專利名稱：高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼及其制備工藝，具體涉及一種厚度可達(dá)80mm的、屈 服強(qiáng)度在420MPa級的高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板及其制造方法。
背景技術(shù)：
近年來，建筑物一直向超高層和大空間方向發(fā)展，為此，要求鋼材具有高強(qiáng)度和大 斷面特性。這樣，對鋼材的機(jī)械性能、焊接性能和厚度的要求也越來越高，如，目前高層建筑 所采用鋼板的性能一般需達(dá)到下述標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度彡390MPa、屈強(qiáng)比彡0. 85,Z向性能(斷 面收縮率)彡15%、高的低溫(彡0°C )韌性、大的厚度(彡40mm)和好的焊接性能(能夠 承受較大的焊接熱輸入，例如> 50kJ/cm)。為此，業(yè)界一直致力于發(fā)展出符合上述性能要求的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。如，專利公開 號為CN101413087A的發(fā)明專利披露了一種高層建筑鋼板及其生產(chǎn)方法。但是，該鋼種碳 含量偏高，鋼板的焊接性能受到不利影響；又如，專利公開號為CN101397625A的發(fā)明專 利記載了一種屈服強(qiáng)度420MPa級超細(xì)晶鋼板及其制造方法，該鋼板焊接性能良好，但是 僅適用于不超過20mm厚的鋼板，中間待溫時(shí)間較長，影響生產(chǎn)節(jié)奏。再如，專利公開號為 CN101343685A的發(fā)明專利公開了一種屈服強(qiáng)度420MPa級高強(qiáng)度建筑用鋼板的熱處理方 法，但該鋼板碳含量偏高，需要正火處理，生產(chǎn)工藝成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板及其制造方法，該鋼種綜合 力學(xué)性能和焊接性能優(yōu)良，厚度大，其制備工藝簡便易行，可控性好，成本低，從而克服了現(xiàn) 有技術(shù)中的不足。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板，其特征在于，所述厚板包含的化學(xué)成分及其重量 百分比為C 0. 06 0. 09%、Si 0.1 0.3%、Mn 1. 35 1. 55%、Nb 0.02 0.04%、 V 0. 02 0. 04%、Ti 0. 01 0. 02%、Ni 0. 15 0. 25%、Cr 0.1 0.2%、Cu 0. 15 0. 25%, Al 0. 02 0. 04%, N ( 0. 006%, P ( 0. 016%, S < 0. 004% 以及余量的 Fe 和雜
質(zhì)元素。進(jìn)一步地講所述厚板的焊接裂紋敏感性指數(shù)Pcm ( 0. 19%，其中，Pcm = C+Si/3 0+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。所述厚板的厚度< 80mm。所述厚板在經(jīng)過熱輸入為50kJ/cm和70kJ/cm的多道焊之后，其熱影響區(qū)在_40°C 的夏比沖擊韌性均大于70J。如上所述高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的制造方法，其特征在于，該方法為取與所述厚板具有相同化學(xué)組成的鑄坯于1200°C保溫處理2小時(shí)后，再進(jìn)行兩階 段軋制，其中第一階段粗軋開軋溫度在1050士50°C，總壓下量> 50%，第二階段精軋開軋溫度在850 880°C，總壓下量彡50%，軋后即以9 12°C /s的冷卻速度將軋件冷卻至 470 580 V，再經(jīng)矯直、冷卻，制得目標(biāo)產(chǎn)品。具體而言鑄坯經(jīng)保溫處理后，還經(jīng)過除鱗處理，再進(jìn)行兩階段軋制。所述的除鱗處理采用高壓水除鱗工藝。第一階段粗軋完成后，軋件在輥道上待溫至850 880°C，而后進(jìn)入第二階段精 軋。軋件經(jīng)矯直后被放置在冷床上空冷至室溫，制得目標(biāo)產(chǎn)品。該方法具體包括如下步驟按所述厚板的化學(xué)組成配制冶煉原料，冶煉原料依次經(jīng)轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉、RH真 空脫氣和連鑄工藝處理，形成厚度在220mm以上的連鑄坯；將連鑄坯于1200°C保溫處理2小時(shí)，再對其進(jìn)行高壓水除鱗處理；對連鑄坯進(jìn)行兩階段軋制，其中第一階段為粗軋階段，第二階段為精軋階段，粗軋 階段開軋溫度為1050士50°C，總壓下量> 50%，粗軋形成的軋件在輥道上待溫至850 880°C后進(jìn)入精軋階段，精軋階段總壓下量> 50%，軋后形成的鋼板立即進(jìn)入控制冷卻系 統(tǒng)；在控制冷卻系統(tǒng)中以加速冷卻裝置對鋼板進(jìn)行處理，使其以9 12°C /s的速度迅 速冷卻至470 580°C ；對鋼板進(jìn)行矯直處理，而后將鋼板放置在冷床上空冷至室溫，制得目標(biāo)產(chǎn)品。以上工藝過程中，為了保持高效率生產(chǎn)，可以根據(jù)生產(chǎn)線的特點(diǎn)采用多個(gè)板坯同 時(shí)軋制。針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本案發(fā)明人經(jīng)長期研究和實(shí)踐，特發(fā)展出本發(fā)明的技術(shù) 方案，即采用低碳微合金化的成分設(shè)計(jì)，通過控制軋制和控制冷卻技術(shù)，無需熱處理，制備 出屈服強(qiáng)度達(dá)到420MPa級、厚度可達(dá)80mm的低裂紋敏感性厚板，其性能指標(biāo)滿足現(xiàn)代建筑 物的需求。以下對本發(fā)明中所含組分的作用及用量選擇作具體說明C 是確保鋼板強(qiáng)度所必須的元素。低于0. 03%將不能夠保證強(qiáng)度，高于0. 10%母 材韌性和HAZ韌性降低。因此C含量選擇在0. 06 % 0. 09 %。Si 在鋼中起固溶強(qiáng)化作用，提高鋼板的強(qiáng)度，但損害其低溫韌性及焊接性能。因 此Si的含量控制在0. 0.3%的范圍內(nèi)。Mn:提高鋼的淬透性，并起到固溶強(qiáng)化和細(xì)化鐵素體晶粒的作用。當(dāng)?shù)陀?.8% 時(shí)，無法充分發(fā)揮強(qiáng)度確保的作用。當(dāng)高于2.0%時(shí)，母材韌性和HAZ韌性降低。因此Mn含 量選擇在1. 35% 1. 55%。Ni 是一種提高淬透性并有助于提高低溫韌性的元素。但若添加過量，則母材韌性 和HAZ韌性有降低的趨向。同時(shí)Ni也是貴重金屬，因此其含量控制在0. 15% 0.25%，有 利于達(dá)到最優(yōu)的性價(jià)比。Cr 可顯著提高鋼的淬透性而有助于強(qiáng)度提高。但是若添加過量，則母材韌性和 HAZ韌性降低，因此其含量控制在0. 0. 2%。Cu 可提高鋼板的淬透性和耐大氣腐蝕性。但過高的Cu含量易使鋼產(chǎn)生銅脆現(xiàn) 象，惡化鋼板的表面性能。因此其含量控制在0. 15% 0. 25%。
4
Nb:是控軋控冷鋼中的重要元素，它的加入能夠阻止奧氏體變形后的再結(jié)晶，提高 奧氏體再結(jié)晶溫度。但若過量地添加Nb，則母材韌性和HAZ韌性降低。因此其含量控制在 0. 02% 0. 04%。V:是使V(C，N)析出的元素，能夠提高鋼板的強(qiáng)度。但若添加過量，則母材韌性和 HAZ韌性降低，因此其含量控制在0. 02% 0. 04%。Ti、Al主要作用是固氮和脫氧。11州在2.5 3.5之間為宜。Ti除了析出強(qiáng)化 作用外還穩(wěn)定再次加熱的組織，但其含量過高會(huì)使鋼的韌性下降。Al可有效地脫氧，但含量 過高會(huì)損害鋼的韌性。P 作為雜質(zhì)元素會(huì)給母材的韌性和HAZ的韌性帶來不利的影響，所以其含量應(yīng)盡 可能地少，其含量控制在不大于0. 016%。S 是形成MnS而使延性降低的元素。為保證厚板的Z向性能，其含量控制在小于 0. 004%。采用上述成分和工藝所獲得的厚板的金相組織為針狀鐵素體、貝氏體和珠光體。 其抗拉強(qiáng)度達(dá)到560 605MPa，在厚度80mm時(shí)鋼板的屈服強(qiáng)度也能達(dá)到420MPa，屈強(qiáng)比 ^ 0. 82，延伸率24 30%，-40°C沖擊功大于200J，Z向斷面收縮率大于60%，抗冷彎性能 良好，焊接性能良好，其碳當(dāng)量Ceq ( 0. 37，Pcm ( 0. 19。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有如下有益效果(1)從成分設(shè)計(jì)上依據(jù)低碳微合金原則。通過加入Nb，提高奧氏體再結(jié)晶停止溫 度，可使鋼板在高溫軋制晶粒不易長大，降低軋制力，提高軋機(jī)的效率。利用TiN和其它的 鈦鈮碳氮化合物的高溫穩(wěn)定性，釘扎晶界，阻止加熱時(shí)奧氏體晶粒的快速長大，在保證鋼板 強(qiáng)度的同時(shí)，提高鋼板的韌性和焊接性。(2)軋制工藝采用兩階段控制軋制，且軋制完成后立即進(jìn)行控冷處理，無需在線熱 處理工序，同時(shí)還可以根據(jù)生產(chǎn)線的特點(diǎn)采用多個(gè)板坯同時(shí)軋制，因此生產(chǎn)效率高，且形成 的目標(biāo)產(chǎn)物鋼板的室溫組織為針狀鐵素體、貝氏體和珠光體。大量高位錯(cuò)密度的針狀鐵素 體在保證鋼板強(qiáng)度的同時(shí)，有效地提高鋼板的低溫韌性。(3)本發(fā)明的厚板中合金元素含量低，貴重元素少，且生產(chǎn)工序較之現(xiàn)有技術(shù)減 少，成本大大降低。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的金相組織照片；圖2為本發(fā)明實(shí)施例2中高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的金相組織照片；圖3為本發(fā)明實(shí)施例3中高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的金相組織照片；圖4為本發(fā)明實(shí)施例4中高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的金相組織照片；圖5為本發(fā)明實(shí)施例5中高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的金相組織照片.
具體實(shí)施方案以下結(jié)合本發(fā)明的較佳實(shí)施例及附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作更詳細(xì)的描述。但該 等實(shí)施例僅僅是對本發(fā)明較佳實(shí)施方式的描述，而不能對本發(fā)明的范圍產(chǎn)生任何限制。實(shí)施例1
該高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板所包含的成分及其重量百分比為C 0. 06%, SiO. 24%, Mn 1. 42%, P 0. 016%, S 0. 0013%, Cr 0. 11%, Ni 0. 18%, Al 0. 04%, Cu 0. 19%, Nb 0. 03%, Ti 0. 015%, V 0. 03%, N 0. 0033，余量為鐵及不可避免的雜質(zhì)元素。該高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的生產(chǎn)工藝如下按上述厚板的化學(xué)組成配置冶煉原料依次進(jìn)行轉(zhuǎn)爐冶煉-LF精煉-RH真空脫 氣-連鑄-連鑄坯(厚度為220mm)-加熱(保溫處理)-高壓水除鱗-控軋、控冷-矯直-空 冷至室溫-成品。進(jìn)一步的講，上述保溫處理、控軋、控冷階段的具體工藝為將連鑄坯加熱至1200°C保溫2小時(shí)，再經(jīng)高壓水除鱗后即進(jìn)行兩階段軋制，第一 階段粗軋開軋溫度為1041°C，中間坯厚IOOmm ；第二階段精軋開軋溫度為880°C，最終板厚 40mm ；軋后立即以9°C /s的冷卻速度冷卻到580°C后空冷。經(jīng)由上述生產(chǎn)工藝形成的成品，即高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的金相組織為針狀鐵 素體、貝氏體和珠光體(如圖1所示)，其力學(xué)性能見表1。實(shí)施例2該高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板所包含的成分及其重量百分比為C 0. 06%, SiO. 19%, Mn 1. 47%, P 0. 008%, S 0. 0023%, Cr 0. 11%, Ni 0. 18%, Al 0. 04%, Cu 0. 18%, Nb 0. 03%, Ti 0. 013%, V 0. 03%, N 0. 0044，余量為鐵及不可避免的雜質(zhì)元素。該420MPa級低裂紋敏感性厚板的生產(chǎn)工藝與實(shí)施例1基本相同，但其控軋、控冷 階段的工藝存在差異，具體如下在兩階段軋制工序中，一階段粗軋開軋溫度為1016°C，中間坯厚120mm ；二階段精 軋開軋溫度為859°C，最終板厚50mm ；軋后立即以11°C /s的冷卻速度冷卻到溫度521°C后 空冷。經(jīng)由上述生產(chǎn)工藝形成的成品，即高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的金相組織為針狀鐵 素體、貝氏體和珠光體(如圖2所示)，其力學(xué)性能如表1所示。實(shí)施例3該高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板所包含的成分及其重量百分比為C 0. 07%, SiO. 21%, Mn 1. 35%, P 0. 016%, S 0. 0018%, Cr 0. 14%, Ni 0. 18%, Al 0. 04%, Cu 0. 18%, Nb 0. 03%, Ti 0. 015%, V 0. 03%, N 0. 0027，余量為鐵及不可避免的雜質(zhì)元素。該高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的生產(chǎn)工藝如下按上述厚板的化學(xué)組成配置冶煉原料依次進(jìn)行轉(zhuǎn)爐冶煉-LF精煉-RH真空脫 氣-連鑄-連鑄坯(厚度為320mm)-加熱(保溫處理)-高壓水除鱗-控軋、控冷-矯直-空 冷至室溫-成品。進(jìn)一步的講，上述保溫處理、控軋、控冷階段的具體工藝為將連鑄坯加熱至1200°C保溫2小時(shí)，再經(jīng)高壓水除鱗后即進(jìn)行兩階段軋制，一階 段粗軋開軋溫度為1095°C，中間坯厚IOOmm ；二階段精軋開軋溫度為873°C，最終板厚50mm ； 軋后立即以10°C /s的冷卻速度冷卻到470°C后空冷。經(jīng)由上述生產(chǎn)工藝形成的成品，即高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的金相組織為針狀鐵 素體、貝氏體和珠光體(如圖3所示)，其力學(xué)性能見表1。實(shí)施例4
該高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板所包含的成分及其重量百分比為C 0. 09%, SiO. 22%、Mn 1.35%、P 0.01%、S 0.0024 %、Cr 0.12%、Ni 0.19%、Al 0.04%、 CuO. 17%,Nb 0. 03%,Ti 0. 016%,V 0. 03%,N 0. 0033，余量為鐵及不可避免的雜質(zhì)元素。該高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的制備工藝與實(shí)施例3基本相同，但其控軋、控冷階 段的工藝存在差異，具體如下將320mm厚的連鑄坯加熱至1200°C保溫2小時(shí)，經(jīng)高壓水除鱗后，進(jìn)行兩階段軋 制，其中，一階段粗軋開軋溫度為1052°C，中間坯厚130mm;二階段精軋開軋溫度為860°C， 最終板厚60mm ；軋后立即以10°C /s的冷卻速度冷卻到511°C后空冷。經(jīng)由上述生產(chǎn)工藝形成的成品，即高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的金相組織為針狀鐵 素體、貝氏體和珠光體(如圖4所示)，其力學(xué)性能見表1。實(shí)施例5本實(shí)施例高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的化學(xué)組成以及制備工藝與實(shí)施例3基本相 同，但其控軋、控冷階段的工藝存在差異，具體如下在兩階段軋制工序中，一階段粗軋開軋溫度為1063°C，中間坯厚140mm ；二階段精 軋開軋溫度為857°C，最終板厚80mm ；軋后立即以12°C /s的冷卻速度冷卻到溫度為524°C 后空冷。經(jīng)由上述生產(chǎn)工藝形成的成品，即高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的金相組織為鐵素 體、針狀鐵素體、貝氏體和珠光體(如圖5所示)，其力學(xué)性能見表1。表1實(shí)施例1-5高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的綜合力學(xué)性能
實(shí)施例板厚 /mm屈服強(qiáng) 度/MPa抗拉強(qiáng) 度/MPa延伸率/ %屈強(qiáng) 比Z向斷面收縮率/ %180° 彎 曲試驗(yàn)AKv-40°C/J140494605260.82776971合格304271291250459586300.78607480合格280294271350470580240.81706672合格335337357460450560300.80797968合格276339271580425575260.74638071合格319322312 以上所述僅為用以解釋本發(fā)明之較佳實(shí)施例，并非企圖具以對本發(fā)明做任何形式 上之限制，是以，凡有在相同之發(fā)明精神下所作有關(guān)本發(fā)明之任何修飾或變更，皆仍應(yīng)包括 在本發(fā)明意圖保護(hù)之范疇。
權(quán)利要求
一種高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板，其特征在于，所述厚板包含的化學(xué)成分及其重量百分比為C 0.06～0.09％、Si 0.1～0.3％、Mn 1.35～1.55％、Nb 0.02～0.04％、V 0.02～0.04％、Ti 0.01～0.02％、Ni 0.15～0.25％、Cr 0.1～0.2％、Cu 0.15～0.25％、Al 0.02～0.04％、N≤0.006％、P≤0.016％、S＜0.004％以及余量的Fe和雜質(zhì)元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板，其特征在于所述厚板的屈服強(qiáng) 度在420MPa以上，其焊接裂紋敏感性指數(shù)Pcm彡0. 19%，其中，Pcm = C+Si/30+Mn/20+Cu/ 20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板，其特征在于所述厚板的厚 度 < 80mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板，其特征在于所述厚板在經(jīng) 過熱輸入為50kJ/cm和70kJ/cm的多道焊之后，其熱影響區(qū)在-40°C的夏比沖擊韌性均大于 70J。
5.如權(quán)利要求1所述高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的制造方法，其特征在于，該方法為 取與所述厚板具有相同化學(xué)組成的鑄坯于1200°C保溫處理2小時(shí)后，再進(jìn)行兩階段軋制，其中第一階段粗軋開軋溫度在1050士50°C，總壓下量> 50%，第二階段精軋開軋溫度 在850 880°C，總壓下量彡50%，軋后即以9 12°C /s的冷卻速度將軋件冷卻至470 580 V，再經(jīng)矯直、冷卻，制得目標(biāo)產(chǎn)品。
6.如權(quán)利要求5所述的高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的制造方法，其特征在于鑄坯經(jīng)保 溫處理后，還經(jīng)過除鱗處理，再進(jìn)行兩階段軋制。
7.如權(quán)利要求6所述的高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的制造方法，其特征在于所述的除 鱗處理采用高壓水除鱗工藝。
8.如權(quán)利要求5所述的高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的制造方法，其特征在于第一階段 粗軋完成后，軋件在輥道上待溫至850 880°C，而后進(jìn)入第二階段精軋。
9.如權(quán)利要求5所述的高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的制造方法，其特征在于軋件經(jīng)矯 直后被放置在冷床上空冷至室溫，制得目標(biāo)產(chǎn)品。
10.如權(quán)利要求5所述的高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板的制造方法，其特征在于，該方法具 體包括如下步驟按所述厚板的化學(xué)組成配制冶煉原料，冶煉原料依次經(jīng)轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉、RH真空脫 氣和連鑄工藝處理，形成厚度在220mm以上的連鑄坯；將連鑄坯于1200°C保溫處理2小時(shí)，再對其進(jìn)行高壓水除鱗處理； 對連鑄坯進(jìn)行兩階段軋制，其中第一階段為粗軋階段，第二階段為精軋階段，粗軋階段 開軋溫度為1050士50°C，總壓下量彡50%,粗軋形成的軋件在輥道上待溫至850 880°C后 進(jìn)入精軋階段，精軋階段總壓下量> 50%，軋后形成的鋼板立即進(jìn)入控制冷卻系統(tǒng)；在控制冷卻系統(tǒng)中以加速冷卻裝置對鋼板進(jìn)行處理，使其以9 12°C /s的速度迅速冷 卻至470 580 0C ；對鋼板進(jìn)行矯直處理，而后將鋼板放置在冷床上空冷至室溫，制得目標(biāo)產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度低裂紋敏感性厚板及其制造方法。該厚板包含的化學(xué)成分(wt％)為C 0.06～0.09％、Si 0.1～0.3％、Mn 1.35～1.55％、Nb 0.02～0.04％、V 0.02～0.04％、Ti 0.01～0.02％、Ni 0.15～0.25％、Cr 0.1～0.2％、Cu 0.15～0.25％、Al 0.02～0.04％、N≤0.006％、P≤0.016％、S＜0.004％，余量為Fe及雜質(zhì)；其制造方法包括依次進(jìn)行的加熱鑄坯、除鱗、控軋、控冷、矯直等工序。本發(fā)明厚板厚度可達(dá)80mm，屈服強(qiáng)度在420MPa以上，綜合力學(xué)性能優(yōu)良，同時(shí)生產(chǎn)工藝簡便，成本低廉。
文檔編號C22C33/04GK101956147SQ20101029592
公開日2011年1月26日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者張宇, 苗丕峰, 謝建昌 申請人:江蘇省沙鋼鋼鐵研究院有限公司