专利名称：高强度低裂纹敏感性厚板及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种高强度结构钢及其制备工艺，具体涉及一种厚度可达80mm的、屈 服强度在420MPa级的高强度低裂纹敏感性厚板及其制造方法。
背景技术：
近年来，建筑物一直向超高层和大空间方向发展，为此，要求钢材具有高强度和大 断面特性。这样，对钢材的机械性能、焊接性能和厚度的要求也越来越高，如，目前高层建筑 所采用钢板的性能一般需达到下述标准屈服强度彡390MPa、屈强比彡0. 85,Z向性能(断 面收缩率)彡15%、高的低温(彡0°C )韧性、大的厚度(彡40mm)和好的焊接性能(能够 承受较大的焊接热输入，例如> 50kJ/cm)。为此，业界一直致力于发展出符合上述性能要求的高强度结构钢。如，专利公开 号为CN101413087A的发明专利披露了一种高层建筑钢板及其生产方法。但是，该钢种碳 含量偏高，钢板的焊接性能受到不利影响；又如，专利公开号为CN101397625A的发明专 利记载了一种屈服强度420MPa级超细晶钢板及其制造方法，该钢板焊接性能良好，但是 仅适用于不超过20mm厚的钢板，中间待温时间较长，影响生产节奏。再如，专利公开号为 CN101343685A的发明专利公开了一种屈服强度420MPa级高强度建筑用钢板的热处理方 法，但该钢板碳含量偏高，需要正火处理，生产工艺成本高。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高强度低裂纹敏感性厚板及其制造方法，该钢种综合 力学性能和焊接性能优良，厚度大，其制备工艺简便易行，可控性好，成本低，从而克服了现 有技术中的不足。为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案一种高强度低裂纹敏感性厚板，其特征在于，所述厚板包含的化学成分及其重量 百分比为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 和杂
质元素。进一步地讲所述厚板的焊接裂纹敏感性指数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。所述厚板在经过热输入为50kJ/cm和70kJ/cm的多道焊之后，其热影响区在_40°C 的夏比冲击韧性均大于70J。如上所述高强度低裂纹敏感性厚板的制造方法，其特征在于，该方法为取与所述厚板具有相同化学组成的铸坯于1200°C保温处理2小时后，再进行两阶 段轧制，其中第一阶段粗轧开轧温度在1050士50°C，总压下量> 50%，第二阶段精轧开轧温度在850 880°C，总压下量彡50%，轧后即以9 12°C /s的冷却速度将轧件冷却至 470 580 V，再经矫直、冷却，制得目标产品。具体而言铸坯经保温处理后，还经过除鳞处理，再进行两阶段轧制。所述的除鳞处理采用高压水除鳞工艺。第一阶段粗轧完成后，轧件在辊道上待温至850 880°C，而后进入第二阶段精 轧。轧件经矫直后被放置在冷床上空冷至室温，制得目标产品。该方法具体包括如下步骤按所述厚板的化学组成配制冶炼原料，冶炼原料依次经转炉冶炼、LF精炼、RH真 空脱气和连铸工艺处理，形成厚度在220mm以上的连铸坯；将连铸坯于1200°C保温处理2小时，再对其进行高压水除鳞处理；对连铸坯进行两阶段轧制，其中第一阶段为粗轧阶段，第二阶段为精轧阶段，粗轧 阶段开轧温度为1050士50°C，总压下量> 50%，粗轧形成的轧件在辊道上待温至850 880°C后进入精轧阶段，精轧阶段总压下量> 50%，轧后形成的钢板立即进入控制冷却系 统；在控制冷却系统中以加速冷却装置对钢板进行处理，使其以9 12°C /s的速度迅 速冷却至470 580°C ；对钢板进行矫直处理，而后将钢板放置在冷床上空冷至室温，制得目标产品。以上工艺过程中，为了保持高效率生产，可以根据生产线的特点采用多个板坯同 时轧制。针对现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和实践，特发展出本发明的技术 方案，即采用低碳微合金化的成分设计，通过控制轧制和控制冷却技术，无需热处理，制备 出屈服强度达到420MPa级、厚度可达80mm的低裂纹敏感性厚板，其性能指标满足现代建筑 物的需求。以下对本发明中所含组分的作用及用量选择作具体说明C 是确保钢板强度所必须的元素。低于0. 03%将不能够保证强度，高于0. 10%母 材韧性和HAZ韧性降低。因此C含量选择在0. 06 % 0. 09 %。Si 在钢中起固溶强化作用，提高钢板的强度，但损害其低温韧性及焊接性能。因 此Si的含量控制在0. 0.3%的范围内。Mn:提高钢的淬透性，并起到固溶强化和细化铁素体晶粒的作用。当低于0.8% 时，无法充分发挥强度确保的作用。当高于2.0%时，母材韧性和HAZ韧性降低。因此Mn含 量选择在1. 35% 1. 55%。Ni 是一种提高淬透性并有助于提高低温韧性的元素。但若添加过量，则母材韧性 和HAZ韧性有降低的趋向。同时Ni也是贵重金属，因此其含量控制在0. 15% 0.25%，有 利于达到最优的性价比。Cr 可显著提高钢的淬透性而有助于强度提高。但是若添加过量，则母材韧性和 HAZ韧性降低，因此其含量控制在0. 0. 2%。Cu 可提高钢板的淬透性和耐大气腐蚀性。但过高的Cu含量易使钢产生铜脆现 象，恶化钢板的表面性能。因此其含量控制在0. 15% 0. 25%。
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Nb:是控轧控冷钢中的重要元素，它的加入能够阻止奥氏体变形后的再结晶，提高 奥氏体再结晶温度。但若过量地添加Nb，则母材韧性和HAZ韧性降低。因此其含量控制在 0. 02% 0. 04%。V:是使V(C，N)析出的元素，能够提高钢板的强度。但若添加过量，则母材韧性和 HAZ韧性降低，因此其含量控制在0. 02% 0. 04%。Ti、Al主要作用是固氮和脱氧。11州在2.5 3.5之间为宜。Ti除了析出强化 作用外还稳定再次加热的组织，但其含量过高会使钢的韧性下降。Al可有效地脱氧，但含量 过高会损害钢的韧性。P 作为杂质元素会给母材的韧性和HAZ的韧性带来不利的影响，所以其含量应尽 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。为保证厚板的Z向性能，其含量控制在小于 0. 004%。采用上述成分和工艺所获得的厚板的金相组织为针状铁素体、贝氏体和珠光体。 其抗拉强度达到560 605MPa，在厚度80mm时钢板的屈服强度也能达到420MPa，屈强比 ^ 0. 82，延伸率24 30%，-40°C冲击功大于200J，Z向断面收缩率大于60%，抗冷弯性能 良好，焊接性能良好，其碳当量Ceq ( 0. 37，Pcm ( 0. 19。与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果(1)从成分设计上依据低碳微合金原则。通过加入Nb，提高奥氏体再结晶停止温 度，可使钢板在高温轧制晶粒不易长大，降低轧制力，提高轧机的效率。利用TiN和其它的 钛铌碳氮化合物的高温稳定性，钉扎晶界，阻止加热时奥氏体晶粒的快速长大，在保证钢板 强度的同时，提高钢板的韧性和焊接性。(2)轧制工艺采用两阶段控制轧制，且轧制完成后立即进行控冷处理，无需在线热 处理工序，同时还可以根据生产线的特点采用多个板坯同时轧制，因此生产效率高，且形成 的目标产物钢板的室温组织为针状铁素体、贝氏体和珠光体。大量高位错密度的针状铁素 体在保证钢板强度的同时，有效地提高钢板的低温韧性。(3)本发明的厚板中合金元素含量低，贵重元素少，且生产工序较之现有技术减 少，成本大大降低。
图1为本发明实施例1中高强度低裂纹敏感性厚板的金相组织照片；图2为本发明实施例2中高强度低裂纹敏感性厚板的金相组织照片；图3为本发明实施例3中高强度低裂纹敏感性厚板的金相组织照片；图4为本发明实施例4中高强度低裂纹敏感性厚板的金相组织照片；图5为本发明实施例5中高强度低裂纹敏感性厚板的金相组织照片.
具体实施方案以下结合本发明的较佳实施例及附图对本发明的技术方案作更详细的描述。但该 等实施例仅仅是对本发明较佳实施方式的描述，而不能对本发明的范围产生任何限制。实施例1
该高强度低裂纹敏感性厚板所包含的成分及其重量百分比为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，余量为铁及不可避免的杂质元素。该高强度低裂纹敏感性厚板的生产工艺如下按上述厚板的化学组成配置冶炼原料依次进行转炉冶炼-LF精炼-RH真空脱 气-连铸-连铸坯(厚度为220mm)-加热(保温处理)-高压水除鳞-控轧、控冷-矫直-空 冷至室温-成品。进一步的讲，上述保温处理、控轧、控冷阶段的具体工艺为将连铸坯加热至1200°C保温2小时，再经高压水除鳞后即进行两阶段轧制，第一 阶段粗轧开轧温度为1041°C，中间坯厚IOOmm ；第二阶段精轧开轧温度为880°C，最终板厚 40mm ；轧后立即以9°C /s的冷却速度冷却到580°C后空冷。经由上述生产工艺形成的成品，即高强度低裂纹敏感性厚板的金相组织为针状铁 素体、贝氏体和珠光体(如图1所示)，其力学性能见表1。实施例2该高强度低裂纹敏感性厚板所包含的成分及其重量百分比为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，余量为铁及不可避免的杂质元素。该420MPa级低裂纹敏感性厚板的生产工艺与实施例1基本相同，但其控轧、控冷 阶段的工艺存在差异，具体如下在两阶段轧制工序中，一阶段粗轧开轧温度为1016°C，中间坯厚120mm ；二阶段精 轧开轧温度为859°C，最终板厚50mm ；轧后立即以11°C /s的冷却速度冷却到温度521°C后 空冷。经由上述生产工艺形成的成品，即高强度低裂纹敏感性厚板的金相组织为针状铁 素体、贝氏体和珠光体(如图2所示)，其力学性能如表1所示。实施例3该高强度低裂纹敏感性厚板所包含的成分及其重量百分比为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，余量为铁及不可避免的杂质元素。该高强度低裂纹敏感性厚板的生产工艺如下按上述厚板的化学组成配置冶炼原料依次进行转炉冶炼-LF精炼-RH真空脱 气-连铸-连铸坯(厚度为320mm)-加热(保温处理)-高压水除鳞-控轧、控冷-矫直-空 冷至室温-成品。进一步的讲，上述保温处理、控轧、控冷阶段的具体工艺为将连铸坯加热至1200°C保温2小时，再经高压水除鳞后即进行两阶段轧制，一阶 段粗轧开轧温度为1095°C，中间坯厚IOOmm ；二阶段精轧开轧温度为873°C，最终板厚50mm ； 轧后立即以10°C /s的冷却速度冷却到470°C后空冷。经由上述生产工艺形成的成品，即高强度低裂纹敏感性厚板的金相组织为针状铁 素体、贝氏体和珠光体(如图3所示)，其力学性能见表1。实施例4
该高强度低裂纹敏感性厚板所包含的成分及其重量百分比为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，余量为铁及不可避免的杂质元素。该高强度低裂纹敏感性厚板的制备工艺与实施例3基本相同，但其控轧、控冷阶 段的工艺存在差异，具体如下将320mm厚的连铸坯加热至1200°C保温2小时，经高压水除鳞后，进行两阶段轧 制，其中，一阶段粗轧开轧温度为1052°C，中间坯厚130mm;二阶段精轧开轧温度为860°C， 最终板厚60mm ；轧后立即以10°C /s的冷却速度冷却到511°C后空冷。经由上述生产工艺形成的成品，即高强度低裂纹敏感性厚板的金相组织为针状铁 素体、贝氏体和珠光体(如图4所示)，其力学性能见表1。实施例5本实施例高强度低裂纹敏感性厚板的化学组成以及制备工艺与实施例3基本相 同，但其控轧、控冷阶段的工艺存在差异，具体如下在两阶段轧制工序中，一阶段粗轧开轧温度为1063°C，中间坯厚140mm ；二阶段精 轧开轧温度为857°C，最终板厚80mm ；轧后立即以12°C /s的冷却速度冷却到温度为524°C 后空冷。经由上述生产工艺形成的成品，即高强度低裂纹敏感性厚板的金相组织为铁素 体、针状铁素体、贝氏体和珠光体(如图5所示)，其力学性能见表1。表1实施例1-5高强度低裂纹敏感性厚板的综合力学性能
实施例板厚 /mm屈服强 度/MPa抗拉强 度/MPa延伸率/ %屈强 比Z向断面收缩率/ %180° 弯 曲试验AKv-40°C/J140494605260.82776971合格304271291250459586300.78607480合格280294271350470580240.81706672合格335337357460450560300.80797968合格276339271580425575260.74638071合格319322312 以上所述仅为用以解释本发明之较佳实施例，并非企图具以对本发明做任何形式 上之限制，是以，凡有在相同之发明精神下所作有关本发明之任何修饰或变更，皆仍应包括 在本发明意图保护之范畴。
权利要求
一种高强度低裂纹敏感性厚板，其特征在于，所述厚板包含的化学成分及其重量百分比为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和杂质元素。
2.根据权利要求1所述的高强度低裂纹敏感性厚板，其特征在于所述厚板的屈服强 度在420MPa以上，其焊接裂纹敏感性指数Pcm彡0. 19%，其中，Pcm = C+Si/30+Mn/20+Cu/ 20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。
3.根据权利要求1或2所述的高强度低裂纹敏感性厚板，其特征在于所述厚板的厚 度 < 80mm。
4.根据权利要求1或2所述的高强度低裂纹敏感性厚板，其特征在于所述厚板在经 过热输入为50kJ/cm和70kJ/cm的多道焊之后，其热影响区在-40°C的夏比冲击韧性均大于 70J。
5.如权利要求1所述高强度低裂纹敏感性厚板的制造方法，其特征在于，该方法为 取与所述厚板具有相同化学组成的铸坯于1200°C保温处理2小时后，再进行两阶段轧制，其中第一阶段粗轧开轧温度在1050士50°C，总压下量> 50%，第二阶段精轧开轧温度 在850 880°C，总压下量彡50%，轧后即以9 12°C /s的冷却速度将轧件冷却至470 580 V，再经矫直、冷却，制得目标产品。
6.如权利要求5所述的高强度低裂纹敏感性厚板的制造方法，其特征在于铸坯经保 温处理后，还经过除鳞处理，再进行两阶段轧制。
7.如权利要求6所述的高强度低裂纹敏感性厚板的制造方法，其特征在于所述的除 鳞处理采用高压水除鳞工艺。
8.如权利要求5所述的高强度低裂纹敏感性厚板的制造方法，其特征在于第一阶段 粗轧完成后，轧件在辊道上待温至850 880°C，而后进入第二阶段精轧。
9.如权利要求5所述的高强度低裂纹敏感性厚板的制造方法，其特征在于轧件经矫 直后被放置在冷床上空冷至室温，制得目标产品。
10.如权利要求5所述的高强度低裂纹敏感性厚板的制造方法，其特征在于，该方法具 体包括如下步骤按所述厚板的化学组成配制冶炼原料，冶炼原料依次经转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱 气和连铸工艺处理，形成厚度在220mm以上的连铸坯；将连铸坯于1200°C保温处理2小时，再对其进行高压水除鳞处理； 对连铸坯进行两阶段轧制，其中第一阶段为粗轧阶段，第二阶段为精轧阶段，粗轧阶段 开轧温度为1050士50°C，总压下量彡50%,粗轧形成的轧件在辊道上待温至850 880°C后 进入精轧阶段，精轧阶段总压下量> 50%，轧后形成的钢板立即进入控制冷却系统；在控制冷却系统中以加速冷却装置对钢板进行处理，使其以9 12°C /s的速度迅速冷 却至470 580 0C ；对钢板进行矫直处理，而后将钢板放置在冷床上空冷至室温，制得目标产品。
全文摘要
本发明涉及一种高强度低裂纹敏感性厚板及其制造方法。该厚板包含的化学成分(wt％)为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％，余量为Fe及杂质；其制造方法包括依次进行的加热铸坯、除鳞、控轧、控冷、矫直等工序。本发明厚板厚度可达80mm，屈服强度在420MPa以上，综合力学性能优良，同时生产工艺简便，成本低廉。
文档编号C22C33/04GK101956147SQ20101029592
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月29日 优先权日2010年9月29日
发明者张宇, 苗丕峰, 谢建昌 申请人:江苏省沙钢钢铁研究院有限公司