一种低温韧性优异的低碳当量高强度厚钢板及制造方法 【技术领域】
本发明属于冶金领域，涉及一种厚钢板生产，具体地说是一种低温韧性优异的低碳当量高强度厚钢板及制造方法。
背景技术
随着我国铁路桥梁、高层建筑、压力容器等工程结构向大型化、安全性高、整体性好的方向发展，对高强度厚钢板的力学性能和使用性能的要求不断提高，特别是要求这类钢板具有优异的低温冲击韧性和良好的焊接性能，国内外已有低合金高强度厚钢板生产技术，往往采用较高的碳含量设计，如碳含量为0.13～0.20％，使碳当量偏高，钢板的低温冲击韧性和焊接性能恶化，为了提高高强度厚钢板的低温韧性，还往往采用轧后正火热处理方法，增加了能源消耗和生产成本。国内外也有低碳微合金高强度厚钢板的控轧控冷生产技术，一般采用较低的碳含量设计，如碳含量为0.05～0.09％，并加入较高的微合金化元素，如同时加入0.03～0.05％的Nb、0.03～0.06％的V和0.010～0.020％的Ti，尽管使低温韧性和焊接性能改善，但增加了合金资源消耗和生产成本。为了使厚度40～75mm的高强度厚钢板，在兼顾屈服强度达到Q345～Q390、-40℃低温冲击功达到≥200J、碳当量达到Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.40％，获得良好的综合力学性能和焊接性能，同时降低能源和资源消耗，必须对高强度厚钢板的化学成分和控轧控冷工艺参数进行新的探索。
【发明内容】
为解决现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种低温韧性优异的低碳当量高强度厚钢板及制造方法。该低碳当量高强度厚钢板碳当量低，采用控轧控冷工艺，综合力学性能良好，低温冲击韧性优异，无需热处理；制造方法工艺简便、生产成本低、性能质量稳定。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种低温韧性优异的低碳当量高强度厚钢板，其特征在于：所述钢板的化学成分重量百分比为：C：0.090～0.120％，Mn：1.20～1.60％，Si：0.10～0.40％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Nb：0.010～0.030％，V：0.010～0.030％，Al：0.020～0.035％，余量为Fe及不可避免的杂质；且化学成分重量百分比符合碳当量Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.40％。
一种低温韧性优异的低碳当量高强度厚钢板的制造方法，其特征在于该方法采用控轧控冷工艺得到低碳当量高强度厚钢板，具体如下：
(1)轧制工艺：具有上述化学成分、厚度为220～260mm的连铸坯料，加热温度为1200～1240℃，保温时间为240～270min，出炉温度为1180～1220℃；轧制方法采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制，粗轧每道次压下率10～20％，终轧温度1000～1050℃，粗轧成1.7～2.0倍成品厚度的中间坯，精轧开轧温度为860～880℃，每道次压下率为8～12％。
(2)轧后冷却工艺：采用层流冷却，终冷温度625～725℃，冷却速率5～10℃/s。
(3)高温下线缓冷工艺：钢板热矫后置于冷床冷却，下线温度400～450℃。
本发明在生产厚度40～75mm的Q345级高强度厚钢板时，轧后层流冷却的终冷温度控制在675～725℃，冷却速率控制在4～7℃/s。
在生产厚度40～75mm的Q390级高强度厚钢板时，轧后层流冷却的终冷温度控制在625～675℃，冷却速率控制在7～10℃/s。
由于钢的化学成分是影响力学性能和焊接性能的关键因素之一，本发明为了使所述钢获得优异的低温冲击韧性和良好的焊接性能，对所述钢的化学成分及碳当量进行了特别的限定，主要原因在于：
1、碳是影响低合金高强度中厚钢板力学性能和焊接性能的主要元素，当碳含量高于0.12％时，所述钢在TMCP交货状态下，-40℃冲击功偏低，同时，在钢的焊接近缝区形成高碳M-A岛，硬度较高且数量较多，降低韧性，另外，还使钢的碳当量偏高，焊接冷裂纹敏感性增加。但是，当碳含量低于0.08％时，要使钢的强度达到Q345～Q390级，必须添加较高的合金成分。因此，碳含量宜控制在0.08～0.12％的范围内。
2、锰在所述钢和焊接近缝区中推迟奥氏体向铁素体的转变，对细化铁素体，提高强度和韧性有利。当锰的含量低于1.20％时，上述作用不显著，使强度和韧性偏低。当锰的含量高于1.60％时，易在连铸坯和轧态厚钢板中形成严重的带状偏析和带状珠光体组织，造成接头部位层状撕裂。因此，锰含量应控制在1.20～1.60％的范围内。
3、硅在连铸坯加热时在氧化铁皮/钢基本界面上生成层状铁橄榄石(Fe2SiO4)，当温度低于1170℃时，Fe2SiO4呈固相，使氧化铁皮(FeO)对钢基体附着力增加而降低除鳞效果，在后续轧制过制中氧化铁皮压入钢板而造成表面缺陷，因此，硅的含量不宜高于0.25％；但由于硅是炼钢时最有效的脱氧元素之一，当硅含量低于0.10％时，钢水易被氧化。因此，硅含量应控制在0.10～0.25％的范围内。
4、硫和磷严重损害所述钢和焊接近缝区的低温韧性。因此，硫、磷含量应分别控制在≤0.005％和≤0.015％以下。
5、微量铌的溶质拖曳作用和Nb(C，N)对奥氏体晶界的钉扎作用，均抑制形变奥氏体的再结晶，结合TMCP，可以细化铁素体晶粒，但过高的铌，促进连铸坯产生表面裂纹，且促进焊接近缝区形成粗大的M-A岛，因此，铌含量应控制在0.010～0.030％的范围内。
6、钒在所述钢中与氮结合形成VN粒子，VN粒子在钢板层流冷却的返红过程中析出，可提高钢的强度。当钒的含量低于0.010％时，上述作用不显著。但是，随着钒含量的增加，焊接近缝区中M-A岛脆性相有增多的趋势，降低焊接性能，其含量不宜超过0.030％。因此，钒含量应控制在0.010～0.030％。
7、铝是炼钢过程中一种重要的脱氧元素，即使在钢水中加入微量的铝，也可以有效减少钢中的夹杂物含量，并细化晶粒。但过多的铝，会在钢中“夺走”过多的氮，削弱钒的作用，因此，铝含量应控制在0.020～0.035％。
另外，由于对所述钢采用控轧控冷工艺进行生产时，层流冷却的终冷温度和冷却速度也是影响钢板强度和低温韧性的关键因素。随着终冷温度降低、冷却速度增加，钢板内部铁素体晶粒细化，使强度提高的同时，低温韧性也相应改善。因此，厚度40～75mm的Q345级高强度厚钢板时，所述钢的终冷温度控制在675～725℃，冷却速率控制在4～7℃/s；厚度40～75mm的Q390级高强度厚钢板时，所述钢的终冷温度控制在625～675℃，冷却速率控制在7～10℃/s。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明所述的一种低温韧性优异的低碳当量高强度厚钢板，碳当量Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.40％，具有良好的焊接性能。
2、本发明所述的一种低温韧性优异的低碳当量高强度厚钢板，采用控轧控冷工艺生产时，厚度40～75mm的Q345级和Q390级高强度厚钢板在表层下1/4处的-40℃纵向冲击功≥200J、表层下1/4处的-40℃纵向冲击功≥140J。
3、本发明制造方法工艺简便，性能质量稳定。
本发明厚钢板碳当量低，采用控轧控冷工艺，综合力学性能良好，低温冲击韧性优异，无需热处理，生产成本低。
【附图说明】
图1是本发明所述低碳当量高强度厚钢板表层的金相组织是由准多边形铁素体和贝氏体构成的混合组织，其中贝氏体百分含量约占60％的示意图。
图2是本发明所述低碳当量高强度厚钢板表层下1/4处的金相组织是由多边形铁素体和珠光体构成，晶粒度达到8～9级的示意图。
图3是本发明所述低碳当量高强度厚钢板表层下1/2处的金相组织是由多边形铁素体和珠光体构成，晶粒度达到8～9级的示意图。
【具体实施方式】
以下结合具体实施例对本发明涉及的一种低温韧性优异的低碳当量高强度厚钢板及制造方法作进一步的详细描述。
按本发明所述方法，试制了6炉试验钢，作为实施例。工艺流程为：转炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→钢坯连铸→钢坯验收→表面清理→钢坯加热→高压水除鳞→粗轧机轧制→中间坯待温→精轧机轧制→ACC→矫直→高温下线缓冷→探伤→检查→入库。
连铸坯料厚度为260mm，坯料化学成分见表1。
表1本发明实施例的化学成分(wt％)
序号 C Mn Si P S Nb V Al Ceq
1 0.085 1.46 0.1625 0.0136 0.0011 0.023 0.03 0.031 0.334
2 0.094 1.474 0.173 0.014 0.0010 0.023 0.027 0.035 0.345
3 0.095 1.460 0.18 0.012 0.0012 0.024 0.028 0.030 0.344
4 0.096 1.465 0.172 0.012 0.0010 0.024 0.028 0.030 0.346
序号 C Mn Si P S Nb V Al Ceq
5 0.105 1.470 0.1697 0.011 0.0013 0.025 0.029 0.029 0.356
6 0.110 1.470 0.17 0.013 0.0010 0.025 0.028 0.027 0.361
从表1可以看出，按照本发明制备的6种试验钢，化学成分均符合本发明所述要求。
钢坯按所述方法，采用控轧控冷工艺生产厚度40～75mm的低合金高强度厚钢板，主要工艺要点如下：
(1)轧制工艺：坯料加热温度为1200～1240℃，保温时间为240～270min，出炉温度为1180～1220℃；轧制方法采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制，粗轧每道次压下率10～20％，终轧温度1000～1050℃，粗轧成1.7～2.0倍成品厚度的中间坯，精轧开轧温度为860～880℃，每道次压下率为8～12％。
(2)轧后冷却工艺：采用层流冷却，终冷温度625～725℃，冷却速率5～10℃/s。其中轧制Q345级钢板时，终冷温度控制在675～725℃，冷却速率控制在4～7℃/s；轧制Q390级钢板时，终冷温度控制在625～675℃，冷却速率控制在7～10℃/s。
(3)高温下线缓冷工艺：钢板热矫后置于冷床冷却，下线温度400～450℃。
对各实施例试验钢板和比较钢取样，按照GB/T 13239-2006标准，采用MTSNEW810型拉伸试验机，以3mm/min恒定的夹头移动速率进行拉伸，测试横向拉伸性能，取样部位为板厚的1/4处，试验结果取2个试样的平均值。按照GB/T 229-2007标准，采用NCS系列500J仪器化摆锤式冲击试验机，测试-20℃、-40℃、-60℃和-80℃夏比冲击功，取样部位为板厚的1/4处，试验结果取3个试样的平均值。钢板力学性能测试结果见表2。
表2本发明实施例的实物性能
可以看出，按照本发明生产的试验钢，实施例1～3和4～6不同板厚的钢板屈服强度分别达到Q345和Q390级，-40℃夏比冲击功均在200J以上。