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屈服强度690MPa级低裂纹敏感性钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及高强度结构钢，具体地说，本发明涉及屈服强度690MPa级的低裂纹敏感性钢板。
背景技术
焊接冷裂纹是最常出现的焊接工艺缺陷，尤其是当焊接低、中合金的强度钢时，随着强度级别的提高，冷裂纹出现的倾向越来越大。为防止冷裂纹产生，通常是焊前预热、焊后热处理，强度越大、预热温度也越高，这造成了焊接工艺的复杂性，特殊情况下的不可操作性，危及焊接结构的安全可靠性，对于大型钢结构尤甚。鉴于石化、高层建筑、桥梁、造船等行业对大型高强钢结构不预热、不焊后热处理的特点，这就要求钢的焊接裂纹敏感性指数Pcm尽可能地低，于是冶金界开始了低焊接裂纹敏感性高强度钢板的研制。
低焊接裂纹敏感性高强钢，也称CF钢，它是一类具有优良焊接性能和低温韧性的低合金高强度钢，其优点在于焊前不预热或稍加预热而不产生裂纹，主要是解决了大型钢结构件的焊接施工问题。低焊接裂纹敏感性钢的设计原理就是降低碳和多元微量元素合金化，通过降碳，降低钢的淬硬倾向，提高钢的韧性，同时通过多元微量元素来保证钢的强度。表1列出了国内外一些类似钢板的化学成分及其Pcm。
表1 国内外类似钢板的化学成分(wt％)及其Pcm
 

专利申请        公开号   C  Si  Mn  Cr B  Nb  Ni V  Cu  Mo  Al  Ti   PcmWO               99/053350.05        ～0.10 ---1.7       ～2.1 --- ---0.01      ～0.10.2       ～1.2 --- ---0.25      ～0.6 ---0.005       ～0.03    0.27WO               98/383450.02      ～0.1     ≤0.60.2       ～2.50         ～0.80               ～0.00250.01      ～0.10.2       ～1.20         ～0.10         ～0.60         ～0.6     ≤0.10.005       ～0.03    0.36WO               99/053340.03        ～0.10 ---1.6       ～2.1 --- ---0.01      ～0.1 ---0.01        ～0.10 ---0.3       ～0.6 ---0.005       ～0.03    0.35
          CN15212850.01        ～0.050.05      ～0.51.0       ～2.20.0     ～0.70.0005        ～0.0050.015         ～0.0700.0       ～1.0  ---0.0       ～1.80.0     ～0.50.015       ～0.070.005       ～0.03    0.31                  CN1396294                        0.02        ～0.13            0.10        ～0.60            0.60        ～1.80         ---        0.0005        ～0.002             0.008       ～0.04                  ≤0.55                        ≤0.10                        ≤0.65                        ≤0.50                        ≤0.01                   0.005                ～0.025≤0.21      或                ≤0.23                  CN19320630.06              ～0.090.15              ～0.550.85              ～1.10            ≤0.30 --- 0.005             ～0.050.15              ～0.400.02              ～0.06≤          0.30            ≤0.300.01              ～0.40--            ≤0.20         CN19320640.06      ～0.10.15    ～0.41.2       ～1.6     ≤0.3 ---0.015         ～0.0450.15      ～0.40.02        ～0.06  ---0.15      ～0.30.015         ～0.0450.01          ～0.034      ≤0.20
从表1中可看出，除WO99/05334公开的超高强度焊钢外，其它专利申请公开的钢的化学成分在不同程度都加入了合金元素Ni，合金元素Ni属于贵重金属，添加Ni会使钢成本增加，降低其市场竞争力，而且Ni会在钢板表面形成氧化皮，影响钢板表面质量。除WO99/05334、WO99/05335和CN1932064外，其它专利申请公开的钢的化学成分中都添加了Cu，利用Cu的析出增加钢板强度，但需要同时添加Ni来避免铜脆，进一步增加了钢板的制造成本。虽然WO99/05334和WO99/05335公开的钢种成分相对较为简单，但是均采用了淬火处理，增加了钢板的生产工序，造成钢板生产成本的增加，且它们的Pcm值都较高，对焊接性能有不利影响。
此外，表1所列出的钢种都经过淬火+回火处理或回火处理，由于降低Pcm的唯一手段就是减少碳和合金元素的加入量，而对于采用淬火+回火工艺生产的高强钢来说，减少碳和合金元素的加入量将不可避免地带来钢强度的降低，且制造工序复杂。
为了解决以上问题，本发明者采用Mn-Nb-Cr-Mo-V-Ti-B系钢种，利用V进行强化，通过控制热机械轧制和冷却技术，且无需热处理，设计出了一种屈服强度达690MPa级的低裂纹敏感性钢板，从而完成了本发明。
因此，本发明的一个目的在于提供一种屈服强度690MPa级的低裂纹敏感性钢板。
本发明的另一个目的在于提供所述低裂纹敏感性钢板的制造方法。
发明内容
本发明的第一个方面提供一种屈服强度690MPa级的低裂纹敏感性钢板，该钢板的化学成分包含：C：0.03～0.06wt％、Si：0.05～0.40wt％、Mn：1.30～2.00wt％、Cr：0.05～0.15wt％、Mo：0.10～0.25wt％、Nb：0.03～0.08wt％、V：0.04～0.12wt％、Al：0.02～0.04wt％、Ti：0.004～0.030wt％、B：0.0010～0.0020wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述低裂纹敏感性钢板的焊接裂纹敏感性指数Pcm≤0.20％。
低裂纹敏感性钢板的焊接裂纹敏感性指数.Pcm可按下式确定：
Pcm＝C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B。
焊接裂纹敏感性指数Pcm是反映钢的焊接冷裂纹倾向的判定指标，Pcm越低，焊接性越好，反之，则焊接性越差。焊接性好是指焊接时不易产生焊接裂纹，而焊接性差的钢容易产生裂纹，为了避免裂纹的产生，必须在焊接前对钢进行预热，焊接性越好，则所需的预热温度越低，反之则需要较高的预热温度。一般认为，当Pcm≤0.25％时，80公斤级(屈服强度690MPa)钢可以实现不预热焊接。
下面，对本发明的屈服强度690MPa级低裂纹敏感性钢板的化学成分作用作详细叙述。
C：在钢中的作用是固溶强化，但是C对焊接性能不利。C含量越高，焊接性能越差，对于采用TMCP工艺生产的贝氏体钢来说，降低钢中的C含量，可消除C对贝氏体韧性的影响，得到极细的含有高位错密度的贝氏体基体组织，并且较低的碳含量可以生产更大厚度的高韧性钢板，因此本发明C含量控制为0.03～0.06wt％。
Mo：提高钢的淬透性，本发明只需加入不超过0.25wt％的Mo，因为Mo对焊接性能不利，同时Mo是一种十分昂贵的元素，其价格是Cr的数倍，因此本发明以Cr取代了部分Mo，以达到降低成本的目的。
Nb：本发明通过加入较多的Nb，一方面以达到细化晶粒和增加钢板厚度的目的，另一方面是提高钢的未再结晶温度，便于在轧制过程中采用相对较高的终轧温度，从而加快轧制速度，提高生产效率。此外，由于强化了晶粒细化作用，使得可生产钢板的厚度增大，本发明的钢种中添加了0.03～0.08wt％的Nb，可生产厚度达60mm的钢板。
Si：在钢中的作用是固溶强化，也可提高钢的淬透性，本发明钢中加入不超过0.40wt％的Si有利于提高钢的强度和韧性。
V：在钢中与N和C结合，形成微细的析出粒子，起到沉淀强化作用。本发明加入0.04～0.12wt％的V，可以较大幅度地提高钢的强度；V和Cu在钢中都是起沉淀强化作用，但是相对Cu来说，只需加入极少量的V，即可达到同等的沉淀强化效果。此外，Cu在钢中容易引起晶界裂纹，因而必须加入至少达到其一半含量的Ni，才能避免裂纹，而Ni同样是十分昂贵的合金元素。因此，以V代替Cu可以大幅度降低钢的制造成本。
B：能够显著增加钢的淬透性，本发明加入0.001～0.002wt％的B，可以使钢在一定冷却条件下，比较容易地获得高强度贝氏体组织。
本发明的第二个方面提供一种屈服强度690MPa级低裂纹敏感性钢板的制造方法，该方法包括冶炼、浇铸、加热、轧制、冷却工序，其中在所述轧制工序后不经过热处理即进入冷却工序。
在一个优选实施方式中：浇铸后的连铸坯或钢锭的厚度不小于成品钢板厚度的4倍。
在另一个优选实施方式中：在所述加热过程中，加热温度为1080～1180℃，保温时间为120～180分钟。
在另一个优选实施方式中：所述轧制分为第一阶段和第二阶段轧制。
在另一个优选实施方式中：在所述第一阶段轧制过程中，开轧温度为1050～1150℃，当轧件厚度到达成品钢板厚度的2～3倍时，在辊道上待温至820～860℃。
在另一个优选实施方式中：在所述第二阶段轧制过程中，道次变形率为10～25％，终轧温度为770～830℃。
在另一个优选实施方式中：在所述冷却过程中，钢板进入加速冷却装置，以12～25℃/S的速度冷却至450～550℃，出水后空冷。
在另一个更优选的实施方式中：空冷采用堆垛或冷床冷却。
在本发明的屈服强度690MPa级低裂纹敏感性钢板的制造方法中，采用了热机械控制轧制与控制冷却技术(TMCP)，相对于调质(淬火+回火)工艺，热机械控制轧制与控制冷却技术(TMCP)具有细化晶粒从而提高钢的低温韧性的好处。对本发明制造方法中的主要步骤的工艺控制原理分析如下：
1、轧制工艺
轧件厚度到达成品钢板厚度的2～3倍时，在辊道上待温至820～860℃。对于含Nb钢来说，其未再结晶温度约为950～1050℃，将轧制钢坯温度降至820～860℃，目的是为了保证其在未再结晶区有足够的变形量，在变形的奥氏体内有更高密度的位错累计，为铁素体相变提供更有利的形核条件。较大的变形也有利于Nb的碳氮化合物的析出，由于变形诱导析出的作用，较大的道次变形率将有利于形成更加细小和弥散析出物。同时，细小和弥散的析出物为铁素体提供高密度的形核地点并通过其对长大界面的钉扎作用阻止铁素体晶粒长大和粗化，这对于钢的强度与韧性都起到有利的作用。
将终轧温度控制在未再结晶区的低温段，同时该温度区接近相变点Ar₃，即终轧温度为770～830℃，在这个温度范围内终轧，既为相变提供更高的能量累积，也不至于给轧机带来过高的负荷，比较适合于厚板生产。
2、冷却工艺
轧制结束后，钢板进入加速冷却装置，按12～25℃/秒的速度冷却至450～550℃。由于钢板在轧制过程中积累了密度很高的位错和极高的应变能，高密度的位错将与Nb的析出物Nb(CN)粒子相互作用，在轧制完成至加速冷却的空冷(驰豫)过程中，这种相互作用促使在奥氏体晶粒内部形成大量细小的多边形位错胞结构，Nb原子在位错墙上的偏聚以及大量微细Nb(CN)在位错胞壁上的析出，稳定了这种具有一定取向差的多边形胞状结构。同时，一个道次的较大变形具有诱导铁素体相变的作用，在这种诱导作用下，Ar₃点有所提高，即出现所谓“应变诱导相变”现象，在未再结晶温度区较大的变形量，将有利于针状铁素体的晶内形核，同时会使贝氏体基体上的马氏体岛分布更加均匀弥散。
采用较快的冷速是为了为贝氏体转变提供更高的过冷度，增加相变驱动力，获得更高密度的形核率，从而得到以细化的贝氏体为主的基体组织，使本发明钢板具有较高的强度和良好的韧性。
本发明的有益效果为：
1、通过合理设计化学成分，大幅度降低C含量，并且以Mn和Cr等廉价合金元素替代部分Mo，以V的C、N化合微细析出粒子作沉淀强化，代替Cu的析出强化作用，无需添加Ni等贵重元素，且合金元素含量少，原料成本较低，焊接裂纹敏感性较小，焊前无需预热。
2、本发明钢板不需进行任何额外的热处理，从而简化了制造工序，降低了钢的制造成本。
3、由于成分和工艺设计合理，从实施效果来看，工艺制度比较宽松，可以在中、厚钢板产线上稳定生产。
4、本发明的低裂纹敏感性钢板屈服强度大于690MPa、抗拉强度大于770MPa、夏氏冲击功Akv(—20℃)≥150J、板厚可达60mm板，且钢板截面硬度均匀。
附图说明
图1为本发明实施例6的低裂纹敏感性钢板截面硬度实测值。
具体实施方式
以下用实施例结合附图对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。
实施例1
按表2所示的化学成分电炉或转炉冶炼，并浇铸成连铸坯或钢锭，将连铸坯或钢锭加热至1080℃，保温120分钟，第一阶段轧制的开轧温度为1050℃，当轧件厚度为60mm时，在辊道上待温至850℃，随后进行第二阶段轧制，第二阶段轧制道次变形率为15～20％，终轧温度为830℃，成品钢板厚度为20mm。轧制结束后，钢板进入加速冷却(ACC)装置，以25℃/S的速度冷却至450℃，出水后堆垛或冷床冷却。
实施例2
实施方式同实施例1，其中加热温度为1130℃，保温150分钟；第一阶段轧制的开轧温度为1060℃，轧件厚度为90mm；第二阶段轧制的开轧温度为860℃，道次变形率为10～12％，终轧温度为810℃，成品钢板厚度为30mm；钢板冷却速度为20℃/S，终止温度为490℃。
实施例3
实施方式同实施例1，其中加热温度为1150℃，保温150分钟；第一阶段轧制的开轧温度为1080℃，轧件厚度为120mm；第二阶段轧制的开轧温度为830℃，道次变形率为10～25％，终轧温度为820℃，成品钢板厚度为40mm；钢板冷却速度为15℃/S，终止温度为530℃。
实施例4
实施方式同实施例1，其中加热温度为1120℃，保温180分钟；第一阶段轧制的开轧温度为1070℃，轧件厚度为150mm；第二阶段轧制的开轧温度为830℃，道次变形率为10～15％，终轧温度为800℃，成品钢板厚度为50mm；钢板冷却速度为15℃/S，终止温度为515℃。
实施例5
实施方式同实施例1，其中加热温度为1180℃，保温180分钟；第一阶段轧制的开轧温度为1150℃，轧件厚度为120mm；第二阶段轧制的开轧温度为840℃，道次变形率为10～15％，终轧温度为810℃，成品钢板厚度为60mm；钢板冷却速度为12℃/S，终止温度为540℃。
实施例6
实施方式同实施例1，其中加热温度为1120℃，保温180分钟；第一阶段轧制的开轧温度为1070℃，轧件厚度为120mm；第二阶段轧制的开轧温度为820℃，道次变形率为10～15％，终轧温度为770℃，成品钢板厚度为40mm；钢板冷却速度为20℃/S，终止温度为550℃。
表2 本发明实施例1-6的低裂纹敏感性钢板的化学成分(wt％)及其Pcm
 实施例CSiMnNbVAlTiCrMoBFePcm10.040.351.800.0800.0550.020.010.100.100.0018余量0.16820.030.362.000.0650.040.030.0040.050.220.0015余量0.17130.060.201.350.0750.120.040.0120.150.180.0011余量0.17240.050.401.900.0400.070.030.010.100.120.0011余量0.18450.060.051.840.0650.110.030.020.050.200.0010余量0.18660.060.151.300.0300.100.020.030.100.250.0020余量0.172
试验例1
对本发明实施例1-6的低裂纹敏感性钢板进行力学性能测试，测试结果见表3。
表3 本发明实施例1-6的低裂纹敏感性钢板的力学性能
 实施例屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)延伸率(％)—20℃纵向冲击功/韧性断口比例(J/％)1755/745830/83517.0/16.5333/100，303/100，322/1002745/740840/83516.0/16.5344/100，336/100，332/1003740/750825/82516.0/16.0299/100，295/100，292/100
 4730/740825/83517.5/18.0309/100，310/100，298/1005710/715820/82517.5/18.5320/100，344/100，320/1006710/705805/79520.0/20.0299/100，307/100，294/100
从表2和表3可以看出，本发明低裂纹敏感性钢板的Pcm≤0.20％，屈服强度均大于690MPa，抗拉强度大于770MPa，夏氏冲击功Akv(—20℃)≥150J，板厚可达60mm，具有良好的低温韧性和焊接性。
试验例2
按标准GB/T 4340-1999对本发明实施例6的低裂纹敏感性钢板的截面硬度进行测量，测量值见图1。
从图1可以看出，本发明钢板的截面硬度均匀。
试验例3
对本发明实施例1的低裂纹敏感性钢板进行焊接性能试验(小铁研试验)，在0℃、室温和50℃的条件下，均未发现裂纹(见表4)，说明本发明钢板的焊接性能良好，焊接时一般不需要预热。
表4 本发明实施例1的低裂纹敏感性钢板焊接性能试验结果