一种屈服强度500MPA级低裂纹敏感性钢板及其制造方法.pdf

本发明公开了一种屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板，其特征在于包括如下重量百分配比的化学元素：C：0.010～0.09％、Si：0.10～0.65％、Mn：1.10～2.00％、P≤0.010％、S≤0.006％、Nb：0.020～0.090％、Al：0.02～0.06％、Ti：0.004～0.030％、B：0.0005～0.0025％，余量为Fe和不可避免的杂质。其制造方法如下：1)冶炼并浇铸成铸坯或钢锭；2)加热；3)轧制；4)进入加速冷却装置，冷却至450～560℃，出水后空冷。本发明焊接裂纹敏感性小，屈服强度大于500MPa焊接性能良好。

1.  一种屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板，其特征在于包括如下重量百分配比的化学元素：C：0.010～0.09％、Si：0.10～0.65％、Mn：1.10～2.00％、P≤0.010％、S≤0.006％、Nb：0.020～0.090％、Al：0.02～0.06％、Ti：0.004～0.030％、B：0.0005～0.0025％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.  一种屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板的制造方法，其特征在于包含如下步骤：
(1)冶炼，浇铸成铸坯或钢锭：按如下化学元素的重量百分配比冶炼：C：0.010～0.09％、Si：0.10～0.65％、Mn：1.10～2.00％、P≤0.010％、S≤0.006％、Nb：0.020～0.090％、Al：0.02～0.06％、Ti：0.004～0.030％、B：0.0005～0.0025％，余量为Fe和不可避免的杂质；
(2)加热：加热温度为1080～1180℃；
(3)轧制：第一阶段的初轧温度为1050～1150℃，第二阶段的初轧温度为780～840℃，终轧温度为740～850℃；
(4)冷却：钢板进入加速冷却装置，冷却至450～560℃，出水后空冷。

3.  如权利要求2所述的屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板的制造方法，其特征在于所述步骤(2)中，保温时间为120～180分钟。

4.  如权利要求2所述的屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板的制造方法，其特征在于所述步骤(3)中，初轧后，轧件厚度为成品钢板厚度的2～3倍。

5.  如权利要求2所述的屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板的制造方法，其特征在于所述步骤(4)中，冷却速度为5～15℃/S。

6.  如权利要求2所述的屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板的制造方法，其特征在于所述步骤(4)中，空冷的方式采用堆垛或冷床冷却。

一种屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金领域，具体地说，涉及一种屈服强度500MPa级的低裂纹敏感性钢板。
背景技术
为了便于焊接和简化焊接工艺，对于机械结构和工程建设所使用的高强度钢，要求钢的焊接裂纹敏感性指数Pcm尽可能低，以达到焊前无需预热的目的，这种钢被称为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；对于屈服强度500MPa级钢板，一般要求钢的Pcm≤0.20％。
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，然而，若采用热机械控制轧制与控制冷却技术(TMCP)，则可以弥补这种缺陷。此外，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)还具有细化晶粒从而提高钢的低温韧性的好处。
专利号CN139629和CN1932063涉及的钢种的合金元素设计成分的对比如表1所示。由于Cr、Cu、Mo、和Ni均为贵重合金元素，尤其Mo和Ni价格更高，因此从添加的合金元素的种类来分析，这两种钢种冶炼成本较高，且分别要求对钢板进行淬火+回火和离线回火处理，制造工序复杂。
表1 相关专利钢的成分对比(wt％)


发明内容
本发明的目的是通过提供一种屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板及其制造方法，从而获得一种焊接裂纹敏感性指数Pcm≤0.17％，具备良好的低温韧性和焊接性的高强度钢板。
本发明的技术方案为：一种屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板，包括如下重量百分配比的化学元素：C：0.010～0.09％、Si：0.10～0.65％、Mn：1.10～2.00％、P≤0.010％、S≤0.006％、Nb：0.020～0.090％、Al：0.02～0.06％、Ti：0.004～0.030％、B：0.0005～0.0025％，余量为Fe和不可避免的杂质。
下面，对本发明的屈服强度500MPa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，是对钢的强度贡献最大的元素，但是C对焊接性能和韧性不利。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，C含量越低则韧性越好，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0.010～0.09％。
Si：在钢中的作用主要是固溶强化，加入Si可显著提高钢的强度，且对钢的焊接性能没有明显的负面影响；但过多的加入会使钢的韧性降低，本发明Si含量控制为0.10～0.65％。
Mn：在钢中的作用主要是提高钢的屈服强度，另外可以降低钢的奥氏体向铁素体相变的转变温度，通过控制轧制，获得较细的晶粒尺寸，最终增加钢的强度和低温韧性。
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，采用本发明设计的化学成分，能够生产钢板的最大厚度为60mm。
B：能够显著增加钢的淬透性，本发明加入0.0005～0.0025％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。
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，60公斤级(屈服强度500MPa)钢可以实现不预热焊接。本发明钢的焊接裂纹敏感性指数Pcm≤0.17％。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
一种屈服强度500MPa级低裂纹敏感性钢板的制造方法，包含如下步骤：
(1)冶炼，并浇铸成铸坯或钢锭：按如下化学元素的重量百分配比冶炼：C：0.010～0.09％、Si：0.10～0.65％、Mn：1.10～2.00％、P≤0.010％、S≤0.006％、Nb：0.020～0.090％、Al：0.02～0.06％、Ti：0.004～0.030％、B：0.0005～0.0025％，余量为Fe和不可避免的杂质。
(2)加热：加热温度为1080～1180℃。
(3)轧制：第一次轧制中初轧温度为1050～1150℃，第二次轧制，初轧温度为780～840℃，终轧温度为740～850℃；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780～840℃，目的是为了保证其在未再结晶区有足够的变形量，增加奥氏体晶粒中的滑移带和位错密度，增大有效晶界面积，为铁素体相变形核创造有利条件。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析出物的形成并且使其更加细小和弥散，同时，细小和弥散的析出物及其钉扎作用为铁素体提供高密度的形核地点并且阻止其长大和粗化，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740～850℃，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。
(4)冷却：钢板进入加速冷却装置，冷却至450～560℃，出水后空冷。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。
优选地，所述步骤(2)中，保温时间为120～180分钟。
优选地，所述步骤(3)中，初轧后，轧件厚度为成品钢板厚度的2～3倍。
优选地，所述步骤(4)中，冷却速度为5～15℃/S，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。
优选地，所述步骤(4)中，空冷的方式采用堆垛或冷床冷却。
本发明的有益效果为：
1.本发明通过合理设计化学成分，无需添加Mo、Ni、Cu等贵重元素，充分利用加速冷却工序中水的作用，来弥补合金元素缺失带来的强度和韧性降低。因此原料成本大大降低，且焊接裂纹敏感性较小，焊前无需预热。
2.本发明钢板采用热机械控制轧制与控制冷却技术(TMCP)，不需进行任何额外的热处理，从而简化了制造工序，节约能源，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500MPa、抗拉强度大于610MPa、夏氏冲击功Akv(—20℃)≥100J、板厚可达80mm板，且钢板截面硬度比较均匀；焊接性能优良。
附图说明
以下将结合附图和实施例对本发明作更详细的描述。
图1为本发明实施例4钢板的截面硬度测量值分布示意图。
图2为本发明实施例1的焊接热影响区最高硬度测量结果示意图。
具体实施方式
表2为本发明实施例1-6的低裂纹敏感性钢板的化学成分(wt％)及其焊接裂纹敏感性指数Pcm的数值。
表2