CN114410937A - 一种防止大厚度低合金马氏体钢切割延迟裂纹的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防止大厚度低合金马氏体钢切割延迟裂纹的方法。属于钢板表面质量控制领域，低合金高强度马氏体钢的化学成分包括：C、Mn、Si、Ti、Ni、Cr、Mo、Nb、Al、B、S及P，余量为Fe和杂质；其制备步骤：铁水脱硫、转炉、LF+RH、连铸、加热炉加热、TMCP、ACC、淬火、回火制备，制得低合金马氏体钢；本发明采用合理的Ti、Nb、Mo、Al和B元素的含量配比，控制大厚度钢板的淬透性及夹杂物尺寸；另外，采用二次淬火及低温回火热处理工艺，避免了延迟裂纹的形成及扩展；钢板采用火焰切割，火焰切割前对钢板进行预热，避风切割后遮盖耐火保温棉或移入保温坑内缓冷，有效避免切割后产生应力引发延迟裂纹。
Description
技术领域
本发明属于钢板表面质量控制领域，涉及一种防止大厚度低合金马氏体钢切割延迟裂纹的方法，具体的是，涉及一种防止大厚度低合金高强度马氏体钢产生切割延迟裂纹的方法。
背景技术
现有技术中，低合金高强度马氏体钢因较低的合金元素含量，高强度及高韧性被广泛使用；钢板后期切割过程可采用激光切割、等离子切割、火焰切割等切割方法，其中激光切割、等离子切割对所切钢板厚度有要求，从而存在一定的局限性；而火焰切割因成本低、易操作、切割效率高，且可切割的钢板厚度范围大被广泛应用；大厚度高强度马氏体钢板经常采取火焰切割，但火焰切割后火切面易形成延迟裂纹。而延迟裂纹产生前无明显征兆，扩展后会引发突发性脆性断裂，导致灾难性后果。
火切面延迟裂纹是由于钢板切割面受切割热循环影响，发生组织相变，如组织中存在偏析带及大尺寸带尖角的夹杂物，易捕获氢原子，从而引发氢脆，形成延迟裂纹；因此，如何解决上述问题就成为现下工作人员需要考虑的事情了。
发明内容
发明目的：为解决低合金马氏体钢火焰切割后切割面产生延迟裂纹的问题，本发明对低合金马氏体钢的生产工艺和火焰切割工艺进行研究；从钢板成分调控入手，在保证马氏体钢板淬透性的前提下，通过微合金化元素种类及含量的优化，减小碳氮化物数量及尺寸；同时对连铸冷却速率和铸坯均热温度做出调整及控制，以达到控制夹杂物尺寸和减轻偏析的目的；钢材热处理采用二次淬火加回火工艺，其中第一次淬火温度高于第二次淬火温度，保温时间长于第二次淬火，其目的是为使合金元素均匀化分布，同时为第二次淬火奥氏体晶粒提供形核点；采用二次淬火工艺既可以使得合金元素分布均匀，又可保证晶粒细化，最后采用回火工艺使组织更加均匀，以消除组织应力；在钢板切割过程中，先预热，用火焰枪避风切割，最后进行缓冷，消除切割时切割温度不均匀产生的热应力，用于解决低合金马氏体钢板在实施火焰切割后容易产生延迟裂纹的问题。
技术方案：本发明所述的一种防止大厚度低合金马氏体钢切割延迟裂纹的方法；其中，所述低合金马氏体钢的化学成分按重量百分比计为：0.15-0.30％C， 0.50-1.50％Mn，0.20-0.60％Si，Ti≤0.25％，Ni≤0.7％，Cr≤1.0％，Mo≤0.5％， Nb≤0.060％，0.03-0.075％Al，0.001-0.003％B，S≤0.005％，P≤0.010％，其余部分为Fe和杂质；
所述低合金高强度马氏体钢的制备步骤是：经铁水脱硫、转炉、LF+RH、连铸、加热炉加热、TMCP、ACC、淬火及回火制备，最终制得低合金高强度马氏体钢。
进一步的，在所述低合金马氏体钢中，所含有的N元素的含量≤45ppm。
进一步的，所述Ti的元素含量与N的元素含量的比值范围为3.4-4.0。
进一步的，在所述连铸的过程中，连铸冷却速率为4-10℃/s。
进一步的，在所述加热炉加热过程中，均热温度为1200-1240℃，均热时间≥1.4h。
进一步的，在淬火过程中，所述淬火过程为二次淬火，其具体步骤如下：
(1)、初次淬火：加热温度910-940℃，保温时间30-50min，保温完成后，将钢板出炉喷水快速冷却；
(2)、二次淬火：加热温度850-880℃，保温时间20-40min，保温完成后，将钢板出炉喷水快速冷却。
进一步的，在回火制备的处理过程中，回火温度200-300℃，保温时间 40-60min，保温完成后，将钢板出炉自然冷却。
进一步的，所述低合金马氏体钢经淬火及低温回火处理后需进行火焰切割；
其中，在火焰切割前需进行预热，其预热的温度为100-200℃；
所述预热的方式为入热处理炉预热、燃烧枪预热和电子加热垫预热；
另外，在火焰切割过程中，起刀速度为150-260mm/min，切割速度为 280-600mm/min；
所述低合金高强度马氏体钢板火焰切割后需进行冷却，所述冷却的过程为遮盖耐火保温棉或移入保温坑内缓冷。
进一步的，所述得到的低合金马氏体钢中碳氮化物尺寸小于4μm，钢板晶粒尺寸小于10μm。
有益效果：本发明与现有技术相比，本发明用于低合金马氏体钢的生产工艺及钢板火焰切割过程；对钢板所含微合金化元素种类及含量做出调整，对钢板生产过程中的连铸冷却速率及铸坯加热温度进行调控，并且对钢板的热处理过程进行工艺优化，能有效控制钢板中夹杂物的尺寸，改善钢板中合金元素富集产生的偏析现象，优化钢板的性能；此外，本发明对钢板的火焰切割过程进行优化；本发明在控制夹杂物和偏析带这类延迟裂纹诱发因素的同时，通过细化晶粒，达到控制微裂纹扩展的作用，具有双重控制延迟裂纹产生的作用。
附图说明
图1是本发明的制备流程图；
图2是本发明中钢板的晶粒尺寸图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。
本发明所述的一种防止大厚度低合金马氏体钢切割延迟裂纹的方法；具体的，首先是化学成分调整；即对生产原料中Ti、Nb、Mo、Al和B元素含量做出调整，具体的，所述低合金高强度马氏体钢的化学成分按重量百分比计为： 0.15-0.30％C，0.50-1.50％Mn，0.20-0.60％Si，Ti≤0.25％，Ni≤0.7％，Cr≤1.0％， Mo≤0.5％，Nb≤0.060％，0.03-0.075％Al，0.001-0.003％B，S≤0.005％，P≤0.010％，其余部分为Fe和杂质；从而确保增加大厚度钢板的淬透性，同时保证各元素充分发挥作用，避免各元素添加不当对钢材性能产生不利影响；
其制备步骤是：经铁水脱硫、转炉、LF+RH、连铸、加热炉加热、TMCP、 ACC、淬火及回火制备，最终制得低合金高强度马氏体钢。
进一步的，N元素含量控制：在所述低合金马氏体钢中，所含有的N元素的含量≤45ppm，其目的是，尽可能的减小钢板中N元素的含量，可有效控制 BN的析出，保证B元素的淬透作用，同时可防止大尺寸(Ti,Nb)N类夹杂物产生，避免诱发延迟裂纹。
进一步的，所述Ti的元素含量与N的元素含量的比值范围为3.4-4.0；可使Ti元素充分固N，同时防止大尺寸TiN夹杂物的产生。
进一步的，连铸冷却速率控制；在连铸过程中，连铸冷却速率为4-10℃/s；其目的是，对钢板连铸过程中钢液的冷凝速率做出控制，使得冷凝速率在 4-10℃/s范围内，从而可有效控制(Ti,Nb)N类夹杂物的尺寸。
进一步的，铸坯加热温度控制(加热炉加热过程)；铸坯均热温度为1200-1240℃范围内，均热时间≥1.4h(h为铸坯厚度,cm)，可增加合金元素的扩散率，有效减轻合金元素富集产生偏析带。
进一步的，钢板热处理工艺优化；钢板最后热处理采用二次淬火加回火处理工艺，其步骤如下：
(1)、初次淬火：加热温度910-940℃，保温时间30-50min，保温完成后，将钢板出炉喷水快速冷却；
(2)、二次淬火：加热温度850-880℃，保温时间20-40min，保温完成后，将钢板出炉喷水快速冷却。
进一步的；回火处理过程，回火温度200-300℃，保温时间40-60min，保温完成后，将钢板出炉自然冷却。
进一步的，钢板切割过程优化设计；所述低合金高强度马氏体钢板经淬火及低温回火处理后进行火焰切割；其中，火焰切割前预热，将钢板预热到100-200℃，用燃烧枪进行避风切割；所述低合金高强度马氏体钢板火焰切割过程中避风切割，起刀速度150-260mm/min，切割速度280-600mm/min；切割完成后，盖上耐火保温棉或移入保温坑内使其缓慢冷却；所述低合金高强度马氏体钢板火焰切割后冷却过程为遮盖耐火保温棉或移入保温坑内缓冷；
另外；所述预热方式为入热处理炉预热、燃烧枪预热和电子加热垫预热。
进一步的，所述得到的低合金马氏体钢中碳氮化物尺寸小于4μm，钢板晶粒尺寸小于10μm。
在本发明中，1、对于厚度较大的马氏体钢板，钢板淬火后中心的冷却速度较低，因此向钢中加入合金元素B以增加钢板的淬透性，但B元素极易与钢中存在的N元素结合形成稳定的BN析出物，导致奥氏体中游离的B元素含量减少，淬透性降低；2、Ti元素与N元素的结合力远高于B元素，因此可以向钢中添加适量的Ti元素与N结合形成TiN析出物，固定N元素，使B元素游离，增加淬透性(表1-成分1)；同时纳米级TiN起细化晶粒作用；但由于Ti元素与N元素的结合力极强，当向钢中添加的Ti元素量较多时，却又是不可避免的形成形状规则带尖角的微米级TiN夹杂物或长条的TiC夹杂物，易捕获H原子，诱发氢致延迟裂纹；3、Nb元素同样可以与N元素结合形成NbN析出物，固定N 元素，使B元素游离，但其结合力要弱于Ti元素，因此可以选择减少Ti元素的添加量，同时再向钢中添加少量的Nb元素以达到固定N元素的作用(表1-成分2)；或者可以选择不加Ti，仅向钢中仅添加高于常规含量的Nb元素以固定N 元素(表1-成分3)；可以有效减少规则形状的微米级碳氮化物的数量；4、Mo 和Nb元素联合添加可以增加B元素的有效性，因此可以选择向钢中添加高于常规含量的Mo元素和适量的Nb元素以固定N元素，使B元素处于游离态，发挥 B元素的作用(表1-成分4)；5、Al元素也具有一定的固N作用，但Al元素首先与钢中O元素结合生成Al2O3；因此可以增加Al元素的添加量至0.05-0.070％，脱氧后剩下的Al元素用于固定N元素，增加B元素的淬透作用(表1-成分5)；
表1
6、为避免钢中Ti、Nb与N结合形成微米级(Ti,Nb)N夹杂物诱发延迟裂纹，控制N元素含量≤45ppm；当单独添加Ti元素时，为使Ti元素充分固N，Ti含量与N含量比值应大于等于TiN中Ti与N的化学计量比3.4，为防止添加Ti 元素过多会生成微米级Ti(N,C)夹杂物，需控制Ti含量与N含量的比值≤4.0，微米级Ti(N,C)夹杂尖角处易捕获氢，是诱发延迟裂纹的主要原因之一；为控制夹杂物的尺寸，在连铸过程中，冷却速率为4-10℃/s，以防止冷却速度过慢夹杂物长大；7、偏析带处具有高应力集中，因此在偏析带处极易导致延迟裂纹萌生，在铸坯进加热炉加热时，应控制铸坯均热温度在1200-1240℃范围内，均热时间≥1.4h(h为铸坯厚度,cm)，从而使合金元素充分扩散后均匀分布，减轻偏析；为使钢板的晶粒更加细小、马氏体组织更加均匀，钢板采用二次淬火加回火的热处理工艺；其中初次淬火主要为使合金元素充分固溶且均匀分布，为第二次淬火晶粒长大提供形核位点，因此初次淬火温度(910-940℃)高于第二次淬火 (850-880℃)，保温时间(30-50min)长于第二次淬火(20-40min)；第二次淬火可形成均匀细小的晶粒；即采用二次淬火热处理工艺既可保证合金元素充分固溶，又可确保得到更细小的晶粒；8、为使钢板火焰切割时受热均匀，避免钢板的切割热产生残余热应力，在钢板切割前，对切割钢板进行预热；切割过程中避风切割且精确控制起刀速度和切割速度，以防止切割速度过快或过慢形成切割缺陷；切割后遮盖耐火保温棉或移入保温坑内缓冷。
实施例1：
本实施案例化学成分为：0.22％C，0.75％Mn，0.40％Si，0.22％Ni，0.50％Cr，0.15％Mo，0.008％Ti，0.017％Nb，0.032％Al，0.0012％B，0.004％S，0.008％P，余量为Fe和杂质。
生产及热处理工艺过程：
钢液经铁水脱硫、转炉、LF+RH、连铸，连铸过程中冷速控制在4-10℃/s。
连铸成320mm厚的铸坯，铸坯进加热炉进行加热，均热温度为1235℃，均热时间为47min。出加热炉进行TMCP轧制成70mm厚钢材。
对钢材进行二次淬火及回火热处理工艺。其步骤如下：
初次淬火：加热温度940℃，保温45min，水冷；
二次淬火：加热温度880℃，保温35min，水冷；
回火处理：加热温度290℃，保温55min，空冷。
钢板切割过程：
钢板进热处理炉加热到170℃出炉，用燃烧枪进行切割，起刀速度 150mm/min，切割速度350mm/min，切割完成后，将其移入保温坑内，以消除切割产生的应力。
切割后的钢板放置45天后没有产生延迟裂纹。
实施例2：
本实施案例化学成分为：0.18％C，1.21％Mn，0.50％Si，0.15％Ni，0.62％Cr，0.019％Ti，0.032％Al，0.0015％B，0.004％S，0.009％P，余量为Fe和杂质。
生产及热处理工艺过程：
钢液经铁水脱硫、转炉、LF+RH、连铸，连铸过程中冷速控制在4-10℃/s。
连铸成260mm厚的铸坯，铸坯进加热炉进行加热，均热温度为1230℃，均热时间为40min。出加热炉进行TMCP轧制成50mm厚钢材。
对钢材进行二次淬火加回火热处理工艺。其步骤如下：
初次淬火：加热温度930℃，保温42min，水冷；
二次淬火：加热温度870℃，保温28min，水冷；
回火处理：加热温度260℃，保温50min，空冷。
钢板切割过程：
钢板进热处理炉加热到150℃出炉，用燃烧枪进行切割，起刀速度 170mm/min，切割速度370mm/min，切割完成后，将其移入保温坑内，以消除切割产生的应力。
切割后的钢板放置45天后没有产生延迟裂纹。
实施例3：
本实施案例化学成分为：0.25％C，0.98％Mn，0.30％Si，0.12％Ni，0.53％Cr，0.046％Nb，0.032％Al，0.0017％B，0.0043％S，0.009％P，余量为Fe和杂质。
生产及热处理工艺过程：
钢液经铁水脱硫、转炉、LF+RH、连铸，连铸过程中冷速控制在4-10℃/s。
连铸成260mm厚的铸坯，铸坯进加热炉进行加热，均热温度为1220℃，均热时间为40min。出加热炉进行TMCP轧制成50mm厚钢材。
对钢材进行二次淬火加回火热处理工艺。其步骤如下：
初次淬火：加热温度927℃，保温40min，水冷；
二次淬火：加热温度875℃，保温30min，水冷；
回火处理：加热温度255℃，保温45min，空冷。
钢板切割过程：
钢板进热处理炉加热到145℃，出炉用燃烧枪进行切割，起刀速度 160mm/min，切割速度360mm/min，切割完成后，将其移入保温坑内，以消除切割产生的应力。
切割后的钢板放置45天后没有产生延迟裂纹。
实施例4：
本实施案例化学成分为：0.23％C，1.01％Mn，0.56％Si，0.32％Ni，0.55％Cr，0.35％Mo，0.68％Al，0.0019％B，0.004％S，0.008％P，余量为Fe和杂质。
生产及热处理工艺过程：
钢液经铁水脱硫、转炉、LF+RH、连铸，连铸过程中冷速控制在4-10℃/s。
连铸成150mm厚的铸坯，铸坯进加热炉进行加热，均热温度为1210℃，均热时间为22min。出加热炉进行TMCP轧制成40mm厚钢材。
对钢材进行二次淬火加回火热处理工艺。其步骤如下：
初次淬火：加热温度910℃，保温35min；水冷；
二次淬火：加热温度860℃，保温25min；水冷；
回火处理：加热温度240℃，保温45min，空冷。
钢板切割过程：
用燃烧枪将钢板预热到110℃，接着用燃烧枪进行切割，起刀速度 210mm/min，切割速度540mm/min，切割完成后，盖上耐火保温棉缓慢冷却到室温，以消除切割产生的应力。
切割后的钢板放置45天后没有产生延迟裂纹。
实施例5：
本实施案例化学成分为：0.27％C，0.83％Mn，0.50％Si，0.53％Ni，0.43％Cr，0.49％Mo，0.030％Nb，0.045％Al，0.002％B，0.003％S，0.008％P，余量为 Fe和杂质。
生产及热处理工艺过程：
钢液经铁水脱硫、转炉、LF+RH、连铸，连铸过程中冷速控制在4-10℃/s。
连铸成260mm厚的铸坯，铸坯进加热炉进行加热，均热温度为1220℃，均热时间为37min。出加热炉进行TMCP轧制成50mm厚钢材。
对钢材进行二次淬火加回火热处理工艺。其步骤如下：
初次淬火：加热温度920℃，保温40min；水冷；
二次淬火：加热温度870℃，保温28min；水冷；
回火处理：加热温度255℃，保温55min，空冷。
钢板切割过程：
用电子加热垫将钢板加热到140℃，出炉用燃烧枪进行切割，起刀速度 180mm/min，切割速度365mm/min，切割完成后，盖上耐火保温棉缓慢冷却到室温，以消除切割产生的应力。
切割后的钢板放置45天后没有产生延迟裂纹。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种防止大厚度低合金马氏体钢切割延迟裂纹的方法，其特征在于，
所述低合金马氏体钢的化学成分按重量百分比计为：0.15-0.30％C，0.50-1.50％Mn，0.20-0.60％Si，Ti≤0.25％，Ni≤0.7％，Cr≤1.0％，Mo≤0.5％，Nb≤0.060％，0.03-0.075％Al，0.001-0.003％B，S≤0.005％，P≤0.010％，其余部分为Fe和杂质；
所述低合金高强度马氏体钢的制备步骤是：经铁水脱硫、转炉、LF+RH、连铸、加热炉加热、TMCP、ACC、淬火及回火制备，最终制得低合金高强度马氏体钢。
2.根据权利要求1所述的根据权利要求1所述的一种防止大厚度低合金马氏体钢切割延迟裂纹的方法，其特征在于，
在所述低合金马氏体钢中，所含有的N元素的含量≤45ppm。
3.根据权利要求1所述的一种防止大厚度低合金马氏体钢切割延迟裂纹的方法，其特征在于，
所述Ti的元素含量与N的元素含量的比值范围为3.4-4.0。
4.根据权利要求1所述的一种防止大厚度低合金马氏体钢切割延迟裂纹的方法，其特征在于，
在所述连铸的过程中，连铸冷却速率为4-10℃/s。
5.根据权利要求1所述的一种防止大厚度低合金马氏体钢切割延迟裂纹的方法，其特征在于，
在所述加热炉加热过程中，均热温度为1200-1240℃，均热时间≥1.4h。
6.根据权利要求1所述的一种防止大厚度低合金马氏体钢切割延迟裂纹的方法，其特征在于，
在淬火过程中，所述淬火过程为二次淬火，其具体步骤如下：
(1)、初次淬火：加热温度910-940℃，保温时间30-50min，保温完成后，将钢板出炉喷水快速冷却；
(2)、二次淬火：加热温度850-880℃，保温时间20-40min，保温完成后，将钢板出炉喷水快速冷却。
7.根据权利要求1所述的一种防止大厚度低合金马氏体钢切割延迟裂纹的方法，其特征在于，
在回火制备的处理过程中，回火温度200-300℃，保温时间40-60min，保温完成后，将钢板出炉自然冷却。
8.根据权利要求1所述的一种防止大厚度低合金马氏体钢切割延迟裂纹的方法，其特征在于，
所述低合金马氏体钢经淬火及低温回火处理后需进行火焰切割；
其中，在火焰切割前需进行预热，其预热的温度为100-200℃；
所述预热的方式为入热处理炉预热、燃烧枪预热和电子加热垫预热；
另外，在火焰切割过程中，起刀速度为150-260mm/min，切割速度为280-600mm/min；
所述低合金高强度马氏体钢板火焰切割后需进行冷却，所述冷却的过程为遮盖耐火保温棉或移入保温坑内缓冷。
9.根据权利要求1所述的一种防止大厚度低合金马氏体钢切割延迟裂纹的方法，其特征在于，
所述得到的低合金马氏体钢中碳氮化物尺寸小于4μm，钢板晶粒尺寸小于10μm。
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