专利名称：一种超高强度焊接结构用钢板及其制造方法
技术领域：
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种屈服强度900MPa以上超高强度焊接结构用钢板及其制造方法。
背景技术：
目前汽车起重机、重载卡车、混凝土泵车、半挂车、集装箱等机械制造领域的发展趋势是向高参数、大型化方向发展，因此使用越来越多的超高强度焊接结构钢，其目的主要是减轻自重，提高承载能力，节约能源。同时也要求超高强度钢板具有成本低、焊接性能良好、低温韧性高等特点。
超高强度钢板的制造方有淬火+回火(Q+T)、轧后直接淬火+回火(DQ+T)、控轧控冷+回火(TMCP+T)等，第一种方法为传统常用的方法，后两种方法虽然省略了一道再加热工序，工序成本略低于第一种方法能，但是存在板型控制难度大等缺点。国际上有关屈服强度900 1050MPa超高强度钢板的制造方法已经形成多项专利。例如宝山钢铁股份有限公司申请的“屈服强度960MPa以上超高强度钢板及其制造方法”(申请号200510024775. 3)专利提供了一种屈服强度可达到960MPa以上的超高强度钢板，其成分中(重量百分比)C0.08% O. 18%, NbO. 01 % O. I %。其生产方法将钢坯加热至1100 1250°C，在奥氏体可发生再结晶区将钢坯轧制成钢板；在奥氏体未发生再结晶区将钢板轧制成最终厚度的钢板，终轧温度860 920°C ;以不低于约5°C /S的冷却速度将钢板冷却至低于MS MS+100°C的冷却终止温度；对冷却后的钢板进行回火以提高性能。其工艺属于DQ+T，且钢中含有O. 0008 % O. 0025 %的B元素，采用该方法生产的产品虽然强度易于达到要求，但是存在薄规格板型控制难度大、低温韧性差等不足之处，其实施例中厚度16mm钢板-20°C的冲击功仅仅35 50J、-40°C的冲击功仅仅30 42J。在武汉钢铁集团公司申请号为CN200810197585. 5的《屈服强度960MPa焊接结构钢》专利中，公开了其采用淬火+回火(Q+T)方法生产的屈服强度960MPa焊接结构钢，B含量O. 0005 %
O.002 %，其实施例钢化学成份中B含量达到O. 0005 % O. 0032 %，IOmm厚钢板_20°C的冲击功AKV (7. 5 X 10 X 55mm试样)最高达到60J。舞阳钢铁有限责任公司的发明专利《高强度钢板及其制备方法》(CN申请号200710193027. 7)给出了屈服强度975 990MPa(实施例实物水平)高强度钢板及其制备方法，采用Q+T工艺方法，钢板的化学成份中B含量达到
O.0010 % O. 0030%，韧性低，Ni含量高达到O. 80 % O. 90%，成本高。厚度12mm高强度钢板的 _20°C冲击功 AKV 为 100、89、79J，-40°C冲击功 AKV40、50、54J。由以上对比专利可知，目前屈服强度900 1050MPa左右的超高强度钢板专利存在的主要不足之处是钢中含有B元素，低温韧性差；钢板中贵重元素Ni含量高，钢种成本闻。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超高强度焊接结构用钢及其制造技术，韧性、塑性和焊接性能良好，屈服强度可达到900 1050MPa。钢中不含有B元素，Ni含量低，并通过Q+T工艺来达到改善钢种的低温韧性、塑性和板型、消除残余应力、降低钢种生产成本之目的。该发明钢种可以用于汽车起重机、重载卡车、混凝土泵车、半挂车、集装箱等机械制造领域。本发明的技术方案之一是屈服强度900 1050MPa超高强度焊接结构用钢板的化学成分重量百分比为C O. 11% O. 19%、Si O. 20% O. 50%、Mn O. 90% I. 40%、Ti O. 005% O. 030%、Cr O. 30% I. 00%、Cu O. I % 0.5%、Ni O. 15% O. 35%、Mo O. 15% O. 60%、Als O. 010% O. 050%、P 彡 O. 020%、S 彡 O. 010%，V O. 025%
O.070%, Zr ( O. 005%，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明的另一技术方案是屈服强度900 1050MPa超高强度焊接结构用钢板的制造方法，包括以下工艺步骤铁水预处理-转炉冶炼-精炼-连铸-轧制，在冶炼过程中进 行铁水预处理，深度脱硫；采用转炉冶炼，通过顶吹或顶底复合吹炼，控制P含量；采用VD、RH、LF等进行精炼处理，进一步脱硫、脱气，控制钢中H、O、N含量，并进行微合金化；进行Ca处理，结合钢中S含量和出钢量，喂Si-Ca线，保证Ca/S含量Ca/S = O. 5 2. 0，使硫化物发生球化，以提高钢板延性、横向冲击功和冷弯成型性能，减小钢板横向和纵向性能差；连铸采用电磁搅拌，减少元素偏析；轧制采用常规热轧。轧制后对钢板进行淬火+回火处理，再加热温度860 930°C，保温I. O 2. 5min/mm后水淬，获得淬火马氏体组织；在500 600°C回火处理，保温时间为I. O 3. Omin/mm,空冷。在回火过程中，控制析出强化及马氏体回火程度，同时改善钢的韧性和塑性。本发明选择的合金元素主要作用在于C :碳对钢的强度、韧性、焊接性能影响很大。本发明C的重量百分比含量为
O.11% O. 19%, C是保证钢的淬透性的主要合金元素，可使钢在水淬时得到完全的马氏体组织。从强度方面考虑，钢的淬火态组织为马氏体，而C是保证马氏体强度的最主要合金元素，为了保证本发明钢淬火+回火态组织的强度达到900 1050MPa，C的下限含量需要大于O. 11%。C上限值要防止钢的强度及碳当量过高，以免对钢的韧性、塑性、钢的抗高温回火能力和焊接性能产生不利影响。在保证必要的淬透性和强度的基础上，C量不宜过多，因此将C的重量百分比含量上限定为O. 19%。Si :硅是炼钢脱氧的必要元素，也具有一定的强化作用，当含量低于O. 2%时，冶炼难度增大；含量超过O. 5%时，钢的清洁度下降，韧性降低，可焊性差，且Si能够促进回火脆性的发展，使钢的塑性降低。因此控制SiO. 20 % O. 50%。Mn:锰是钢中重要的固溶强化元素，可有效提高钢的强度和韧性，且成本十分低廉，能够提高钢的淬透性。但当Mn含量过高时，则导致淬透性和韧性降低，同时增加钢的过热敏感性(粗晶)、增强回火脆性，且易形成带状和纤维组织，使钢的纵、横向性能差较大。因此在本发明中把Mn元素作为主要合金元素，控制其重量百分比含量在O. 90% I. 40%。B :钢中加入微量的硼(O. 0005 % O. 005%)即可显著提高钢的淬透性，在一定程度上可代替Ni、Cr、Mo等贵重元素，降低钢的合金成本，但是其对钢种韧性、塑性、冷弯成型性能有明显的不利影响，因此本发明钢中杜绝添加B元素。Ti :加入微量的钛，是为了利用钢中的氮元素，在最佳状态下，钛、氮形成氮化钛粒子，从而在加热过程中钉轧晶界并防止奥氏体晶粒过度长大，阻止钢坯在加热、轧制、焊接过程中晶粒的长大，改善母材和焊接热影响区的韧性，对于得到细小的淬火组织，从而提高钢的强度和韧性是有利的。钛低于O. 005%时，固氮效果差，超过O. 03%时，固氮效果达到饱和，过剩的钛将会使钢的韧性恶化。Als :铝是脱氧元素，可作为AlN形成元素，有效地细化晶粒，其含量不足O. 01 %时，效果较小；超过O. 05%时，脱氧作用趋于饱和，增加钢中夹杂物，对母材及焊接热影响区韧性有害。因此控制AlsO. 010% 0.050%。Mo:钥存在于钢的固溶体和碳化物中，有固溶强化和细化晶粒作用，并可提高钢的淬透性，降低钢的过热倾向性，提高强度、硬度、热稳定性。钥降低钢的回火脆性。但过多的钥会损害焊接热影响区的韧性，降低钢的可焊性。由于其成本高，本发明控制Mo的重量百分比含量为O. 15 % O. 60%。
Cu :作为合金元素，能提高钢中奥氏体的稳定性，所以能够提高钢的淬透性。除了增加钢强度外，还有利于获得良好的低温韧性，能够抑制氢脆的发生，和微量Zr同时添加，效果更佳。但是当Cu > O. 2%时，在加热过程由于表面发生选择性氧化，使Fe先于Cu发生氧化，而表层Cu含量即相对增加形成一层薄膜，然后向晶界扩散形成含Cu网络，在1030°C轧制即容易产生表面裂纹。必须适量添加Ni，生成熔点较高的Cu-Ni固溶体，以降低“铜脆”。本发明控制Cu的重量百分比含量为O. I % O. 5%。Ni :镍能提高钢的强度，而又使钢保持良好的塑性和低温韧性。在本发明中添加Ni元素的目的主要是阻止含Cu的钢坯在加热或热轧时产生裂纹的倾向。但是，Ni过高将极大增加钢的合金成本。考虑经济性，在本发明中将Ni含量控制在O. 15% O. 50%，钢中的实际Ni含量根据Cu含量而定，保证Ni/Cu ^ O. 5。Cr :铬是本发明钢中的重要添加元素，能够增加钢的淬透性。Cr是中等碳化物形成元素，在所有各种碳化物中，铬碳化物是最细小的一种，它可均匀地分布在钢体积中，使钢具有高的强度、硬度、屈服点和高的耐磨性。由于它能使组织细化而又均匀分布，所以塑性、韧性也好，但Cr对提高钢的抗高温回火能力的作用不大。从经济性、焊接性能和强度等方面考虑，在本发明中将Cr含量控制在O. 30% I. 00%。V:固溶于奥氏体中可提高钢的淬透性，增加钢的回火稳定性并有强烈的二次硬化作用。钒通过细小碳化物颗粒的弥散分布可以提高钢的蠕变和持久强度。细化晶粒作用强，可提高钢的强度和韧性，减小过热敏感性，提高热稳定性，当V量不高时，也可降低回火脆性。在本发明中将V含量控制在O. 025 % O. 070%。Zr :在钢中加入少量锆，具有脱气、净化和细化晶粒的作用，对钢的低温韧性有利，并可消除时效现象，改善钢的冲压性能。和Cu同时添加，效果更佳。作为本发明选择性添加的元素，以重量百分比计，控制Zr含量为< O. 005%。钢中的杂质元素的上限控制在P彡O. 02%,S ^ O. 01 %为宜，含量越低，钢种性能越好。本发明钢种成分设计不含B元素,适量C、Mn元素和Cu、Cr、Mo、V元素多元少量组合以提高淬透性，Ni含量较低，降低了生产成本；能够获得韧性、塑性良好、屈服强度900 1050MPa级别的超高强度焊接结构用钢板，且_20°C AKV2可达到100J以上，而对比钢-20°C AKV2仅在47J以下。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明进一步说明根据本发明的化学成分及生产工艺，冶炼轧制本发明的钢种和对比钢种实际化学成分如表I、表2，发明钢各实施例进行铁水预处理，深度脱硫；采用转炉冶炼，通过顶吹或顶底复合吹炼，控制P含量；采用VD、RH、LF等进行精炼处理，进一步脱硫、脱气，控制钢中
H、O、N含量，并进行微合金化；进行Ca处理，结合钢中S含量和出钢量，喂Si-Ca线，保证Ca/S含量Ca/S = O. 5 2. 0，使硫化物发生球化，以提高钢板延性、横向冲击功和冷弯成型性能，减小钢板横向和纵向性能差；连铸采用电磁搅拌，减少元素偏析；轧制采用常规热车L，加热温度1000 1250°C，终轧温度> 780°C，轧后空冷。而后对钢板进行淬火+回火处理，再加热温度860 930°C，保温I. O 2. 5min/mm后水淬，获得淬火马氏体组织；在500 600°C回火处理，保温时间为I. O 3. Omin/mm,空冷。本发明钢种和对比钢种实物性能检验结果如表3、表4。表I、本发明钢种的冶炼成分实例，Wt %
权利要求
1.一种超高强度焊接结构用钢板，其特征在于化学成分重量百分比为c O. 11% 0.19%, Si O. 20% O. 50%, Mn O. 90% I. 40%, Ti O. 005% O. 030%, Cr O. 30% 1.00%, Cu 0.1% 0.5%、Ni O. 15 % O. 35 %、Mo O. 15 % O. 60 %、Als 0.010% O. 050%,P ( O. 020%,S ( O. 010%,V O. 025% O. 070%,Zr ( O. 005%，余量为 Fe 及不可避免的杂质。
2.一种根据权利要求I或2所述超高强度焊接结构用钢板的制造方法，包括铁水预处理-转炉冶炼-精炼-连铸-轧制，其特征在于轧制后对钢板进行淬火+回火处理，再加热温度860 930°C，保温I. O 2. 5min/mm后水淬，获得淬火马氏体组织；在500 600°C回火处理，保温时间为I. O 3. Omin/mm,空冷。
全文摘要
本发明公开了一种超高强度焊接结构用钢板，化学成分重量百分比为C 0.11％～0.19％、Si 0.20％～0.50％、Mn 0.90％～1.40％、Ti0.005％～0.030％、Cr 0.30％～1.00％、Cu 0.1％～0.5％、Ni 0.15％～0.35％、Mo 0.15％～0.60％、Als 0.010％～0.050％、P≤0.020％、S≤0.010％，V 0.025％～0.070％，Zr≤0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。轧制后对钢板进行淬火+回火处理，再加热温度860～930℃，保温1.0-2.5min/mm后水淬，获得淬火马氏体组织；在500～600℃回火处理，保温时间为1.0～3.0min/mm，空冷。
文档编号C21D1/18GK102953012SQ20111024197
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月19日 优先权日2011年8月19日
发明者侯华兴, 张哲 , 张涛, 杨颖 , 刘明 申请人:鞍钢股份有限公司