專利名稱：一種低溫工程機械用鋼及其生產方法
技術領域：
本發明屬于鋼鐵材料生產技術領域，涉及一種低溫工程機械用鋼及其生產方法， 特別是一種屈服強度600MPa和700MPa級低溫工程機械用鋼及其生產方法。通過嚴格控制軋制工藝使母材具有優異的強韌性匹配，并且材料在較大線能量焊接條件下能夠保持具有較高的強度、低溫沖擊韌性及冷彎性能。
背景技術：
600MPa和700MPa工程機械用鋼目前已廣泛應用于制造汽車起重機吊臂以及混凝土泵車臂，國內各大工程機械加工企業隨著使用材料強度等級的提升，對材料的力學性能、 焊接性能以及成型性能提出了越來越嚴格的要求。如700MPa D級鋼板要求母材屈服強度大于700MPa的同時，保證_20°C沖擊功大于47J。國內一些大型機械加工企業對母材的橫向沖擊功也提出嚴格要求，需保證橫向-20°C沖擊功大于47J。由于熱連軋鋼板存在的各項異性，橫向低溫沖擊功要低于縱向的沖擊功，即橫向為沖擊韌性的薄弱環節。為確保工程機械用鋼板在天氣寒冷地區的安全應用，應確保鋼板在強度達到設計要求同時具有優異的橫向和縱向低溫沖擊韌性。保證高強度級別鋼板強韌性良好匹配需要從冶煉到軋制全流程生產工藝嚴格控制。另一方面，目前在工程機械用鋼領域如何保證和提高焊接熱影響區的強度和低溫沖擊韌性也逐漸成為限制高強度級別高強鋼國產化的主要難題之一，要保證焊接后熱影響區的抗拉強度和低溫沖擊韌性不低于母材的力學性能要求，需要從材料的合金成分體系設計以及生產工藝加以綜合考慮。對于工程機械領域用鋼，特別是制造汽車起重機吊臂或混凝土泵車臂的鋼板，對板形的要求極為苛刻，需要鋼鐵生產企業在生產工程機械用高強鋼時同時考慮用戶在使用過程中板形是否可以滿足正常下料后的要求，應盡量減小和消除高強鋼鋼板的殘余應力， 保證使用過程中不產生嚴重的翹曲、旁彎等板形缺陷?，F有技術中涉及600MPa和700MPa工程機械用高強鋼的生產方法的專利技術，如專利申請號200910083634. 7介紹了一種基于薄板坯連鑄連軋生產方式生產600ΜΙ^級高強鋼的生產方法，但該專利未對材料的低溫沖擊韌性加以有意控制和闡述，同時難以保證材料的焊接性能。專利申請號201010237136. 6介紹了一種熱連軋方式生產600MPa級高強鋼的生產方法，不足之處在于在較大線能量焊接時難以保證熱區力學性能。專利申請號 200910010662. 6介紹了一種基于Ti強化的600MPa高強鋼生產方法，通過添加少量B提高強度，但該專利中采用了較高的軋制溫度，控制軋制效果較差，低溫沖擊韌性難以保證，同時未對材料焊接性能進行試驗和描述。涉及700MPa級高強鋼生產方法的專利中，如專利申請號200910083635. 1中介紹了一種采用Nb-Ti-V微合金化生產屈服強度700MPa級高強鋼，該專利文獻的不足之處在于難以保證材料的低溫沖擊韌性和焊接性能。專利申請號 201010101815.0介紹了一種采用高Cr+Nb+Ti強化生產700ΜΙ^級高強鋼的生產方法，需添加0. 3% 0. 8%的Cr元素，軋制工藝采用了較高了軋制溫度，粗軋結束溫度1060°C，精軋結束溫度850°C 950°C，控軋效果的減弱導致材料低溫沖擊韌性大幅下降。對于600ΜΙ^和700MPa級工程機械用熱軋鋼板(厚度規格在3mm 16mm)的生產， 現有技術的不足之處在于(1)在化學成分設計和生產工藝設計中忽略了材料的焊接性能，特別是在較大線能量焊接條件下，材料難以保證性能達到母材的標準要求，造成安全隱患；(2)沒有從控制生產工藝角度對材料的低溫沖擊韌性加以嚴格控制，如材料的橫向低溫沖擊韌性難以達到D級鋼板的要求；(3)沒有通過工藝手段對高強鋼開平板的板形質量加以控制，鋼板很難保證用戶使用過程中下料后對板形的要求。

發明內容
本發明的目的在于提供一種低溫工程機械用鋼及其生產方法，特別適用于較大線能量焊接的屈服強度600MPa和700MPa級工程機械用鋼熱軋卷板類產品。采用低成本高Ti 成分體系，添加了 0% -0. 3% Mo、0% -0. 002% B中的一種或兩種復合添加，顯著提高焊接性能，保證較大焊接線能量下熱區強度和低溫沖擊韌性。采用冶煉一軋制全流程工藝嚴格控制，保證了母材具有優異的強韌性匹配。采用罩式退火去除殘余應力，改善板形質量，卷板開平后可用于制造汽車起重機吊臂以及混凝土泵車臂。本發明的技術解決方案是一種低溫工程機械用鋼，鋼的化學成分按重量百分比為C :0. 06 0. 08% ；Si 0. 15-0. 25% ；Mn 1. 6 1. 9% ；Nb 0. 05 0. 08% ；Mo 0 0. 30% ；B 0 0. 0020% ；Ti
0.08 0. 14% ；Al 0. 01 0. 06% ；P 彡 0. 02% ；S 彡 0. 010% ；N 彡 0. 008% ；其余為 Fe
及不可避免雜質。所述的一種低溫工程機械用鋼，鋼的化學成分按重量百分比中，添加Mo和B中的一種或兩種元素復合添加，Mo+B < 0. 30%。所述的一種低溫工程機械用鋼的生產方法，包括以下步驟轉爐冶煉一LF精煉一-RH真空處理一連鑄一熱送加熱爐再加熱一粗軋一6機架精軋一層流冷卻一卷取成卷一(罩式退火)一矯直開平，其特征在于控制如下工藝參數(1)鑄坯采用熱送熱裝，出連鑄機后保證鑄坯表面溫度在250°C 500°C之間時入加熱爐。(2)將鑄坯在加熱爐中加熱至1200 1260°C，保溫時間按照有效厚度1
1.5min/mm 計算；(3)粗軋、精軋采用兩階段控制軋制，中間坯厚度為5倍 10倍成品厚度，精軋入口溫度為950°C 1000°C，終軋溫度為800 850°C ；(4)軋后采用前段冷卻模式進行層流冷卻，目標卷取溫度為560°C 600°C ；(5)為改善板形質量，鋼卷下線后可采用罩式退火爐進行去應力退火，退火溫度為 450°C 550°C，保溫20小時。所述的一種低溫工程機械用鋼的生產方法，其特征在于對于3 16mm熱連軋鋼板，鋼的精軋入口溫度應控制在950°C 1000°C，終軋溫度應控制在800°C 850°C，精軋階段累計壓下量大于80%。
本發明主要合金元素作用和限定范圍如下碳碳是提高材料強度最經濟有效的元素，但過高的C含量會對惡化材料的塑性、 韌性和焊接性能。C含量的提高會顯著影響Pcm值，使得在焊接后容易出現表面淬硬現象， 增加焊接冷裂紋出現傾向。，本發明采用的碳含量為0. 06 % 0. 08 %，主要考慮保證材料具有良好的塑韌性和控制碳當量。硅硅為固溶強化元素，但添加過高硅會對材料的塑韌性產生負面影響，同時會降低焊接熱影響區韌性。本發明添加硅含量為0. 15% 0. 25%。錳錳具有固溶強化作用，同時可提高材料淬透性，是提高材料強度重要元素之一，但錳含量添加過高容易產生偏析并會降低材料韌性，惡化性能。本發明添加錳含量為 1. 50% 1. 90%。硫和磷硫和磷元素過高會對材料韌性和塑性有不利影響。本發明限定了硫含量應控制在0. 01 %以內，磷含量應控制在0. 02 %以內。鋁鋁為脫氧元素，同時具有一定的晶粒細化效果。本發明限定了鋁含量為 0. 01% 0. 06%。鉬鉬是提高材料焊接性能的重要元素，添加0% -0. 3%的Mo可提高焊接熱區的淬透性并細化組織，可顯著提高焊接熱影響區的抗拉強度，同時使焊接熱區具有一定的沖擊韌性。硼B用于提高熱連軋鋼板的焊接性能在本發明前未見報道，添加一定量的B顯著提高材料的淬透性，使焊接熱影響區中粗晶區組織由粒狀貝氏體向板條狀貝氏體或馬氏體轉變，從而提高焊接熱影響區強度。由于B在冶煉過程中較難控制，且易于晶界偏聚，因此應限制添加上限為20ppm。鈮添加Nb的主要目的是細化晶粒，配合采用較低的精軋區軋制溫度可得到細小均勻的鐵素體晶粒，實現材料強度和韌性的良好匹配。本發明添加的Nb含量為0.05% 0. 08%。鈦充分利用Ti的析出強化效果，通過采用合適的控軋控冷工藝得到大量彌散分布的納米級TiC析出，在保持材料具有良好塑韌性的同時，大幅提高了強度水平。在焊接熱影響區，以第二相質點形式存在的TiN和Ti(CN)對組織奧氏體長大起到一定阻礙作用，有利于焊縫熱區組織的細化。但Ti含量不可過高，避免韌性的降低。本發明添加0.09% 0. 14 的 Ti。氮氮含量過高會嚴重惡化材料的塑性和韌性，特別是對于Ti微合金化高強鋼， 由于N與Ti在高溫下結合生產較大尺寸的TiN，一方面對材料的韌性產生惡略的影響，另一方面會降低鋼種與C結合生產細小TiC的有效鈦含量，從而導致強度降低。但考慮到TiN 對阻止奧氏體長大，細化組織起到有利作用，本發明限定鋼種可以存在小于SOppm的N。對于Ti微合金化析出強化高強鋼，材料高的強韌性主要依靠Ti的納米級析出強化以及細晶強化來實現，而細晶強化則主要依靠Nb、Mo等合金元素作用配合嚴格的控軋控冷工藝實現，而在較大線能量焊接條件下，由于焊接熱循環作用，焊接熱影響區原來存在的納米級TiC析出幾乎全部回溶，同時奧氏體晶粒隨著焊接性能量的增加而增大，細晶強化效果減弱，導致強度大幅降低，難以保證滿足性能要求。為提高在較大線能量條件下焊接鋼的性能，本專利的技術解決方法是采用添加Mo和B元素提高焊接熱影響區淬透性，同時適當提高C、Mn等固溶強化元素的含量，提高焊接強度。在添加Mo元素后，高強鋼焊接熱影響區組織得到明顯強化，組織類型由尺寸較大的鐵素體向板條狀貝氏體或馬氏體而過度。如 600MPa級高強鋼添加0. 的Mo后，在相同的較大線能量焊接情況下，焊接熱影響區的抗拉強度可提高約IOOMPa ；在不添加Mo的情況下，只添加15ppm的B，也可將600Mpa高強鋼的焊接性能顯著提高；700MI^級高強鋼添加0. 2%以上的Mo是保證較大線能量焊接后熱影響區強度達到性能要求的有效方法，若采用Mo、B復合添加，可得到理想的母材和焊接熱影響區力學性能，同時有利于控制合金成本。本發明采用的生產工藝控制要點為，冶煉過程嚴格控制P、S、N含量，保證鑄坯質量。出連鑄機后保證鑄坯表面溫度在250°C -500°C之間時入加熱爐，避免在鑄坯溫降過程中TiN、TiC在奧氏體晶界析出引起應力不均導致的微裂紋和鑄坯斷裂。軋制過程嚴格控制各控軋控冷工藝參數，鋼卷卷取后可進行罩式退火改善材料性能均勻性和板形質量。本發明采用的加熱溫度為1200°C 1250°C，保溫時間按照有效厚度1 1. 5min/ mm計算，采用較高的加熱溫度的目的在于保證奧氏體均勻化及合金元素如鑄坯中形成的 Ti、Nb的化合物溶解的更加充分；采用兩階段控制軋制，中間坯厚度采用5倍-10倍成品厚度，保證具有足夠的奧氏體未再結晶區壓下量，有利于細化晶粒；增加中間坯厚度同時可以縮短中間坯長度，從而減小進精軋頭尾溫度差，防止尾部溫度降低過大增加軋機負荷。精軋入口溫度嚴格控制為950°C 1000°C，終軋溫度控制為800 850°C ；采用較低的精軋區溫度是得到細小均勻晶粒的有效方法，也是保證材料具有良好低溫沖擊韌性的關鍵。鋼帶出精軋后采用前段冷卻模式進行層流冷卻，一方面有利于加強相變后的組織強化，另一方面有利于增強析出強化效果，得到更多鐵素體中的細小析出產物，從而有效提高材料強度。本發明采用的目標卷取溫度為560°C 600°C，主要考慮到Ti的充分析出和保證具有足夠的相變區冷速。鋼卷下線后可進行罩式退火進行去應力退火，使材料的通卷力學性能更加均勻， 并可以有效使內應力得到釋放和均勻化，從而改善板形質量，有利于后續加工和用戶下料使用的順利進行。本發明采用了一種基于Ti微合金化成分體系生產600MPa和700MPa工程機械用鋼，添加Mo和B元素提高材料較大線能量焊接性能；冶煉軋制全流程工藝控制確保材料具有優異的強韌性；鋼卷通過罩式退火改善板形質量。本發明專利介紹的生產方法具有良好的工業實施可行性，本發明的鋼具有以下優點(1)按照本發明的方法生產的工程機械高強鋼熱連軋鋼板解決了現有技術生產 Ti微合金化高強鋼薄板不適用于較大線能量焊接的缺點。采用等強匹配的焊絲，在20kJ/ cm的較大線能量焊接時，焊接熱影響區保持較高的強度和韌性，可以達到600MI^和700MPa 性能要求。(2)按照本發明的方法生產的工程機械高強鋼熱連軋鋼板母材具有優異的低溫沖擊韌性，通過冶煉一軋制全流程工藝控制，特別是對軋制溫度的嚴格控制，得到均勻細小的晶粒和彌散分布的納米級TiC，保證板卷強度達標的同時通卷-20°c橫向和縱向沖擊功均大于47J，鋼板適用于天氣寒冷地區使用。
(3)采用鋼卷罩式退火去除殘余應力，設計了適用于Ti微合金化高強鋼的罩式去應力退火工藝，卷板開平后板形質量優良，不平度可控制在2mm/m以內，并可保證用戶下料后的板形質量，鋼板適用于制造汽車起重機吊臂和混凝土泵車臂等對板形要求嚴格的領域。(4)本發明生產工程機械用高強鋼板易于工業實施，具有批量生產可行性。
具體實施例方式按照本發明介紹的化學成分和制造方法生產600MPa級和700MPa級高強鋼，生產工藝路線采用210噸轉爐冶煉一LF精煉——RH真空處理一連鑄一熱送加熱爐再加熱一粗軋一6機架精軋一層流冷卻一卷取成卷一(罩式退火)一矯直開平。實施例1 生產600MI^級高強工程機械用鋼的具體方法為將220噸轉爐中冶煉并經爐外精煉的鋼水連鑄成鑄坯，在2250熱連軋生產線進行軋制，加熱溫度為1200 1220°C，精軋入口溫度為960°C 1000°C，中間坯厚度為42_ 54mm，終軋溫度為810°C 830，軋后經層流冷卻冷至目標卷取溫度590 0C，卷取后進行罩式退火去除殘余應力。本發明生產鋼與對比鋼的化學成分，力學性能和焊接性能對比情況如表1所示表1 600MPa級高強鋼化學成分
權利要求
1.一種低溫工程機械用鋼，其特征在于鋼的化學成分按重量百分比為C :0. 06 0. 08% ；Si 0. 15-0. 25% ；Mn :1. 6 1. 9% ；Nb :0. 05 0. 08% ；Mo 0 0. 30% ； B :0 0. 0020% ；Ti 0. 08 0. 14% ；Al 0. 01 0. 06% ；P ^ 0. 02% ；S ^ 0. 010% ；N ^ 0. 008% ；其余為狗及不可避免雜質。
2.如權利要求1所述的一種低溫工程機械用鋼，其特征在于鋼的化學成分按重量百分比中，添加Mo和B中的一種或兩種元素復合添加，Mo + B ^ 0. 30%。
3.如權利要求1所述的一種低溫工程機械用鋼的生產方法，包括以下步驟轉爐冶煉一LF精煉——RH真空處理一連鑄一熱送加熱爐再加熱一粗軋一6機架精軋一層流冷卻一卷取成卷一罩式退火一矯直開平，其特征在于控制如下工藝參數(1)鑄坯采用熱送熱裝，出連鑄機后保證鑄坯表面溫度在250°C 500°C之間時入加熱爐；(2)將鑄坯在加熱爐中加熱至1200 1260°C，保溫時間按照有效厚度1 1.5min/mm 計算；(3)粗軋、精軋采用兩階段控制軋制，中間坯厚度為5倍 10倍成品厚度，精軋入口溫度為950°C 1000°C，終軋溫度為800 850°C ；(4)軋后采用前段冷卻模式進行層流冷卻，目標卷取溫度為560°C 600°C；(5)采用罩式退火爐進行去應力退火，退火溫度為450°C 550°C。
4.如權利要求3所述的一種低溫工程機械用鋼的生產方法，其特征在于對于3 16mm熱連軋鋼板，鋼的精軋入口溫度應控制在950°C 1000°C，終軋溫度應控制在800°C 850°C，精軋階段累計壓下量大于80%。
全文摘要
本發明涉及一種適用于較大線能量焊接的低溫工程機械用鋼及其生產方法，其化學成分(重量百分比)為C0.06～0.08％；Si0.15-0.25％；Mn1.6～1.9％；Nb0.05～0.07％；Mo0～0.30％；B0～0.0020％；Ti0.08～0.14％；Al0.01～0.06％；P≤0.02％；S≤0.010％；N≤0.008％；其余為Fe及不可避免雜質，控制加熱溫度、精軋入口溫度、終軋溫度、終冷溫度、退火溫度，材料可保通卷橫向-20℃沖擊功大于47J，同時鋼板在20KJ/cm焊接性能量下，HAZ強度韌性均可達到母材力學性能要求。
文檔編號C22C38/14GK102409233SQ201110343410
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月3日 優先權日2011年11月3日
發明者張鵬程, 朱國森, 李永東, 李海波, 李飛, 武軍寬, 潘輝, 牛濤, 王學強, 章軍, 董現春, 郭佳 申請人:首鋼總公司