一種高強(qiáng)度鋼、高強(qiáng)度鋼管及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鋼種及其制造方法，尤其涉及一種高強(qiáng)度鋼及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，工程機(jī)械及鋼結(jié)構(gòu)件逐漸向著大承重、輕量化方向發(fā)展。特別是對(duì)于承受高 載荷的鋼結(jié)構(gòu)件來說，減少結(jié)構(gòu)的自重不僅可以降低材料成本，還有利于提高鋼結(jié)構(gòu)件的 承載能力。然而，在減輕結(jié)構(gòu)自重的情況下，同時(shí)還要保障結(jié)構(gòu)件的安全性是一個(gè)兩難的問 題。這是因?yàn)楦邚?qiáng)鋼的焊接難點(diǎn)在于必須保證焊接部件的熱影響區(qū)的韌性，而另外一方面， 對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)件而言，由于加工組裝過程主要依靠焊接加工工藝，焊接加工所需的工作量較 大，因此，為了提高工作效率，必須采用較大線能量的焊接工藝以提高生產(chǎn)效率。因此，如何 使得高強(qiáng)高韌的結(jié)構(gòu)件母材在較大熱輸入量的條件下還能保證焊接接頭的強(qiáng)度和韌性也 是一項(xiàng)亟待解決的技術(shù)問題。
[0003][0004]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度鋼，其具有足夠高的抗拉強(qiáng)度，良好的低溫韌 性及優(yōu)良的焊接性能。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種高強(qiáng)度鋼，其化學(xué)元素質(zhì)量百分比含量 為：
[0007] C ：0. 11-0. 18%,
[0008] Si :0.1-0. 4%，
[0009] Mn ：1. 0-1. 6%,
[0010] Cr ：0. 25-0. 9%,
[0011] Mo ：0. 10-0. 50%,
[0012] W ：0. 10-0. 55%,
[0013] Nb ：0. 01-0. 08%,
[0014] V ：0. 01-0. 12%,
[0015] Ni ：0. 10-0. 40%,
[0016] B ：0<B<0. 0020%,
[0017] N ：0 < N ^ 0. 004%,
[0018] Ti ：0<Ti ^ 0. 010%,
[0019] 0 ：0<0. 0030%,
[0020] S ：S<0. 005%,
[0021] Ca 和 Mg :Ca+Mg :0· 001-0. 005%，
[0022] 余量為Fe和其他不可避免的雜質(zhì)；
[0023] 此外還滿足關(guān)系式：（B+Ti) /N>1。
[0024] 本發(fā)明所述的高強(qiáng)度鋼中的各化學(xué)元素的設(shè)計(jì)原理為：
[0025] 碳：C是確保基體強(qiáng)度的必要化學(xué)元素。在本技術(shù)方案中，若C含量低于0. 11% 時(shí)，其不能令鋼材料達(dá)到所需的強(qiáng)度。不過，若C含量高于0. 18%時(shí)，將影響鋼材料的可焊 性，并且使得鋼材料的受熱影響區(qū)的韌性降低。為此，本發(fā)明所述的高強(qiáng)度鋼中的C含量需 要控制為〇· 11-0. 18%。
[0026] 硅：Si在鋼中作為脫氧劑。為了達(dá)到脫氧效果，至少需要加入0. 1%的Si。然而， 如果加入太多的Si就會(huì)降低鋼材料的可焊性和韌性。對(duì)于本發(fā)明的高強(qiáng)度鋼來說，應(yīng)當(dāng)將 Si含量設(shè)定為0. 1-0. 4%。
[0027] 錳：Mn也是一種脫氧劑。同時(shí)，Mn也是確保鋼材料兼具較高的強(qiáng)度和較好低溫韌 性的不可缺少的元素。因此本技術(shù)方案中Mn的含量必須在1. 0%以上，但是，過多含量的 Mn則會(huì)增加鋼的淬透性，不僅會(huì)降低HAZ (焊接熱影響區(qū)）的韌性和可焊性，而且還會(huì)導(dǎo)致 鋼材料在連續(xù)鑄造過程中產(chǎn)生中心偏析。同時(shí)，焊接后的母材的低溫韌性也會(huì)惡化。鑒于 此，本發(fā)明所述的高強(qiáng)度鋼中的Mn含量需要控制為1. 0-1. 6%。
[0028] 鉻：Cr可以提高母材和焊接部位的強(qiáng)度，以提升鋼材料的淬透性。但是，Cr含量太 高時(shí)，不僅使得鋼材料的焊接開裂敏感性增大，而且會(huì)降低焊接熱影響區(qū)的韌性。因此，在 本發(fā)明所述的高強(qiáng)度鋼中的Cr含量需要控制為0. 25-0. 9%。
[0029] 鉬：Mo可以提高鋼的可淬性。在含有B元素的鋼中添加 Mo可以更好的提高鋼的 可淬性。同時(shí)，Mo也是強(qiáng)化元素，其可以有效地提高材料的強(qiáng)度。在本技術(shù)方案中，為了令 鋼材料獲得較高的強(qiáng)度，Mo的含量至少要達(dá)到0. 10%。然而，過多地添加 Mo也會(huì)使得鋼的 HAZ韌性降低。為此，在本發(fā)明的高強(qiáng)度鋼中的Mo含量需要設(shè)定在0. 10-0. 50%范圍之間。
[0030] 鶴：W可以提尚鋼的可泮性，并提尚材料的強(qiáng)度。更為關(guān)鍵的是，$父之于Mo等其他 合金元素，W在提高強(qiáng)度的同時(shí)，其降低鋼的焊接性能的程度相對(duì)較低。為了達(dá)到強(qiáng)化效果， W含量的下限設(shè)定為0. 10%，然而，過多地添加 W會(huì)使得鋼的HAZ韌性降低，為此，需要將鋼 中的W含量的上限設(shè)定為0. 55%。
[0031] 鈮：Nb是獲得細(xì)晶鋼的重要元素，其在熱軋時(shí)可以推遲奧氏體再結(jié)晶以起到細(xì)化 晶粒的作用。在之后的冷卻和熱軋過程中，NbC粒子彌散析出，又能夠起到析出強(qiáng)化的作用， 在隨后的再加熱過程中，Nb又可以起到阻礙奧氏體晶粒長大的作用?？紤]到熱影響區(qū)的韌 性及現(xiàn)場(chǎng)可焊性，Nb的含量不能過高。為此，將本發(fā)明所述的高強(qiáng)度鋼中的Nb含量控制為 0· 01-0. 08% 〇
[0032] 釩：一般來說，V起到的作用與Nb大致相同。然而，在高強(qiáng)度鋼中，添加 V所產(chǎn)生 的析出強(qiáng)化效果更好，Nb和V的復(fù)合添加更能進(jìn)一步地提高本發(fā)明的高強(qiáng)度鋼的綜合力學(xué) 性能。同樣地，考慮到熱影響區(qū)的韌性及現(xiàn)場(chǎng)可焊性，V的含量也不能太高。鑒于此，本發(fā) 明所述的高強(qiáng)度鋼中的V含量控制在0. 01-0. 12 %的范圍之間。
[0033] 鎳：Ni可以提高材料的低溫韌性和現(xiàn)場(chǎng)可焊性。較之于添加 Mn、Cr或Mo等合金 元素，Ni的添加不但不會(huì)在鋼中形成不利于低溫韌性的硬化組織，添加含量在0. 1 %以上 的Ni反而有利于提尚鋼材料的HAZ的初性。但是，Ni含量過尚時(shí)，又會(huì)惡化鋼材料的HAZ 的韌性和現(xiàn)場(chǎng)可焊性。對(duì)于本發(fā)明所述的高強(qiáng)度鋼來說，需要控制Ni含量為0. 10-0. 40%。
[0034] 硼、鈦及氮：B、Ti、N是本發(fā)明較為關(guān)鍵的合金元素。通過添加適量的B、Ti元素， 可以提高材料的焊接性能。微量的B元素還可以提高材料的淬透性。鋼中的自由氮對(duì)材料 韌性是有害的，復(fù)合添加的B、Ti固定了材料中的自由N。在焊接冷卻過程中析出的BN可 以細(xì)化熱影響區(qū)的組織，提高材料的韌性。TiN的固溶溫度可以達(dá)到1400°C以上，在高溫下 仍然會(huì)細(xì)小彌散。另外，焊接過程中的TiN的釘扎作用可以有效地阻止奧氏體晶粒在高溫 下的長大。不過，過量的固溶于基體的B、Ti會(huì)誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體形核，從而降低熱影響區(qū)的 強(qiáng)度?；诖耍景l(fā)明的技術(shù)方案將高強(qiáng)度鋼中的B含量設(shè)定為：0〈B〈0. 0020%，將Ti含量 設(shè)定為：〇〈Ti < 0. 010%，并將N含量設(shè)定為0 < NS 0.004%。與此同時(shí)，這三種元素還 需要滿足關(guān)系式：(B+Ti)/N>l，原因在于：若（B+Ti)/N< 1，則會(huì)大幅度地降低鋼材料在大 熱輸入狀態(tài)下的焊接熔合區(qū)及熱影響區(qū)的韌性。
[0035] 鈣、鎂、硫及氧：Ca、Mg、S和0也是本發(fā)明的高強(qiáng)度鋼中的關(guān)鍵元素。0和S容易在 鋼中形成夾雜物，割裂鋼中基體的連續(xù)性，這會(huì)對(duì)材料的強(qiáng)度和韌性產(chǎn)生不利影響，為此， 必須嚴(yán)格控制〇和S的含量，將0含量控制為〈0. 0030%，并將S含量控制為〈0. 0050%。 由于Ca、Mg與0和S具有很強(qiáng)的結(jié)合力，使鋼中的液態(tài)夾雜物球化，同時(shí)所生成的夾雜物 在液相中難以聚合并且具有較高的熔點(diǎn)，因此，在高溫下獲得穩(wěn)定、細(xì)小彌散的夾雜物的同 時(shí)，還不會(huì)產(chǎn)生可能導(dǎo)致鋼材料其他缺陷的粗大夾雜物。這種彌散細(xì)小的夾雜物可以起到 阻止煉鋼過程中奧氏體晶粒在高溫下長大的作用，以實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒、提高韌性的有益效果。 然而，過量的MgO、MgS、CaO和CaS在焊接冷卻過程將誘導(dǎo)晶內(nèi)的鐵素體形核，從而降低焊接 接頭的強(qiáng)度。因此，在降低〇、S含量的同時(shí)，還需要限制Mg、Ca總量的范圍。在本發(fā)明所述 的高強(qiáng)度鋼中的Ca+Mg的總量需要控制在在0. 001-0. 005%范圍之間。
[0036] 本發(fā)明所述的高強(qiáng)度鋼通過復(fù)合添加適量的Cr、Mo、W、V、Nb等合金元素，并通過 后序的優(yōu)化工藝步驟以獲得本發(fā)明所述的高強(qiáng)度鋼。本發(fā)明的技術(shù)方案通過合金元素的固 溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化來提高鋼材料的強(qiáng)度，使得鋼材料在保持高強(qiáng)度的同時(shí)還具有良好的低 溫韌性。在此基礎(chǔ)上，控制〇、S含量，控制Ca和Mg的添加總量以減少鋼中夾雜物的數(shù)量并 控制夾雜物的形狀。與此同時(shí)，復(fù)合添加 Ti、B元素，并控制N元素含量，以獲得強(qiáng)度足夠 尚，低溫初性足夠尚且焊接性能優(yōu)良的尚強(qiáng)度鋼。
[0037] 需要說明的是，基于本發(fā)明的技術(shù)方案，"強(qiáng)度足夠高"或"足夠高的強(qiáng)度"是指抗 拉強(qiáng)度達(dá)到980Mpa以上，"低溫韌性足夠高"或"足夠高的低溫韌性"是指-40°C下的低溫 沖擊韌性大于52J。"焊接性能優(yōu)良"則是指在較大的焊接熱輸入情況下，例如，當(dāng)焊接熱輸 入量達(dá)到15kJ/cm以上時(shí)，焊接后的鋼材料的熱影響區(qū)仍具有上述足夠高的強(qiáng)度和足夠高 的低溫韌性。
[0038] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的高強(qiáng)度鋼還滿足Ceq = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+Ni/15<0. 62〇
[0039] 控制Ceq = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+Ni/15〈0. 62的目的在于提高材料的焊接性能， 降低焊接的預(yù)熱溫度，減少材料的焊接缺陷。如果Ceq多0. 62,那么材料的焊接預(yù)熱溫度將 超過150°C，這樣不利于現(xiàn)場(chǎng)規(guī)?；a(chǎn)作業(yè)。
[0040] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的高強(qiáng)度鋼的微觀組織為回火索氏體。
[0041] 更進(jìn)一步地，在本發(fā)明所述的高強(qiáng)度鋼中，上述回火索氏體上具有彌散的BN和 TiN析出物。
[0042] 在本發(fā)明所述的高強(qiáng)度鋼中的回火索氏體的基體上，會(huì)形成大量彌散的BN、TiN 的析出物，這些析出物的固溶溫度較高，能夠有效地阻止焊接過程中熱影響區(qū)晶粒的快速 長大。
[0043] 更進(jìn)一步地，在本發(fā)明所述的高強(qiáng)度鋼中，上述回火索氏體上還具有彌散的NbC 析出物和/或VC析出物。
[0044] 在回火索氏體上的彌散的NbC