CN111910127B - 一种满足焊接热输入30kJ/cm液压支架用Q890钢板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种满足焊接热输入30kJ/cm液压支架用Q890钢板及其制备方法,属于钢铁冶金与高强钢焊接技术领域。该钢板的化学成分按重量百分比包括:C 0.12~0.13%,Si 0.30~0.35%,Mn 1.5~1.6%,P≤0.012%,S≤0.008%,Mo 0.5~0.6%,V 0.08~0.09%,B 0.0005~0.0012%,Zr 0.02~0.03%,Ti 0.02~0.03%,余量为铁Fe以及不可避免的杂质。本发明制备的钢板的屈服强度达到900MPa,抗拉强度达到1000MPa,断后伸长率为16%,‑20℃冲击功为200J,其焊接热输入达到30kJ/cm。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金与高强钢焊接技术领域,特别涉及一种焊接热输入为30kJ/cm的液压支架用Q890钢板及其制备方法。
背景技术
随着煤矿开采的深入及挖掘量的增加,液压支架正向高可靠性、大工作面方向发展,同时,作为煤矿综采关键的设备,液压支架的高寿命、轻量化也是重要发展方向之一,而现有液压支架的顶梁、掩护梁、底座及连杆等主要结构件还大量采用屈服强度为690MPa及以下等级的高强度钢板制造,通过强度及工作条件校核发现,在同等工作工况下,如果采用等级较高的Q890钢板替代现有的Q690钢板,可节约钢材22.5%、焊材37.8%,并使液压支架具有更高的强韧性,可以大幅度提高其抗压能力、使用寿命、使用安全性等综合性能,因此,研发并推广应用更高等级的液压支架用钢具有重要的意义。
针对Q890液压支架用钢来说,除了要求其具有较高的强度外,焊接性能是影响其大范围推广应用的重要性能指标,参考文献1:焊接热输入对Q890高强钢热影响区裂纹扩展的影响,焊接学报,2017,38(8),表明:随着焊接热输入的增加,粗晶区的微观组织表现出从马氏体组织向马氏体、贝氏体混合组织,再向贝氏体、粒状贝氏体混合组织转变,其焊接热输入值仅能达到20kJ/cm,更高热输入条件下其显微组织存在大量成链状分布的M-A组元,属于脆性断裂。参考文献2:热输入对Q890D低合金高强钢焊接性能的影响,焊接,2019,3,表明:当焊接热输入较高时,除了冲击韧性较差外,其打底焊道的热影响区硬度将低于焊缝及母材,存在焊后软化现象,因此,其对应的焊接热输入值应控制在较低范围。但是焊接热输入值较低时冷却速度较快,熔敷金属含氢量高,又会增加冷裂纹的敏感性。因此,开发一种能够满足高焊接热输入的钢板是非常有必要的,在高焊接热输入的条件下不影响钢板的综合性能,又能解决低焊接热输入下存在的问题,可以使钢板得到大范围推广使用。
中国专利CN103589969A和CN103555911A分别公开了一种调质高强度Q890D特厚钢板的生产方法和一种调质高强度Q890E特厚钢板的生产方法,在合金成分设计上,两者均添加了Cu、Ni、Nb、V、Ti、Cr及Mo等合金元素,其具体工艺为淬火后采用630-650℃的回火处理,最终产品的厚度规格为100-120mm。从产品厚度规格及最终产品性能指标来说,其产品不属于液压支架用钢品种,且未涉及高焊接热输入钢板的制备方法。
中国专利CN106148822A公开了一种在线淬火生产高强钢Q890中厚板的方法,其重点关注了板坯加热温度、轧制工艺等参数,其淬火后的回火温度为500℃,最终钢板组织为板条马氏体加板条贝氏体的双相组织。中国专利CN105880834A公开了一种Q890高强钢焊接方法,其钢板的焊接预热温度为60-100℃,层间温度控制在150-250℃,并对焊接后的钢板进行回火处理。同样的,上述两个专利均未涉及具备较大焊接热输入Q890钢板的成分设计及生产工艺控制方法。
综上所述,针对具备较大焊接热输入性能的液压支架用Q890钢板,在相关文献及专利上未见明确的阐述。
发明内容
本发明的目的是一方面提供一种满足焊接热输入30kJ/cm液压支架用Q890钢板,另一方面提供该钢板的制备方法。本发明通过设计钢板的成分及调控制备工艺,使制备的钢板在具备常规Q890力学性能的基础上,保证其焊接热输入值提高的情况下仍具备良好的综合使用性能,使钢板得到大范围推广使用。
为实现上述目的,本发明的技术方案为:
一种满足焊接热输入30kJ/cm液压支架用Q890钢板,该钢板的化学成分按重量百分比包括:C 0.12~0.13%,Si 0.30~0.35%,Mn 1.5~1.6%,P≤0.012%,S≤0.008%,Mo 0.5~0.6%,V 0.08~0.09%,B 0.0005~0.0012%,Zr 0.02~0.03%,Ti 0.02~0.03%,余量为铁Fe以及不可避免的杂质。
进一步,该钢板的屈服强度达到900MPa,抗拉强度达到1000MPa,断后伸长率为16%,-20℃冲击功为200J,其焊接热输入达到30kJ/cm,即钢板在焊接热输入为30kJ/cm条件下具备良好的综合性能。
进一步,所述钢板的成分还可以为:C 0.12~0.13%,Si 0.30~0.35%,Mn 1.5~1.6%,P≤0.012%,S≤0.008%,Mo 0.5~0.6%,V 0.08~0.09%,B 0.0006~0.0010%,Zr 0.02~0.03%,Ti 0.02~0.03%,余量为铁Fe以及不可避免的杂质。
进一步,所述钢板的成分还可以为:C 0.12~0.13%,Si 0.30~0.35%,Mn 1.5~1.6%,P≤0.010%,S≤0.005%,Mo 0.5~0.6%,V 0.08~0.09%,B 0.0006~0.0010%,Zr 0.02~0.03%,Ti 0.02~0.03%,余量为铁Fe以及不可避免的杂质。
更进一步,所述钢板的成分还可以为:C 0.12%,Si 0.35%,Mn 1.5%,P0.008%,S 0.005%,Mo 0.5%,V 0.08%,B 0.0006%,Zr 0.02%,Ti 0.02%,余量为铁Fe以及不可避免的杂质。
更进一步,所述钢板的成分还可以为:C 0.13%,Si 0.30%,Mn 1.6%,P0.009%,S 0.004%,Mo 0.6%,V 0.08%,B 0.0008%,Zr 0.03%,Ti 0.02%,余量为铁Fe以及不可避免的杂质。
更进一步,所述钢板的成分还可以为:C 0.12%,Si 0.33%,Mn 1.5%,P0.010%,S 0.004%,Mo 0.55%,V 0.09%,B 0.0010%,Zr 0.02%,Ti 0.03%,余量为铁Fe以及不可避免的杂质。
一种满足焊接热输入30kJ/cm液压支架用Q890钢板的制备方法,包括以下步骤:
(1)按设定成分冶炼钢水并铸成铸坯,铸坯厚度为250mm;
(2)将铸坯加热至1180~1220℃,进行第一阶段5~7道次轧制,其开轧温度为1080~1150℃,终轧温度为980~1070℃,获得厚度为70~100mm中间坯;
(3)对中间坯待温至950~1000℃,进行第二阶段5~7道次轧制,其终轧温度为850~880℃,每道次压下量控制在15~20%,终轧后钢板厚度为20-30mm;
(4)终轧后以30~50℃/s的速度将钢板冷却至200℃,随后放置到冷床上冷却至室温;
(5)将钢板进行400℃的离线回火,回火时间为1h。
本发明重点解决高热输入焊接工艺条件下实验钢将会出现的热影响区韧性及强度降低的问题,在成分设计上添加了能够在粗大奥氏体晶粒内诱导高强度、高韧性贝氏体的Zr元素,同时,通过Ti细化奥氏体晶粒尺寸,并添加一定量的Mo和V元素抑制焊接后组织的软化行为,最终使其力学性能满足Q890的基础上,在焊接热输入值达到30kJ/cm的情况下仍具有良好的综合使用性能。
本发明中钢板成分的设置考虑了以下几点:
1)碳对强化钢板是有效的,但同时会降低钢板的成型性及焊接性,这些性能对其使用性能来说是必不可少的,因此,碳的含量控制在低碳钢范围内;
2)锰能够通过固溶强化与相变强化来有效的提高钢材的性能,但过高的锰会产生成分偏析,影响最终产品的低温韧性,所以,锰的含量控制在1.5%左右;
3)钼和钒是本发明中的重要元素,其中钼元素加入后会显著提高钢板的淬透性,保证钢板获得高强度的马氏体组织,同时钼和钒的复合添加,可有效抑制焊接过程中焊接热影响区组织的软化,保证了在较高的焊接热输入量条件下其焊接部位仍具有高的强度值;
4)锆是本发明中的重要元素之一,其与微量的钛元素相互配合,可以有效促进在粗大奥氏体晶粒内部的组织形核,其形核组织主要为高强韧性针状铁素体和贝氏体,可以满足本发明中较高热输入条件下焊接热影响区高韧性的要求;
5)硼是本发明中的重要元素之一,硼加入钢中可以显著提高钢板获得马氏体或贝氏体的临界冷速,加入微量的硼元素可以使钢的临界冷却速度提高3倍以上,从而保证了在此合金体系下的钢板可以获得马氏体组织。从硼的添加量来说,当硼含量大于5ppm时,其淬透性的作用较为明显,但过多的硼会与氮形成脆性的BN析出物,降低晶界强度,显著降低钢板的低温韧性,因此,这里将其控制在6-10ppm可获得较好的强韧性效果。
本发明Q890钢板与现有同强度级别的低合金高强度钢相比具有如下优点:在满足相同力学性能要求的同时,其可实现更大的焊接热输入能量,具有更好的综合使用性能,尤其是焊接使用性能。同时,在较高的焊接热输入条件下,其焊接效率更高,生产效率会得到明显提升,为更高强度等级液压支架用钢的批量生产及使用提供了可行路线。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的钢板的光学显微照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明实施例的钢板组成成分参见表1,本发明实施例的钢板的制备工艺流程为:转炉冶炼→LF→RH→铸坯→铸坯加热→热轧→冷却→离线回火,其中铸坯加热:1180~1220℃,第一阶段轧制开轧温度为1080~1150℃,终轧温度为980~1070℃,获得厚度为70~100mm中间坯;对中间坯待温至950~1000℃,第二阶段终轧温度为850~880℃,每道次压下量控制在15~20%,终轧后钢板厚度为20-30mm;终轧后以30~50℃/s的速度将钢板冷却至200℃,随后放置到冷床上冷却至室温;将钢板进行400℃的离线回火,回火时间为1h。
本发明实施例的钢板的制备工艺参数参见表2,本发明实施例1-3所制备的钢板的力学性能参见表3,本发明实施例1-3所制备钢板的焊接性能参见表4。
本发明实施例的工艺流程:
表1实施例1-3的钢板组成成分/重量百分比
实施例 | C | Si | Mn | P | S | Mo | V | Zr | Ti | B |
1 | 0.12 | 0.35 | 1.5 | 0.008 | 0.005 | 0.50 | 0.08 | 0.02 | 0.02 | 0.0006 |
2 | 0.13 | 0.30 | 1.6 | 0.009 | 0.004 | 0.60 | 0.08 | 0.03 | 0.02 | 0.0008 |
3 | 0.12 | 0.33 | 1.5 | 0.010 | 0.004 | 0.55 | 0.09 | 0.02 | 0.03 | 0.0010 |
表2实施例1-3的钢板热轧工艺参数及对应产品的厚度
注:实施例1-3的回火温度为400℃,回火时间为1h。
表3实施例1-3的钢板厚度及对应的力学性能
表3所示,钢板的厚度为20-30mm,其屈服强度达到了920-940MPa,抗拉强度为1008-1020MPa,延伸率为16.0%-16.5%,-20℃的冲击功为180-210J,满足了Q890钢板的力学性能要求。
表4实施例1-3的钢板在焊接热输入下的焊接接头力学性能
表4所示,钢板的厚度为20-30mm,当采用30kJ/cm的焊接热输入值时,其焊接接头抗拉强度为990-1010MPa,其焊缝中心、熔合线及熔合线外的低温冲击功均满足焊接测试要求,且焊接接头断裂位置均在焊缝中心,表明钢板在30kJ/cm的焊接工艺条件下具有良好的焊接性能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (1)
1.一种满足焊接热输入30kJ/cm液压支架用Q890钢板,其特征在于,该钢板的化学成分按重量百分比包括:C 0.12~0.13%,Si 0.30~0.35%,Mn 1.5~1.6%,P 0.008~0.010%,S0.004~0.005%,Mo 0.5~0.6%,V 0.08~0.09%,B 0.0006~0.0010%,Zr 0.02~0.03%,Ti 0.02~0.03%,余量为铁Fe以及不可避免的杂质;
该钢板厚度为20~30mm,屈服强度达到900MPa,抗拉强度达到1000MPa,断后伸长率为16%,-20℃冲击功为200J,其焊接热输入达到30kJ/cm;
所述满足焊接热输入30kJ/cm液压支架用Q890钢板的制备方法包括以下步骤:
(1)按设定成分冶炼钢水并铸成铸坯,铸坯厚度为250mm;
(2)将铸坯加热至1180~1220℃,进行第一阶段5~7道次轧制,其开轧温度为1080~1150℃,终轧温度为980~1070℃,获得厚度为70~100mm中间坯;
(3)对中间坯待温至950~1000℃,进行第二阶段5~7道次轧制,其终轧温度为850~880℃,每道次压下量控制在15~20%,终轧后钢板厚度为20-30mm;
(4)终轧后以30~50℃/s的速度将钢板冷却至200℃,随后放置到冷床上冷却至室温;
(5)将钢板进行400℃的离线回火,回火时间为1h。
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