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微合金化超低碳貝氏體鋼厚板
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司m.85978597.cn
更新時(shí)間：2015-04-22
超低碳貝氏體鋼是國(guó)際上近20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的高強(qiáng)度、高韌性、焊接性能優(yōu)良的新鋼系，被國(guó)際上稱(chēng)譽(yù)為21世紀(jì)鋼種，是現(xiàn)代冶金生產(chǎn)技術(shù)與物理冶金研究成果相結(jié)合的產(chǎn)物。
?????? 超低碳貝氏體鋼是國(guó)際上近20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的高強(qiáng)度、高韌性、焊接性能優(yōu)良的新鋼系，被國(guó)際上稱(chēng)譽(yù)為21世紀(jì)鋼種，是現(xiàn)代冶金生產(chǎn)技術(shù)與物理冶金研究成果相結(jié)合的產(chǎn)物。這類(lèi)鋼利用現(xiàn)代煉鋼方法，采用鋼包精煉及連鑄技術(shù)，鋼中加入提高淬透性的元素如Mn、Cu、Mo、B等，通過(guò)控制軋制控制冷卻甚至在空冷的條件下，變形奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變成極為細(xì)小的各種形態(tài)的貝氏體板條組織，并通過(guò)Nb、Ti、Mo、Cu的析出強(qiáng)化，從而使鋼材的屈服強(qiáng)度大幅度提高，可達(dá)500～900N／mm2。鋼種韌脆轉(zhuǎn)變溫度在－80～－100℃左右，－20℃V型缺口沖擊值達(dá)到400J以上。這類(lèi)鋼的合金設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)高強(qiáng)度低合金鋼的設(shè)計(jì)思路，鋼中碳含量已降到0.03%～0.04%左右，因此碳的危害、碳化物析出的影響等問(wèn)題已完全消除，故這類(lèi)鋼材的焊接性能極佳，熱影響粗晶區(qū)在各種冷卻條件下均能得到極高韌性的貝氏體組織，可以實(shí)現(xiàn)焊前不預(yù)熱、焊后不熱處理。由于其韌性明顯高于同強(qiáng)度級(jí)別的普通微合金鋼，而且能夠很好地解決性能、成本、利潤(rùn)和能源之間的矛盾，故這類(lèi)鋼在美國(guó)、英國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的石油天然氣管線用鋼、工程機(jī)械、海洋設(shè)施、汽車(chē)、橋梁、造船、軍艦、壓力容器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前已成為與傳統(tǒng)的鐵素體－珠光體鋼、馬氏體淬火回火鋼并列的一大新鋼類(lèi)。
社會(huì)需求、降低生產(chǎn)成本和保證良好的焊接性能等因素是發(fā)展超低碳貝氏體鋼的主要?jiǎng)恿Α，F(xiàn)代冶金生產(chǎn)技術(shù)（鋼包冶金技術(shù)＋TMCP技術(shù)）的發(fā)展和Nb、V、B等微合金元素的研究應(yīng)用的全面發(fā)展，推動(dòng)了超低碳貝氏體鋼的研究與發(fā)展。目前，世界上已基本形成C－Mn－Nb－B、C－Mn－Cu－Nb－B（Cu－Nb）為主的兩大系列超低碳貝氏體鋼，抗拉強(qiáng)度大都在600～800N／mm2范圍。
鞍鋼與北京科技大學(xué)合作，結(jié)合鞍鋼厚板廠工藝裝備條件，采用TMCP、RPC技術(shù)和微合金化技術(shù)，研制開(kāi)發(fā)出屈服強(qiáng)度500～600N／mm2級(jí)別（鋼號(hào)有HQ500DB、HQ550B、HQ590DB、HQ685DB等）的最大厚度達(dá)60mm的系列高強(qiáng)度、高韌性、焊接性能優(yōu)良的超低碳貝氏體鋼厚板。鞍鋼開(kāi)發(fā)的新一代超低碳貝氏體系列高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼合金設(shè)計(jì)為Mn－Cu－Nb－B、Mn－Mo－Cu－Nb－B等，采用了轉(zhuǎn)爐冶煉、爐外精煉（RH、VD、LF等）、連鑄、熱送熱裝、TMCP、RPC等工藝技術(shù)，充分利用微合金元素Nb、Ti、B等元素的細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化的作用以及控制軋制控制冷卻等技術(shù)，減少合金元素含量，降低碳含量、碳當(dāng)量，提高鋼種的強(qiáng)度、韌性和焊接性能，并在煤礦機(jī)械、工程機(jī)械、壓力管道等領(lǐng)域獲得應(yīng)用，共計(jì)試制50000余噸，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
同時(shí)鞍鋼采用貝氏體鋼生產(chǎn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了低碳貝氏體型的第三代高性能橋梁用鋼（鋼號(hào)有Q420qD／E、Q460qD／E等）等高性能Nb微合金化鋼種。
1500N／mm2級(jí)別煤礦機(jī)械、工程機(jī)械用含Nb貝氏體型厚板
500N／mm2級(jí)別厚板的成分設(shè)計(jì)
超低碳貝氏體鋼中常用的合金元素有C、Si、Mn、Mo、Nb、Ti、B、Cu、Ni等，根據(jù)鞍鋼生產(chǎn)設(shè)備及工藝條件，考慮生產(chǎn)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合500N／mm2級(jí)別性能目標(biāo)，設(shè)計(jì)該強(qiáng)度級(jí)別厚板化學(xué)成分的思路如下：
(1)C：碳對(duì)鋼的強(qiáng)度、韌性、焊接性能和冶煉成本影響很大。C低于0.04%則需要采用真空精煉；C高于0.08%，則生成組織中貝氏體組織減少并出現(xiàn)珠光體組織，使強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和韌性下降，最適宜的區(qū)間在0.03%～0.08%。
(2)Mn：錳是提高強(qiáng)度和韌性的有效元素，對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變有較大的促進(jìn)作用，在超低碳條件下效果更為顯著，而且成本十分低廉，因此在500N／mm2級(jí)別厚板中把Mn元素作為主要添加元素之一。
(3)B：硼元素是超低碳貝氏體鋼中重要的成分，它能夠提高鋼的淬透性，加入極微量的B就會(huì)有明顯的效果，顯著推遲奧氏體向鐵素體、珠光體的轉(zhuǎn)變，當(dāng)有Nb同時(shí)存在時(shí)，B的作用更加突出。當(dāng)B含量低于0.0005%時(shí)，提高淬透性的效果不大；當(dāng)B的含量為0.001%時(shí)，就會(huì)使鋼的組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w；高達(dá)0.003%時(shí)，淬透性達(dá)到飽和，此時(shí)會(huì)有Fe23(CB)6的析出；高于0.003%，淬透性下降，鋼的韌性惡化，且會(huì)形成低熔點(diǎn)共晶體，集中于晶粒的邊界，這將引起熱脆性，增加熱壓力加工困難。
(4)Nb：鈮是超低碳貝氏體鋼中的重要添加元素，它能夠有效地延遲變形奧氏體的再結(jié)晶，阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，提高奧氏體再結(jié)晶溫度，細(xì)化晶粒，同時(shí)改善強(qiáng)度和韌性；它與微量的B元素復(fù)合作用，可以顯著地提高淬透性，促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變，時(shí)效析出強(qiáng)化。隨著Nb在鋼中的溶解度增大，形成貝氏體的趨勢(shì)增大。
(5)Ti：加入微量的鈦，是為了固定鋼中的氮元素，從而確保B元素的提高淬透性效果。B與O、N的親合力較大，如果加入的微量B與鋼中的O、N起作用，B的促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變的作用將消失。因此，必須將鋼中氣體盡量降低，加入足夠量的Al、Ti進(jìn)行完全脫氧和固氮，才能充分發(fā)揮B的有效作用。在最佳狀態(tài)下，Ti、N元素形成氮化鈦，阻止鋼坯在加熱、軋制、焊接過(guò)程中晶粒的長(zhǎng)大，改善母材和焊接熱影響區(qū)的韌性。Ti低于0.005%時(shí)，固氮效果差，超過(guò)0.03%時(shí)，固氮效果達(dá)到飽和，過(guò)剩的Ti將會(huì)使鋼的韌性惡化。當(dāng)鋼中的Ti、N原子之比為1∶1時(shí)，TiN粒子最為細(xì)小且分布彌散，對(duì)高溫奧氏體晶粒的細(xì)化作用最強(qiáng)，不僅可獲得優(yōu)良的韌性，而且能夠?qū)崿F(xiàn)大線能量焊接。此時(shí)相應(yīng)于Ti、N重量之比為3.42。
(6)Si：硅是煉鋼脫氧的必要元素，也具有一定的固溶強(qiáng)化作用，當(dāng)?shù)陀?.05%時(shí)，難于獲得充分的脫氧效果；超過(guò)0.6%時(shí)，鋼的清潔度下降，韌性降低，可焊性差。
(7)Al：鋁是脫氧元素，可作為AlN形成元素，有效地細(xì)化晶粒，其含量不足0.01%時(shí)，效果較?。怀^(guò)0.07%時(shí)，脫氧作用達(dá)到飽和；再高則對(duì)母材及焊接熱影響區(qū)韌性有害。
(8)Cu：銅不僅對(duì)焊接熱影響區(qū)硬化性及韌性沒(méi)有不良影響，又可使母材的強(qiáng)度提高，并使低溫韌性大大提高，還可提高耐蝕性。在超低碳貝氏體鋼中加入Cu，可利用Cu－B的綜合作用，來(lái)進(jìn)一步提高鋼的淬透性，促進(jìn)貝氏體的形成。但Cu含量高時(shí)鋼坯加熱或熱軋時(shí)易產(chǎn)生裂紋，惡化鋼板表面性能，故必須添加適量的Ni以阻止這種裂紋的產(chǎn)生。
(9)Ni：鎳對(duì)焊接熱影響區(qū)硬化性及韌性沒(méi)有不良影響，又可使母材的強(qiáng)度提高，并使低溫韌性大大提高。其為貴重元素，導(dǎo)致鋼的成本大幅度上升，經(jīng)濟(jì)性差。在500N／mm2級(jí)別中添加Ni元素的目的主要是阻止含Cu量高的鋼坯在加熱或熱軋時(shí)產(chǎn)生裂紋的傾向。
(10)鋼中的雜質(zhì)元素的上限控制在P≤0.02%，S≤0.01%，以提高鋼的韌性。控制N≤0.006%，以避免形成B的氮化物，使B的淬透性失效。
最終試制該級(jí)別厚板的化學(xué)成分范圍控制其Ceq≤0.40%，Pcm≤0.20%。
2600N／mm2級(jí)別煤礦機(jī)械、工程機(jī)械用含Nb貝氏體型厚板
600N／mm2級(jí)別成分設(shè)計(jì)
600N／mm2級(jí)別成分設(shè)計(jì)思路與500N／mm2級(jí)別厚板化學(xué)成分的設(shè)計(jì)依據(jù)相似，使用超低碳貝氏體鋼的常用化學(xué)元素C、Si、Mn、Mo、Nb、Ti、B、Cu、Ni等，只是各元素含量不盡相同。尤其為了充分利用Nb元素對(duì)貝氏體相變的促進(jìn)作用、晶粒細(xì)化作用和沉淀強(qiáng)化作用，將Nb元素的目標(biāo)含量提高到最初的1.5倍,效果十分良好。調(diào)整成分后，不但性能完全能夠滿足用戶要求，而且大大降低了其合金成本。
Nb在600N／mm2級(jí)別鋼連鑄坯加熱過(guò)程中的變化規(guī)律
在軋前加熱過(guò)程中，連鑄坯凝固過(guò)程中析出的Nb的碳氮化物最終將發(fā)生溶解，重新固溶于奧氏體中。為了研究600N／mm2級(jí)別連鑄鋼坯在不同加熱制度下，鋼中Nb的碳氮化物的溶解析出行為，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了模擬加熱試驗(yàn)。模擬加熱試驗(yàn)工藝參照鞍鋼厚板廠加熱爐的加熱過(guò)程制定，加熱升溫速度0.08～0.12℃／s，均熱時(shí)間60min，整個(gè)加熱過(guò)程約240min，選擇了950～1150℃溫度區(qū)間進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)備采用大功率電阻加熱爐。
模擬加熱試驗(yàn)結(jié)束后，立即在水中進(jìn)行淬火，然后采用化學(xué)分析方法進(jìn)行析出物數(shù)量檢驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著加熱溫度由1030℃升高到1150℃，鋼中的固溶Nb升高到95%左右，析出Nb僅僅占5%左右。但是，在加熱溫度為1030℃時(shí)，鋼中的固溶Nb、析出Nb與未經(jīng)過(guò)加熱的連鑄坯中固溶Nb、析出Nb處于同等水平。該鋼種連鑄坯在1030℃以下加熱時(shí)，連鑄坯中會(huì)先發(fā)生Nb的析出，其固溶Nb逐漸減少，當(dāng)加熱溫度逐漸升高到某一溫度后，開(kāi)始階段析出的Nb又逐漸回溶，使鋼中的固溶Nb含量又逐漸升高。
3高性能橋梁用鋼（Q420qD／E－Q460qD／E）
高性能橋梁用鋼成分及工藝設(shè)計(jì)
采用超低碳貝氏體鋼工藝路線生產(chǎn)高性能橋梁鋼，是近年來(lái)的橋梁用鋼的發(fā)展趨勢(shì)。由于將碳含量控制在很低的范圍（≤0.05%），使得鋼在具有高強(qiáng)韌性的同時(shí)，具有極佳的焊接性能。同時(shí)由于貝氏體組織均勻性好，使得各部分電極電位差較小，使鋼板具有較強(qiáng)的耐蝕能力。20世紀(jì)90年代以來(lái)，日本川崎制鐵公司相繼開(kāi)發(fā)了焊接性能良好的570N／mm2級(jí)別（HT570，抗拉強(qiáng)度570N／mm2）和780N／mm2級(jí)別（HT780，屈服強(qiáng)度大于685N／mm2）非調(diào)質(zhì)超低碳貝氏體耐大氣腐蝕橋梁鋼。由于該類(lèi)鋼板焊接預(yù)熱溫度降低到50℃左右，因此在明石海峽大橋項(xiàng)目中得到了大量應(yīng)用。HT780已經(jīng)用于明石海峽橋的加勁鋼板。HT570同樣為超低碳貝氏體厚鋼板，焊接不需要預(yù)熱，最大厚度可達(dá)75mm。2000年日本川崎又開(kāi)發(fā)出橋梁用超低碳貝氏體型耐鹽厚鋼板,這種鋼板不經(jīng)涂層就可以在海濱地區(qū)使用,其N(xiāo)i含量增加到2.5%，故使其耐鹽特性大大提高，且具有良好的焊接性能?？缮a(chǎn)的抗拉強(qiáng)度級(jí)別有400N／mm2、490N／mm2、570N／mm2三種，板厚最大50mm。
緩慢，從上世紀(jì)60年代至90年代，相繼開(kāi)發(fā)了16Mnq、15MnVq、15MnVNq、14MnNbq，但是強(qiáng)度都處于較低水平，焊接性能和低溫韌性也不理想。GB／T714－2000《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了Q235、Q345、Q370、Q420四種強(qiáng)度級(jí)別的橋梁用鋼，其最高強(qiáng)度級(jí)別Q420的化學(xué)成分也僅僅是在Q345級(jí)別的基礎(chǔ)上允許添加了微量的Nb、V、Ti等元素，實(shí)際就是原來(lái)的15MnVNq，該鋼種低溫韌性、焊接性能差，在九江大橋制造后，該鋼種未能得到推廣應(yīng)用。雖然該GB／T714－2000《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)制定較晚，但是其內(nèi)容已經(jīng)大大落后于冶金技術(shù)的發(fā)展。
國(guó)內(nèi)高強(qiáng)度橋梁用鋼存在的問(wèn)題是焊接性能差，需要預(yù)熱，不能夠適應(yīng)較大線能量焊接。橋梁制造廠迫切希望能夠生產(chǎn)出焊接性能優(yōu)良且不需要預(yù)熱的新型鋼種。為了使國(guó)內(nèi)橋梁用鋼盡快趕上世界橋梁用鋼先進(jìn)水平，鞍鋼近年發(fā)展了貝氏體類(lèi)型的橋梁用鋼Q420qD／E－Q460qD／E，其成分設(shè)計(jì)為低碳（≤0.07%），加入Mn、Cu、Cr、Ni、Nb等合金、微合金元素，采用微Ti處理、Ca處理及TMCP工藝，極大地改善了鋼的低溫韌性和焊接性能，同時(shí)使該系列鋼種具有一定的耐候性能。
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