强韧性、强塑性的钢板及其制造方法.pdf

本发明提供一种HT780钢板及其制造方法。该HT780钢板包含(重量百分比)C：0.050％～0.090％，Si：≤0.15％，Mn：1.00％～1.50％，P：≤0.013％，S：≤0.003％，Cr：0.40％～0.80％，Cu：0.25％～0.55％，Ni：0.40％～0.90％，Mo：0.25％～0.55％，Als：0.040％～0.060％，Ti：0.005％～0.011％，V：0.015％～0.045％，N：≤0.0040％，Ca：0.001％～0.005％，B：0.0006％～0.0013％，其余为铁和不可避免的夹杂物。通过该组分设计与工艺可得优异的低温韧性、高强度、高延伸率和优异的焊接性。

1、  一种HT780钢板，其特征在于，其质量百分比组成为：
C：     0.050％～0.090％
Si：    ≤0.15％
Mn：    1.00％～1.50％
P：     ≤0.013％
S：     ≤0.003％
Cr：    0.40％～0.80％
Cu：    0.25％～0.55％
Ni：    0.40％～0.90％
Mo：    0.25％～0.55％
Als：   0.040％～0.060％
Ti：    0.005％～0.011％
V：     0.015％～0.045％
N：     ≤0.0040％
Ca：    0.001％～0.005％
B：     0.0006％～0.0013％
其余为铁和不可避免的夹杂物，其中C与Mn之间的关系：10≤Mn/C≤30；Als、Ti与N之间的关系：Als≥(Mn/C)×(N_total-0.292Ti)；B、Ti、N之间的关系：5ppm+0.714(N-0.292Ti)≤B≤12ppm+0.714(N-0.292Ti)；Cu与Ni之间的关系：Ni/Cu≥1.5；Ca与S之间的关系：0.80≤Ca/S≤3.0；F×DI≥2×t，其中F为硼钢淬透性因子，当钢中存在固溶[B]时，F取1.3；t为成品钢板厚度；DI＝0.311C^1/2(1+0.64Si)×(1+4.10Mn)×(1+0.27Cu)×(1+0.52Ni)×(1+2.33Cr)×(1+3.14Mo)×25.4(mm)。

2、  权利要求1所述HT780钢板的制造方法，包括以下步骤：冶炼、铸造、普通轧制、再结晶控制轧制、淬火、回火，其特征在于，所述铸造工艺采用高温浇铸，连铸中间包浇注过热度ΔT≥25℃，浇注温度T＝TL+ΔT，其中TL＝1538-(55×[％C]+80×[％C]2+13×[％Si]+4.8×[％Mn]+1.5×[％Cr]+3.1×[％Ni])。

3、  如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述铸造工艺采用轻压下技术，轻压下率为3％～6％。

4、  如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述再结晶控制轧制的控轧开轧温度≤950℃，轧制道次压下率≥8％，再结晶区(≥800℃)累计压下率≥50％，终轧温度850℃～900℃。

5、  如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述淬火温度为900～930℃，淬火保持时间≥20min。

6、  如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述回火温度为590～650℃，回火保持时间≥(1.0～1.5)×成品钢板厚度。

强韧性、强塑性的钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种HT780钢板及其制造方法，具体地说，本发明涉及一种具有优良强韧性、强塑性匹配的HT780钢板及其制造方法。
背景技术
众所周知，低碳(高强度)低合金钢是最重要的工程结构材料之一，广泛应用于石油天然气管线、海洋平台、造船、桥梁结构、锅炉容器、建筑结构、汽车工业、铁路运输及机械制造中。低碳(高强度)低合金钢的性能取决于其化学成分和制造工艺，其最重要的性能——强度、韧性和焊接性——最终取决于成品钢材的显微组织状态。随着科技的不断发展，人们对高强钢的强韧性、强塑性匹配提出更高的要求，即在维持较低的制造成本的同时，希望大幅提高钢板的综合机械性能和使用性能，以减少钢材的用量，节约成本，减轻钢结构的自身重量，提高稳定性和安全性，更为重要的是进一步提高钢结构的安全稳定性和冷热加工性。
传统的屈服强度大于800MPa的厚钢板主要通过淬火加回火(DQT或QT)，即所谓调质方法来生产，这要求钢板必需具有足够高的淬透性，即淬透性指数DI≥2×成品钢板厚度〖DI＝0.311C^1/2(1+0.64Si)×(1+4.10Mn)×(1+0.27Cu)×(1+0.52Ni)×(1+2.33Cr)×(1+3.14Mo)×25.4(mm)〗，以确保钢板具有足够高的强度、优良的低温韧性及沿钢板厚度方向均匀的显微组织与性能。因此，必须向钢中加入大量Cr、Mo、Ni、Cu等合金元素，Mo和Cr的含量一般要控制为≥0.50％，特别地，贵重元素Ni的含量要控制为≥1.00％(昭59-129724、平1-219121)。这不仅是因为Ni元素能提高钢板的强度和淬透性，降低相变温度细化贝氏体/马氏体板条团晶粒尺寸；更重要的是，Ni是唯一能够改善贝氏体/马氏体板条本身低温韧性的元素。这样，钢板的合金含量较高，碳当量Ceq和焊接冷裂纹敏感指数Pcm也较高，这给现场焊接带来较大的困难，焊前需要预热，焊后需要热处理，焊接的成本升高、效率降低、现场工作环境恶化。虽然这种调质工艺生产钢板的强度、低温韧性及延伸率等技术指标能够满足用户的要求，但这种钢板的延伸率偏低(δ₅≤20％)，不仅不利于钢板的冷热加工性能，而且对钢板的抗疲劳性能、抗应力集中敏感性及结构稳定性影响较大，在水电工程中的压力水管和涡壳、火电汽轮发电机及海洋采油平台结构等疲劳重载结构上使用时，存在较大的安全隐患。
大型疲劳重载钢结构采用高强钢时，一般希望高强钢具有优良的强韧性、强塑性匹配，尤其抗拉延伸率δ₅≥20％。目前日韩欧盟范围内掀起了发展新一代高性能钢铁材料的研究高潮，力图通过合金组合设优化计和革新制造工艺技术获得更好的组织匹配，使高强钢获得更优良的强韧性、强塑性匹配。然而，现有的大量专利文献只是说明如何实现母材钢板的强度和低温韧性，就改善钢板焊接能性，获得优良焊接热影响区HAZ低温韧性的说明较少，更没有文献涉及如何在提高钢板抗拉强度的同时，提高钢板的抗拉延伸率(昭63-93845、昭63-79921、昭60-258410、特平开4-285119、特平开4-308035、平3-264614、平2-250917、平4-143246、美国专利US 4855106、US 5183198、US 4137104)。
因此，本发明的目的在于提供一种具有均匀优良的强韧性、强塑性匹配的HT780钢板，这种钢板特别适用于水电压力水管和涡壳、火电汽轮发电机及海洋采油平台结构等方面。
发明内容
本发明提供一种HT780钢板，其特征在于，包括以下质量百分比的组成：
C：     0.050％～0.090％
Si：    ≤0.15％
Mn：    1.00％～1.50％
P：     ≤0.013％
S：     ≤0.003％
Cr：    0.40％～0.80％
Cu：    0.25％～0.55％
Ni：    0.40％～0.90％
Mo：    0.25％～0.55％
Als：   0.040％～0.060％
Ti：    0.005％～0.011％
V：     0.015％～0.045％
N：     ≤0.0040％
Ca：    0.001％～0.005％
B：     0.0006％～0.0013％
其余为铁和不可避免的夹杂物。
C与Mn之间的关系：10≤Mn/C≤30；
Als、Ti与N之间的关系：Als≥(Mn/C)×(N_total-0.292Ti)；
B、Ti、N之间的关系：5ppm+0.714(N-0.292Ti)≤B≤12ppm+0.714(N-0.292Ti)；
Cu与Ni之间的关系：Ni/Cu≥1.5；
Ca与S之间的关系：0.80≤Ca/S≤3.0；
F×DI≥2×t，其中F为硼钢淬透性因子，当钢中存在固溶[B]时，F取1.3；t为成品钢板厚度；DI＝0.311C^1/2(1+0.64Si)×(1+4.10Mn)×(1+0.27Cu)×(1+0.52Ni)×(1+2.33Cr)×(1+3.14Mo)×25.4(mm)。
C对调质钢的强度、低温韧性、延伸率及焊接性影响很大，从改善调质钢的低温韧性、延伸率和焊接性的角度，希望钢中C含量较低；但是从调质钢的强度、延伸率、生产制造过程中显微组织控制及制造成本的角度，C含量不宜过低。当C含量较高时，虽然有利于提高钢板强度，但会损害钢板的低温韧性、延伸率及焊接性，因此C含量不宜过高。综合上述分析，C含量范围选择0.050～0.090％。
Mn作为最重要的合金元素，除可提高钢板的强度外，还具有扩大奥氏体相区、降低Ar₃点温度、细化调质钢板晶团而改善钢板低温韧性、促进低温相变组织形成而提高钢板强度的作用。但是Mn在钢水凝固过程中容易发生偏析，尤其Mn含量较高时，不仅会造成浇铸操作困难，且容易与C、P、S等元素发生共轭偏析现象。若钢中C含量较高，还会加重铸坯中心部位的偏析与疏松。严重的铸坯中心区域偏析在后续的轧制和焊接过程中易形成异常组织，导致调质钢板低温韧性和延伸率低下。因此，根据C含量范围，选择适宜的Mn含量范围对于高强度调质钢板极其必要。根据本发明钢成分体系及C含量范围选择0.06％～0.09％，Mn含量范围选择1.00％～1.50％，且C含量高时，Mn含量适当降低；C含量低时，Mn含量适当提高。
Si能促进钢水脱氧并提高钢板强度，但对于采用Al脱氧的钢水，Si的脱氧作用不大。Si虽然能够提高钢板的强度，但会严重损害钢板的低温韧性、延伸率及焊接性，尤其在较大线能量焊接条件下，Si不仅促进M-A岛形成，而且形成的M-A岛尺寸较为粗大、分布不均匀，严重损害焊接热影响区(HAZ)的韧性，因此钢中的Si含量应尽可能控制得低。考虑到炼钢过程的经济性和可操作性，Si含量范围选择0.15％以下。
P作为钢中有害夹杂，对钢的机械性能，尤其是低温冲击韧性、延伸率及焊接性具有巨大的损害作用，理论上要求越低越好。考虑到炼钢可操作性和炼钢成本，对于要求优良焊接性、-40℃韧性的高强度调质钢板，P含量范围选择≤0.013％。
S作为钢中有害夹杂，对钢的低温韧性具有很大的损害作用，更重要的是，S在钢中与Mn结合，形成MnS夹杂物，在热轧过程中，MnS的可塑性使MnS沿轧向延伸，形成沿轧向MnS夹杂物带，严重损害钢板的低温冲击韧性、延伸率、Z向性能及焊接性；同时S还是热轧过程中产生热脆性的主要元素，理论上要求越低越好。考虑到炼钢可操作性、炼钢成本和物流顺畅原则，对于要求优良焊接性、-40℃韧性及高延伸率的高强度调质钢板，S含量范围选择≤0.003％。
Cr作为弱碳化物形成元素，添加Cr不仅可提高钢板的淬透性、促进马氏体/贝氏体形成，而且马氏体/贝氏体板条间位向差增大，增大裂纹穿过马氏体/贝氏体晶团的阻力，在提高钢板强度的同时，具有一定的改善钢板韧性的作用；但是当Cr添加量超过0.80％时，会严重损害钢板的焊接性。因此Cr含量范围选择0.40％～0.80％。
添加Mo可提高钢板的淬透性，促进马氏体/贝氏体形成；但是Mo作为强碳化物形成元素，在促进马氏体/贝氏体形成的同时，会增大马氏体/贝氏体晶团的尺寸，且形成的马氏体/贝氏体板条间位向差很小，减小裂纹穿过马氏体/贝氏体晶团的阻力。因此，Mo在大幅度提高调质钢板强度的同时，降低了调质钢板的低温韧性和延伸率，并且当Mo添加量超过0.55％时，不仅严重损害钢板的延伸率及焊接性，而且增加钢板的生产成本。因此，综合考虑Mo的相变强化作用及对母材钢板低温韧性、延伸率和焊接性的影响，Mo含量范围选择0.25％～0.55％。
添加Ni不仅可以提高铁素体相中位错可动性，促进位错交滑移，而且会增大马氏体/贝氏体板条间取向差。Ni作为奥氏体稳定化元素，可降低Ar₃点温度，细化马氏体/贝氏体晶团尺寸，因此Ni具有同时提高调质钢板强度、延伸率和低温韧性的功能。钢中加Ni还可以降低含铜钢的铜脆现象，减轻热轧过程的晶间开裂，提高钢板的耐大气腐蚀性。所以从理论上讲，钢中Ni含量在一定范围内越高越好，但是过高的Ni含量会硬化焊接热影响区，对钢的焊接性不利；同时Ni是一种很贵重元素。从性能价格比考虑，Ni含量范围选择0.40％～0.90％，以确保钢板的淬透性和钢板的强韧性水平而不损害钢板的焊接性。
Cu也是奥氏体稳定化元素，添加Cu也可以降低Ar₃点温度，提高钢板的淬透性和钢板的耐大气腐蚀性，但是Cu添加量过多，高于0.50％，容易造成铜脆、铸坯表面质量裂纹及内裂问题；Cu添加量过少，低于0.10％，所起作用很小。因此Cu含量范围选择0.10％～0.50％。Cu、Ni复合添加，除降低含铜钢的铜脆现象、减轻热轧过程的晶间开裂作用外，更重要的是Cu、Ni均为奥氏体稳定化元素，Cu、Ni复合添加可以大幅度降低Ar₃，提高奥氏体向铁素体相变的驱动力，导致马氏体/贝氏体板条可以向各个位向长大，使马氏体/贝氏体板条间位向差变大，增加裂纹穿过马氏体/贝氏体晶团的阻力。
B含量范围选择0.0006％～0.0013％，在确保钢板淬透性的同时，不损害钢板的焊接性和HAZ韧性。
Ti含量范围选择0.005％～0.011％，抑制均热和热轧过程中奥氏体晶粒长大，改善钢板低温韧性，更重要的是抑制焊接过程中HAZ晶粒长大，改善HAZ韧性。Ti含量超过0.011％时，形成的TiN粒子不仅较多而且较为粗大，具有促进铁素体形成，严重影响钢板中心部位的淬透性。
钢中的Als能够固定钢中的自由[N]，降低焊接热影响区(HAZ)自由[N]，改善焊接HAZ的低温韧性作用，因此Als下限控制在0.040％；但是钢中加入过量的Als不但会造成浇铸困难，而且会在钢中形成大量弥散的针状Al₂O₃夹杂物，损害钢板内质健全性、低温韧性和焊接性，因此Als上限控制在0.060％。
N的控制范围与Ti的控制范围相对应，对于超大线能量焊接钢板，N含量过低，生成TiN粒子数量少、尺寸大，不能起到改善钢的焊接性的作用，反而对焊接性有害；但是N含量过高时，钢中自由[N]增加，热影响区(HAZ)自由[N]含量增加，严重损害HAZ低温韧性，恶化钢的焊接性。因此。N含量范围选择0.0040％以下。
V含量范围选择0.015％～0.045％，并随着钢板厚度的增加，V含量可适当取上限值。添加V目的是通过V(C，N)在贝氏体/马氏体板条中析出，提高钢板的强度。V含量低于0.015％，析出的V(C，N)太少，不能有效提高钢板的强度；V含量高于0.045％，损害钢板低温韧性、延伸率和焊接性。
对钢进行Ca处理，一方面可以进一步纯洁钢液，另一方面对钢中硫化物进行变性处理，使之变成不可变形的、稳定细小的球状硫化物、抑制S的热脆性、提高钢的低温韧性、延伸率及Z向性能、改善钢板韧性的各向异性。Ca加入量的多少，取决于钢中S含量的高低，Ca加入量过低，处理效果不大；Ca加入量过高，形成Ca(O，S)尺寸过大，脆性也增大，可成为断裂裂纹起始点，降低钢的低温韧性和延伸率，同时还降低钢质纯净度、污染钢液。一般控制Ca含量按ESSP＝(wt％Ca)[1-1.24(wt％O)]/1.25(wt％S)，其中ESSP为硫化物夹杂形状控制指数，取值范围0.5～5之间为宜，因此Ca含量范围选择0.0010％～0.0050％。
本发明还提供该钢板的制造方法，包括以下步骤：冶炼、铸造、普通轧制、再结晶控制轧制、淬火、回火。
所述铸造工艺采用高温浇铸，连铸中间包浇注过热度ΔT≥25℃，浇注温度T＝T_L+ΔT，其中T_L＝1538-(55×[％C]+80×[％C]²+13×[％Si]+4.8×[％Mn]+1.5×[％Cr]+3.1×[％Ni])，采用轻压下技术，轻压下率为3％～6％以改善铸坯内部的偏析。
所述普通轧制采用8-20％道次压下率进行连续轧制，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒。
所述再结晶控制轧制的控轧开轧温度≤950℃，轧制道次压下率≥8％，再结晶区(≥800℃)累计压下率≥50％，终轧温度850℃～900℃。
对板厚≥30mm的钢板，钢板从停冷结束到入缓冷坑保温之间的间隔时间不大于60min，保温工艺为钢板温度表面大于300℃的条件下至少保温24小时。
所述淬火温度(板温)为900～930℃，淬火保持时间≥20min，淬火保持时间为钢板中心温度达到淬火目标温度时开始计时的保温时间。
所述回火温度(板温)为590～650℃，钢板较薄时回火温度偏上限、钢板较厚时回火温度偏下限，回火保持时间≥(1.0～1.5)×成品钢板厚度，回火保持时间为钢板中心温度达到回火目标温度时开始计时的保温时间，回火结束后钢板自然空冷至室温。
有益效果
本发明采用低C-高Mn-低N-(Ti+V+B)微合金钢的成分体系作为基础，适当提高钢中酸溶Als含量且Als≥(Mn/C)×(N_total-0.292Ti)、控制Mn/C比在10～30之间、(Cu+Ni+Mo+Cr)合金化且Ni/Cu≥1.5、Ca处理且Ca/S比在0.80～3.00之间、控制F×DI指数≥2×成品钢板厚度等冶金技术手段，优化再结晶控轧+调质工艺(Q+T)，使成品钢板的显微组织为细小回火马氏体+回火下贝氏体(可能含有极少量的铁素体)，平均晶团尺寸在20μm以下。通过钢板合金元素的组合设计与特殊调质工艺(RCR+QT)相结合，在获得优异的母材钢板低温韧性、高强度(抗拉强度≥780MPa)、高延伸率(δ₅≥25％)的同时，钢板的焊接性也同样优异，并且成功地解决了高强度调质钢板的强度与延伸率在成分设计和工艺设计上相互冲突、很难调和的问题，同时提高了钢结构的安全稳定性、抗疲劳性能以及良好的焊接性，减少了用户钢构件制造的成本，缩短了用户钢构件制造的时间，为用户创造了巨大的价值。
本发明钢板是汽轮发电机关键部件弹簧板用材料，也是汽轮发电机对材料性能要求最高的钢板，目前国内各大钢厂(除宝钢以外)都不能生产，国内三大电机集团(哈电、上电及东电)所需弹簧板专用厚钢板均从日本进口；不仅钢板进口价格昂贵，而且交货期无法保证，迫使用户在设计图纸出来前，提前订购具有一定尺寸余量钢板，以便设计图纸出来后，根据设计图纸要求的钢板尺寸要求裁剪钢板，导致材料巨大的浪费。随着我国国民经济发展，建设节约型和谐社会的要求，电力工业的跨越性已摆到议事日程，目前我国电力工程建设方兴未艾，汽轮发电机关键部件——弹簧板用厚钢板具有广阔的市场前景。弹簧板用厚钢板对于我国还属于一种全新的钢种，除宝钢以外，国内其它钢铁企业从未研究和生产过。目前首批150吨弹簧板用钢板已发往哈电集团，用户反应钢板性能实绩已超过日本同类产品的水平，这批钢板将用于制作世界单机容量70万千瓦汽轮发电机机组的弹簧板构件。
附图说明
图1显示本发明钢2的显微组织。
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。
实施例成分见表1，制造工艺之一见表2，制造工艺之二见表3，钢板性能见表4。