一种800MPa级低焊接裂纹敏感性调质型水电用钢板的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于冶金领域，特别涉及一种水电用钢板，具体地说是一种SOOMPa级低焊 接裂纹敏感性调质型水电用钢板及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 绝大部分的水电用钢都是宽厚板，它们通常被用于建造厂坝内的引水压力管道和 肋板、岔管和蜗壳等辅助设施。压力钢管是水电工程中抽水蓄能的主要部分之一。压力管 道是从水库、前池或调压室灌入水，将水加压后将其引入水轮机或其他设备，以满足发电、 供水等需求，集中了水电站全部或大部分水头。压力钢管承担着水锤的冲击压力和水电站 最大的水头，同时，钢管内部还承受着大水压，而且钢管靠近厂房、倾角大，因此必须要求压 力钢管强度高、韧性好，以保证输送高压水的安全性和可靠性，确保厂房设施和工作人员的 安全。
[0003] 在我国水电站压力钢管用钢方面，钢种研发人员已经成功自行开发出500MPa级 和600MPa级钢板，并且钢板性能优良，同时，也制定了相应的国家标准，正投入生产和使 用。但随着我国水电事业的成熟、工程技术的提高，对钢材的强度也提出了更高的要求，如 十三陵抽水蓄能、小浪底、天荒坪抽水蓄能、二滩等项目工程对水电用钢的需求都由600MPa 级别向800MPa级别方向发展。而现在我国800MPa级别水电用钢仍主要依赖于进口，虽然 国内有一些企业研发出了SOOMPa级别钢板，但与国外相比，其塑性指标、低温冲击性能方 面还存在着较大的差距。在实际工程应用中，对于SOOMPa级水电用钢的性能要求是：其室 温屈服强度彡690MPa，抗拉强度在780-930MPa之间，断口伸长率彡17%，-40°C冲击功大于 47J(冲击试样尺寸为55mmX10mmX10mm)，此外还要求800MPa级水电用钢具有良好的低焊 接裂纹敏感性。因此，尽快开发出性能更加良好的高强水电用钢的任务十分紧迫。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种厚度在10_80mm 的SOOMPa级低焊接裂纹敏感性水电用钢及其制备方法，通过适当的合金元素设计和 热轧及热处理方法，使其力学性能和工艺性能达到：室温屈服强度彡690MPa，抗拉强 度在780-930MPa之间，断口伸长率彡17%，-40°C冲击功大于47J(冲击试样尺寸为 55mmX10mmX10mm)，且具有良好的低焊接裂纹敏感性，满足这类钢的力学性能和工艺性能 要求。
[0005] 本发明解决以上技术问题的技术方案是：
[0006] 一种SOOMPa级低焊接裂纹敏感性调质型水电用钢板，该钢板化学成分按 重量百分比为：c:0? 09-0. 14 %，Si:0? 24-0. 35%，Mn:0? 7-1. 45%，P彡 0? 013 %， S^ 0. 002 %,Nb^ 0. 035%,Ti：0. 012-0. 02 %,Ni：0. 3〇-〇. 50%,Alt：0. 020-0. 070%, V：0. 035-0. 060%,Cr：0. 25-0. 60%,Mo：0. 25-0. 55%,Cu：0. 15-0. 30%,N^ 0. 0060%, 0. 00030%，B:0. 0008-0. 002%，余量为Fe;该钢板轧态金相组织为粒状贝氏体，淬火态 的金相组织为板条贝氏体+马氏体，最终回火态的组织为回火索氏体+回火马氏体。
[0007] 本发明的800MPa级低焊接裂纹敏感性调质型水电用钢板，其室温屈服强度 彡690MPa，抗拉强度在780-930MPa之间，断口伸长率彡17%，-40°C冲击功大于47J，冲击 试样尺寸为55_X10_X10mm，焊接冷裂纹敏感系数Peni< 0. 26%。
[0008] 上述的800MPa级低焊接裂纹敏感性调质型水电用钢的制备方法，具体步骤如下：
[0009] (-)按设定的化学成分冶炼钢水并铸成厚度为320±5mm的铸坯；铸坯化学成 分按重量百分比为：C:0? 09-0. 14%，Si:0? 24-0. 35%，Mn:0? 7-1. 45%，P彡 0? 013 %， S^ 0. 002 %,Nb^ 0. 035%,Ti：0. 012-0. 02 %,Ni：0. 3〇-〇. 50%,Alt：0. 020-0. 070%, V：0. 035-0. 060%,Cr：0. 25-0. 60%,Mo：0. 25-0. 55%,Cu：0. 15-0. 30%,N^ 0. 0060%, H彡 0? 00030%，B:0? 0008-0. 002 %，余量为Fe;
[0010] ㈡将铸坯按照两阶段加热均匀化后进行粗轧，第一阶段加热至900°C±20°C，保 温2h±20min;第二阶段加热至1150-1200°C，保温lh±5min;粗轧轧制道次为4道次，粗轧 开轧温度为1100-1150°〇，终轧温度为9001：±201：，总压下率为50%;
[0011] ㈢将中间坯精轧6道次，总压下率为50% ;精轧开轧温度为840-900°C，终轧温度 为 800°C±20°C;
[0012] ㈣将精轧后的钢板以15-60°C/s的速率冷却至600°C±20°C，随后进行离线调 质热处理：将钢板重新加热至910-940°C，保温20-90min后淬火，然后进行回火，回火温 度600-680°C，回火时间10_80min，回火时间以达到实际温度开始计算，得到10-80mm厚的 800MPa级低焊接裂纹敏感性的调质型水电用钢板。
[0013] 本发明得到的是一种800MPa级低裂纹敏感性调质型水电用钢板，本发明的成分 设计是基于以下几点：
[0014] C对钢的强化有明显效果，但随着C含量的增加会造成塑性和冲击韧性的降低，使 钢的韧脆转变温度升高，使焊接热影响区硬化和脆化的倾向增大，容易产生焊接冷裂纹，对 钢的成形性、焊接性能极为不利；在低焊接裂纹敏感性水电用钢板的成分设计中，为了使钢 板具有良好的焊接性能和较好的低温冲击韧性，钢中的碳含量必须控制在〇. 09-0. 14%之 间。
[0015] Mn是钢的强化合金元素，是扩大奥氏体区元素，Mn含量增加可提高奥氏体稳定 性，降低临界冷却速度，强化铁素体，显著提高淬透性，同时可使淬火后回火过程中组织分 解转变速度减慢，提高回火组织稳定性，但含量过高将使钢在高温下引起晶粒粗化，而且增 加钢的回火脆性倾向，随Mn/C的增加，钢的脆性转变温度显著降低，Mn/C控制在18-19为 宜；另外，Mn太高使碳当量提高，对焊接性也不利。钢中Mn含量过高，也会给冶炼和轧制带 来困难，对钢的韧性也不利。因此，Mn含量控制在0. 7-1. 45%范围内。
[0016] Si元素可以提高钢中固溶体硬度和强度，不仅可以增加钢的淬透性，而且还可以 增加淬火钢的抗回火性，使钢能在较高温度下回火，从而改善钢的韧性和耐延迟断裂性能； Si能显著提高钢的弹性极限、屈服强度和屈强比。Si含量高时会使钢产生自由碳而石墨 化，使钢的塑性和焊接性能降低；另外，Si含量过高会使钢的导热性变差，钢锭、钢坯表面 易出现开裂或裂纹缺陷。因此，Si的含量控制在0. 24-0. 35%左右。
[0017] A1是钢中常用的脱氧剂，钢中加入少量的A1，可细化晶粒，提高冲击韧性，铝还有 一定的抗氧性和抗腐蚀性，但铝含量过高将影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性， 因此一般将A1含量控制在0. 020-0. 070 %之间。
[0018] 随Mo含量的提高，钢的屈服强度、抗拉强度均增加，而抗拉强度的提高幅度要高 于屈服强度，屈强比随Mo的加入而降低。就调质钢而言，随Mo含量增加，其强度、塑性和低 温冲击韧性均有较大提高。由于Mo固溶于铁素体和奥氏体时，可使钢的C曲线右移，增强 过冷奥氏体的稳定性，从而显著提高钢的淬透性，而且Mo能显著提高钢的再结晶温度，提 高回火稳定性，调质后可获得细晶粒的索氏体，使强韧性得到改善。当形成Mo的碳化物时， 可起到弥散强化作用。综合考虑低焊接裂纹敏感性调质型水电用钢板的性能要求，将Mo含 量控制在0. 25-0. 55%之间。
[0019] Ni在钢中属于全部固溶的元素，具有明显降低冷脆转变温度的作用，对提高钢的 低温冲击韧性有重要作用。其作用机理是：Ni与Fe会以互溶形式存在于a和Y铁相中， 通过其在晶粒内的吸附作用细化铁素体晶粒，提高钢的冲击韧性。但是，Ni也同时是扩大奥 氏体区元素，降低奥氏体的转变温度，从而会影响碳与合金元素的扩散速度，阻止奥氏体向 珠光体转变，降低钢的临界冷却速率，可提高钢的淬透性，易使钢中出现贝氏体及马氏体。 因此，控制合适的Ni含量是改善冲击韧性的关键，本钢种设计的Ni含量为0. 30-0. 50%。
[0020] 在高强度低焊接裂纹敏感性水电用钢板中，Cr含量一般不超过0.5%，其作用主 要有三个方面：1)生成碳化物，提高钢的强度、硬度和耐腐蚀性；2)使CCT曲线右移，增加 钢的淬透性；3)细化马氏体和珠光体片层尺寸。为了保持高温奥氏体组织的稳定性，通常 加入少量的铬，这主要是由于大部分铬的碳化物（M7C3)被奥氏体的基体或其转化物所包 围，处于碳化物状态并溶于奥氏体基体之中。Cr元素含量对珠光体的精细度和硬度有一定 影响，这是由于加入微合金元素Cr后，提高了钢的淬透性，使钢的CCT曲线向右移动，从而 抑制了先共析铁素体的析出，在冷却速度不变的情况下，珠光体及马氏体片层间距得到细 化，从而提高了调质型水电用钢板的强度而不降低其塑性。本钢种在设计时Cr的含量范围 为 0? 25-0. 60%。
[0021] 在钢中也通常加入钛元素，主要是利用Ti与C、N有很好的亲和性，形成TiC、TiN 以去除基体中的C、N间隙原子以改善钢的塑性或韧性。同时，钛也会产生沉淀强化作用。 随着含钛量增加，沉淀强化的效果增加。如果加入钛的百分比足够高，它对控制硫化物的形 状是有利的。在微合金钢中加入少量的钛（质量分数小于〇. 02% )后，即使在高温下也会 显示出一种强烈抑制奥氏体晶粒长大的效果。抑制奥氏体晶粒长大是由于钢中存在非常细 小的TiN微粒（<20nm)，它可以在整个后续加工过程（加热、热轧过程和焊接加工）中仍然 保持相对的稳定性。因此，即使在较高的终轧温度下，也可以获得具有良好的强韧性均衡的 产品。由于Ti是强碳化物形成元素，对N、0、C具有极强的亲和力，Ti和S的亲和力大于Fe 和S的亲和力，可以降低生成硫化铁的几率，减少钢的热脆性。Ti与C形成的碳化物结合力 极强、极稳定、不易分解，只有当加热温度达l〇〇〇°C以上时，才开始缓慢地溶入固溶体中，在 未溶入前富集于钢的晶界处，TiC微粒有阻止晶粒长大的作用。Ti能溶入Y和a相中，形 成固溶体，产生强化。Ti与N的化合物TiN，即使1250°C也可以阻止奥氏体晶粒粗化，利用 这一特性，可以阻止焊接过程中奥氏体在高温下过分粗大，从而提高水电用钢板的焊接性， 一般钢中Ti的加入量应大于0. 02%，本钢种中的Ti含量设计在0. 012-0. 02%之间。
[0022] 微合金元素V随淬火加热温度的提高，使其固溶到奥氏体中的量有所增加，V在铁 素体中的溶解度比在奥氏体中的溶解度小的多。随着相变的进行，在一定的热力学和动力 学条件下，V在低碳微合金钢中主要以碳氮化物的形式存在于基体和晶界上，增加钢淬火后 的回火稳定性，回火组织易产生二次硬化现象，有细化晶粒和析出强化的作用。V的作用是 通过形成V(C，N)影响钢的组织和性能，主要在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，在轧制过 程中能抑制奥氏体的再结晶，并阻止晶粒长大，从而