CN111748737B

CN111748737B - 一种冷裂纹敏感系数≤0.25的易焊接超高强钢及生产方法

Info

Publication number: CN111748737B
Application number: CN202010595871.8A
Authority: CN
Inventors: 何亚元; 王跃; 张扬; 徐进桥; 黄大伟; 李利巍; 王建立; 宋育来; 刘斌; 杜明
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2020-06-28
Filing date: 2020-06-28
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2040-06-28
Also published as: CN111748737A

Abstract

一种冷裂纹敏感系数≤0.25的易焊接超高强钢，其组分及wt%为：C：0.07~0.10%，Si：0.15~0.30%，Mn：1.6~2.0%，P≤0.010%，S≤0.002%，Nb：0~0.04%，Ti：0.09~0.13%，Mo+Cr：0.20%～0.35%，且Mo及Cr均不为零；生产方法：经脱硫铁水，冶炼并浇铸成坯；对铸坯加热；粗轧；精轧；冷却；卷取；回火。本发明在保证钢板屈服强度不低于822MPa，抗拉强度不低于860MPa，延伸率A50不低于18%，‑20℃低温韧性不低于78J，横纵向冷弯性能可满足D=a，180°合格的前提下，通过TMCP+超快速冷却+回火工艺细化晶粒，均匀组织，焊接性能优良，性价比高；可实现免预热焊接，内应力均匀，强韧性优异。

Description

一种冷裂纹敏感系数≤0.25的易焊接超高强钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种机械工程及商用车用钢及生产方法，具体涉及一种冷裂纹敏感系数≤0.25的易焊接超高强钢及生产方法，其特别适用于厚度在3~8mm的机械工程及商用车用钢及生产。

背景技术

超高强钢在工程机械和商用车等行业应用广泛，国内主流钢铁企业主要采用高合金化和离线淬火+回火工艺批量生产，显微组织为回火马氏体/屈氏体/索氏体类型，质量稳定，性能优异，得到了下游行业认可，也有部分钢企采用TMCP工艺生产超高强钢，对于厚规格带钢，由于传统TMCP工艺冷速不易达到临界冷速的要求，导致得不到需要的显微组织，晶粒特别是心部晶粒粗大，导致强度、韧性降低。为此，人们常常通过添加含量较高的Mo、Mn、Cr等合金元素予以实现。然而，较高的合金含量又导致冷裂纹敏感系数Pcm值较高，进而限制了其焊接性能的提升，不利于下游用户的批量应用。

经检索：

中国专利公开号为 CN101086051A 的文献，公开了《一种非调质易焊接超高强度钢及其生产方法》，该文献化学成分含量按重量的百分比为：碳0.05～0.10％，硅0.2～0.55％，锰1.0～2.2％，磷≤0.015％，硫≤0.010％，硼0.0005％～0.003％，稀土≤0.020％；铌0.02～0.06％、钒0.02～0.1％、钛0.008～0.035％中的一种或几种；铬0.2～0.6％、钼0.0～0.35％、铜0.2～0.6％、镍0.1～0.5％中的一种或几种；其工艺包括冶炼、连铸形成钢坯，钢坯加热后，分别在奥氏体再结晶区和未再结晶区轧制，控轧后冷却即成。该文献可使钢的屈服强度达到980MPa以上水平，－60℃低温冲击韧性达到100J以上，并具有低碳当量易焊接、成本低廉、工艺简单、易于大批量生产的特点，但其合金元素相对仍然较多，且还添加了Ni等贵重元素，导致成本较高。其是轧后以10~30℃/s的速度冷却至450℃以下，然后空冷至室温。

中国专利公开号为CN104328359A的文献，公开了《一种高韧性易旋压易焊接超高强度D506A钢及制备方法》，该文献的化学组成成分重量％为：C 0.32-0.38％，Cr 0.50-5.50％，Ni 0.5-3.5％，Si 0.2-2.20％，Mn 0.2-2.2％，Mo 0.05-1.50％，V 0-0.5％，Nb≤0.2％，其余为Fe及其他不可避免的杂质元素。其虽具有σb≥1800Mpa和KIC≥90MPam1/2的高韧性和超高强度的优点，同时具有优良的焊接性、旋压性和抗脱碳能力，但该文献存在昂贵化学成分多，导致成本高的问题。其后续采用锻造-退火-淬火-回火处理，工艺流程太长。

中国专利公开号为CN102433507A 的文献，公开了《一种低屈强比易焊接高强钢板及其制备工艺》。其化学组成按重量百分比为：C 0.07～0.09％，Si 0.20～0.35％，Mn 1.30～1.50％，P≤0.025％，S≤0.010％，Cr 0.25～0.45％，Nb 0.02～0.035％，B 0.0005～0.0020％，其余为Fe和不可避免的杂质。其制得的钢板成品厚度≥15mm，组织为铁素体+贝氏体，屈服强度为460～560MPa，抗拉强度为700～790MPa，断后伸长率≥14％，屈强比＜0.7。该文献随述工艺简单，焊接性能、冷弯性能及板型良好，但其厚度限定在15mm以上，对于薄板不适用，这是由于当成品厚度小于15mm时，在所述工艺下，轧后冷却过程中的板形质量差，不能满足下游用户的使用要求，另外，所述的工艺如道次变形率和总压缩比等不完全适于小于15mm钢板，易导致性能不稳定等问题。

中国专利公开号为CN102605294A 的文献，公开了《一种屈服强度800MPa级易焊接高强韧钢板及其生产工艺》，化学成分组成：C：0.04～0.07％、Si：0.15～0.35％、Mn：1.4～1.8％、P≤0.020％、S≤0.010％、Cr：0.10～0.20％、Ni：0.10～0.20％、Mo：0.15～0.25％、Nb：0.04～0.06％、Ti：0.01～0.02％、B：0.001～0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质。本其Pcm≤0.20％，采用控轧控冷工艺，制得的钢板成品厚度≥15mm，组织为贝氏体，屈服强度Rp0.2＞800MPa，抗拉强度Rm＞900MPa，断后伸长率＞14％，-40℃冲击功＞100J。其虽生产工艺简单，周期短，成本低，钢板焊接性能、冷弯性能和板型良好，可广泛用于工程机械、建筑结构、桥梁结构等领域，但限于15mm以上厚的钢板，对于薄板不适用。这是由于当成品厚度小于15mm时，在所述工艺下，轧后冷却过程中的板形质量差，不能满足下游用户的使用要求，另外，所述的工艺如道次变形率和总压缩比等不完全适于小于15mm钢板，易导致性能不稳定等问题。

中国专利公开号为CN106567011A的文献，公开了一种《适用于-60℃的易焊接高强高韧性特厚钢板》，其化学成分为C 0.05-0.10%，Si 0.2-0.3%，Mn 1.3-1.6%，Al 0.02-0.04%，Nb 0.03-0.05%，V 0.03-0.05%，Cr 0.1-0.3%，Ni 0.1-0.4%，Mo 0.1-0.3%，Cu 0.1-0.3%，Ti 0.01-0.02%，P ≤0.015%，S ≤0.002%，N≤0.007%，碳当量≤0.43，Pcm≤0.20。其虽钢板厚度为70-120mm，屈服强度460MPa及以上，-60℃下钢板1/4厚度和1/2厚度处夏比冲击功均≥100J，但该文献涉及的是中厚板，轧后需矫直-堆缓冷-淬火-回火，生产流程较长，合金中Ni、Mo等贵重元素，合金成本高。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种在保证力学性能及冷裂纹敏感系数≤0.25的前提下，无需添加昂贵元素，主要通过Ti析出强化保证钢的强度，后续仅通过回火进一步促使Ti析出，工艺流程短，生产成本较现有技术降低至少20%以上的易焊接超高强钢及生产方法。

实现上述目的的技术措施：

一种冷裂纹敏感系数≤0.25的易焊接超高强钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.07~0.10%，Si：0.15~0.30%，Mn：1.6~2.0%，P≤0.010%，S≤0.002%，Nb：0~0.04%，Ti：0.09~0.13%， Mo+Cr：0.20%～0.35%，且Mo及Cr均不为零，其余为Fe及杂质；金相组织为贝氏体。

优选地：Ti的重量百分比含量为0.09～0.11%。

优选地：Mo+Cr的重量百分比含量为0.20～0.31%。

生产一种冷裂纹敏感系数≤0.25的易焊接超高强钢的方法，其步骤：

1）经脱硫铁水，冶炼并浇铸成坯；

2）对铸坯加热：加热温度控制在1300~1320℃；控制加热温度大于1200℃后的加热时间不低于90min；总加热时间不低于170min；控制板厚方向温差不超过5℃；

3）进行粗轧，控制粗轧结束温度在1070~1100℃；累计压下率不低于70%；

4）进行精轧，控制精轧终轧温度在850~900℃；

5）进行冷却：先在冷却速度为100℃/s~150℃/s 下快速冷却至630~660℃；后在冷却冷速为20~40℃/s下层流冷却至卷取温度；

6）进行卷取，控制卷取温度在590~620℃；

7）进行回火，控制回火温度在580℃～610℃；保温时间按照：板厚值+（60～80）min，板厚单位为mm。

优选地：在冷却速度为110℃/s~145℃/s 下快速冷却至630~650℃。

优选地：卷取温度在590~605℃。

优选地：回火温度在580~600℃。

本发明中各组分及主要工艺的机理及作用

C：C是提高材料强度最廉价的元素，随着含碳量增加，硬度、强度提高，但塑韧性和焊接性能降低。综合考虑，C重量百分含量为0.07~0.10%即可。

Si：在常见的固溶元素中其仅次于P，固溶于铁素体和奥氏体中，可提高强度，Si可降低碳在铁素体中的扩散速度，使回火时析出的碳化物不易聚集，提高回火稳定性，但Si过高易产生淬火裂纹，超快冷下裂纹倾向更大。另外，加热的过程中，Si与O结合产生SiO₂，再与FeO发生一系列复杂的固相反应生成铁橄榄石Fe₂SiO4，影响表面质量，综合考虑，Si重量百分含量为0.15~0.30%为宜。

Mn：Mn能显著降低钢的Ar1温度、奥氏体的分解速度，及与Fe无限固溶能提高强度。但Mn含量若太高，会增加钢的回火脆性，导致严重的中心偏析，综合考虑，Mn重量百分含量为1.6~2.0%为宜。

Cr：Cr能提高淬透性，但过高的Cr降低加工性和焊接性，综合考虑，Cr重量百分含量为0~0.3%为宜。

Mo：Mo能够提高淬透性，但过多时，会损害加工成形性能及焊接性能，而且单价较为贵重，影响生产成本，综合考虑，Mo重量百分含量为0~0.3%为宜。

Ti：Ti与C、N元素形成耐高温的TiN和TiC粒子，起到析出强化作用，钉扎在原始奥氏体晶界，阻止奥氏体晶粒长大。焊接时TiN和TiC粒子显著阻止热影响区晶粒长大，改善焊接性能。当Ti含量较低时，析出强化和焊接性能改善作用小，当Ti含量过高时，塑性降低，且容易造成性能波动，综合考虑，Ti重量百分含量为0.09~0.13%为宜。

Nb：Nb在钢中与C、N具有极强的亲和力，形成稳定的Nb（C，N）化合物，在控制轧制过程中诱导析出，沿奥氏体晶界弥散分布，作为相变的形核质点，可有效阻止再结晶，提高铁素体形核率，对细化晶粒作用显著，综合考虑，Nb重量百分含量为0.02~0.04%为宜。

Mo+Cr：Mo+Cr超快冷较高的冷速一定程度上可降低钢板淬透性的要求，起到以水代合金的作用，且同时添加Mo、Cr的作用比单独添加的效果更好，也能节约合金成本，综合考虑，Mo+Cr重量百分含量为0.20~0.35%范围内为宜，各自也均不为零。

P、S：P及S是钢中有害的杂质元素，钢中P易在钢中形成偏析，降低钢的韧性和焊接性能，S易形成塑性硫化物，使钢板产生分层，恶化钢板性能，故P、S含量越低越好，强度越高，P、S对强度和内应力的影响越大。综合考虑，将钢的P、S含量为P≤0.010%，S≤0.002%。

本发明之所以对铸坯加热温度控制在1300~1320℃；在加热温度大于1200℃后的加热时间不低于90min，是由于钛元素在钢中必须充分固溶，否则易由于未充分固溶，在钢中形成TiN等夹杂物，显著影响性能，可能导致后续无论如何调整工艺，均不能得到所需的力学性能。另外，Ti的充分固溶将有利于Ti在后续冷却过程中充分发生析出，发挥析出强化作用。

本发明之所以先在冷却速度为100℃/s~150℃/s 下快速冷却至630~660℃；后在冷却冷速为20~40℃/s下层流冷却至卷取温度，是由于在第一段高冷速下充分细化晶粒，冷却到630~660℃促进纳米级（Nb，Ti）（C，N）在高温析出，之后冷却速度下降，可使得显微组织均匀化，减小钢板厚度方向组织应力和内应力，有利于焊接性能提升。也正因为此，本发明中可只含较少的具备细化晶粒作用的Nb元素，同时高的冷却速度可保证钢板在不含B元素的情况下，提高淬透性，进一步节约合金元素。

本发明之所以控制回火温度在580℃～610℃，是由于钢卷卷取及开卷过程中，不可避免会产生内应力，必须通过580℃～610℃回火，促使应力均匀化，有利于应用性能提升。

本发明与现有技术相比，在保证钢板屈服强度不低于822MPa，抗拉强度不低于860MPa，延伸率A50不低于18%，-20℃低温韧性不低于78J，横纵向冷弯性能可满足D=a，180°合格的前提下，通过TMCP+超快速冷却+回火工艺细化晶粒，均匀组织，焊接性能优良，性价比高；可实现免预热焊接，内应力均匀，强韧性优异。

附图说明

图1为本发明焊缝区域针状铁素体；

图2为本发明过热区贝氏体；

图3为本发明正火区铁素体+贝氏体；

图4为本发明的金相组织图（贝氏体）。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例化学成分取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例主要工艺参数取值列表；

表3为本发明各实施例及对比例性能检测及结果列表；

各实施例均按照以下步骤生产：

1）经脱硫铁水，冶炼并浇铸成坯；

4）进行精轧，控制精轧终轧温度在850~900℃；

6）进行卷取，控制卷取温度在590~620℃；

表1 本发明各实施例及对比例的化学成分列表（wt%）

表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表

续表2

表3 本发明各实施例及对比例的力学性能检测结果列表

从表3可以看出，本发明在成分更减量，工艺更短的情况下，力学性能更优，即屈服强度822MPa以上，抗拉强度860MPa以上。

以上实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims

1.一种冷裂纹敏感系数≤0.25的易焊接超高强钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.092~0.10%，Si：0.15~0.19%，Mn：1.81~2.0%，P≤0.010%，S≤0.002%，Nb：0.02~0.04%，Ti：0.09~0.13%， Mo+Cr：0.20%～0.305%，其余为Fe及杂质；金相组织为贝氏体；

所述冷裂纹敏感系数≤0.25的易焊接超高强钢的生产方法，其步骤：

1）经脱硫铁水，冶炼并浇铸成坯；

4）进行精轧，控制精轧终轧温度在850~900℃；

6）进行卷取，控制卷取温度在590~620℃；

2.如权利要求1所述的一种冷裂纹敏感系数≤0.25的易焊接超高强钢，其特征在于：Ti的重量百分比含量为0.09～0.11%。

3.生产如权利要求1所述的一种冷裂纹敏感系数≤0.25的易焊接超高强钢的方法，其步骤：

1）经脱硫铁水，冶炼并浇铸成坯；

4）进行精轧，控制精轧终轧温度在850~900℃；

6）进行卷取，控制卷取温度在590~620℃；

4.如权利要求3所述的生产一种冷裂纹敏感系数≤0.25的易焊接超高强钢的方法，其特征在于：在冷却速度为110℃/s~145℃/s 下快速冷却至630~650℃。

5.如权利要求3所述的生产一种冷裂纹敏感系数≤0.25的易焊接超高强钢的方法，其特征在于：卷取温度在590~605℃。