CN113814269B - 细化低碳贝氏体钢中m-a组元的轧制工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种细化低碳贝氏体钢中M‑A组元的轧制工艺，属于钢铁制造技术领域，包括加热、轧制和冷却三个步骤。本发明的有益技术效果是：（1）低碳贝氏体钢中M‑A组元的平均尺寸不大于1.5μm；（2）低碳贝氏体钢50mm以上厚规格钢板的厚向典型位置（1/4处和1/2处）的‑40℃KV 2冲击功平均值不低于200J，且各个单值之间的差值不大于20J；（3）低碳贝氏体钢50mm以上厚规格钢板厚向典型位置（1/4处和1/2处）的屈服强度521~595MPa,抗拉强度652~710MPa,屈强比0.79~0.85，延伸率19~23%；（4）低碳贝氏体钢的制备方案容易实施，生产工艺易控，能够实现低成本稳定批量工业化生产，可满足桥梁、建筑、海工、管线、风电塔架等主要承载结构对厚规格高强钢材的建设需求。

Description

细化低碳贝氏体钢中M-A组元的轧制工艺
技术领域
本发明属于钢铁制造技术领域，特别涉及一种细化低碳贝氏体钢中M-A组元的轧制工艺，采用本工艺生产的钢板具有优良的低温韧性和性能稳定性，且厚度方向均匀良好。
背景技术
近年来，低碳贝氏体钢因其优异的强韧性和焊接性，广泛应用于桥梁、建筑、海工、管线、风电塔架等领域。低碳贝氏体钢在实际生产过程中，是在连续冷却过程中发生相变，形成全部或者一定含量的粒状贝氏体室温组织。当轧制或者冷却渗透力不足时，特别是50mm以上厚规格钢板，近心部粒状贝氏体组织中马氏体-奥氏体组元（M-A组元）尺寸粗大，呈块状或者链状分布在原奥氏体晶界处。当承受冲击载荷时，粗大的M-A组元周围局部应力集中程度较大，裂纹形核倾向于在M-A组元和基体的界面处萌生，径直穿晶扩展，严重恶化冲击韧性，进而导致钢板冲击功较低或波动等问题。但M-A组元因富含碳元素以及内部高密度位错亚结构，作为硬相存在于钢中，可显著提高强度和材料的应***化能力。
因此，如何调控获得适度细化的M-A组元，进而提高厚规格钢板低温韧性和性能稳定性，实现强韧性良好匹配，成为低碳贝氏体钢制造领域关键技术问题。
为了解决上述问题，众多学者在这类钢的M-A组元调控方面，已进行了如下有益探索。
授权公告号为CN109837367B的发明专利“细化低碳低合金钢粒状贝氏体组织中M-A组元的热处理工艺”，在两相区奥氏体化热处理前添加一道回火处理，控制获得均匀弥散分布的富Mn或富Cr碳化物，为薄膜状或者针状铁素体提供更多形核位点，进而达到细化M-A组元，提高厚规格钢板心部冲击韧性的目的。但该方法需钢中具有较高的Mn（≤2.5%）或Cr（≤3%）含量以形成足够的碳化物，但较高的Mn和Cr元素会提高M-A稳定性，回火时不易分解，因此只能在一定程度上降低M-A含量和减小尺寸，所以冲击韧性改善效果不明显，如实施例3中各冲击功值之间波动较大（86/124/145J）。另外多一道热处理工序，降低生产效率，提高能耗，增加成本。
公开号为CN108998726A的发明专利“一种厚规格的420MPa级低屈强比低温桥梁用钢板”，在常规TMCP工艺轧制后，加一道回火处理，使得100mm厚规格Q420qE钢板厚向1/4处-40℃冲击功达到250J以上，屈强比≤0.84，强韧性匹配良好。但是该生产工艺精轧温度较高，M-A组元尺寸较粗大，通过增加一道回火工艺使得M-A组元分解，从而提高低温韧性。但钢板心部M-A组元尺寸及低温韧性未报道。通过回火热处理虽可使粗大M-A组元分解，达到提高板厚1/4处低温韧性的目的，但是由于心部轧制和冷却渗透力不足，心部低温韧性难以改善，未能彻底解决厚板厚向性能均匀性问题。
授权公告号为CN1323187C、CN103451537B和CN103451561B等发明专利通过调控合金成分，控制较低的C、Si、Mn或Cr等元素的加入量，以减少M-A组元脆性相，有利于提高母材的冲击韧性，但是往往使抗拉强度不足、屈强比偏高，强度不满足服役要求。
由此可见，目前现有研究中，大多采用合金成分或者热处理工艺调控M-A组元，通过轧制工艺对M-A组元的调控研究还不够深入，导致厚规格钢板在强韧性、性能稳定性及厚向性能均匀性调控方面仍有诸多欠缺，亟待开展相关制备工艺技术开发。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种细化低碳贝氏体钢中M-A组元的轧制工艺，从而实现厚规格（50mm以上）钢板强韧性匹配、提高冲击性能稳定性及厚向性能均匀性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种细化低碳贝氏体钢中M-A组元的轧制工艺，包括以下步骤：
（1）加热阶段：将低碳贝氏体钢铸坯在T1分钟内加热到1100～1200℃后保温T2 分钟并且280≤T≤352，其中，T=T1+T2，T1=（0.80~1.10）H，T2=（0.14~0.22）H，H为铸坯厚度，单位为mm；
（2）轧制阶段：包括粗轧阶段和精轧阶段，
粗轧阶段开轧温度为1020～1080℃，终轧温度为980～1060℃，轧制道次3～5道次形成中间坯，总压下率不低于55%；
精轧阶段开轧温度为730～840℃，终轧温度为710～780℃，轧制道次4～6次形成低碳贝氏体钢板，单道次压下率≥8%，末三道次压下率≥40%；
（3）冷却阶段：低碳贝氏体钢板轧后经层流水冷却，开冷温度为710～750℃，返红温度为350～450℃，冷却速度为15～25℃/s。
本发明的技术方案是通过以下原理及方式来实现上述目的。
本发明的轧制工艺包括钢坯加热、轧制和冷却三个阶段。
加热阶段采用低温加热、延长加热时间、缩短保温时间的技术方案，控制坯料加热温度为1100～1200℃，按坯料厚度不同，控制加热时间为T1=（0.80~1.10）H，控制保温时间为T2=（0.14~0.22）H，其中T=T1+T2，且需要保证280≤T≤352，从而既能确保充分奥氏体化，又可避免因加热温度过高或者保温时间过长导致奥氏体晶粒长大而粗化，T值偏小，则奥氏体化程度较低，易混晶，严重恶化性能；T值偏大，则奥氏体晶粒易长大粗化，进而使得最终的室温组织M-A组元粗化。
轧制阶段采用低温大压下的轧制工艺，粗轧阶段开轧温度1020～1080℃，终轧温度980～1060℃，轧制道次3～5道次，单道次压下率≥12%，总压下率不低于55%，较低的轧制温度区间配合较大的道次压下量，既能保证奥氏体充分再结晶，又可避免奥氏体因轧制过程温度较高导致晶粒长大。中间坯厚度h控制为（1.8~2.2）t，t为钢板的最终目标厚度。中间坯待温阶段（粗轧完后至精轧开轧时之间的待温阶段）时轧机旁边机架处架设的喷水装置喷水加速中间坯冷却，加快降温，缩短该阶段停留时间。喷水装置的喷水量L控制1100≤L≤1400 m3/h，其中L=（8~12）h，最终轧制目标板厚t越大，则中间坯厚度h应越大，进而需要喷水量更大，以使得有足够的冷速使中间坯加快降温。中间坯待温时机旁穿水加速冷却，水量控制1100~1400m3/h，可大幅提高中间坯降温速度，减少高温停留时间，降低奥氏体晶粒长大驱动力，细化奥氏体晶粒，进而细化M-A组元。控制精轧开轧温度730～840℃，终轧温度710～780℃，轧制道次4～6次，单道次压下率≥8%，末三道次压下率≥40%，精轧阶段的较低轧制温度和较小压下率的控制使得原始奥氏体充分变形，在奥氏体中产生足量的亚结构和位错，在诱导微合金元素析出的同时为后一步铁素体相变提供更多的形核位点，细化奥氏体晶粒，进而使得M-A组元细化，同时较低的精轧温度也有助于轧制力渗透到厚板心部，细化心部M-A组元。
冷却阶段采用低温开冷、高冷速和低温返红的技术方案，可提高冷却渗透力，使得厚板心部充分冷却，细化心部晶粒尺寸，进而细化M-A组元；一般厚板的上表面温降比表面快，为了提高厚板厚向性能均匀性，本发明通过控制下表面和上表面的水量比值为1.2～1.5，可大幅提高厚向性能均匀性。除此以外还需控制0.125≤λ≤0.8，根据板厚不同控制适当的精轧终轧温度与开冷温度的差值，使得开始冷却前有充分的弛豫时间，析出适量的块状铁素体软相组织，提高组织中软相占比，进而提高应***化量，降低屈强比，可避免因晶粒细化程度较高导致屈强比较高，λ过小，则弛豫时间较短，无法析出足量的块状铁素体组织，λ过大，则弛豫时间过长，晶粒长大，使得组织粗化。最后钢板经冷却后自然冷却，即可获得成品钢板。
此外，还需控制低碳贝氏体钢坯料的关键合金成分C、Mn、Si、Ni、Cr、Mo、Cu和N的添加量满足3.89≤γ≤6.86，其中，γ=C+Mn/6+Si/5+Ni/15+Cr/2+Mo/4+Cu/13+N/0.001。C、Mn、Ni、Cu和N元素在钢中具有稳定奥氏体的作用，可显著提高残余奥氏体的稳定性，进而增大M-A组元的尺寸和含量。Cr和Mo元素都是中强碳化物形成元素，会抑制奥氏体中碳元素扩散，可显著提高残余奥氏体的稳定性，使得更多的过冷奥氏体转变为M-A组元，进而增大M-A组元的尺寸和含量。Si虽是非碳化物形成元素，但是在中、低温相变区间，Si元素能够增强铁原子的结合力，使碳原子的扩散激活能提高，相应的碳在奥氏体中的扩散系数减小，有效地提高残余奥氏体的含量及其在钢中的机械稳定性和热稳定性，使得更多的过冷奥氏体转变为M-A组元，进而增大M-A的尺寸和含量。通过调控上述元素科学合理的配比加入钢中，使得3.89≤γ≤6.86，若γ值过大，则钢中M-A组元尺寸会增大，含量会增加；若γ值过小，则需要更高的加热温度使其完全奥氏体化，则奥氏体晶粒易长大粗化，进而使得钢中M-A组元尺寸长大粗化。
本发明的有益技术效果是：（1）低碳贝氏体钢中M-A组元的平均尺寸不大于1.5μm；（2）低碳贝氏体钢50mm以上厚规格钢板的厚向典型位置（1/4处和1/2处）的-40℃ KV 2冲击功平均值不低于200J，且各个单值之间的差值不大于20J；（3）低碳贝氏体钢50mm以上厚规格钢板厚向典型位置（1/4处和1/2处）的屈服强度521~595MPa,抗拉强度652~710MPa,屈强比0.79~0.85，延伸率19~23%；（4）低碳贝氏体钢的制备方案容易实施，生产工艺易控，能够实现低成本稳定批量工业化生产，可满足桥梁、建筑、海工、管线、风电塔架等主要承载结构对厚规格高强钢材的建设需求。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1为本发明的实施例 2厚度方向典型位置M-A组元观察；
图2为对比例2厚度方向典型位置M-A组元观察。
具体实施方式
本发明提供一种细化低碳贝氏体钢组织中M-A组元的轧制工艺，包括以下步骤。
（1）加热阶段：将铸坯在T1分钟内加热到1100～1200℃，保温T2 分钟，且280≤T≤352，其中T=T1+T2，T1=（0.80~1.10）H，T2=（0.14~0.22）H，H为铸坯厚度（mm）。
（2）轧制阶段，包括粗轧阶段和精轧阶段。
粗轧阶段开轧温度1020～1080℃，终轧温度980～1060℃，轧制道次3～5道次形成中间坯，单道次压下率≥12%，总压下率不低于55%。
中间坯厚度h=（1.8~2.2）t，t为钢板最终目标厚度（mm）。中间坯待温时机旁的喷水装置喷水加速中间坯的冷却，喷水量L=（8~12）h且控制1100≤L≤1400 m3/h。
精轧阶段开轧温度730～840℃，终轧温度710～780℃，轧制道次4～6次形成低碳贝氏体钢板，单道次压下率≥8%，末三道次压下率≥40%。
（3）冷却阶段：低碳贝氏体钢板精轧后经层流水冷却，开冷温度710～750℃，返红温度350～450℃，冷却速度15～25℃/s，且下表面和上表面的水量比值为1.2~1.5，且0.125≤λ≤0.8，其中λ=（T精终-T开冷）/ t。T精终为精轧阶段的终轧温度，T开冷为冷却阶段的开冷温度，t为钢板的最终目标厚度，单位为mm。
上述低碳贝氏体钢坯料的化学成分按重量百分比计包括：C 0.04~0.09、Si ≤0.55、Mn 0.90～1.70、Cr 0.20～0.70、Ni 0.25～0.65、Cu 0.25～0.55、Mo ≤0.30、Nb0.010-0.050、V 0.015-0.035、Ti 0.010-0.030、N 0.0035～0.0070、P ≤ 0.020、S≤0.005，余量为Fe及不可避免杂质，且同时满足3.89≤γ≤6.86 其中，γ=C+Mn/6+Si/5+Ni/15+Cr/2+Mo/4+Cu/13+N/0.001。
下面结合实施例和对比例对本发明做进一步描述。
本发明所提供的一种细化厚规格低碳贝氏体钢中M-A岛的轧制工艺,其化学成分主要包括Fe、C、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Nb、V、Ti、N不可避免杂质，元素质量百分含量满足3.89≤γ≤6.86，其中，γ=C+Mn/6+Si/5+Ni/15+Cr/2+Mo/4+Cu/13+N/0.001。其中实施例和对比例钢化学成分如表1中所示，轧制工艺如表2所示。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE001
表2
Figure 983303DEST_PATH_IMAGE002
注：（1）280≤T≤352，其中T=T1+T2，T1=（0.80~1.10）H，T2=（0.14~0.22）H，H为铸坯厚度（mm）；（2）1100≤L≤1400，其中L=（8~12）h，h=（1.8~2.2）t，t为钢板最终目标厚度（mm）；（3）0.125≤λ≤0.8，其中λ=（T精终-T开冷）/ t。
实施例1-4为采用本发明工艺生产的50mm和80mm厚度Q500qENH耐候桥梁钢，对比例1和2为与实施例相同炉次冶炼的钢水，浇铸出的不同坯料，成分与实施例1和2相同，但采用与本发明不同的常规轧制工艺制备的。
对比例3和4的成分不在本发明的限制范围之内，与本发明成分设计不同，但采用的是本发明的轧制工艺制备的。
从上述方法制得的钢板取样进行力学性能检测，结果如表3所示，实施例1-4沿厚度方向三个典型位置的屈服强度、抗拉强度、屈强比和延伸率均满足屈服强度500MPa级钢的要求，且富余量较大；-40℃冲击功均在200J以上，单组冲击功数值中各单值之间的差值小于20J，稳定性较好，且厚度方向上冲击韧性均匀性优良。而对比例1-4，冲击韧性较差，板厚方向上不同位置冲击功差异较大，且同一位置3个平行样之间冲击功数值波动较大，各单值之间差值最大达到270J。
表3
Figure DEST_PATH_IMAGE003
采用Lepera试剂（4%的苦味酸酒精溶液与1%的亚硫酸氢钠水溶液等比例混合）对实施例1-4和对比例1-4的M-A组元进行着色腐蚀，采用Image-Pro-Plus软件对M-A组元进行定量统计，结果如表4所示，实施例2和对比例2着色腐蚀结果如附图1~2所示。
表4
Figure 217888DEST_PATH_IMAGE004
本实施例1-4的M-A组元尺寸最大实施例4的心部，为1.46μm，不超过1.5μm，面积占比为15.32%，不超过20%，且上1/4和下1/4位置M-A组元尺寸相近，而对比例1-4厚向典型位置M-A尺寸较粗大，最小值为对比例4的厚向下1/4位置，为1.58μm，大于1.5μm，面积占比为21.21%，大于20%；且对比试验钢板厚方向上、下1/4位置M-A组元尺寸差异较大，这主要是因为上下水比控制不当导致，所呈现出的组织关系与上述性能关系是相对应的。
相较于对比例1-4，本实施例1-4采用低温加热、适当延长保温时间、低温轧制、低温开冷、高冷速、低温返红的热机械轧制工艺，控制280≤T≤352、 1100≤L≤1400、0.125≤λ≤0.8，且冷却阶段控制上下表水量比值在1.2-1.5，同时控制试验钢中关键合金元素添加量满足3.89≤γ≤6.86，获得了较细化的M-A组元组织，进而获得了优异的低温韧性和性能均匀性。
上述结果表明，本发明各实施例钢板粒状贝氏体组织中M-A组元尺寸较小，沿板厚各典型位置均不大于1.5μm，低温韧性较好，且厚度方向性能均匀性较好，而对比例M-A尺寸粗大，冲击性能波动大，厚向性能均匀性差。
综上，本发明的细化低碳贝氏体钢中M-A组元的轧制工艺，如上述工业生产的50-80mm厚度钢板，厚度方向典型位置的低温韧性优良、性能稳定性高、厚向性能均匀性良好，实现了厚规格低碳贝氏体钢强韧性优良匹配，方案容易实施，生产工艺易控，能够稳定批量工业化生产，可广泛应用与桥梁、建筑、海工、管线、风电塔架等主要承载结构的建设。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种细化低碳贝氏体钢中M-A组元的轧制工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）加热阶段：将低碳贝氏体钢铸坯在T1分钟内加热到1100～1200℃后保温T2 分钟并且280≤T≤352，其中，T=T1+T2，T1=（0.80~1.10）H，T2=（0.14~0.22）H，H为铸坯厚度，单位为mm；
（2）轧制阶段：包括粗轧阶段和精轧阶段，
粗轧阶段开轧温度为1020～1080℃，终轧温度为980～1060℃，轧制道次3～5道次形成中间坯，总压下率不低于55%；
精轧阶段开轧温度为730～840℃，终轧温度为710～780℃，轧制道次4～6次形成低碳贝氏体钢板，单道次压下率≥8%，末三道次压下率≥40%；
（3）冷却阶段：低碳贝氏体钢板轧后经层流水冷却，开冷温度为710～750℃，返红温度为350～450℃，冷却速度为15～25℃/s；
低碳贝氏体钢的成分按质量百分比计包括：C 0.04~0.09、Si ≤0.55、Mn 0.90～1.70、Cr 0.20～0.70、Ni 0.25～0.65、Cu 0.25～0.55、Mo ≤0.30、Nb 0.010-0.050、V 0.015-0.035、Ti 0.010-0.030、N 0.0035～0.0070、P≤ 0.020、S≤ 0.005，余量为Fe及不可避免杂质；
C、Mn、Si、Ni、Cr、Mo、Cu和N的含量满足3.89≤γ≤6.86，其中，γ=C+Mn/6+Si/5+Ni/15+Cr/2+Mo/4+Cu/13+N/0.001。
2.根据权利要求1所述的细化低碳贝氏体钢中M-A组元的轧制工艺，其特征在于，在粗轧阶段单道次压下率≥12%，在粗轧阶段完成后的中间坯厚度h=（1.8~2.2）t，t为钢板的最终目标厚度，单位为mm。
3.根据权利要求1所述的细化低碳贝氏体钢中M-A组元的轧制工艺，其特征在于，在粗轧阶段完成后、精轧阶段开始前，通过喷水装置向中间坯喷水使冷却至精轧阶段的开轧温度，其中喷水装置的喷水量L=（8~12）h且1100≤L≤1400 m3/h。
4.根据权利要求1所述的细化低碳贝氏体钢中M-A组元的轧制工艺，其特征在于，在冷却阶段，低碳贝氏体钢板下表面和上表面的水量比值为1.2～1.5并且0.125≤λ≤0.8，其中，λ=（T精终-T开冷）/ t，T精终为精轧阶段的终轧温度，T开冷为冷却阶段的开冷温度，t为钢板的最终目标厚度，单位为mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的细化低碳贝氏体钢中M-A组元的轧制工艺，其特征在于，冷却后的低碳贝氏体钢板中M-A组元平均尺寸不大于1.5μm，面积占比不大于20%。
6.根据权利要求1-4任一项所述的细化低碳贝氏体钢中M-A组元的轧制工艺，其特征在于，轧制后的低碳贝氏体钢板厚度大于等于50mm。
7.根据权利要求1-4任一项所述的细化低碳贝氏体钢中M-A组元的轧制工艺，其特征在于，低碳贝氏体钢板厚向典型位置的-40℃ KV 2冲击功平均值不低于200J，且各个单值之间的差值不大于20J。
8.根据权利要求1-4任一项所述的细化低碳贝氏体钢中M-A组元的轧制工艺，其特征在于，低碳贝氏体钢板厚向典型位置的屈服强度为521~595MPa，抗拉强度为652~710MPa，屈强比为0.79~0.85，延伸率为19~23%。
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