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微合金化超低碳貝氏體鋼厚板
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-04-22
超低碳貝氏體鋼是國際上近20年來發展起來的高強度、高韌性、焊接性能優良的新鋼系，被國際上稱譽為21世紀鋼種，是現代冶金生產技術與物理冶金研究成果相結合的產物。
?????? 超低碳貝氏體鋼是國際上近20年來發展起來的高強度、高韌性、焊接性能優良的新鋼系，被國際上稱譽為21世紀鋼種，是現代冶金生產技術與物理冶金研究成果相結合的產物。這類鋼利用現代煉鋼方法，采用鋼包精煉及連鑄技術，鋼中加入提高淬透性的元素如Mn、Cu、Mo、B等，通過控制軋制控制冷卻甚至在空冷的條件下，變形奧氏體會轉變成極為細小的各種形態的貝氏體板條組織，并通過Nb、Ti、Mo、Cu的析出強化，從而使鋼材的屈服強度大幅度提高，可達500～900N／mm2。鋼種韌脆轉變溫度在－80～－100℃左右，－20℃V型缺口沖擊值達到400J以上。這類鋼的合金設計改變了傳統高強度低合金鋼的設計思路，鋼中碳含量已降到0.03%～0.04%左右，因此碳的危害、碳化物析出的影響等問題已完全消除，故這類鋼材的焊接性能極佳，熱影響粗晶區在各種冷卻條件下均能得到極高韌性的貝氏體組織，可以實現焊前不預熱、焊后不熱處理。由于其韌性明顯高于同強度級別的普通微合金鋼，而且能夠很好地解決性能、成本、利潤和能源之間的矛盾，故這類鋼在美國、英國、日本、德國等發達國家的石油天然氣管線用鋼、工程機械、海洋設施、汽車、橋梁、造船、軍艦、壓力容器等領域得到了廣泛的應用。目前已成為與傳統的鐵素體－珠光體鋼、馬氏體淬火回火鋼并列的一大新鋼類。
社會需求、降低生產成本和保證良好的焊接性能等因素是發展超低碳貝氏體鋼的主要動力。現代冶金生產技術（鋼包冶金技術＋TMCP技術）的發展和Nb、V、B等微合金元素的研究應用的全面發展，推動了超低碳貝氏體鋼的研究與發展。目前，世界上已基本形成C－Mn－Nb－B、C－Mn－Cu－Nb－B（Cu－Nb）為主的兩大系列超低碳貝氏體鋼，抗拉強度大都在600～800N／mm2范圍。
鞍鋼與北京科技大學合作，結合鞍鋼厚板廠工藝裝備條件，采用TMCP、RPC技術和微合金化技術，研制開發出屈服強度500～600N／mm2級別（鋼號有HQ500DB、HQ550B、HQ590DB、HQ685DB等）的最大厚度達60mm的系列高強度、高韌性、焊接性能優良的超低碳貝氏體鋼厚板。鞍鋼開發的新一代超低碳貝氏體系列高強度焊接結構鋼合金設計為Mn－Cu－Nb－B、Mn－Mo－Cu－Nb－B等，采用了轉爐冶煉、爐外精煉（RH、VD、LF等）、連鑄、熱送熱裝、TMCP、RPC等工藝技術，充分利用微合金元素Nb、Ti、B等元素的細晶強化和沉淀強化的作用以及控制軋制控制冷卻等技術，減少合金元素含量，降低碳含量、碳當量，提高鋼種的強度、韌性和焊接性能，并在煤礦機械、工程機械、壓力管道等領域獲得應用，共計試制50000余噸，具有良好的經濟效益和社會效益。
同時鞍鋼采用貝氏體鋼生產技術，開發了低碳貝氏體型的第三代高性能橋梁用鋼（鋼號有Q420qD／E、Q460qD／E等）等高性能Nb微合金化鋼種。
1500N／mm2級別煤礦機械、工程機械用含Nb貝氏體型厚板
500N／mm2級別厚板的成分設計
超低碳貝氏體鋼中常用的合金元素有C、Si、Mn、Mo、Nb、Ti、B、Cu、Ni等，根據鞍鋼生產設備及工藝條件，考慮生產產品的經濟性，結合500N／mm2級別性能目標，設計該強度級別厚板化學成分的思路如下：
(1)C：碳對鋼的強度、韌性、焊接性能和冶煉成本影響很大。C低于0.04%則需要采用真空精煉；C高于0.08%，則生成組織中貝氏體組織減少并出現珠光體組織，使強度、伸長率和韌性下降，最適宜的區間在0.03%～0.08%。
(2)Mn：錳是提高強度和韌性的有效元素，對貝氏體轉變有較大的促進作用，在超低碳條件下效果更為顯著，而且成本十分低廉，因此在500N／mm2級別厚板中把Mn元素作為主要添加元素之一。
(3)B：硼元素是超低碳貝氏體鋼中重要的成分，它能夠提高鋼的淬透性，加入極微量的B就會有明顯的效果，顯著推遲奧氏體向鐵素體、珠光體的轉變，當有Nb同時存在時，B的作用更加突出。當B含量低于0.0005%時，提高淬透性的效果不大；當B的含量為0.001%時，就會使鋼的組織全部轉變為貝氏體；高達0.003%時，淬透性達到飽和，此時會有Fe23(CB)6的析出；高于0.003%，淬透性下降，鋼的韌性惡化，且會形成低熔點共晶體，集中于晶粒的邊界，這將引起熱脆性，增加熱壓力加工困難。
(4)Nb：鈮是超低碳貝氏體鋼中的重要添加元素，它能夠有效地延遲變形奧氏體的再結晶，阻止奧氏體晶粒長大，提高奧氏體再結晶溫度，細化晶粒，同時改善強度和韌性；它與微量的B元素復合作用，可以顯著地提高淬透性，促進貝氏體轉變，時效析出強化。隨著Nb在鋼中的溶解度增大，形成貝氏體的趨勢增大。
(5)Ti：加入微量的鈦，是為了固定鋼中的氮元素，從而確保B元素的提高淬透性效果。B與O、N的親合力較大，如果加入的微量B與鋼中的O、N起作用，B的促進貝氏體轉變的作用將消失。因此，必須將鋼中氣體盡量降低，加入足夠量的Al、Ti進行完全脫氧和固氮，才能充分發揮B的有效作用。在最佳狀態下，Ti、N元素形成氮化鈦，阻止鋼坯在加熱、軋制、焊接過程中晶粒的長大，改善母材和焊接熱影響區的韌性。Ti低于0.005%時，固氮效果差，超過0.03%時，固氮效果達到飽和，過剩的Ti將會使鋼的韌性惡化。當鋼中的Ti、N原子之比為1∶1時，TiN粒子最為細小且分布彌散，對高溫奧氏體晶粒的細化作用最強，不僅可獲得優良的韌性，而且能夠實現大線能量焊接。此時相應于Ti、N重量之比為3.42。
(6)Si：硅是煉鋼脫氧的必要元素，也具有一定的固溶強化作用，當低于0.05%時，難于獲得充分的脫氧效果；超過0.6%時，鋼的清潔度下降，韌性降低，可焊性差。
(7)Al：鋁是脫氧元素，可作為AlN形成元素，有效地細化晶粒，其含量不足0.01%時，效果較小；超過0.07%時，脫氧作用達到飽和；再高則對母材及焊接熱影響區韌性有害。
(8)Cu：銅不僅對焊接熱影響區硬化性及韌性沒有不良影響，又可使母材的強度提高，并使低溫韌性大大提高，還可提高耐蝕性。在超低碳貝氏體鋼中加入Cu，可利用Cu－B的綜合作用，來進一步提高鋼的淬透性，促進貝氏體的形成。但Cu含量高時鋼坯加熱或熱軋時易產生裂紋，惡化鋼板表面性能，故必須添加適量的Ni以阻止這種裂紋的產生。
(9)Ni：鎳對焊接熱影響區硬化性及韌性沒有不良影響，又可使母材的強度提高，并使低溫韌性大大提高。其為貴重元素，導致鋼的成本大幅度上升，經濟性差。在500N／mm2級別中添加Ni元素的目的主要是阻止含Cu量高的鋼坯在加熱或熱軋時產生裂紋的傾向。
(10)鋼中的雜質元素的上限控制在P≤0.02%，S≤0.01%，以提高鋼的韌性。控制N≤0.006%，以避免形成B的氮化物，使B的淬透性失效。
最終試制該級別厚板的化學成分范圍控制其Ceq≤0.40%，Pcm≤0.20%。
2600N／mm2級別煤礦機械、工程機械用含Nb貝氏體型厚板
600N／mm2級別成分設計
600N／mm2級別成分設計思路與500N／mm2級別厚板化學成分的設計依據相似，使用超低碳貝氏體鋼的常用化學元素C、Si、Mn、Mo、Nb、Ti、B、Cu、Ni等，只是各元素含量不盡相同。尤其為了充分利用Nb元素對貝氏體相變的促進作用、晶粒細化作用和沉淀強化作用，將Nb元素的目標含量提高到最初的1.5倍,效果十分良好。調整成分后，不但性能完全能夠滿足用戶要求，而且大大降低了其合金成本。
Nb在600N／mm2級別鋼連鑄坯加熱過程中的變化規律
在軋前加熱過程中，連鑄坯凝固過程中析出的Nb的碳氮化物最終將發生溶解，重新固溶于奧氏體中。為了研究600N／mm2級別連鑄鋼坯在不同加熱制度下，鋼中Nb的碳氮化物的溶解析出行為，在實驗室進行了模擬加熱試驗。模擬加熱試驗工藝參照鞍鋼厚板廠加熱爐的加熱過程制定，加熱升溫速度0.08～0.12℃／s，均熱時間60min，整個加熱過程約240min，選擇了950～1150℃溫度區間進行試驗，設備采用大功率電阻加熱爐。
模擬加熱試驗結束后，立即在水中進行淬火，然后采用化學分析方法進行析出物數量檢驗。結果表明，隨著加熱溫度由1030℃升高到1150℃，鋼中的固溶Nb升高到95%左右，析出Nb僅僅占5%左右。但是，在加熱溫度為1030℃時，鋼中的固溶Nb、析出Nb與未經過加熱的連鑄坯中固溶Nb、析出Nb處于同等水平。該鋼種連鑄坯在1030℃以下加熱時，連鑄坯中會先發生Nb的析出，其固溶Nb逐漸減少，當加熱溫度逐漸升高到某一溫度后，開始階段析出的Nb又逐漸回溶，使鋼中的固溶Nb含量又逐漸升高。
3高性能橋梁用鋼（Q420qD／E－Q460qD／E）
高性能橋梁用鋼成分及工藝設計
采用超低碳貝氏體鋼工藝路線生產高性能橋梁鋼，是近年來的橋梁用鋼的發展趨勢。由于將碳含量控制在很低的范圍（≤0.05%），使得鋼在具有高強韌性的同時，具有極佳的焊接性能。同時由于貝氏體組織均勻性好，使得各部分電極電位差較小，使鋼板具有較強的耐蝕能力。20世紀90年代以來，日本川崎制鐵公司相繼開發了焊接性能良好的570N／mm2級別（HT570，抗拉強度570N／mm2）和780N／mm2級別（HT780，屈服強度大于685N／mm2）非調質超低碳貝氏體耐大氣腐蝕橋梁鋼。由于該類鋼板焊接預熱溫度降低到50℃左右，因此在明石海峽大橋項目中得到了大量應用。HT780已經用于明石海峽橋的加勁鋼板。HT570同樣為超低碳貝氏體厚鋼板，焊接不需要預熱，最大厚度可達75mm。2000年日本川崎又開發出橋梁用超低碳貝氏體型耐鹽厚鋼板,這種鋼板不經涂層就可以在海濱地區使用,其Ni含量增加到2.5%，故使其耐鹽特性大大提高，且具有良好的焊接性能。可生產的抗拉強度級別有400N／mm2、490N／mm2、570N／mm2三種，板厚最大50mm。
緩慢，從上世紀60年代至90年代，相繼開發了16Mnq、15MnVq、15MnVNq、14MnNbq，但是強度都處于較低水平，焊接性能和低溫韌性也不理想。GB／T714－2000《橋梁用結構鋼》標準中規定了Q235、Q345、Q370、Q420四種強度級別的橋梁用鋼，其最高強度級別Q420的化學成分也僅僅是在Q345級別的基礎上允許添加了微量的Nb、V、Ti等元素，實際就是原來的15MnVNq，該鋼種低溫韌性、焊接性能差，在九江大橋制造后，該鋼種未能得到推廣應用。雖然該GB／T714－2000《橋梁用結構鋼》標準制定較晚，但是其內容已經大大落后于冶金技術的發展。
國內高強度橋梁用鋼存在的問題是焊接性能差，需要預熱，不能夠適應較大線能量焊接。橋梁制造廠迫切希望能夠生產出焊接性能優良且不需要預熱的新型鋼種。為了使國內橋梁用鋼盡快趕上世界橋梁用鋼先進水平，鞍鋼近年發展了貝氏體類型的橋梁用鋼Q420qD／E－Q460qD／E，其成分設計為低碳（≤0.07%），加入Mn、Cu、Cr、Ni、Nb等合金、微合金元素，采用微Ti處理、Ca處理及TMCP工藝，極大地改善了鋼的低溫韌性和焊接性能，同時使該系列鋼種具有一定的耐候性能。
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