CN115572901B

CN115572901B - 一种630MPa级高调质稳定性低碳低合金钢板及其制造方法

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Publication number: CN115572901B
Application number: CN202211207167.6A
Authority: CN
Inventors: 刘文月; 李天怡; 王传军; 臧岩; 王超逸; 安涛
Original assignee: Ansteel Beijing Research Institute
Current assignee: Ansteel Beijing Research Institute
Priority date: 2022-09-30
Filing date: 2022-09-30
Publication date: 2024-01-02
Anticipated expiration: 2042-09-30
Also published as: CN115572901A

Abstract

本发明涉及一种630MPa级高调质稳定性低碳低合金钢板及其制造方法，钢板化学成分为：C0.04％～0.09％，Si0.05％～0.25％，Mn0.50％～2.00％，P≤0.015％，S≤0.005％，Cu≤0.50％，Cr≤0.50％，Ni≤0.45％，Mo0.05％～0.50％，Nb≤0.10％，V0.01％～0.30％，Ti≤0.05％，Al≤0.05％，N≤0.005％，余量为Fe和杂质。采用灵活的轧制工艺和淬火工艺，在宽工艺窗口下稳定实现高强韧性，且调质后钢板性能变化范围小，屈服强度、抗拉强度及低温韧性在全工艺窗口和成分范围内分别不高于40MPa、30MPa及40J。

Description

一种630MPa级高调质稳定性低碳低合金钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及超高强度结构钢制造技术领域，尤其涉及一种630MPa级高调质稳定性低碳低合金钢板及其制造方法。

背景技术

高强韧化一直是钢铁材料研究的重要发展趋势之一，但是随着钢板强度的提升，强韧性匹配的难度也逐渐提高，特别是屈服强度达到630MPa后，常规的TMCP生产工艺已经难以保证材料性能的稳定性和均匀性。因此，在中厚板生产领域中，热处理工艺特别是调质工艺成为生产高强韧大壁厚超高强度钢材的首选工艺。

经过热处理后的材料与TMCP态材料相比出现一系列的变化，主要表现为随着回火温度提高和回火时间的延长，材料的强度降低、低温韧性提升从而实现强韧性匹配。而为了达到所需的强度和韧性，在生产过程中往往需要严格控制热处理的工艺窗口，成分上需要添加硼元素，从而导致工艺参数可变动范围小、生产控制难度大、产品性能合格率低等问题。

申请号为202010741888.X的中国专利申请公开了“一种低温韧性X90钢级热煨弯管用管线钢板及其制造方法”，采用TMCP工艺生产组织为贝氏体+铁素体、用于制造热煨弯管的钢板，钢板厚度为18.4-35mm，钢板抗拉强度为778MPa-825MPa，波动范围为47MPa，高于本发明波动值为40MPa的上限要求。该专利申请在成分设计上采用了较高的Ni元素(含量0.50-1.5％)、较低的V元素(含量小于0.008％，作为残余元素)，与本发明中Ni≤0.45％、V0.01％-0.30％具有显著差异。其生产过程中需要对中间坯进行水冷，与本发明无需中间坯待温或者中间坯待温但无需水冷的生产工艺具有显著差异。

申请号为201811023904.0的中国专利申请公开了一种“VC纳米颗粒强化X90塑性管用钢板及其制造方法”，采用“控轧控冷+热处理”的工艺生产具有贝氏体组织的钢板。其高温热处理温度范围为1180～1220℃，显著高于本发明的热处理温度(不高于980℃)；且其热处理后需要水冷才能获得最终的组织与性能。该专利申请不添加Nb元素，与本发明成分设计具有显著差异。其所获钢板的抗拉强度735～770MPa、低温冲击韧性220-280J，波动范围分别为35MPa、60J，均高于本发明的上限(30MPa、40J)。

申请号为CN201010194548.6的中国专利申请公开了“一种高强度调质钢及其制造方法”，采用一阶段轧制与调质工艺(离线淬火+回火)相结合的方式生产12～41mm厚钢板，钢板的屈服强度573-639MPa、抗拉强度659-700MPa、冲击韧性200-321J，上述性能波动分别达到66MPa、41MPa及132J，显著高于本发明的上限(40MPa、30MPa及40J)。另外，该专利申请不添加Cu、Nb元素，与本发明的成分具有显著差异。

申请号为CN201610463494.6的中国专利申请公开了一种“抗应变时效脆化与消除残余应力退火脆化特厚600MPa级调质钢板及其制造方法”，采用“优化控制+离线特殊调质”工艺生产厚度不低于50mm的钢板，钢板的屈服强度529-568MPa、抗拉强度621-653MPa，强度水平显著低于本发明的下限要求(630MPa、700MPa)。

申请号为CN202111596841.X的中国专利申请公开了“一种低压缩比特厚Q690调质钢及其制造方法”，采用控制轧制和调质热处理工艺生产690MPa级钢板，钢板的抗拉强度为770-940MPa，波动范围为170MPa显著高于本发明的上限(30MPa)。其冲击韧性最高值仅为234J，显著低于本发明的下限(300J)，其无法实现本发明所实现的强韧性匹配效果。该专利申请中C含量为0.12～0.14％，高于本发明，且其不添加Cu、Ni元素，两者成分设计差异显著。

申请号为CN202111419232.7的中国专利申请公开了“一种800MPa级抗回火性高强钢板及其制备方法”，采用“两阶段控制轧制+DQ冷却+高温回火”工艺生产具有二次回火要求的高强钢，钢板回火后抗拉强度为847-895MPa，波动范围为48MPa，高于本发明的上限(30MPa)，其低温韧性仅为187J-229J，低于本发明的下限(300J)，波动范围达到42J，高于本发明的上限(40J)。在成分设计上，其添加了B元素，不添加Cu、Ni、V元素，与本发明具有显著差异。

申请号为CN201110287705.2的中国专利申请公开了“一种屈服强度630MPa级高强度高韧性钢板及其制造方法”，采用“控轧控冷+轧后直接快冷+在线感应加热回火40-60s”的工艺生产10-25mm厚钢板，在线感应加热退火具有显著的短时加热效果，而采用本发明所述方法生产10mm厚钢板时，回火时间不低于15分钟(即900s)，两者具有显著差异。在成分设计上，其不添加Cu、V元素，与本发明具有显著性差异。

申请号为CN202110708190.2的中国专利申请公开了一种“Nb、V、Ti微合金化齿轮钢及其制备方法、热处理方法、渗碳处理方法和渗碳齿轮钢”，采用“连铸-热轧-缓冷-热处理-渗碳”的工艺生产具有高接触疲劳性能的齿轮钢，该钢具有明显高于本发明的C、Cr、Ni元素含量，且热处理回火温度低于本发明，具有显著性差异。

申请号为CN201380044201.5的中国专利申请公开了一种“具有屈服强度670～870N/mm²及抗拉强度780～940N/mm²的钢板”，该钢板在应力除去退火前后均已表现出优异的母材韧性及HAZ的CTOD特性，但需要添加远高于本发明的Ni元素、并添加了B元素，与本发明具有显著性差异。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，提供了一种630MPa级高调质稳定性低碳低合金钢板及其制造方法，不添加硼B元素，采用灵活的轧制工艺和淬火工艺，在宽工艺窗口下稳定实现高强韧性，且调质后的钢板性能变化范围小，屈服强度、抗拉强度及低温韧性在全工艺窗口和成分范围内，分别不高于40MPa、30MPa及40J。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种630MPa级高调质稳定性低碳低合金钢板，化学成分按重量百分比计为：C0.04％～0.09％，Si 0.05％～0.25％，Mn 0.50％～2.00％，P≤0.015％，S≤0.005％，Cu≤0.50％，Cr ≤0.50％，Ni≤0.45％，Mo 0.05％～0.50％，Nb≤0.10％，V 0.01％～0.30％，Ti≤0.05％，Al≤0.05％，N≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，且要求Cu/Ni≤2，V/Mo≤3，Ti/N≥2。

一种630MPa级高调质稳定性低碳低合金钢板的制造方法，包括如下步骤：

1)炼钢与连铸：

2)坯料再加热：加热温度T_F为1150℃～1250℃，在炉总时长t_F为4～6h；

3)高压水除鳞：除鳞后的连铸坯温度T_S≥1120℃；

4)坯料轧制成钢板：采用两阶段轧制或一阶段轧制；采用两阶段轧制时，第一阶段再结晶区轧制的终轧温度T_Rf≥980℃，累积压下率ε_R≥50％；第二阶段未再结晶区轧制的开轧温度T_Fs≤920℃，终轧温度T_Ff≥860℃，累积压下率ε_F≥50％；采用一阶段轧制时，最后道次轧钢温度T_f≥980℃，单道次压下率ε≥10％；

5)钢板轧后淬火：采用直接在线淬火或离线再加热后淬火的方式；离线再加热后淬火是待钢板冷却到轧后任一温度T时重新加热到淬火温度T_Cs，保温时间达到t_Q后以冷速55～65℃/s冷却至温度T_Cf，其中T_Cs为820～980℃、T_Cf≤400℃，t_Q按照成品钢板厚度t_h的1.0～2.5倍选取，t_Q单位为min，t_h单位为mm；

6)回火热处理：回火保温温度T_T为500～700℃，回火保温时间t_T按照成品钢板厚度t_h的1.5～3.5倍选取，t_T单位为min，t_h单位为mm。

进一步的，所述步骤1)中，冶炼工艺路线为铁水预处理-转炉冶炼-炉外精炼。

进一步的，所述步骤1)中，连铸全程保护浇铸，投入电磁搅拌、轻压下或重压下的一种或多种。

进一步的，所制造钢板的屈服强度Rp0.2≥630MPa，抗拉强度≥700MPa，延伸率≥15％，-30℃横向夏比冲击≥300J，-20℃横向DWTT剪切面积SA≥85％。

进一步的，所制造钢板的屈服强度波动值不高于40MPa，抗拉强度波动值不高于30MPa，冲击韧性波动值不高于40J，DWTT剪切面积波动值不高于5％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)轧制工艺灵活，可以采用一阶段轧制或两阶段轧制；采用一阶段轧制时与直接在线淬火相配合，无需二次加热，节省能源，提高了生产效率；采用两阶段轧制能进一步提升强韧化匹配效果；

2)采用Mo元素而非N元素促进V元素的有效析出；与V(C，N)相比，(Mo，V)C具有更高的热稳定性和更接近球形的形态，可在更宽的热处理工艺参数范围内实现更稳定的强韧性匹配效果；

3)所制造的钢板屈服强度Rp0.2≥630MPa，抗拉强度≥700MPa，延伸率≥15％，-30℃横向夏比冲击≥300J，-20℃横向DWTT剪切面积SA≥85％，且经回火热处理后钢板的屈服强度、抗拉强度、冲击韧性与DWTT剪切面积的波动数值分别不高于40MPa、30MPa、40J与5％。

具体实施方式

本发明所述一种630MPa级高调质稳定性低碳低合金钢板，化学成分按重量百分比计为：C 0.04％～0.09％，Si 0.05％～0.25％，Mn 0.50％～2.00％，P≤0.015％，S≤0.005％，Cu≤0.50％，Cr≤0.50％，Ni≤0.45％，Mo 0.05％～0.50％，Nb≤0.10％，V0.01％～0.30％，Ti≤0.05％，Al≤0.05％，N≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，且要求Cu/Ni≤2，V/Mo≤3，Ti/N≥2。

本发明所述一种630MPa级高调质稳定性低碳低合金钢板的制造方法，包括如下步骤：

1)炼钢与连铸：

3)高压水除鳞：除鳞后的连铸坯温度T_S≥1120℃；

本发明所述一种630MPa级高调质稳定性低碳低合金钢板的主要合金元素作用和设定范围说明如下：

碳C：C是钢中仅次于Fe的主要元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和焊接性等性能。C通过固溶强化和析出强化能够明显提高钢的强度，但提高C含量对钢的塑性、韧性和焊接性有负面影响。为此，本发明将C含量范围设定为0.04％～0.09％。

硅Si：Si是炼钢过程中重要的还原剂和脱氧剂，能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。提高Si的含量，可以减少Fe₃C的析出倾向。但Si含量过高对形成马奥岛有利，将显著降低钢的塑性、韧性与可焊性。为此，本发明将Si含量范围设定为0.05％～0.25％。

锰Mn：Mn能提高钢的淬透性，对钢材强度有利；能消除S(硫)的影响，改善钢的热加工性能。由于Mn价格相对便宜，且能与Fe无限固溶，在提高钢材强度的同时对塑性的影响相对较小。因此，Mn成为广泛用于钢中的强化元素。但Mn含量过高会加剧连铸坯偏析，使钢板带状组织等级、组织均匀性变差，对钢板的抗层状撕裂性能、塑性、低温韧性和焊接性能不利。为此，本发明将Mn含量范围设定为0.50％～2.00％。

钛Ti、氮N：Ti和C、N、O都有极强的亲和力，能够与它们形成相应的稳定化合物，是最主要的固N元素之一。含Ti的析出相结合力强、稳定、不易分解，能阻止钢在高温时的晶粒长大倾向及改善钢的焊接性能。利用Ti固定N和S，有利于提高钢的强度和塑性。但增加Ti的含量后，含Ti析出相会粗化，对性能造成不利影响。本发明中Ti的核心作用是固定N，避免N与V结合影响V与Mo的协同析出。因此，本发明限定Ti含量不高于0.05％、N含量不高于0.05％，且N元素添加量不高于Ti元素的二分之一。

铌Nb：Nb是最主要的微合金化元素之一，部分溶入固溶体起固溶强化作用；以碳化物、氮化物和氧化物微粒形式存在时，能增加钢的回火稳定性，有二次硬化作用。微量的Nb可以在不影响钢的塑性或韧性的情况下提高钢的强度。Nb有细化晶粒的作用，能提高钢的冲击韧性并降低其脆性转变温度。在控轧过程中，固溶Nb能显著提高钢材的再结晶温度，可以使钢的轧制过程在更高的温度范围内完成，从而降低钢板的内应力。本发明选取Nb含量不高于0.10％。

钒V、钼Mo：V和C、N、O有极强的亲和力，能够与它们形成相应的稳定化合物。V在钢中主要以碳化物的形式存在，有细化组织和晶粒、提高强度和韧性、改善焊接性能、降低过热敏感性的作用。钒可以增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应，在调质钢中主要是提高钢的强度。由于V在奥氏体和铁素体中均有很高的固溶度，而其固溶强化效果并不明显，为了有效促进其析出，本发明采用添加Mo元素的策略，(Mo，V)C较VC析出更容易且热稳定更高，除了起到析出强化的作用外，还可以作为异质形核点促进奥氏体向贝氏体转变过程中的晶粒细化。Mo在钢中能提高淬透性和热强性，防止回火脆性。本发明选取Mo含量范围为0.05％～0.50％，V含量范围为0.01％～0.30％，且要求Mo的添加量不低于V元素添加量的三分之一。

铜Cu、镍Ni：Cu能提高钢的强度和屈服比，而对焊接性能没有不利的影响。Cu含量较高时对热变形加工不利，在热变形加工时会导致铜脆现象，而添加一定量的Ni可以避免这一现象的发生。Ni还有稳定奥氏体、提高淬透性的作用。钢中添加一定量的Ni可以提高强度、韧性、耐腐蚀性，降低韧脆转变温度。含Ni钢一般不易过热，所以它可阻止高温时晶粒的增长，使其保持细晶粒组织。但考虑到成本因素，本发明选取Ni含量不高于0.45％、Cu含量不高于0.50％，且要求Ni元素不低于Cu元素添加量的二分之一。

铬Cr：Cr能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可提高钢的强度、硬度和耐磨性而不使钢变脆，但Cr会降低伸长率和断面收缩率。Cr在调质结构中的主要作用是提高淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能。如果Cr添加过多，回火或焊接热循环过程中，含Cr碳化物在原奥氏体晶界析出并聚集长大，严重损害钢板低温韧性及焊接性。本发明选取Cr含量不高于0.50％。

铝Al：Al作为脱氧剂或合金化元素加入钢中，铝的脱氧能力比硅、锰强得多。铝在钢中的主要作用是细化晶粒、固定钢中的氮，从而显著提高钢的冲击韧性，降低冷脆倾向和时效倾向性；铝还可提高钢的抗腐蚀性能，特别是与钼、铜、硅、铬等元素配合使用时效果更好；铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。本发明选取Al含量范围不高于0.05％。

磷P：P是由矿石带入钢中的，和S类似，是钢中有害元素之一。P虽能使钢材的强度、硬度增高，但会引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，会使钢材显著变脆，含P愈高冷脆性愈大，而脱P至较低水平会又显著增加炼钢成本。本发明选取P含量范围不高于0.015％。

硫S：S来源于炼钢的矿石与燃料焦炭，是钢中最常见的有害元素之一，对钢的延展性、韧性、焊接性、耐腐蚀性不利。若S以FeS形态存在于钢中还可在热加工使产生“热脆”。本发明选取S含量范围不高于0.005％。

本发明所述一种630MPa级高调质稳定性低碳低合金钢板的主要制造工艺参数控制范围原因如下：

本发明采用了Mo、V、Nb等元素的复合析出强化，控制连铸坯加热温度在1150～1250℃之间，在炉总时长4～6h之间，保证合金元素的析出相充分回溶到奥氏体中，在后续的控轧过程中充分发挥抑制再结晶、固溶强化、析出强化、细化晶粒等有利效果，为获得最终的组织结构做好成分与温度的准备。低于所选温度和时间范围时，固溶将不充分，影响最终的钢板强度；高于所选定的时间和温度范围时，连铸坯原始奥氏体晶粒容易过于粗大，不利于钢板韧性的控制。

连铸坯出炉后，先进行高压水除鳞，以保证钢板轧制表面质量。除鳞后的温度低于1120℃时会增加轧制阶段的轧制负荷，因此要求除鳞后的连铸坯温度T_S≥1120℃。

本发明可采用两阶段轧制或一阶段轧制，轧制方式灵活，有利于调整生产节奏。采用两阶段轧制所获得的的钢板具有更高的韧性水平。

采用两阶段轧制时，第一阶段再结晶轧制在980℃之前完成，可避免奥氏体发生部分再结晶造成晶粒大小不均匀；第二阶段未再结晶轧制在860～920℃完成，温度高于920℃时，轧件发生部分再结晶造成晶粒不均匀；温度低于860℃时，则难以保证后续直接加速冷却所需要的开始温度；两阶段轧制时，每阶段轧制的累积压下率均不低于50％，可以保证奥氏体晶粒的充分再结晶及再结晶奥氏体晶粒充分扁平化，有利于后续的组织转变、组织细化与性能控制。

采用一阶段轧制时，终轧温度在980℃之前完成，此时轧件的变形条件良好，有利于提高道次压下量。此时要求单道次压下率不低于10％，轧机负荷适中且能保证奥氏体发生完全再结晶，达到充分细化晶粒的效果。

钢板轧后可以选择直接在线淬火也可以选择离线再加热后淬火。采用一阶段轧制时终轧温度高，容易实现直接在线淬火，可达到节省能源、降低生产成本的效果，减少再加热工序还可提升生产效率。一阶段轧制和在线淬火配合，经济效益显著。

钢板加速冷却完成后进行回火热处理，若回火保温温度高于700℃，钢板强度降低明显，对钢板的最终强韧性匹配不利；而若回火保温温度低于500℃，淬火组织回火不充分，低温韧性偏低。回火保温时间过长，强度变差；而回火保温时间过短，则韧性不足。合适的回火保温温度、回火保温时间以及关键合金元素Mo、V、Ti含量的控制，能够确保有益相(Mo，V)C充分析出且尺寸细小。实现在较宽调质工艺窗口下，强韧性匹配良好且强度、韧性对热处理工艺参数的调整变化不明显，最终调质态钢板表现出了较好的性能稳定特征，其中屈服强度、抗拉强度与冲击韧性的波动数值分别不高于40MPa、30MPa与40J。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例】

表1为实施例钢板的化学成分；表2、表3分别为本实施例钢板的轧制工艺参数及热处理工艺参数；表4为本实施例钢板的力学性能。

表1钢板的化学成分wt％

注：*代表含量按照ppm计算。

表2钢板的轧制工艺参数

表3钢板的热处理工艺参数

表4钢板的力学性能

从表1、表2、表3与表4的数据可以看出，本发明所采用的技术方案，所制备的钢板屈服强度≥630MPa，抗拉强度≥700MPa，延伸率≥15％，-30℃横向夏比冲击功≥300J，-20℃DWTT剪切面积SA≥85％，具备优良的强韧性匹配且钢板性能在全工艺窗口范围内波动较小，钢板的屈服强度、抗拉强度、冲击韧性与DWTT剪切面积的波动数值分别不高于40MPa、30MPa、40J与5％。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种630MPa级高调质稳定性低碳低合金钢板的制造方法，其特征在于，钢板化学成分按重量百分比计为：C 0.04％～0.09％，Si 0.05％～0.15％，Mn 0.50％～1.40％，P≤0.015％，S≤0.005％，Cu 0.30％～0.50％，Cr≤0.20％，Ni 0.25％～0.45％，Mo 0.40％～0.50％，Nb≤0.05％，V 0.10％～0.30％，Ti 0.03％～0.50％，Al 0.04％～0.05％，N0.0045％～0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，且要求Cu/Ni≤2，V/Mo≤3，Ti/N≥2；

所述630MPa级高调质稳定性低碳低合金钢板的制造方法，包括如下步骤：

1)炼钢与连铸：

2)坯料再加热：加热温度T_F为1150℃～1190℃，在炉总时长t_F为4～6h；

3)高压水除鳞：除鳞后的连铸坯温度T_S≥1120℃；

6)回火热处理：回火保温温度T_T为500～700℃，回火保温时间t_T按照成品钢板厚度t_h的1.5～3.5倍选取，t_T单位为min，t_h单位为mm；

所制造钢板的屈服强度Rp0.2≥630MPa，抗拉强度≥700MPa，延伸率≥15％，-30℃横向夏比冲击≥300J，-20℃横向DWTT剪切面积SA≥85％；并且所制造钢板的屈服强度波动值不高于40MPa，抗拉强度波动值不高于30MPa，冲击韧性波动值不高于40J，DWTT剪切面积波动值不高于5％。

2.根据权利要求1所述的一种630MPa级高调质稳定性低碳低合金钢板的制造方法，其特征在于，所述步骤1)中，冶炼工艺路线为铁水预处理-转炉冶炼-炉外精炼。

3.根据权利要求1所述的一种630MPa级高调质稳定性低碳低合金钢板的制造方法，其特征在于，所述步骤1)中，连铸全程保护浇铸，投入电磁搅拌、轻压下或重压下的一种或多种。