低碳低焊接裂纹敏感性的高强度钢、钢板及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及钢铁材料，具体地说，本发明涉及一种低碳低焊接裂纹敏感性的高强度钢。
背景技术
目前，屈服强度700MPa以上的高强度钢已被广泛应用于工程机械、矿山机械、港口码头机械等领域，但这类高强度调质钢一般都具有较高的碳含量和较高的裂纹敏感性。通常，工程机械等结构都是焊接结构，较高的裂纹敏感性会使钢板焊接时易于产生冷裂纹，钢板的可焊性变差。为了解决钢板焊接的问题，往往需要对钢板进行焊前预热，而且焊接裂纹敏感指数Pcm(Pcm＝C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B)越高，需要的预热温度就越高。这将使得焊接结构生产的工况环境变差，不仅影响生产效率，浪费大量能源，而且会使焊接结构的性能不稳定，影响到工程机械的使用安全。
对于已有的涉及低焊接裂纹敏感性钢板的专利或现有产品，往往都是通过TMCP(热机械控制工艺，即控制轧制+控制冷却)工艺生产的低碳贝氏体钢，其主要应用领域为天然气、石油管线等领域。这类钢板通常强度级别较低，限于其工艺特点，也难以生产屈服强度700MPa以上、厚度规格在40mm以上的高强度厚板。即便要实现这一要求，也往往需要添加大量的合金，不但增加了钢板生产的合金成本，也会使钢板的Pcm增加，影响钢板焊接性能。对已公开的的专利及生产技术总结如下。
中国专利文献CN200510047196.0和CN200510047195.6均涉及一种高强度低焊接裂纹敏感性钢厚板，都是采用了TMCP+回火工艺生产的低碳贝氏体钢，其抗拉强度均仅有610MPa。中国专利文献CN200610018010.3公开了一种低碳贝氏体钢，其抗拉强度仅有620MPa级，同样是用TMCP+回火工艺生产。中国专利文献CN02115877.0公开了一种调质工艺生产低焊接裂纹敏感性系列高强钢，但所涉及钢板的抗拉强度只有60-70公斤级，强度级别较低；且其在成分设计上采用了Ni-V-Cu-Mo-Zr-RE，成分复杂且成本较高。
日本专利文献JP54130426A和JP57152422A所涉及的低焊接裂纹敏感性钢板，也是抗拉强度60公斤级以下的低碳贝氏体钢。日本专利文献JP53052228也涉及一种具有低焊接裂纹敏感性的高强高韧钢板，但其抗拉强度级别仅在70公斤级。日本专利文献JP54066323所涉及的钢板屈服强度只有50公斤级，且加入了较多的Cu、Ni，并需要添加稀土元素。
以上专利文献所涉及的低焊接裂纹敏感性钢板，最高抗拉强度仅为700MPa左右，都没有达到屈服强度700MPa的强度级别。另外，除中国专利文献CN02115877.0所涉及钢采用调质工艺外，其他专利文献所涉及钢都采用TMCP或TMCP+回火工艺生产低碳贝氏体钢。同时，在成分体系上，以上专利文献所涉及钢往往需要添加较昂贵的Ni元素，且常常还要添加较多的Cr、Cu等元素。
对于现有的700-800MPa级高强度调质厚板，如表1所列SSAB和迪林根的两个产品Weldox700E和Dillimax690T，都是采用传统的调质钢成分设计，碳含量较高，Pcm在0.25以上，其厚钢板无法进行常温无预热焊接。
上述专利文献以及SSAB和迪林根所涉及钢板的化学成分见表1，生产工艺及钢板性能见表2。
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表2上述专利文献以及SSAB和迪林根所涉及钢板的生产工艺及性能
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在工程、矿山机械大型化、轻量化、高性能的发展形势下，对钢板的强度要求越来越高。同时，钢板还要具有很好的低温韧性及良好的易焊接性能，因为大型机械结构件诸如采煤机液压支架等都采用焊接工艺组配。为了便于生产并能得到安全可靠的质量，钢板的焊接性能尤为关键。要实现无预热的常温焊接，必须要求钢板具有很低的焊接裂纹敏感性能，其敏感指数要在0.20以下。由以上比较可知，传统的700MPa以上的高强度调质钢板，尤其是40mm以上的厚规格产品，Pcm值一般都在0.25以上。因此，工程机械领域迫切需要一种焊接裂纹敏感性低(Pcm≤0.20)的700MPa及以上强度级别的调质厚板来改变这种状况。
为解决这一难题，本发明的目的在于提供一种综合性能优良的低焊接裂纹敏感性的调质钢，主要是提供一种调质厚板及其制造方法。本发明的钢板的屈服强度达到700MPa乃至800MPa以上，具有低碳低焊接裂纹敏感性(Pcm≤0.20)，并具有很好的-40℃低温冲击韧性(≥47J)，钢板最大厚度规格60mm。
【发明内容】
本发明的第一个方面提供一种高强度调质钢，其特征在于，以重量百分比计含有：C：0.05-0.10％；Mn：1.10-1.80％；Cr：≤0.30％；Mo：0.10-0.40％；Ti≤0.03％和/或Nb≤0.03％；V：0.01-0.06％；B：0.001-0.003％；Si：0.10-0.30％；Al：0.02-0.05％；N：≤0.006％；P：≤0.015％；S：≤0.006％；其余为Fe和不可避免的杂质。
所述钢的焊接裂纹敏感指数Pcm≤0.20。
本发明选择上述成分配比的理由如下：
C：碳对钢的强度、韧性、焊接性影响都很大。碳是奥氏体转变成马氏体、贝氏体等强化相的必需元素，对提高钢的强度有很大贡献，是钢中最廉价的合金强化元素。但若碳含量增加，会显著增加钢板裂纹敏感指数，使钢板焊接性能下降。因此，C含量的范围以0.05-0.10％为宜。
Mn：锰是钢中提高强度和韧性的主要元素之一，也是提高钢的淬透性的有效元素，可部分代替Mo以降低钢的合金成本。但若锰含量过高，会导致钢的韧性和焊接性变差。因此，Mn含量的范围以1.10-1.80％为宜。
Cr：铬是钢中重要的强化元素之一，可使C曲线右移。铬和锰配合，能有效提高钢的淬硬性，且其偏析倾向较锰为小，故可部分替代钼以增加钢板的淬透性。但在厚钢板中，铬对提高钢板淬透性的能力要弱于锰，所以对于厚度较大的钢板，更适宜增加锰含量而降低铬含量。若铬含量过高，会降低钢板韧性，增加焊接裂纹敏感性。因此，Cr含量的范围宜≤0.30％。
Mo：钼能有效增加钢的淬透性和淬硬性，使钢淬火后得到均匀细小的马氏体、板条贝氏体组织，可显著提高钢的强度和韧性。虽然在一定范围内增加钢中钼含量对钢的性能是有利的，但由于钼是一种昂贵的合金元素，为降低钢的成本，钼含量的范围以0.10-0.40％为宜。
Ti和Nb：钛和铌都是强碳氮化合物形成元素，它们的细小析出相可细化组织，提高钢的强度和韧性。通过这种细小析出相，可阻碍钢板淬火加热时奥氏体晶粒的长大，从而得到更加细小的等轴淬火组织，使得到的马氏体-贝氏体组织更加细小，从而获得良好的低温冲击韧性，-40℃的冲击功可达47J以上。另外，Ti在钢中还有固氮的作用，可提高钢中的有效硼含量。因此，Ti含量的范围宜≤0.03％，Nb含量的范围宜≤0.03％。
V：钒可以在钢的回火过程中析出大量细小的碳化物沉淀，大大增加钢的强度。通常，碳含量在0.1％以下的调质钢，由于淬火组织中的马氏体含量较低，回火后的屈服强度较低。为了满足700MPa以上的高强度的需要，并减少Mo等强化合金元素的添加量，必须在组织强化的同时采用其他有效的强化方式。在本发明中，钒是关键的强化元素，利用钒在回火过程中析出的细小弥散碳化物的沉淀强化机制，可显著提高屈服强度100MPa以上。但钒的含量需要严格控制，若含量过高，钒的碳化物析出相会变得粗大，不但不能有效提高强度，还会使钢的韧性降低。因此，V含量的范围以0.01-0.06％为宜。
B：硼是提高钢的淬透性最有效的元素，极微量的硼(0.001％)就会产生非常明显的效果，尤其对于碳含量在0.1％以下的调质钢，可节约钼元素、提高淬透性，从而提高钢板的强度。对于40mm规格以上的厚钢板，B是必须添加的元素。但当硼含量超过0.003％时，对淬透性的作用就不明显，会在晶界析出Fe
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6，降低韧性并引起热脆。因此，B含量的范围以0.001-0.003％为宜。
Si：硅是炼钢脱氧的必要元素，在钢中有一定的固溶强化作用，但若含量太高会影响钢的韧性，并使焊接性能变差。因此，Si含量的范围以0.10-0.30％为宜。
Al：铝同硅、锰一样也是钢中的脱氧元素。铝可固定钢中的氮元素，形成AlN有效细化晶粒，提高钢的韧性；同时，固定氮可防止其与硼结合，提高钢中硼的有效含量。但若铝含量过高，会使钢水浇注困难，同时影响钢板表面质量。因此，Al含量的范围以0.02-0.05％为宜。
P、S和N：这三种杂质元素含量越低，钢质就越纯净，性能也就越好。综合炼钢成本的因素，其含量范围优选N≤0.006％，P≤0.015％，S≤0.006％；更优的是，N≤0.004％，P≤0.012％，S≤0.003％。
Pcm：裂纹敏感指数Pcm是评价钢的可焊性的一个重要指标。Pcm越低，焊接时产生冷裂纹的倾向就越小，因此所需的的焊接预热温度就会越低，可更好地保证焊接质量，同时增加生产效率、节约能源。当Pcm≤0.20时，即可实现钢板的常温无预热焊接，因此本发明钢板的Pcm≤0.20。
本发明的第二个方面提供一种高强度调质钢板，其特征在于，以重量百分比计含有：C：0.05-0.10％；Mn：1.10-1.80％；Cr：≤0.30％；Mo：0.10-0.40％；Ti≤0.03％和/或Nb≤0.03％；V：0.01-0.06％；B：0.001-0.003％；Si：0.10-0.30％；Al：0.02-0.05％；N：≤0.006％；P：≤0.015％；S：≤0.006％；其余为Fe和不可避免的杂质。
所述钢板的焊接裂纹敏感指数Pcm≤0.20。
本发明的第三个方面提供所述高强度调质钢板的制造方法，包括热轧、淬火、回火工序。
在所述热轧工序中，加热温度为1050-1250℃。
在所述淬火工序中，将钢板加热到920-950℃，以1.5-2.5min/mm保温一定时间后，离线淬火。
在所述回火工序中，在560-630℃按2.5-3.5min/mm进行回火。
本发明的有益效果：
与已有专利和现有产品及技术相比，本发明充分利用在回火的过程中，控制钒的碳化物等细小弥散析出相的沉淀强化作用，大幅提高了钢板的强度，可节约Mo等合金元素的添加量，降低钢板的合金成本。可以生产60mm以下的高强度调质厚板，具有较低的碳含量(≤0.10％)和较低的Pcm(≤0.20)，不但满足了现在工程、矿山机械等的高强度厚板需求，而且钢板具有很好焊接性能，可以实现常温无预热焊接，提高了焊接结构的生产效率和焊接质量，降低了生产成本，减少了能源浪费。
另外，本发明采用调质工艺，可以更充分地发挥组织强化，最大限度地利用水冷介质减少合金元素的含量。本发明还利用Ti、Nb的碳氮化物的晶粒细化作用，在加热过程中控制晶粒长大，配合Mo等在淬火过程中作用，在淬火时得到的马氏体-贝氏体组织更加细小，因此钢板具有很好的低温冲击韧性。同时，由于调质工艺形成的组织为细小均匀的等轴组织，所以钢板性能无各向异性，综合性能更加优异。
本发明涉及的低碳低焊接裂纹敏感性的高强度高韧性调质厚板，屈服强度700MPa乃至800MPa以上，-40℃冲击值可达47J以上，Pcm≤0.20，最大厚度规格60mm。
【具体实施方式】
以下用实施例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。
本发明实施例的化学成分见表3。
表3 本发明实施例的化学成分
C Si Mn Cr Mo Ti Nb B V Al PS N CEV Pcm
1 0.09 0.25 1.41 0.17 0.22 0.015 0.026 0.0019 0.023 0.041 0.0110.003 0.0043 0.41 0.20
2 0.06 0.21 1.39 0.24 0.36 0.021 0.025 0.0017 0.036 0.044 0.0140.002 0.0025 0.42 0.18
3 0.08 0.25 1.51 0.15 0.27 0.012 0.031 0.0015 0.015 0.037 0.0100.002 0.0033 0.42 0.20
4 0.07 0.24 1.44 0.20 0.37 0.017 0.025 0.0012 0.012 0.027 0.0090.001 0.0021 0.43 0.19
5 0.090 0.27 1.10 0.30 0.21 0.017 0.020 0.0016 0.047 0.040 0.0100.002 0.0034 0.38 0.20
6 0.080 0.25 1.25 0.40 0.28 0.014 0.029 0.0012 0.055 0.036 0.0090.003 0.0036 0.43 0.20
CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15
Pcm＝C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B
将上述实施例所得铸坯加热到1150℃保温一定时间后，热轧轧制成相应尺寸的钢板，轧制过程不用控轧。钢板冷却后在加热炉内再加热到920-950℃，保温约2倍板厚的时间后，水冷淬火快速冷却至200℃以下，然后进行530-620℃回火，回火时间约按3倍板厚进行。本发明实施例的加工工艺和性能见表4。
表4 本发明实施例的加工工艺和性能
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从本发明的实施例可以看出，在本发明的成分设计范围内，在Pcm≤0.20的条件下，钢板性能都到达到了设计要求，屈服强度为700MPa以上，实施例5、6所得钢板的屈服强度达到800MPa以上，-40℃冲击值47J以上。其中实施例4所得钢板的最大厚度达到60mm。
对本发明实施例3所得50mm钢板和实施例6所得30mm钢板进行小铁研试验，在室温条件下未发现焊接冷裂纹，说明本发明钢种的焊接性能良好，室温条件下焊接无需预热。试验结果见表5。
表5 本发明实施例3所得50mm钢板和实施例6所得30mm钢板小铁研试验结果
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