一种近表超细晶超低碳微合金高强钢宽厚板及其制法.pdf

本发明公开了一种近表超细晶超低碳微合金高强钢宽厚板及其制法，化学成分按重量百分比计，C：0.03～0.10%，Si：0.05～0.30%，Mn：0.80～2.0%，P：≤0.010%，S：≤0.010%，Alt：0.020~0.060%，Nb：0.010～0.050%，V：0.002～0.050%，Ti：0.002～0.030%，其他合金元素按重量百分比计还含有Ni：0.9%以下，Cr：0.50%以下，Cu：0.5%以下，Mo：0.5%以下，B：0.005%以下之中至少一种元素，余量为Fe及不可避免的杂质。采用TMCP工艺轧制。将中间坯近表加速冷却至Ar3以下，靠中间坯心部热量将近表重新返温至Ac3附近，通过近表奥氏体再结晶或部分再结晶进一步细化近表奥氏体晶粒，轧制后加速冷却，从而获得近表超细晶组织。本发明近表原始奥氏体晶粒尺寸细小，对钢板断裂韧性和疲劳性能的提高尤为有利。

权利要求书
1.  一种近表超细晶超低碳微合金高强钢宽厚板，其特征在于：该低合金高强宽厚板钢的化学成分按重量百分比计，C：0.03～0.10%，Si：0.05～0.30%，Mn：0.80～2.0%，P：≤0.015%，S：≤0.0020%，Alt：0.020~0.060%，Nb：0.010～0.050%，V：0.002～0.050%，Ti：0.002～0.030%，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.  根据权利要求1所述的近表超细晶超低碳微合金高强钢宽厚板，其特征在于：该低合金高强宽厚板钢按重量百分比计还含有Ni：0.9%以下、Cr：0.50%以下、Cu：0.5%以下、Mo：0.5%以下、B：0.005%以下之中至少一种元素。

3.  一种权利要求1所述的近表超细晶超低碳微合金高强钢宽厚板的制法，其特征在于：连铸坯加热温度介于1100℃～1250℃，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，在再结晶温度1000～1100℃的温度范围内完成粗轧，轧成1.4～4.5倍成品厚度的中间坯；再结晶区轧制完成之后中间坯加速冷却至Ar3以下，依靠钢板心部热量升温至Ac3点±30℃待温2~15min，使钢板近表附近重新奥氏体化或部分奥氏体化，进一步细化再结晶后奥氏体晶粒，待温度稳定至设定开轧温度760~850，进行累积压下率为45%以上的轧制；钢板轧后以4℃/s以上的平均冷速从Ar3点以上温度冷却至500℃以下。

4.  根据权利要求3所述的近表超细晶超低碳微合金高强钢宽厚板的制法，其特征在于：所述中间坯以10~60℃/s的冷速加速冷却至Ar3以下。

说明书一种近表超细晶超低碳微合金高强钢宽厚板及其制法
技术领域
本发明属于冶金领域，涉及一种超低碳微合金高强钢宽厚板及其制法，具体地说是一种以提高钢板断裂韧性和疲劳性能为目的近表超细晶超低碳微合金高强钢宽厚板及其制法。
背景技术
目前大型造船业，海洋工程，桥梁、大口径石油、天然气运输管线、大型压力容器和储罐、重型建筑结构、工程机械的技术进步和对宽厚板旺盛的需求，拉动了低碳微合金高强度宽厚板的技术进步。目前高强度宽厚板产品通常采用传统TMCP+ACC的工艺路线，大部分TMCP态钢板浇水后会在钢板近表产生1～5mm的以粒状贝氏体为主的激冷层，粒状贝氏体对强度贡献很大，但极大的损害了钢板的低温韧性、断裂韧性以及钢板疲劳性能，尤其在厚板中该现象尤为严重。通常厚板交货时只检验1/4处冲击韧性，而激冷层恰好避过检测位置而未暴露出问题，存在这种问题的钢板断裂韧性以及疲劳性能较差，在重型建筑、大跨桥梁、大型船舶以及压力容器等重要结构件的使用过程中埋下了安全隐患。
通常来说，工程材料一般通过综合强化效应达到较好的综合力学性能，具体方法有细晶强化、固溶强化、析出强化、位错强化和第二相强化等。在各种强化机制中，细晶强化是同时提高钢板强度和韧性的唯一方式。
为了降低制造成本，实现轻量化建设，在提高钢材的强度的同时得到强韧性匹配良好的钢材，需要合理的利用合金化，重点通过轧制工艺细化晶粒，使钢材获得理想的组织形态，实现高强高韧目标。
现有的涉及近表超细晶超低碳微合金高强钢宽厚板及其制法，主要是通过控轧控冷或热处理方法获得高强度钢板，具体生产方法如下：
中国专利CN200710046298.X提供了一种屈服强度420MPa级超细晶钢板及其制造方法，其化学元素重量百分配比为：C：0.06～0.09，Si：0.30～0.60，Mn：1.00～1.30，P≤0.015，S≤0.010，Ti：0.01～0.02，其余为Fe和不可避免杂质。其超细晶钢板制造方法的主要技术特征为：连铸坯或钢锭加热至970～1050℃，钢坯轧后冷却至780～820℃，在辊道上待温至720～780℃开始第二阶段轧制，终轧温度为700～760℃，轧后钢板冷却至440～480℃，钢板出水后空冷。其发明铸坯 加热温度低、二阶段开轧、终轧温度低，不适于宽厚板产品开发生产。
中国专利CN200910075646.5提供了高强度高塑性超细晶铁素体和纳米碳化物低碳钢制备方法，其所述方法是将商用14MnNb低碳钢铸锭在奥氏体单相区热轧后直接喷水淬火，再重新加热至奥氏体+铁素体两相区进行喷水淬火，然后再加热至Ac1以下温度进行轧制，空冷到室温，获得高强度高塑性超细晶铁素体和纳米碳化物低碳钢板材。其发明工艺复杂、加热温度控制点多、生产周期长，不适合工业化生产。
中国专利CN201010276597.4提供了屈服强度大于550MPa超细晶普碳钢板及其制造方法，其发明钢板化学成分为C：0.14％～0.18％，Si：1.0％～1.5％，Mn：1.5％～1.8％，P≤0.01％，S≤0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质。制造方法：将铸坯加热至1000～1100℃保温1～2h后，轧制成热轧板坯，冷却至室温；将冷却后的热轧板坯加热至500～600℃保温1～2h后，进行多道次轧制，累计压下量为>60％，随后于600℃保温1h取出空冷至室温，获得温轧板坯；温轧板坯经冷轧后，以≥10℃/s的速度加热至奥氏体低温区900～950℃，保温1～5s后，以≥5℃/s的冷却速度冷却至700～800℃，随即连续轧制，总压下量为50％～70％，随即冷却至室温。其发明工艺复杂、加热温度控制点多、生产周期长，不适合工业化生产。
中国专利CN201310508577.9提供了低合金钢厚板/特厚板表层超细晶的制造方法，其发明涉及一种低合金钢板的制造方法，具体如下：1.均匀加热板坯30～60min后出炉；2.将中间坯的表层温度以≥10℃/s降至350～550℃，等待返红；3.待中间坯表层温度返红至850～960℃时，进行多道次轧制，在轧制道次间将板坯表层温度以10～80℃/s快速降至Ar1以下，等待返红后进行下一道次轧制，终轧温度780～850℃。其中，在精轧道次间将板坯表层温度以10～80℃/s快速降至Ar1以下工艺实现困难、影响轧钢节奏，且钢板温度较低对轧机设备能力要求较高，不易组织生产。
发明内容
鉴于以上现有技术的不足，本发明的目的是提供一种近表超细晶超低碳微合金高强钢宽厚板及其制法，该方法综合考虑到超低碳微合金高强钢宽厚板的高强韧性匹配，提高了钢板断裂韧性和疲劳性能。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种近表超细晶超低碳微合金高强钢宽厚板，其特征在于：该低合金高强宽厚板钢的化学成分按重量百分比计，C：0.03～0.10％，Si：0.05～0.30％，Mn：0.80～2.0％，P：≤0.015％，S：≤0.0020％，Alt：0.020～0.060％，Nb：0.010～0.050％，V：0.002～0.050％，Ti：0.002～0.030％，余量为Fe及不可避免的杂质。
进一步，该低合金高强宽厚板钢按重量百分比计还含有Ni：0.9％以下、Cr：0.50％以下、Cu：0.5％以下、Mo：0.5％以下、B：0.005％以下之中至少一种元素。
一种近表超细晶超低碳微合金高强钢宽厚板的制法，其特征在于：连铸坯加热温度介于1100℃～1250℃，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，在再结晶温度1000～1100℃的温度范围内完成粗轧，轧成1.4～4.5倍成品厚度的中间坯；再结晶区轧制完成之后中间坯加速冷却至Ar3以下，依靠钢板心部热量升温至Ac3点±30℃待温2～15min，使钢板近表附近重新奥氏体化或部分奥氏体化，进一步细化再结晶后奥氏体晶粒，待温度稳定至设定开轧温度760～850，进行累积压下率为45％以上的轧制；钢板轧后以4℃/s以上的平均冷速从Ar3点以上温度冷却至500℃以下。
进一步，所述中间坯以10～60℃/s的冷速加速冷却至Ar3以下。
本发明通过合理的低碳、低Ceq设计，低硫磷冶炼工艺，加入适量的Mn配合Ni、Cr、Mo、Cu、B等合金元素各自添加或任意组合等方式，并辅以Al、Nb、V、Ti等微量元素，在适当发挥固溶强化、析出强化和相变强化作用的同时重点依靠细晶强化方式提高宽厚板强度，同时提高宽厚板韧性。
通过优化的合金元素组合控制相变组织，合理的坯料设计控制两阶段轧制变形压下量；采用严格的坯料加热制度，控制铸坯晶粒尺寸；采用一阶段轧制时尽量采用大压下工艺，控制再结晶奥氏体晶粒尺寸；采用超快冷或ACC设备加速冷却中间坯，通过钢板近表返温过程的再结晶或部分再结晶进一步控制奥氏体晶粒；配合精轧阶段压下制度，使奥氏体晶粒扁平化以及引进大量的位错结构为针状铁素体形核提供足量的形核质点；在第二阶段轧制的同时，由于中间坯加速冷却，使钢板近表发生再结晶或部分再结晶，导致钢板由近表到心部产生强度差或温度差，在精轧过程中，轧制变形更易渗透到钢板心部；最后通过超快冷或ACC设备控制钢板平均冷速和返红温度，控制相变组织类型和尺寸，最终得到钢板板厚方向性能均匀的近表超细晶超低碳微合金高强钢宽厚板。
本发明通过简单的成分控制，利用TMCP技术获得了一种板厚方向性能均匀的近表超细晶超低碳微合金高强钢宽厚板。钢板近表附近为针状铁素体和板条贝氏体的混合组织、钢板1/4和1/2处为针状铁素体+低碳粒状贝氏体或铁素体+珠光体组织，近表附近至心部原奥氏体晶粒以及铁素体基体晶粒尺寸细小，均匀。
本发明钢板强韧性良好，具有优良的冷弯成型性能、低温韧性优异、尤其断裂韧性和疲劳性能优异。通过本发明获得的近表超细晶超低碳微合金高强钢宽厚板：材料的屈服强度为370～680MPa，抗拉强度为510～780MPa，延伸率为20～25％，-40℃低温冲击≥200J，NDT温度≤-40℃。具有生产工艺稳定，可操作性强，以及低成本、高性能等特点。
附图说明
图1为本发明实施例2中80mm厚近表超细晶超低碳微合金高强钢宽厚板近表金相组织形貌，图中为针状铁素体+板条贝氏体的混合组织。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述，但不局限于下述实施例。实施例中近表超细晶超低碳微合金高强钢宽厚板化学成分如表1所示，近表超细晶超低碳微合金高强钢宽厚板轧制工艺如表2所示，近表超细晶超低碳微合金高强钢宽厚板力学性能、NDT温度如表3所示。
实施例1
目标钢种中各元素的质量分数如表1中A所示，轧制工艺如表2中a工艺进行轧制，常规力学性能以及NDT温度如表3中实施例1所示。
实施例2
目标钢种中各元素的质量分数如表1中A所示，轧制工艺如表2中b工艺进行轧制，常规力学性能以及NDT温度如表3中实施例2所示。
实施例3
目标钢种中各元素的质量分数如表1中B所示，轧制工艺如表2中c工艺进行轧制，常规力学性能以及NDT温度如表3中实施例3所示。
实施例4
目标钢种中各元素的质量分数如表1中B所示，轧制工艺如表2中d工艺进行轧制，常规力学性能以及NDT温度如表3中实施例4所示。
实施例5
目标钢种中各元素的质量分数如表1中C所示，轧制工艺如表2中e工艺进行轧制，常规力学性能以及NDT温度如表3中实施例5所示。
实施例6
目标钢种中各元素的质量分数如表1中C所示，轧制工艺如表2中f工艺进行轧制，常规力学性能以及NDT温度如表3中实施例6所示。
实施例7
目标钢种中各元素的质量分数如表1中D所示，轧制工艺如表2中g工艺进行轧制，常规力学性能以及NDT温度如表3中实施例7所示。
实施例8
目标钢种中各元素的质量分数如表1中D所示，轧制工艺如表2中h工艺进行轧制，常规力学性能以及NDT温度如表3中实施例8所示。
实施例9
目标钢种中各元素的质量分数如表1中E所示，轧制工艺如表2中i工艺进行轧制，常规力学性能以及NDT温度如表3中实施例9所示。
实施例10
目标钢种中各元素的质量分数如表1中E所示，轧制工艺如表2中j工艺进行轧制，常规力学性能以及NDT温度如表3中实施例10所示。
由实施例可知，本发明C含量、Ceq以及合金元素含量低，焊接性能良好
表1

表2


表3

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明的保护范围。