非调质低焊接裂纹敏感性钢WDB620研究开发

1非调质低焊接裂纹敏感性钢WDB620研究开发常跃峰谢良法姚连登赵文忠（舞阳钢铁有限责任公司）摘要按照CF62钢的技术要求，设计了一种620MPa级低焊接裂纹敏感性钢。采用微合金化结合控轧控冷工艺，免去了淬火工序，以晶粒细化、沉淀强化、位错强化和贝氏体组织强化为主要手段，辅以回火处理获得了成功,并对钢的可焊性进行了评价。产品已应用于水电站压力钢管系统及108吨电动轮自卸车。关键词非调质低焊接裂纹敏感性开发ResearchandDevelopmentofNonQuenchedandTemperedLowWeldingCrackSusceptibilitySteelWDB620ChangyuefengXieliangfaYaoliandengZhaowenzhong(WuyangIron&SteelCo.Ltd)AbstractAkindof620MPalowweldingcracksusceptibilitysteelwasdesignedaccordingtothetechnicalrequirementsofCF62.Itmeetswithsuccessbyadoptingmicroalloyingcombinedwithcontrolledrollingandcontrolledcoolingprocess,exemptingquenchingsequence,takingmainmeansofgrainrefining,precipitationstrengthening,dislocationstrengtheningandbainitestructurestrengtheningaswellasthesupplementarymeansoftemperingtreatment,alsomakesassessmenttotheweldabilityofthesteel.Theproducthasbeenusedforpressuresteelpipesystemofhydropowerstationand108tself-dischargingtruckwithelectricoperatedwheel.Keywordsnonquenchedandtempered,lowweldingcracksusceptibility,development1前言为了满足大型钢结构对低焊接裂纹敏感性钢的需求，自20世纪70年代，国际上开始研制CF钢——低焊接裂纹敏感性钢（国外也称焊接无裂纹钢）。由于当时在世界范围内对控轧工艺的研究还处于起步阶段，因此，当时在开发抗拉强度60Kg级CF62钢只能采用淬火+回火手段。WDB620的开发目的是替代大量进口的CF62，它是在传统淬火型CF钢基础上，采用非调质技术发展起来的新一2代低焊接裂纹敏感性钢，非调质钢的发展是微合金化技术和热机械处理及其冷却技术发展的结晶,非调质钢产量和品种的多样性是钢铁强国的标志[1]。当今TMCP、TPCP工艺的不断涌现，使省去传统淬火工序生产屈服强度460MPa级别以上低合金高强度钢的梦想变成了现实，这一工艺技术经过不断发展和完善，现在代表着国际低合金高强度钢发展的昀新成果和发展方向。国外已大量用于桥梁、高层建筑、工程机械、管线、军用舰船，并正在向压力容器等领域推进。WDB620钢按低碳贝氏体钢设计，其优良性能主要来自钢的组织细化以及贝氏体中的高密度位错。WDB620采用控轧工艺，免去了淬火环节，节约了工序、节约了能源、保障了优良板型，钢的强化主要依靠微合金元素的沉淀强化、细晶强化、位错强化及组织强化，并后经高温回火处理，进一步改善钢板强韧性并使之均匀化。以非调质工艺生产的WDB620钢板，实物Ceq≤0.40％，Pcm≤0.18％，具有比CF62标准更低的焊接裂纹敏感性指数，更适合于制造大型工程结构件，目前已应用于水电站压力钢管系统及108吨电动轮自卸车。2主要技术要求2.1化学成分化学成分见表1。表1WDB620钢板的化学成分（%，熔炼）CSiMnPSCuNiCrMoVNbTiB≤0.070.15∼0.401.00∼1.60≤0.015≤0.010适量注：Pcm≤0.20％，Pcm＝C＋Si／30＋Mn／20＋Cu／20＋Cr／20＋Ni／60＋Mo／15＋V／10＋5BPcm≤0.20％为CF62的技术要求，这是确保低焊接裂纹敏感性的基础。2.2力学性能力学性能见表2。3表2WDB620及CF62钢板力学性能指标（JIS拉伸试样，标距50mm）3生产工艺WDB620钢板的生产工艺流程图如下所示：电炉冶炼LF、VD炉外精炼连铸钢坯加热4200mm轧机轧制回火处理精整3.1设计原则良好的力学性能首先取决于合理的成分设计,WDB620钢的成分设计原则为：（1）利用微量硼[2]，使钢的淬透性明显增加。钼和硼复合作用，使过冷奥氏体向铁素体转变曲线进一步推迟，使贝氏体转变线明显突出。在空冷条件下，在钼硼复合作用下，可得到全部贝氏体组织。（2）加入其它能够增大钢的过冷能力的元素，如锰、铬、镍等，降低贝氏体转变温度。（3）进行Nb、V、Ti微合金化处理，产生细晶强化和沉淀强化，使得大幅度降低钢中碳含量成为可能。适量Nb的加入，明显扩大控轧时的非再结晶温度范围，保证了奥氏体基体中的崎变积累，促使贝氏体转变的形核数大幅度增加，稳定位错结构并大幅度提高贝氏体中位错密度，能确保组织和性能回火稳定性。大幅度提高贝氏体中位错密度，使组织细化，综合性能提高。Nb、B等元素有强烈的相互作用，它们的联合加入大幅度改变钢种的相变温度，保证贝氏体相变在更低温度下进行，昀终实现超细组织的形成[3]。另一方面，微量的Ti（0.015%左右）也对改善焊接热影响区韧性十分有效。牌号σs（MPa）σb（MPa）δ%）冷弯180°，d=3aAKV（J），-20℃WDB620≥490620∼730≤16mm，5号，≥1916mm，5号，≥2720mm，4号，≥19完好≥47CF62≥490610∼730≤16mm，5号，≥1916mm，5号，≥2720mm，4号，≥19≤32mm,d=3a32mm,d=4a12∼20mm,+5℃,≥4720∼32mm,-10℃,≥4732mm,-15℃,≥474（4）大幅度降低碳含量。为获得良好的焊接性，要求将碳控制在0.06％以下。碳含量大幅度降低之后，彻底消除了碳对贝氏体韧性的影响,得到极细的含有高位错密度的贝氏体基体组织[3]。（5）提高纯净度。为了减少钢中P、S所造成的危害，要求P≤0.015%，S≤0.010%。3.2工艺特点3.2.1冶炼采用炉外精炼（LF、VD），以实现对钢水纯净度及成分的稳定控制。（1）P、S及N、H、O的控制经过超高功率电炉冶炼+LF、VD炉精炼，钢中P、S及N、H、O可以控制在以下水平：P≤0.010%；S≤0.003%；N≤80ppm；H≤2ppm；O≤20ppm。（2）成分稳定性控制舞钢制定有严格的内控工艺成分和目标值，同规格档次产品的不同炉次之间的成分波动范围很小，主要元素波动区间：C≤0.02％，Mn≤0.15％，为保证钢板性能的均匀稳定创造了重要前提。（3）夹杂物形态控制现代微合金钢不仅要降低夹杂物含量，而且还要对夹杂物的形态进行控制。生产中向钢中加入钙等脱硫元素，使硫化物等夹杂从长条状变为较短的或球状的硫氧复合夹杂物，减轻夹杂物的危害，确保钢板的抗层状撕裂性能、进一步提高综合性能。3.2.2轧制通过严格控制加热温度和轧制工艺，昀大可能地细化晶粒，并以适当的冷却方式获得期望的组织形态。WDB620采用了三阶段控轧工艺[4]。第一阶段为奥氏体再结晶阶段，在这一阶段内（1000℃以上），奥氏体变形和再结晶同时进行，因再结晶而获得的细小奥氏体粒，将导致铁素体晶粒的细化。此阶段道次压下率≥10％，累计压下率≥60％。第二阶段为奥氏体非再结晶阶段（950℃~Ar3），在这一阶段内，奥氏体晶粒被拉长，在伸长而未再结晶的奥氏体内形成高密度形变孪晶和形变带，同时微合金碳、氮化物因形变诱导析出，因而增加了铁素体的形核位置，细化了铁素体晶5粒。此阶段压下率应尽量大，累计压下率≥50％。第三阶段为（奥氏体十铁素体）两相区轧制阶段（Ar3~Ar1），在这一阶段内，奥氏体和铁素体均发生变形晶粒进一步细化，并产生位错强化、亚晶强化，使强度进一步提高。此阶段累计压下率控制在25％左右。3.2.3热处理对于含Nb、V、Ti、Mo等的钢种，通过合适的回火工艺，可使微合金碳氮化物进一步析出，增加沉淀强化的效果，同时也可进一步改善强度和韧性，使之更加均匀稳定。3.3回火工艺参数的选择3.3.1临界点测定为便于选择热处理温度，对WDB620钢的临界点进行了测定，其结果见表3。表3，临界点，℃Ac1Ac3Ar1Ar3BsBfAr3f695903--7876382096983.3.2不同回火温度下钢板力学性能用25mm厚钢板进行了不同回火温度下的拉伸及冲击性能试验，屈服强度、抗拉强度、延伸率与回火温度的关系曲线见图1，系列冲击功与回火温度关系曲线见图2。回火温度分别为500℃、550℃、620℃、680℃、720℃，回火保温时间3.5min/mm。从图1可见，500℃--620℃，屈服强度呈上升趋势;500℃间回火时，屈服强度较低，为标准的下限水平;620℃时屈服强度昀高，而620℃--680℃间屈服强度变化不大。回火温度大于680℃时，屈服强度下降明显;720℃回火时，屈服强度已低于标准要求。抗拉强度在500℃--550℃间呈上升趋势，550℃--720℃间抗拉强度基本稳定不变。冲击功在500℃-680℃间相差很小，在620℃、680℃时冲击功较高，720℃回火时，当温度小于-40℃时的冲击功下降幅度要大于其它温度。6以上不同回火温度下的力学性能试验结果表明，550℃--680℃范围内回火，钢板均能得到良好的强度，屈强比随温度升高而提高,抗拉强度的变化不大。当温度更高，接近或超过AC1温度，即720℃回火试验时，屈服强度发生降低。当温度更低，即500℃回火试验时，屈服强度也发生降低。这符合回火过程中二050100150200250300350400450500550600650700750500550620680720,℃屈服强度,MPa抗拉强度,MPa延伸率*10，%25mm厚钢板拉伸性能与回火温度关系图10501001502002503000-10-20-40-60-80500550620680720,℃25mm钢板系列冲击功与回火温度关系图27次硬化的一般规律。同时,由不同回火温度下的冲击试验结果可见，550℃—680℃范围内，-60℃下钢板仍具有良好的韧性，钢板的低温冲击功较标准有很高的富裕量。由此在550℃—680℃这一宽达130℃的温度区间内，钢板在回火处理后均可达到良好的强韧性匹配，可见WDB620的力学性能对回火工艺有很强的适应性，WDB620热处理工艺具有稳定的可靠性。通过分析以上结果可知，钢板在620℃--680℃间回火时强韧性昀佳，故回火工艺温度在该温度范围内选择。在620℃回火时，钢板的力学性能结果见表5。由表5可知，性能结果完全满足WDB620及CF62技术要求且十分优良,表明了工艺参数确定的正确性。其中厚度方向性能检验结果与GB5313中昀高级别Z35相比，有较大的富裕量，说明WDB620钢板具有良好的抗层状撕裂能力。表53.4钢板金相组织检验金相组织检验结果见表6。检验结果表明钢板以低碳贝氏体为主,达到了工艺设计的预期目的,证明了控轧工艺的合理性和有效性，这是取得优良性能的关键。AKV,J，纵向厚度mmσsMPaσbMPaδ%ΨZ%冷弯,d=3a0-20-40-60-80186006703540,55,49完好217,220,227220,207,243177,196,186123,140,100108,116,69255956652868，74，49完好222,226,235231,226,233185,