CN103757538B

CN103757538B - 高Ti700MPa级工程机械用宽厚钢板及生产方法

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Publication number: CN103757538B
Application number: CN201310741740.6A
Authority: CN
Inventors: 邹扬; 张苏渊; 顾林豪; 刘春明; 王全礼; 隋鹤龙; 姜中行; 刘建明; 宋欣; 王根矶
Original assignee: Shougang Corp
Current assignee: Shougang Group Co Ltd
Priority date: 2013-12-28
Filing date: 2013-12-28
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2033-12-28
Also published as: CN103757538A

Abstract

一种高Ti700MPa级工程机械用宽厚钢板及生产方法，属于高强度焊接结构钢技术领域。钢板化学成分重量百分数为：C：0.04～0.09%，Si：0.05～0.40%，Mn：1.80～2.30%，P：≤0.013%，S：≤0.003%，Ti：0.06～0.13%，N：≤0.0050%；余量为Fe及不可避免的杂质。通过精确控制Ti含量，结合热机械轧制及在线超快速冷却技术，无需通过后续热处理，获得优异的力学性能的700MPa级别10‑40mm宽厚钢板，其屈服强度为586MPa～610MPa，抗拉强度为707MPa～735MPa，延伸率＞18%，‑20℃冲击功≥220J，‑60℃冲击功≥170J。同时钢板具有良好的焊接性能；并且，生产流程短，生产成本低，绿色环保。

Description

高Ti700MPa级工程机械用宽厚钢板及生产方法

技术领域

本专利属于高强度焊接结构钢技术领域，特别是涉及一种高Ti700MPa级工程机械用宽厚钢板及生产方法。

背景技术

在工程机械和钢结构领域，近年来对低屈强比的高强度钢板需求量逐渐增加，同时对钢板的焊接性能、冷加工性能等提出了更高的要求。

Ti是低合金高强度钢中的重要微合金元素之一。根据添加的Ti含量一般分为三类：微Ti含量（0.010%-0.020%），中等Ti含量（0.020%-0.040%），高Ti含量（0.040%-0.15%）。

微Ti含量重要用于钢的微Ti处理工艺，对于改善钢坯质量，限制加热过程奥氏体晶粒长大，改善低温韧性等方面具有良好的作用。

中等Ti含量主要用于优化焊接过程中TiN的析出物的尺寸和分布，改善焊接热影响区低温韧性。

高Ti含量主要通过TiC粒子和Ti(C,N)粒子在不同阶段的沉淀析出改善钢板的组织和性能。具体可以表现为：（1）加热过程高温奥氏体化时稳定的TiN和Ti(C,N)粒子，抑制奥氏体的过分长大；（2）高温轧制过程中TiC和Ti(C,N)粒子的形变诱导析出，细化奥氏体再结晶晶粒，在相同的变形量和变形温度的条件下获得更为细小的再结晶晶粒；（3）轧后奥氏体/铁素体相变过程TiC粒子的相间沉淀以及后续TiC在铁素体相中的过饱和析出的沉淀强化作用。

钛化合物稳定性递减顺序为TiN→Ti₄C₂S₂→Ti(CN)→TiC，即当钛量较低时，几乎全部用于形成TiN(ω(Ti)≈3.4×ω(N))，不能形成Ti₄C₂S₂，钢中的硫以MnS形态存在。而当钛量增加超过3.4×ω(N)，开始形成Ti₄C₂S₂。此时MnS与Ti₄C₂S₂并存.当钛含量增加到可将钢中的氮和硫元素全部被固定时，即ω(Ti)=3.4ω×(N)+3×ω(s)时，MnS将全部被Ti₄C₂S₂所代替，此时钛的析出强化作用很小。当钛含量继续增加时，多余的钛将形成TiC，TiC粒子在相间或相变后在铁素体内析出.其尺寸非常细小(10nm以下)，能产生强烈的沉淀强化效果。因此高Ti强化的钢板其强化效果决定于钢中高温时固溶Ti的含量，称之为有效Ti含量（有效Ti含量可以使用以下公式进行估算，Ti_eff=Ti_t-3.42×N-3×S，公式中各元素采用重量百分比带入）。

目前Ti作为主要强化合金元素添加的工艺大多数是使用在热连轧过程中，在中厚板的成分设计中作为主要的合金元素来使用的鲜有报道。

如申请号为CN200610123458.1、CN200910038833.6、CN201010034472.0、CN201210567654.3的专利中均报道了一种使用Ti作为主要合金元素，采用热连轧+高温卷曲技术生产高强度热轧卷板的技术。涉及高强度耐候钢板、高强度双相钢、高强度汽车板以及工程机械用钢板等领域。

申请号为CN200710031549.7和CN200710032112.5的专利分别给出了700MPa和550MPa级别钢板Ti加入量的确定方法。是基于热轧卷板生产工艺建立Ti加入量、杂质元素含量与钢板强度之间的经验公式。

公开号为CN102676927A的专利中给出了一种高Ti微合金化中厚板及其制备方法。其中其Mn含量为0.30-1.80wt%，与本专利中的Mn元素含量有明细差异。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高Ti700MPa级工程机械用宽厚钢板及生产方法，采用Ti替代目前钢中常用的Nb元素，利用其与Nb类似的形变诱导析出作用促进再结晶过程中钢的原奥氏体晶粒细化；同时采用Ti的析出物作为主要强化元素利用析出强化提高钢的强度。

本发明中所涉及到的高Ti含量700MPa级工程机械用宽厚钢板的化学成分为：C：0.04～0.09%，Si：0.05～0.40%，Mn：1.80～2.30%，P：≤0.013%，S：≤0.003%，Ti：0.06～0.13%，N：≤0.0050%；余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明中的各元素作用

碳（C）：C作为间隙原子，在钢中强化明显固溶强化作用，可以显著提高钢的强度，但较高的C含量损害钢的低温冲击韧性和焊接性能。C可以与钢中的Mo、V、Nb、Ti等元素形成析出物，通过析出强化提高钢才强度。在强水冷条件下，C可以提高钢的淬透性，得到高强度的马氏体组织。本发明中C元素的主要作用是与固溶的Ti元素结合，在奥氏体/铁素体相变过程中生成TiC粒子，考虑到钢的低温韧性和焊接性能，碳含量范围设定为0.04～0.09%。

硅（Si）：Si是作为脱氧剂加入钢中的，固溶的Si原子可以明显提高铁素体的强度，但Si含量提高会明显降低HAZ区韧性。因此本钢种Si含量设定为0.05～0.40%。

锰（Mn）：Mn元素在钢中具有一定的固溶强化作用，在低碳钢中当Mn含量达到1.8%以上时，可以明显促进针状铁素体、准多边形铁素的生成。本发明中Mn含量设定为1.80～2.30%。

钛（Ti）：Ti是本发明中的最为重要的合金元素，在本设计中形变诱导析出和奥氏体/铁素体转变过程中相间沉淀的TiC粒子作为主要的析出强化因素。当Ti含量较高时，除去高温区与生成的TiN、Ti₄C₂S₂、Ti(C,N)粒子外，剩余固溶的Ti在较低温度形变过程中以TiC的形式在形变带内部析出（30-50nm），可以抑制钢的再结晶晶粒长大从而提高钢板未再结晶温度，促进奥氏体扁平化。在奥氏体到铁素体相变过程中TiC在铁素体中的固溶度降低，在相变过程中奥氏体/铁素体相界面前沿TiC粒子呈点状析出（＜10nm），TiC析出物见图1。

由于钢中的Ti与N、S等元素结合力强，高温下已经形成氮化物和硫化物的Ti元素在后续过程中无法转变为有用的TiC粒子，因此钢中的实际Ti含量和起到强化作用的有效Ti含量之间存在以下关系，（Ti_eff=Ti_t-3.42×N-3×S，公式中各元素采用重量百分比带入）。钢中S元素典型含量约为0.0020%，N元素典型含量约为0.0040%，通过公式可知Ti_eff=Ti_t-0.02（%），同时考虑到铁素体中约有0.02%的Ti无法形成TiC析出，且TiC形式析出的Ti需要达到0.02%以上时才能有较好的析出强化作用，因此钢中的Ti含量添加必须大于0.06%。同时Ti含量达到0.13%时，TiC析出量过多导致钢中的析出强化强烈，显著降低钢板的韧性。因此此设计中Ti的含量为0.06-0.13%。

磷（P）：P为钢中主要杂质元素之一，P含量的增加会显著降低钢的塑性和焊接性能，因此对于高强度等级钢板其P含量大多控制在0.013%以下。

硫（S）：S在通常的钢中会与Mn结合形成MnS夹杂物，在高Ti含量的钢中在高温时先于Mn与Ti结合形成Ti₄C₂S₂粒子，从而降低钢中有效Ti的含量。因此本设计中S含量≤0.003%

铝（Al）：Al是钢中的主要脱氧元素，与N元素结合所得到的AlN颗粒可以细化奥氏体晶粒尺寸。但钢中的AlN也是主要的夹杂物来源之一，因此Al含量一般控制在0.04%以下。

氮（N）：N在钢中与Ti、Al等元素结合形成氮化物，成为夹杂物的来源之一，降低钢的韧性。本设计中由于添加的Ti含量明显高于普通钢种，形成大颗粒TiN粒子的几率明显提高，因此本设计中N含量需要控制在0.005以下。

本发明的生产工艺及其控制的技术参数如下：

（1）冶炼工艺

采用铁水脱硫→转炉冶炼→LF精炼→RH精炼工艺路线。严格控制板坯成分C：0.04～0.09%，Si：0.05～0.40%，Mn：1.80～2.30%，P：≤0.013%，S：≤0.003%，Ti：0.06～0.13%，N：≤0.0050%。

本发明通过严格控制Ti合金的添加时机，控制钢水N含量，抑制在钢液凝固过程中生成的大颗粒TiN粒子。

本发明通过严格控制S含量，使硫化物夹杂降低到较低水平，再通过合理的Ca/S比，使剩余的少量硫化物夹杂球化。本发明中Ca/S为1.5-2之间。

执行LF精炼以及RH精炼，RH处理时间21min-23min，深真空时间≥18min，严格控制钢中[H]和[N]含量，保证钢液洁净度。

（2）板坯加热工艺

采用连铸坯生产，板坯加热1150～1220℃，保温时间3～6小时，既保证Ti合金可以充分固溶。

（3）轧制工艺

采用再结晶区和未再结晶区两阶段轧制。

第一阶段为再结晶区轧制，开轧温度1050℃～1150℃，保证第一阶段轧制单道次压下率逐渐增加，且最后三道次压下率为25%-35%总压下率大于60%，终轧温度保证在完全再结晶温度以上。一阶段轧制通过反复大压下量变形，充分利用形变诱导析出和大变形量的交互作用细化高温奥氏体晶粒。

第二阶段为未再结晶区轧制，开轧温度低于奥氏体未再结晶温度，且终轧温度高于铁素体析出温度。对于本专利开轧温度840℃～870℃，终轧温度770～800℃，待温厚度为板厚的3～4.5倍，二阶段轧制压下率≥65%。

精轧阶段的大压缩比变形，促进TiC在形变带内析出并抑制形变带的软化和亚晶晶粒长大；同时多道次变形在原有促进原有奥氏体中形成大量形变带，提高奥氏体内部缺陷密度，获得压扁的奥氏体晶粒从而提高铁素体相变形核率，如图2。

（4）冷却工艺

轧后钢板采用在线超快冷设备进行冷却，冷却速率20-25℃/s范围内，通过快速冷却工艺将钢板冷却至500-600℃的范围内，获得准多边形铁素体+针状铁素体的混合组织，如图3。

LF精炼时间，保证钢中S含量控制在20ppm以下，RH深真空时间≥18min，保证钢中N含量控制在30ppm以下，控制钢中残余O含量在15ppm以下。保证钢中有效Ti含量（Ti_eff）不低于0.06%（Ti_eff=Ti_t-3.42×N-3×S，公式中各元素采用重量百分比带入）。

本发明通过精确控制Ti含量，结合热机械轧制及在线超快速冷却技术，无需通过后续热处理，获得优异的力学性能的700MPa级别10-40mm规格宽厚钢板，其抗拉强度（Rm）700-750MPa，屈服强度（Rp0.2）580-630MPa，-20℃冲击功≥220J，-60℃冲击功≥170J，韧脆转变温度≤-75℃，铁素体晶粒度评级结果≥13级，屈强比≤0.86。

本发明的生产的钢板具有良好的低温冲击韧性和良好的焊接性能；钢板进行斜Y冷裂纹敏感性和HAZ最高硬度试验，表明钢板在0℃时仍然具有良好的焊接工艺性能。

本发明的有益效果：

仅采用经济的Ti为主要的合金元素，通过合理的轧制和快速冷却工艺，获得良好的组织与析出物的匹配，从而降低钢的碳当量、良好的焊接性能，同时降低了钢板的生产成本。

附图说明

图1为1#钢中不同阶段获得的TiC粒子。

图2为2#钢所获得的原奥氏体组织。

图3为2#钢所获得的准多边形铁素体+针状铁素体的混合组织。

具体实施方式

依照本发明的生产方法生产的钢板的实施例如以下各表。表1为本发明实施例钢的化学成分，表2为本发明实施例的工艺条件，表3为本发明实施例的力学性能，表4为本发明实施例的抗氢制开裂性能。

表1实施例化学成分，wt%

实施例	规格/mm	C	Si	Mn	P	S	Alsol	Ti	CEQ	N/ppm
											1	16	0.075	0.21	1.95	0.010	0.003	0.023	0.059	0.40	26
2	25	0.077	0.28	1.89	0.013	0.003	0.029	0.079	0.39	28
											3	30	0.081	0.23	1.97	0.009	0.002	0.02	0.101	0.41	33

表2实施例的工艺条件

按照GB/T228和GB/T229测定本发明实施例的屈服强度为586MPa～610MPa，抗拉强度为707MPa～735MPa，延伸率＞18%，-20℃冲击功≥220J，-60℃冲击功≥170J，具有良好的强度和韧性匹配。

分别按照GB4675.1-84《斜Y坡口焊接裂纹试验方法》和GB4675.5-2008《焊接性试验—焊接热影响区最高硬度试验方法》对钢板进行焊接冷裂纹敏感性和最高硬度试验。同时根据焊接评定结果对实际钢板实施对焊试验，并测量焊接接头的力学性能。表4为1#钢板的焊接评定试验工艺参数设置；表5为焊接评定试验结果；

表6为对焊试验的工艺参数；表7为焊接接头的力学性能检测结构。

通过试验表明钢板具有良好的焊接性能。

表3本发明实施例的力学性能

表4本发明1#实施例的焊接评定工艺参数

表5本发明1#实施例的焊接评定试验结果

表6本发明1#实施例的实际钢板焊接工艺参数

表7本发明1#实施例的实际钢板焊接接头力学性能

Claims

1.一种高Ti 700MPa级工程机械用宽厚钢板，其特征在于：钢板化学成分重量百分数为：C：0.04～0.09％，Si：0.05～0.40％，Mn：1.89～2.30％，P：≤0.013％，S：≤0.003％，Ti：0.06～0.13％，N：≤0.0050％；其余为Fe和不可避免的杂质；

该700MPa级别10-40mm规格宽厚钢板的抗拉强度为700-750MPa，屈服强度Rp0.2为580-630MPa，-20℃冲击功≥220J，-60℃冲击功≥170J，韧脆转变温度≤-75℃，铁素体晶粒度评级结果≥13级，屈强比≤0.86。

2.一种权利要求1所述钢板的生产方法，其特征在于，

(1)冶炼工艺

采用铁水脱硫→转炉冶炼→LF精炼→RH精炼工艺路线；严格控制板坯成分C：0.04～0.09％，Si：0.05～0.40％，Mn：1.89～2.30％，P：≤0.013％，S：≤0.003％，Ti：0.06～0.13％，N：≤0.0050％；Ca/S为1.5-2之间；

执行LF精炼以及RH精炼，RH处理时间21min-23min，深真空时间≥18min；

(2)板坯加热工艺

采用连铸坯生产，板坯加热1150～1220℃，保温时间3～6小时，既保证Ti合金固溶；

(3)轧制工艺

第一阶段为再结晶区轧制，开轧温度1050℃～1150℃，保证第一阶段轧制单道次压下率逐渐增加，且最后三道次压下率为25％-35％，总压下率大于60％；

第二阶段为未再结晶区轧制，开轧温度840℃～870℃，终轧温度770～800℃，待温厚度为板厚的3～4.5倍，二阶段轧制压下率≥65％；

(4)冷却工艺

轧后钢板采用在线超快冷设备进行冷却，冷却速率20-25℃/s，将钢板冷却至500-600℃的范围内，获得准多边形铁素体+针状铁素体的混合组织。