程機械裝備或鋼結(jié)構(gòu)的制造。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0051] 圖1為本發(fā)明實施例4鋼的微觀組織。

【具體實施方式】
[0052] 本發(fā)明涉及的厚度大于60mm特厚規(guī)格屈服強度690MPa級鋼板的化學成分按表1 所示化學成分進行轉(zhuǎn)爐冶煉并澆注成連鑄坯或鑄錠，將連鑄坯或鑄錠開坯后在加熱爐中加 熱，采用中厚板軋機軋制，乳后鋼板僅進行一道離線回火熱處理。鑄坯出爐溫度、終軋溫度、 終冷溫度等主要工藝參數(shù)見表2。相應鋼板拉伸性能、-40°C縱向沖擊功、厚度規(guī)格在表3中 列出，可見本發(fā)明鋼的低溫沖擊韌性優(yōu)異，-40°C縱向AKv不低于150J。圖1示出了實施例 4鋼的SEM微觀組織照片，顯示組織為板條貝氏體/馬氏體。
[0053] 下面的表1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例1至實施例8的鋼的化學成分。
[0054] 表1本發(fā)明實施例的化學成分（wt. % )
[0055]

【權(quán)利要求】
1. 一種厚度大于60mm屈服強度690MPa級鋼板，其特征在于，所述鋼板的化學成分 按重量百分比計包含：(： ：0.10%?0.20%、5丨：0.15%?0.50%、]\111:1.20%?1.70%、 Ni :0· 10 % ?0· 40 %、Cr :0· 20 % ?0· 60 %、Nb :0· 01 % ?0· 05 %、V :0· 02 % ?0· 06 %、 Als :0. 015 % ?0. 050 %、Ti :0. 008 % ?0. 025 %、Mo :0. 15 % ?0. 45 %、B :0. 0008 % ? 0· 0030 %、P 彡 0· 025 %、S 彡 0· 008 %、N 彡 40ppm、0 彡 20ppm、Η 彡 2ppm，其余為鐵和不可 避免的雜質(zhì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼板，其特征在于，所述鋼板的屈服強度大于等于690MPa。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼板，其特征在于，所述鋼板的組織主要由板條貝氏體和馬 氏體組成。
4. 一種權(quán)利要求1-3中任一所述鋼板的制備方法，包括以下步驟： (1) 冶煉和澆鑄； (2) 加熱：對澆鑄后獲得的鋼坯加熱，鋼坯出爐溫度控制在1150?1220°C ; (3) 軋制：步驟（2)加熱后的鋼坯粗軋獲得中間坯，中間坯厚度為成品厚度的1.7? 2. 8倍，鋼坯精軋開軋溫度為840?970°C，終軋溫度為830?930°C ; (4) 冷卻：開冷溫度為750?850°C，終冷溫度不高于300°C，冷卻速度為5?20°C /s ; (5) 回火處理：回火溫度為600?670°C，回火保溫時間為20?50min。
【文檔編號】C22C38/54GK104278216SQ201410546988
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月15日
【發(fā)明者】楊建勛, 劉菲, 孫其家, 張曉敏, 尹訓強 申請人:山東鋼鐵股份有限公司