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微合金化超低碳贝氏体钢厚板
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2015-04-22
超低碳贝氏体钢是国际上近20年来发展起来的高强度、高韧性、焊接性能优良的新钢系，被国际上称誉为21世纪钢种，是现代冶金生产技术与物理冶金研究成果相结合的产物。
超低碳贝氏体钢是国际上近20年来发展起来的高强度、高韧性、焊接性能优良的新钢系，被国际上称誉为21世纪钢种，是现代冶金生产技术与物理冶金研究成果相结合的产物。这类钢利用现代炼钢方法，采用钢包精炼及连铸技术，钢中加入提高淬透性的元素如Mn、Cu、Mo、B等，通过控制轧制控制冷却甚至在空冷的条件下，变形奥氏体会转变成极为细小的各种形态的贝氏体板条组织，并通过Nb、Ti、Mo、Cu的析出强化，从而使钢材的屈服强度大幅度提高，可达500～900N／mm2。钢种韧脆转变温度在－80～－100℃左右，－20℃V型缺口冲击值达到400J以上。这类钢的合金设计改变了传统高强度低合金钢的设计思路，钢中碳含量已降到0.03%～0.04%左右，因此碳的危害、碳化物析出的影响等问题已完全消除，故这类钢材的焊接性能极佳，热影响粗晶区在各种冷却条件下均能得到极高韧性的贝氏体组织，可以实现焊前不预热、焊后不热处理。由于其韧性明显高于同强度级别的普通微合金钢，而且能够很好地解决性能、成本、利润和能源之间的矛盾，故这类钢在美国、英国、日本、德国等发达国家的石油天然气管线用钢、工程机械、海洋设施、汽车、桥梁、造船、军舰、压力容器等领域得到了广泛的应用。目前已成为与传统的铁素体－珠光体钢、马氏体淬火回火钢并列的一大新钢类。
社会需求、降低生产成本和保证良好的焊接性能等因素是发展超低碳贝氏体钢的主要动力。现代冶金生产技术（钢包冶金技术＋TMCP技术）的发展和Nb、V、B等微合金元素的研究应用的全面发展，推动了超低碳贝氏体钢的研究与发展。目前，世界上已基本形成C－Mn－Nb－B、C－Mn－Cu－Nb－B（Cu－Nb）为主的两大系列超低碳贝氏体钢，抗拉强度大都在600～800N／mm2范围。
鞍钢与北京科技大学合作，结合鞍钢厚板厂工艺装备条件，采用TMCP、RPC技术和微合金化技术，研制开发出屈服强度500～600N／mm2级别（钢号有HQ500DB、HQ550B、HQ590DB、HQ685DB等）的最大厚度达60mm的系列高强度、高韧性、焊接性能优良的超低碳贝氏体钢厚板。鞍钢开发的新一代超低碳贝氏体系列高强度焊接结构钢合金设计为Mn－Cu－Nb－B、Mn－Mo－Cu－Nb－B等，采用了转炉冶炼、炉外精炼（RH、VD、LF等）、连铸、热送热装、TMCP、RPC等工艺技术，充分利用微合金元素Nb、Ti、B等元素的细晶强化和沉淀强化的作用以及控制轧制控制冷却等技术，减少合金元素含量，降低碳含量、碳当量，提高钢种的强度、韧性和焊接性能，并在煤矿机械、工程机械、压力管道等领域获得应用，共计试制50000余吨，具有良好的经济效益和社会效益。
同时鞍钢采用贝氏体钢生产技术，开发了低碳贝氏体型的第三代高性能桥梁用钢（钢号有Q420qD／E、Q460qD／E等）等高性能Nb微合金化钢种。
1500N／mm2级别煤矿机械、工程机械用含Nb贝氏体型厚板
500N／mm2级别厚板的成分设计
超低碳贝氏体钢中常用的合金元素有C、Si、Mn、Mo、Nb、Ti、B、Cu、Ni等，根据鞍钢生产设备及工艺条件，考虑生产产品的经济性，结合500N／mm2级别性能目标，设计该强度级别厚板化学成分的思路如下：
(1)C：碳对钢的强度、韧性、焊接性能和冶炼成本影响很大。C低于0.04%则需要采用真空精炼；C高于0.08%，则生成组织中贝氏体组织减少并出现珠光体组织，使强度、伸长率和韧性下降，最适宜的区间在0.03%～0.08%。
(2)Mn：锰是提高强度和韧性的有效元素，对贝氏体转变有较大的促进作用，在超低碳条件下效果更为显著，而且成本十分低廉，因此在500N／mm2级别厚板中把Mn元素作为主要添加元素之一。
(3)B：硼元素是超低碳贝氏体钢中重要的成分，它能够提高钢的淬透性，加入极微量的B就会有明显的效果，显著推迟奥氏体向铁素体、珠光体的转变，当有Nb同时存在时，B的作用更加突出。当B含量低于0.0005%时，提高淬透性的效果不大；当B的含量为0.001%时，就会使钢的组织全部转变为贝氏体；高达0.003%时，淬透性达到饱和，此时会有Fe23(CB)6的析出；高于0.003%，淬透性下降，钢的韧性恶化，且会形成低熔点共晶体，集中于晶粒的边界，这将引起热脆性，增加热压力加工困难。
(4)Nb：铌是超低碳贝氏体钢中的重要添加元素，它能够有效地延迟变形奥氏体的再结晶，阻止奥氏体晶粒长大，提高奥氏体再结晶温度，细化晶粒，同时改善强度和韧性；它与微量的B元素复合作用，可以显著地提高淬透性，促进贝氏体转变，时效析出强化。随着Nb在钢中的溶解度增大，形成贝氏体的趋势增大。
(5)Ti：加入微量的钛，是为了固定钢中的氮元素，从而确保B元素的提高淬透性效果。B与O、N的亲合力较大，如果加入的微量B与钢中的O、N起作用，B的促进贝氏体转变的作用将消失。因此，必须将钢中气体尽量降低，加入足够量的Al、Ti进行完全脱氧和固氮，才能充分发挥B的有效作用。在最佳状态下，Ti、N元素形成氮化钛，阻止钢坯在加热、轧制、焊接过程中晶粒的长大，改善母材和焊接热影响区的韧性。Ti低于0.005%时，固氮效果差，超过0.03%时，固氮效果达到饱和，过剩的Ti将会使钢的韧性恶化。当钢中的Ti、N原子之比为1∶1时，TiN粒子最为细小且分布弥散，对高温奥氏体晶粒的细化作用最强，不仅可获得优良的韧性，而且能够实现大线能量焊接。此时相应于Ti、N重量之比为3.42。
(6)Si：硅是炼钢脱氧的必要元素，也具有一定的固溶强化作用，当低于0.05%时，难于获得充分的脱氧效果；超过0.6%时，钢的清洁度下降，韧性降低，可焊性差。
(7)Al：铝是脱氧元素，可作为AlN形成元素，有效地细化晶粒，其含量不足0.01%时，效果较小；超过0.07%时，脱氧作用达到饱和；再高则对母材及焊接热影响区韧性有害。
(8)Cu：铜不仅对焊接热影响区硬化性及韧性没有不良影响，又可使母材的强度提高，并使低温韧性大大提高，还可提高耐蚀性。在超低碳贝氏体钢中加入Cu，可利用Cu－B的综合作用，来进一步提高钢的淬透性，促进贝氏体的形成。但Cu含量高时钢坯加热或热轧时易产生裂纹，恶化钢板表面性能，故必须添加适量的Ni以阻止这种裂纹的产生。
(9)Ni：镍对焊接热影响区硬化性及韧性没有不良影响，又可使母材的强度提高，并使低温韧性大大提高。其为贵重元素，导致钢的成本大幅度上升，经济性差。在500N／mm2级别中添加Ni元素的目的主要是阻止含Cu量高的钢坯在加热或热轧时产生裂纹的倾向。
(10)钢中的杂质元素的上限控制在P≤0.02%，S≤0.01%，以提高钢的韧性。控制N≤0.006%，以避免形成B的氮化物，使B的淬透性失效。
最终试制该级别厚板的化学成分范围控制其Ceq≤0.40%，Pcm≤0.20%。
2600N／mm2级别煤矿机械、工程机械用含Nb贝氏体型厚板
600N／mm2级别成分设计
600N／mm2级别成分设计思路与500N／mm2级别厚板化学成分的设计依据相似，使用超低碳贝氏体钢的常用化学元素C、Si、Mn、Mo、Nb、Ti、B、Cu、Ni等，只是各元素含量不尽相同。尤其为了充分利用Nb元素对贝氏体相变的促进作用、晶粒细化作用和沉淀强化作用，将Nb元素的目标含量提高到最初的1.5倍,效果十分良好。调整成分后，不但性能完全能够满足用户要求，而且大大降低了其合金成本。
Nb在600N／mm2级别钢连铸坯加热过程中的变化规律
在轧前加热过程中，连铸坯凝固过程中析出的Nb的碳氮化物最终将发生溶解，重新固溶于奥氏体中。为了研究600N／mm2级别连铸钢坯在不同加热制度下，钢中Nb的碳氮化物的溶解析出行为，在实验室进行了模拟加热试验。模拟加热试验工艺参照鞍钢厚板厂加热炉的加热过程制定，加热升温速度0.08～0.12℃／s，均热时间60min，整个加热过程约240min，选择了950～1150℃温度区间进行试验，设备采用大功率电阻加热炉。
模拟加热试验结束后，立即在水中进行淬火，然后采用化学分析方法进行析出物数量检验。结果表明，随着加热温度由1030℃升高到1150℃，钢中的固溶Nb升高到95%左右，析出Nb仅仅占5%左右。但是，在加热温度为1030℃时，钢中的固溶Nb、析出Nb与未经过加热的连铸坯中固溶Nb、析出Nb处于同等水平。该钢种连铸坯在1030℃以下加热时，连铸坯中会先发生Nb的析出，其固溶Nb逐渐减少，当加热温度逐渐升高到某一温度后，开始阶段析出的Nb又逐渐回溶，使钢中的固溶Nb含量又逐渐升高。
3高性能桥梁用钢（Q420qD／E－Q460qD／E）
高性能桥梁用钢成分及工艺设计
采用超低碳贝氏体钢工艺路线生产高性能桥梁钢，是近年来的桥梁用钢的发展趋势。由于将碳含量控制在很低的范围（≤0.05%），使得钢在具有高强韧性的同时，具有极佳的焊接性能。同时由于贝氏体组织均匀性好，使得各部分电极电位差较小，使钢板具有较强的耐蚀能力。20世纪90年代以来，日本川崎制铁公司相继开发了焊接性能良好的570N／mm2级别（HT570，抗拉强度570N／mm2）和780N／mm2级别（HT780，屈服强度大于685N／mm2）非调质超低碳贝氏体耐大气腐蚀桥梁钢。由于该类钢板焊接预热温度降低到50℃左右，因此在明石海峡大桥项目中得到了大量应用。HT780已经用于明石海峡桥的加劲钢板。HT570同样为超低碳贝氏体厚钢板，焊接不需要预热，最大厚度可达75mm。2000年日本川崎又开发出桥梁用超低碳贝氏体型耐盐厚钢板,这种钢板不经涂层就可以在海滨地区使用,其Ni含量增加到2.5%，故使其耐盐特性大大提高，且具有良好的焊接性能。可生产的抗拉强度级别有400N／mm2、490N／mm2、570N／mm2三种，板厚最大50mm。
缓慢，从上世纪60年代至90年代，相继开发了16Mnq、15MnVq、15MnVNq、14MnNbq，但是强度都处于较低水平，焊接性能和低温韧性也不理想。GB／T714－2000《桥梁用结构钢》标准中规定了Q235、Q345、Q370、Q420四种强度级别的桥梁用钢，其最高强度级别Q420的化学成分也仅仅是在Q345级别的基础上允许添加了微量的Nb、V、Ti等元素，实际就是原来的15MnVNq，该钢种低温韧性、焊接性能差，在九江大桥制造后，该钢种未能得到推广应用。虽然该GB／T714－2000《桥梁用结构钢》标准制定较晚，但是其内容已经大大落后于冶金技术的发展。
国内高强度桥梁用钢存在的问题是焊接性能差，需要预热，不能够适应较大线能量焊接。桥梁制造厂迫切希望能够生产出焊接性能优良且不需要预热的新型钢种。为了使国内桥梁用钢尽快赶上世界桥梁用钢先进水平，鞍钢近年发展了贝氏体类型的桥梁用钢Q420qD／E－Q460qD／E，其成分设计为低碳（≤0.07%），加入Mn、Cu、Cr、Ni、Nb等合金、微合金元素，采用微Ti处理、Ca处理及TMCP工艺，极大地改善了钢的低温韧性和焊接性能，同时使该系列钢种具有一定的耐候性能。
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