專利名稱：700MPa級(jí)高韌性低屈服比厚鋼板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，特別涉及700MPa級(jí)高韌性低屈服比厚鋼板及其制造方法，將雙相鋼的這一組織及性能特點(diǎn)引入厚板中，即設(shè)計(jì)一種主要由鐵素體和馬氏體兩相組成的高強(qiáng)度低屈服比鋼，并且給出適宜的生產(chǎn)工藝。
背景技術(shù)：
在建筑結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域應(yīng)用的厚鋼板的性能要求中，出于抗震或其他特殊目的，對(duì)鋼板的屈服比提出了限制性的規(guī)定。例如，在我國(guó)頒布的高層建筑用鋼標(biāo)準(zhǔn)中，及對(duì)高強(qiáng)鋼的屈服比限制為≤0.80，而在日本等國(guó)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)用鋼也有此類規(guī)定。此外，我國(guó)對(duì)用于水電站壓力管道和煤礦井下液壓支架中的高強(qiáng)鋼也有同類規(guī)定。雙相鋼是以鐵素體馬氏體為主的一類鋼種，其產(chǎn)品一般特指用于汽車等的沖壓成形件的薄板，雙相鋼的力學(xué)性能具備一個(gè)顯著特點(diǎn)較低的屈服比。
在低合金高強(qiáng)度鋼領(lǐng)域，雙相鋼被認(rèn)為是一類具有重要意義的突破性的產(chǎn)品。它運(yùn)用了復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)制，在塑性和韌性優(yōu)良的鐵素體基體上引入高強(qiáng)度(硬度)的馬氏體，并且通過(guò)準(zhǔn)確控制兩相的比例，獲得理想的、個(gè)性化的性能，例如低屈服比，高抗拉強(qiáng)度，良好的韌性、成形性和極高的加工硬化率。
目前，雙相鋼的薄板已經(jīng)在汽車制造行業(yè)得到推廣應(yīng)用，一些長(zhǎng)材產(chǎn)品也已經(jīng)得到開(kāi)發(fā)。然而，與薄規(guī)格的卷板不同，厚板的使用領(lǐng)域和汽車及其他的沖壓成形件有明顯區(qū)別，在厚板使用中，焊接方法被普遍采用。另外，對(duì)厚板的性能要求也不同于薄板——薄板的成形性至關(guān)重要，厚板則更多地關(guān)注鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性的匹配、厚度截面的均勻性以及焊接的難易程度。所以，開(kāi)發(fā)鐵素體馬氏體鋼厚板必須使其性能特點(diǎn)符合應(yīng)用領(lǐng)域的個(gè)性化要求。而在建筑、橋梁等大型鋼結(jié)構(gòu)中以及煤礦綜采設(shè)備和水電站壓力管道等地下重型設(shè)備上，類似于雙相組織的這種鋼由于其優(yōu)良的綜合性能，可望得到廣泛的使用。例如，在高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)中，由于雙相鋼的低屈服比和高加工硬化速率，在地震等災(zāi)害發(fā)生時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)能夠在承受強(qiáng)大的外力作用時(shí)吸收更多的破壞能量，延緩建筑物損毀的時(shí)間，保護(hù)人員安全。又如在水電站的壓力管道或煤礦地下開(kāi)采液壓支架中，雙相鋼的使用，可以在發(fā)生洪水、山體滑坡或井下塌方等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，吸收更多的能量，同時(shí)由于其很高的加工硬化速率，可以比同樣屈服強(qiáng)度的其他鋼種推遲破壞時(shí)間，避免對(duì)人員和裝備的損害。而這些設(shè)施或設(shè)備中要使用的絕大多數(shù)都是厚鋼板，因此，開(kāi)發(fā)具有雙相組織的厚鋼板就具有很重要的價(jià)值和意義。
對(duì)已公開(kāi)的文獻(xiàn)和專利進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，目前雙相鋼的開(kāi)發(fā)還主要集中在采用連軋機(jī)生產(chǎn)的卷板方面。而以單機(jī)架軋機(jī)生產(chǎn)的厚板則缺乏足夠的研究。原因是在厚板生產(chǎn)線上生產(chǎn)鐵素體馬氏體組織的鋼板，難度較大。因?yàn)楸仨毾襁B軋機(jī)生產(chǎn)那樣獲得盡可能寬的冷卻速度窗口，才能在厚鋼板生產(chǎn)中形成以鐵素體馬氏體為主的組織，并且掌握恰當(dāng)?shù)慕M織比例(適宜的馬氏體體積百分?jǐn)?shù))，從而獲得良好的強(qiáng)度、塑性和韌性的匹配。同時(shí)，要使厚板的表面與中心保持基本一致的組織狀態(tài)和相對(duì)比例。為了解決這些問(wèn)題，就必須設(shè)計(jì)出恰當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分，在兼顧生產(chǎn)工藝、力學(xué)性能和焊接性能的同時(shí)，盡可能地降低制造成本。
按照生產(chǎn)工藝的不同，雙相鋼可以分為兩類一類是采用連續(xù)退火工藝生產(chǎn)的熱處理雙相鋼(IDP鋼)，另一類是不需要進(jìn)行熱處理的熱軋雙相鋼(ARDP或ADP)。
在連續(xù)退火生產(chǎn)線上生產(chǎn)的雙相鋼，需要添加較高的Si元素，同時(shí)Mn或Al元素的含量也要比一般的低合金高強(qiáng)度鋼要高，如專利JP5311323A涉及的IDP雙相鋼，其化學(xué)成分為C 0.10-0.20，Si 0.80-1.60，Mn 3.00-6.00％，Al≤0.50。較高的合金含量必然會(huì)損害鋼的焊接性，從而給產(chǎn)品的實(shí)際使用帶來(lái)困難。
熱軋雙相鋼的合金成分是Mn--Cr-Mo-V-Nb-B系和Mn-Si-Cr-Al-B系。如專利US 20040118489A1涉及的雙相鋼，化學(xué)成分為C 0.02～0.15％，Mn 0.30～2.50％，Cr 0.10～2.00％，Al 0.01～0.20％，Mo≤0.50％，Ni≤0.50％，Cu≤0.50％，Nb≤0.20％，Ti≤0.20％，V≤0.20％，P≤0.10％，S≤0.03％，Ca 0.001-0.01％。又如德國(guó)專利(公開(kāi)/告號(hào)1367846)，化學(xué)成分為C 0.05～0.20％，Si 0～1.00％，Mn 0.80～2.00％，P 0～0.100％，S 0～0.015％，Al 0.02～0.40％，N 0～0.005％，Cr 0.25～1.00％，0.002-0.010％B。這兩項(xiàng)專利涉及的鋼種，合金元素的設(shè)計(jì)思想為利用Mo、Cr、B等元素顯著提高鋼的淬透性，推遲珠光體轉(zhuǎn)變，同時(shí)擴(kuò)大冷卻速度窗口，避免發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，同時(shí)利用較高的Si促進(jìn)冷卻期間多邊形鐵素體的形成。對(duì)C的控制一方面利用其強(qiáng)化作用，C太低則強(qiáng)度不夠，另一方面為了得到較多的鐵素體，C的含量又要加以限制(≤0.124％)。從加入的總量來(lái)分析，以上專利均屬于較高合金含量的鋼種。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種700MPa級(jí)高韌性低屈服比厚鋼板及其制造方法，具有合金含量低，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便，制造成本較低的特點(diǎn)，與其他方法相比，更適合于厚鋼板的工業(yè)化生產(chǎn)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，700MPa級(jí)高韌性低屈服比厚鋼板，其成分質(zhì)量百分比為C0.03～0.06，Si 0.35～0.55，Mn 1.00～1.55，Ni 0.50～0.70，Nb 0.02～0.06，Al 0.02～0.04，Ti 0.01～0.04，V0.04～0.07，Cu 0.50～0.70余Fe和不可避免雜質(zhì)。
本發(fā)明的制造方法，包括如下步驟a.在電爐或轉(zhuǎn)爐中上述成分冶煉，并澆鑄成連鑄坯或鋼錠，鑄坯或鋼錠的厚度不小于成品鋼板厚度的5倍；b.對(duì)連鑄坯或鋼錠加熱至1180～1220℃；
c.在厚板軋機(jī)上進(jìn)行軋制，開(kāi)軋溫度為1050～1100℃，軋件厚度到達(dá)成品鋼板厚度的2～3倍時(shí)，在輥道上待溫至920～960℃，隨后進(jìn)行第二階段軋制，第二階段軋制道次變形量控制在5～15mm，道次變形率10～25％；終軋溫度820～880℃；d.軋制結(jié)束后，鋼板在輥道上空冷60～120秒鐘，然后加速冷卻，按照10～20℃/秒的速度冷卻至460～600℃，鋼板出水后空冷，具體終冷溫度根據(jù)對(duì)鋼板的組織比例或力學(xué)性能要求而決定；鋼板出水后可以任何方式空冷(堆垛或在冷床冷卻均可)。
進(jìn)一步，鑄坯或鋼錠在軋制前加熱至最高溫度之后進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間為90～120分鐘。
本發(fā)明和現(xiàn)有專利對(duì)比，在化學(xué)成分上具有以下不同和優(yōu)點(diǎn)碳當(dāng)量CET碳當(dāng)量是從整體上反映鋼的焊接性優(yōu)劣的判定指標(biāo)，換言之碳當(dāng)量是對(duì)鋼中所有元素進(jìn)行綜合計(jì)算得出的鋼的焊接性參數(shù)。碳當(dāng)量越低，焊接性越好，反之，則焊接性越差。焊接性好是指焊接時(shí)不易產(chǎn)生焊接裂紋，而焊接性差的鋼容易產(chǎn)生裂紋，為了避免裂紋的產(chǎn)生，必須在焊接前對(duì)鋼進(jìn)行預(yù)熱。焊接性越好，則所需的預(yù)熱溫度越低，反之則需要較高的預(yù)熱溫度。按照碳當(dāng)量與焊接預(yù)熱溫度的經(jīng)驗(yàn)公式可以計(jì)算出鋼不產(chǎn)生焊接冷裂紋的最低預(yù)熱溫度。如果按元素的上限含量來(lái)計(jì)算，美國(guó)專利(公開(kāi)號(hào)US 20040118489A1)涉及的雙相鋼的焊接碳當(dāng)量CET＝C+(Mn+Mo)/10+(Cr+Cu)/20+Ni/40＝0.588％，德國(guó)專利(公開(kāi)/告號(hào)1367846)涉及的鋼種，CET＝0.45％。按照冷裂紋試驗(yàn)常用的最低焊接預(yù)熱溫度計(jì)算公式Tp＝750×CET-150計(jì)算，兩種鋼的預(yù)熱溫度最低應(yīng)為291℃和188℃。
而本發(fā)明鋼最突出的優(yōu)點(diǎn)是合金元素含量少，焊接裂紋敏感性低，焊前無(wú)需預(yù)熱。本發(fā)明涉及的鋼種，按成分上限計(jì)算，CET＝0.27％，計(jì)算得出的最低預(yù)熱溫度為52.5℃。焊接性明顯優(yōu)于對(duì)比鋼種，從使用角度來(lái)說(shuō)，本發(fā)明鋼種比較適合于通常需要焊接的厚板生產(chǎn)。
生產(chǎn)成本合金元素含量越高，則生產(chǎn)成本越高，尤其像Mn、Cr、Ni、Mo等貴重元素，其合金價(jià)格十分昂貴。對(duì)照專利Mn+Cr+Ni+Mo+Cu+V的上限加入量為6.2％和3.0％，而本發(fā)明鋼種的上限加入量為2.92％。顯然，從化學(xué)成分來(lái)看，本發(fā)明鋼的生產(chǎn)成本更低。
本發(fā)明成分設(shè)計(jì)的優(yōu)越性I.MnMn在鋼中的作用是固溶強(qiáng)化和提高淬透性，但是Mn的偏析傾向較高，因此，過(guò)高的Mn不利于厚板成分和組織的均勻性。本發(fā)明Mn含量為1.00～1.55％，而美國(guó)專利US 20040118489A1的Mn含量上限為2.50％，國(guó)專利WO01/09396(公開(kāi)/告告號(hào)1367846)的Mn含量為2.0％。
II.本發(fā)明不需要加入Cr或Mo，而美國(guó)專利US 20040118489A1的Cr上限為2.00％，Mo上限0.50％，國(guó)專利WO01/09396(公開(kāi)/告告號(hào)1367846)的Cr上限為1.00％。
III.不需加入B(硼)對(duì)照專利均需加入B(硼)，其目的是提高鋼的淬透性。但是，B的冶煉收得率極不穩(wěn)定，在生產(chǎn)中難以控制；并且B易引起B(yǎng)(硼)脆，給鋼的韌性帶來(lái)極大損害。本發(fā)明無(wú)需加入B，有利于獲得優(yōu)良的韌性，也不會(huì)給冶煉增加難度。
IV.Nb和Ni本發(fā)明通過(guò)加入一定量的Nb和Ni來(lái)保證鋼的淬透性，采用特殊的工藝，在厚板生產(chǎn)線上能夠獲得馬氏體和鐵素體雙相組織。Nb的含量為0.02～0.06％，Ni的含量為0.50～0.70％。加入Nb的另一個(gè)主要目的是通過(guò)提高鋼的未再結(jié)晶溫度來(lái)細(xì)化晶粒，從而改善鋼的韌性。Ni的作用主要是改善鋼的低溫韌性，同時(shí)Ni具有穩(wěn)定奧氏體的作用，有利于獲得馬氏體和鐵素體雙相組織。
V.V和Cu這兩種元素均可以起到強(qiáng)化作用。V通過(guò)與C和N形成VN或V(CN)微細(xì)析出粒子，對(duì)鋼的強(qiáng)化做出貢獻(xiàn)。Cu是通過(guò)形成ε-Cu微細(xì)沉淀物起到對(duì)鋼的強(qiáng)化作用。在本發(fā)明中，只需加入0.04～0.07％的V和0.50～0.70％的Cu即可達(dá)到強(qiáng)化目的。此外，Cu的加入能夠促使Nb(CN))的應(yīng)變誘導(dǎo)析出加快進(jìn)行，其原因與Cu在鋼中的固溶強(qiáng)化效果及Cu提高C的活度有關(guān)。
VI.Si作為對(duì)照的專利，WO01/09396(公開(kāi)/告告號(hào)1367846)，需要加入最高達(dá)1.00％的Si。Si在鋼中的作用主要是固溶強(qiáng)化，另外，較高的Si能夠提高鋼的淬透性，一般鋼中加入0.50～0.70％的Si有利于鋼的強(qiáng)度和韌性。但是，當(dāng)Si含量高于0.70％時(shí)，則強(qiáng)度增加、韌性顯著下降。這對(duì)于使用要求較高的厚板來(lái)說(shuō)是十分不利的。因此，本發(fā)明將Si含量限制為0.35～0.55％。
在生產(chǎn)工藝上，軋件厚度到達(dá)成品鋼板厚度的2～3倍時(shí)，在輥道上待溫至920～960℃。對(duì)于含Nb鋼來(lái)說(shuō)，其未再結(jié)晶溫度約為1000℃左右，將軋制鋼坯溫度降至920～960℃，目的是為了保證其在未再結(jié)晶區(qū)有足夠的變形量，在變形的奧氏體內(nèi)有更高密度的位錯(cuò)累計(jì)，為鐵素體相變提供更有利的形核條件；較大的變形也有利于Nb的碳氮化合物的析出。由于變形誘導(dǎo)析出的作用，較大的道次變形率將有利于析出物的形成并且使其更加細(xì)小和彌散。同時(shí)，細(xì)小和彌散的析出物及其釘扎作用為鐵素體提供高密度的形核地點(diǎn)并且阻止其長(zhǎng)大和粗化。這些都對(duì)鋼的強(qiáng)度與韌性起到有利作用。
終軋溫度820～880℃，將終軋溫度控制在未再結(jié)晶區(qū)的低溫段，同時(shí)該溫度區(qū)接近相變點(diǎn)Ar3。在這個(gè)溫度范圍終軋，既為相變提供更高的能量累積，也不至于給軋機(jī)帶來(lái)過(guò)高的負(fù)荷，比較適合于厚板生產(chǎn)。
軋制結(jié)束后，鋼板在輥道上空冷60～120秒鐘，然后進(jìn)入加速冷卻裝置，實(shí)際相當(dāng)于一個(gè)馳豫過(guò)程——這是本發(fā)明的工藝關(guān)鍵點(diǎn)。由于鋼板在軋制過(guò)程中積累了密度很高的位錯(cuò)和以及極高的應(yīng)變能，高密度的位錯(cuò)將與Nb的析出物Nb(CN)粒子相互作用。在軋后空冷(馳豫)過(guò)程中，這種相互作用促使在奧氏體晶粒內(nèi)部形成大量細(xì)小的多邊形位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)，Nb原子在位錯(cuò)墻上的偏聚以及大量微細(xì)Nb(CN)在位錯(cuò)胞壁上的析出，穩(wěn)定了這種具有一定取向差的多邊形胞狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)，一個(gè)道次的較大變形，具有誘導(dǎo)鐵素體相變的作用，在這種誘導(dǎo)作用下，相變溫度會(huì)Ar3點(diǎn)有所提高，即出現(xiàn)所謂“應(yīng)變誘導(dǎo)相變”現(xiàn)象。在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的馳豫同時(shí)隨著鋼板溫度的下降，在相變溫度附近，鐵素體開(kāi)始形成，C和其他合金元素由鐵素體晶粒邊界向奧氏體中擴(kuò)散。隨著這一過(guò)程的進(jìn)行，奧氏體中的C及Mn等合金元素的濃度逐漸增加，其穩(wěn)定性也提高，在一定的熱力學(xué)條件下形成馬氏體。這是鐵素體馬氏體雙相組織形成的必要階段。鋼板在入水加速冷卻前的空冷(馳豫)時(shí)間對(duì)鐵素體和馬氏體的組織比例和相尺寸有很大影響，所以它在很大程度上決定了鋼板的力學(xué)性能尤其是強(qiáng)度和屈服比。
鋼板進(jìn)入加速冷卻裝置，按照10～20℃/秒的速度冷卻至460～600℃，之后空冷至室溫。在雙相鋼的CCT曲線上，貝氏體轉(zhuǎn)變曲線是右封口的，20℃/秒的冷卻速度避開(kāi)了貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，而10℃/秒的冷速要求則是為了使鐵素體的長(zhǎng)大得到抑制，從而得到細(xì)化的組織。冷卻速度和快冷終止溫度對(duì)馬氏體的形貌和尺寸有很大影響，所以，這些參數(shù)直接決定雙相組織的力學(xué)性能。
本發(fā)明不需要進(jìn)行熱處理，其生產(chǎn)工藝比較簡(jiǎn)單，并且無(wú)需添加過(guò)多的合金元素，因此焊接性良好，易于實(shí)際使用。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明成分采用Mn-Nb-Ni-V-Cu系，合金含量少，生產(chǎn)成本較低，焊接裂紋敏感性較小，焊前一般不需要預(yù)熱。
通過(guò)成分設(shè)計(jì)與軋制工藝的配合，使鋼中鐵素體組織得到細(xì)化，馬氏體多數(shù)呈現(xiàn)孤島狀分布，從而有利于鋼板強(qiáng)度、塑性和韌性的匹配。
由于成分和工藝設(shè)計(jì)合理，鋼板厚度截面上組織一致性較好。從實(shí)施效果來(lái)看，工藝制度比較寬松，可以在厚鋼板生產(chǎn)線上穩(wěn)定生產(chǎn)。


圖1本發(fā)明的鋼鐵素體馬氏體SEM照片。
圖2本發(fā)明的鋼鐵素體馬氏體SEM照片。
圖3本發(fā)明的鋼鐵素體馬氏體SEM照片。
具體實(shí)施例方式
化學(xué)成分實(shí)施例(見(jiàn)表2)
表2單位質(zhì)量百分比

生產(chǎn)工藝重要參數(shù)舉例見(jiàn)表3。
表3


力學(xué)性能與組織照片(參見(jiàn)圖1～圖3)實(shí)施舉例，力學(xué)性能見(jiàn)表4。
表4


權(quán)利要求
1.700MPa級(jí)高韌性低屈服比厚鋼板，其成分質(zhì)量百分比為C 0.03～0.06，Si 0.35～0.55，Mn 1.00～1.55，Ni 0.50～0.70，Nb 0.02～0.06，Al 0.02～0.04，Ti 0.01～0.04，V 0.04～0.07，Cu 0.50～0.70余Fe和不可避免雜質(zhì)。
2.一種如權(quán)利要求1所述的700MPa級(jí)高韌性低屈服比厚鋼板的制造方法，包括如下步驟a.在電爐或轉(zhuǎn)爐中上述成分冶煉，并澆鑄成連鑄坯或鋼錠；鑄坯或鋼錠的厚度不小于成品鋼板厚度的5倍；b.對(duì)連鑄坯或鋼錠加熱至1180～1220℃；c.在厚板軋機(jī)上進(jìn)行軋制，開(kāi)軋溫度為1050～1100℃，軋件厚度到達(dá)成品鋼板厚度的2～3倍時(shí)，在輥道上待溫至920～960℃，隨后進(jìn)行第二階段軋制，第二階段軋制道次變形量控制在5～15mm，道次變形率10～25％；終軋溫度820～880℃；d.軋制結(jié)束后，鋼板在輥道上空冷60～120秒鐘，然后加速冷卻，按照10～20℃/秒的速度冷卻至460～600℃，鋼板出水后空冷。
3.如權(quán)利要求2所述的700MPa級(jí)高韌性低屈服比厚鋼板的制造方法，其特征是，鑄坯或鋼錠在軋制前加熱至最高溫度之后進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間為90～120分鐘。
全文摘要
700MPa級(jí)高韌性低屈服比厚鋼板，其成分質(zhì)量百分比為C 0.03～0.06，Si 0.35～0.55，Mn 1.00～1.55，Ni 0.50～0.70，Nb 0.02～0.06，Al0.02～0.04，Ti 0.01～0.04，V 0.04～0.07，Cu 0.50～0.70、余Fe和不可避免雜質(zhì)。其制造方法包括a.冶煉并澆鑄成坯；b.加熱至1180～1220℃；c.軋制，開(kāi)軋溫度為1050～1100℃，軋件厚度到達(dá)成品鋼板厚度的2～3倍時(shí)，在輥道上待溫至920～960℃，隨后進(jìn)行第二階段軋制，道次變形量5～15mm，道次變形率10～25％；終軋溫度820～880℃；d.軋制結(jié)束，空冷60～120秒鐘，然后加速冷卻，以10～20℃/秒速度冷卻至460～600℃，鋼板出水后空冷。
文檔編號(hào)C22C33/04GK1924065SQ20051002924
公開(kāi)日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2005年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月31日
發(fā)明者姚連登, 李自剛 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司