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抛蝶燕
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1 SM570 正火型特厚高强钢板的强化设计及应用常跃峰赵文忠 ( 舞阳钢铁有限责任公司 ) 摘要本文论述了 SM570 正火型特厚高强钢板的强化机理强化设计思路及强化成分应用的效果, 并进行了具体分析通过调整微合金化元素 Nb V 的含量, 并复合少量的 Mo 或 Ni, 成功开发出了厚度的特厚高强钢板, 这一成功也为我公司进一步开发更高强度级别的非调质型钢板提供了技术途径关键词 SM570 正火型强化应用 Strengthening Design and Application of Normalized SM570 High Strength Ultra Heavy Plate Chang Yuefeng and Zhao Wenzhong (Wuyang Iron and Stell Co.Ltd) Abstract This article expounds the Strengthening mechanism,strengthening design idea and application effect of Strengthening composition of normalized SM570 high strength ultra heavy plate,and makes a specific analysis,high strength ultra heavy plates with thicknesses of or above are successfully developed through adjusting contents of micro-alloying elements Nb,V and combining small amount of Mo or Ni.This success also finds technological approach for further development of non-quenched and tempered plate of higher strength class of our company. Keywords SM570,Normalized,Strengthen,Application 1 前言 SM570 是日本标准 JIS G 焊接结构用轧制钢材中的牌号, 是一个典型的低合金高强度钢, 其强度级别是 JIS G 3106 标准中最高的, 广泛用于工程机械桥梁容器车辆船舶电力设备及其他结构件, 该钢在要求高强度的同时, 还要求具有较高的低温冲击韧性我公司 SM570 的生产始于 1991 年, 长期供应各大工程机械厂煤矿机械厂电机设备厂等, 取得了广泛的社会效益和经济效益随着经济建设的发展,SM570 的需求厚度不断上升, 从 1999 年 5 月开始, 订货厚度已由原来的大多 60 以下, 突然上升到了以上在如此大的厚度上保证高强度高韧性兼顾, 其生产难度还是比较大的我公司基于现有生产条件, 运用微合金化原理, 通过在强化成分方案上新的设计和调整, 较理想地开发成功了厚度的 SM570 钢板, 同时将新的设计予以推广应用, 取得了良好的效果 2 SM570 钢板的主要技术要求 2.1 技术标准 46

2 厚度, 执行 JIS G ( 该标准的最大适用厚度即为 ); 厚度 >--200, 执行我公司企业标准 WJX 化学成分钢的化学成分 ( 熔炼,%) 应符合表 1 的规定表 1 钢的化学成分 C Si Mn P S 注 : 必要时可添加表 1 以外的合金元素 2.3 力学性能钢板的拉伸及冲击试验的结果应符合表 2 的规定表 2 钢板的力学性能 16 >16-40 σs MPa >40-75 >75- >- 150 > σb MPa 570~ 720 δ % 16,5 号样, 19 >16, 5 号样, 26 >20, 4 号样, 20 Akv,J, -5, 交货状态 SM570 屈服强度为 460MPa 级别, 该强度级别钢由于含多种合金元素, 其中包括微合金化元素, 在热轧或控轧状态下往往就能达到较高的强度, 但冲击韧性波动很大, 性能不太稳定, 明显地看出热轧工艺尤其是终轧温度和冷却速度对性能的巨大影响 [1] 对于特厚板来说, 控轧的适应性更是受到了限制, 强韧性更难兼顾而正火具有使钢板组织和性能均匀稳定合格率高生产过程容易控制的优点对用户而言, 在一些需要进行热成形或结构需要最终热处理的地方, 采用正火钢也是很有利的 [2], 因为这不会象热轧或控轧钢板那样, 在经热成形或热处理后即发生强度的大幅度下降为此, 美国德国和欧洲标准都规定该强度级别钢采用正火交货, 如 ASTM A633/A633M DIN17102 EN10113 EN28 等综合以上因素, 结合实际条件和用户需要, 我们选择按正火状态交货, 同时按标准规定, 在必要时也可正火加回火交货 3 生产工艺 3.1 SM570 钢板的生产工艺流程图如下 : 47

3 吨 UHP 电炉吨 LF 炉 VD 炉炉外精炼模铸或连铸钢锭 ( 坯 ) 加热 4200 轧机轧制 ( 探伤 ) 热处理表面检查切割检验入库发运 3.2 工艺要点冶炼初炼过程中强化脱磷, 并在出钢时预脱氧炉外精炼中强化脱氧和脱硫, 要求探伤交货时进行 VD 真空处理, 以进一步去除气体和夹杂物精炼过程中吹氩搅拌, 进行微合金化前先喂铝线, 保证全铝 0.020%, 以提高微合金元素的收得率为保证韧性, 要严格控制 P S 含量, 一般实际 P 0.018%, S 0.015%, 特殊要求时则更低, 必要时还采取改善夹杂物形态的措施, 如加喂 Ca-Si 线等钢锭 ( 坯 ) 加热微合金化钢的沉淀强化很重要为了在含碳量较高的固溶体中保持足够多的潜在的沉淀物含量, 奥氏体化必须在相当高的温度下进行从溶解度角度考虑, 轧制之前的均热温度对沉淀强化程度将有重大的影响 [3] 为此最高加热温度选择为 1300, 均热温度选择为 1220 ~ 轧制开轧温度 , 终轧温度 , 道次压下率 >10%, 后三道次累计压下率 45% 最大限度产生弥散析出物粒子细化晶粒, 为正火创造尽量好的基础组织条件热处理制度正火温度 900 ±10, 保温 1.5min/ 回火温度 600 ±10, 保温 3.0min/ 4 强化设计 4.1 强化设计的机制为保证 SM570 在具有高强度的同时, 兼有良好的韧性和焊接性能, 国内外各生产厂对此级别钢都广泛采用微合金化设计原理, 在 C-Mn 固溶强化基础上, 使用细晶强化沉淀强化甚至相变强化手段来达到目的在合金元素及其含量上, 各厂随自己的工艺装备条件和工艺习惯而有所不同 1999 年我公司在对厚度 60 的 SM570 钢板开发上, 强化设计曾采用过四种方案, 最终经过优化, 选定其中一种作为大生产时的工艺内控成分, 取得了令人满意的效果四种方案的强化设计特点见下表 3 48

4 表 3 四种强化设计方案第一种第二种第三种第四种较低 Nb+ 较低 V 类型较高 Nb+ 较高 V+ 少量 Mo 类型较高 Nb+ 较高 V+ 较少量 Ni 类型较高 Nb+ 较高 V+ 少量 Ni 类型四种强化方案的共同点是都采用了微合金化元素铌钒, 不同之处是其含量和与钼镍的复合运用微合金化钢的高屈服强度取决于充分的晶粒细化和显著的沉淀强化, 晶粒细化也能提高抗拉强度, 不过要比对屈服强度的影响小 [4] 根据新的观点 [2], 对于控轧控冷的微合金化钢, 应当以微合金元素在钢中的溶解析出行为作为强化主导因素的强度表达式代替晶粒细化的强度表达式, 即沉淀硬化对微合金化钢强化起主导作用我们认为, 这一观点对正火的微合金化钢同样适用根据钢的沉淀强化的机制 [2], 钢的基体内分布的第二相质点, 如碳化物氮化物等, 只有当溶质粒子由基体中脱溶析出时才对强化有所贡献在奥氏体中不溶解的颗粒, 通常都不能起强化作用, 但可以使晶粒细化 [3] 在正火温度下, 由于 Nb Ti 的碳化物和氮化物的溶解度有限并且沉淀颗粒较大, 因而在正火时, 其沉淀强化是很小的 [3] 但是, 正火温度下, 由于 V 的溶解度比较大, 即使是厚钢板的正火, 也可以获得相当大的沉淀强化, 而且强度是随着钒含量的增加而增加的 [3] 为了获得较大的强化效果, 可用 V 的沉淀强化和 Nb 的晶粒细化相结合然而, 当 V 含量太高时, 就会影响冲击韧性, 在这种情况下, 可加入象 Ni 那样的合金元素 [3] 因此在第三种第四种设计中我们就应用了 Ni 在微合金化钢中, 常应用 Mo 与 Nb V 复合以产生更加强烈的强化, 故我们在第二种设计调整时也选择了 Mo 4.2 四种方案钢板的力学性能第一种方案钢板的代表性力学性能数值见表 4, 拉伸性能与厚度规格的关系见图 1 表 4 第一种方案钢板的力学性能厚度, σs,mpa σb,mpa δ,% Akv,J,-5, 状态 ,210,171 正火 ,155,175 正火 ,252,263 正火 ,278,261 正火 ,174,194 正火 ,202,173 正火 ,164,158 正火 49

5 屈服强度,Mpa 抗拉强度,Mpa 延伸率,% , 图 1 第一种方案钢板的拉伸性能与厚度规格的关系第一种方案为 1999 年 5 月以前的工艺成分, 由于当时市场需求的原因, 生产的基本上是厚度 60 以下的钢板, 本身即存在着强度富裕量偏低和性能合格率低的问题当直接用该成分生产钢板时, 就出现了更大的问题从表 4 可以看出, 该成分的厚钢板的屈服强度和抗拉强度偏低, 抗拉强度仍属 16Mn(Q345,GB/T1591) 级别, 不能满足标准要求究其原因, 我们认为, 第一, 厚板固有的冷速较慢, 影响了析出物的弥散性第二, 微合金含量偏低 ( 主要是 V), 还不能产生足够的析出量以进行强化因此必须要设计新的成分第二种方案钢板的代表性力学性能数值见表 5, 钢板的拉伸性能与厚度规格的关系见图 2 表 5 第二种方案钢板的力学性能厚度, σs,mpa σb,mpa δ,% Akv,J,-5, 状态 ,138,159 正火 + 回火 ,188,153 正火 + 回火 ,166,174 正火 + 回火 ,152,140 正火 + 回火 ,149,154 正火 + 回火 ,170,174 正火 + 回火第二种方案设计的目的, 是为充分保证 140 厚的 SM570 钢板性能从增加强化角度, 此方案较第一种提高了铌钒含量, 约提高到第一种的 2 倍, 并又添加了微量的钼, 以期适应厚板的要求步从表 5 可以看出, 此成分强化作用较第一种明显提高正火加回火后, 厚度 140 钢板的屈服强度富裕量适中, 抗拉强度大多在中限 (645MPA) 附近, 轧制较薄钢板 (30) 时强度更高, 抗拉强度接近了标准上限 (720MPa), 钢板的 -5 冲击功都在 J 以上数据表明, 此成分在正火加回火状态下强韧性达到了具佳, 并且正火加回火后性能达到了 Q500(GB/16270) SPV490(JIS G 3115) 的下限水平, 其中 30 厚钢板性能 50

6 还达到了 Q550 的下限水平实践表明, 该成分适合在正火加回火状态下生产大厚度钢板我公司供哈尔滨电机厂 140 厚和部分厚 SM570 即是采用该成分生产, 性能合格率 % 但是, 我们认为此成分也有不足之处, 即正火状态下屈服强度和韧性偏低, 并有不合格出现, 需正火后补充回火才能得到满意的性能值和高的合格率, 工艺环节上有些繁琐为简化工艺, 缩短生产周期, 又调整设计出了第三种方案屈服强度,Mpa 抗拉强度,Mpa 延伸率,% , 图 2 第二种方案钢板的拉伸性能与厚度规格的关系第三种方案钢板的代表性力学性能数值见表 6 表 6 第三种方案钢板的力学性能厚度, σs,mpa σb,mpa δ,% Akv,J,-5, 状态 ,182,236 正火 ,254,260 正火 ,240,262 正火 ,274,250 正火第三种方案吸取了第二种的经验, 在第二种基础上, 从改善韧性的角度, 取消了强化作用显著的钼, 减少了影响韧性的组织因素另外从强韧性协调角度, 加入了较少量的镍, 其铌钒量基本维持在第二种水平, 以期一次正火即得到良好的性能从表 6 可以看出, 该成分钢板正火后力学性能可满足标准要求, 屈服强度和抗拉强度水平高于第一种, 但与第二种相比有所降低, 此变化说明该成分设计方向是正确的, 但因强度富裕量略嫌不足, 故决定再行调整, 随又设计实施了第四种强化方案第四种方案钢板的代表性力学性能数值见表 7, 钢板的拉伸性能与厚度规格的关系见图 3 51

7 表 7 第四种方案钢板的力学性能厚度, σs,mpa σb,mpa δ,% Akv,J,-5, 状态 ,154,156 正火 ,178,183 正火 ,132,126 正火 ,227,200 正火 (-26 ) ,130,146 正火 ,206,198 正火 ,216,206 正火 ,127,120 正火 ,135,222 正火第四种方案在第三种基础上进行了微调, 抗拉强度目标值设定为标准的中限屈服强度,Mpa 抗拉强度,Mpa 延伸率,% , 图 3 第四种方案钢板的拉伸性能与厚度规格的关系微调时从细晶强化角度提高了 Nb 的含量, 使其达到第二种范围, 沉淀强化元素 V 含量维持不变因 Ni 具有在强化的同时不降低韧性的优点, 故也提高了 Ni 的含量从表 7 中可以看出, 该方案克服了第三种强化略嫌不足的缺点, 使得钢板屈服强度富裕量适中, 抗拉强度基本在标准中限, 强度总体上与第二种的水平相当, 冲击韧性又略优于第二种, 且只用一次正火而不再需补充回火, 从而完全克服了第二种在工艺上的繁琐, 同时对厚达 200 的不同厚度钢板具有广泛的适应性, 表现出了钢板组织性能的均匀稳定性和强化设计的合理性我们将此方案推广应用, 已生产厚度钢板 4000 多吨, 性能合格率保持为 % 5 对不同强化设计方案钢板的有关分析研究 5.1 第一种方案钢板正火正火 + 回火状态下的组织性能的比较见表 8 52

8 表 8 第一种方案钢板热处理后的性能与组织厚度 σs σb δ,% Akv,J,-5, 状态组织 MPa MPa ,150,112 正火 F+P ,132,103 正火 +600 回火 F+P ,126,140 正火 F+P ,121,132 正火 +600 回火 F+P 从金相分析中得知, 正火状态下钢板组织中无贝氏体存在从表中可以看出, 钢板回火后屈服强度和抗拉强度变化不大, 且均呈下降趋势, 这说明即使进一步促进沉淀物的析出, 也无助于该成分屈服强度的提高, 证明了该成分沉淀强化程度的不足性 5.2 第二种方案钢板热轧正火正火 + 回火状态下的组织性能的比较见表 9, 钢板热处理性能对比见图 4, 其显微组织见图 5 表 9 第二种方案钢板热处理后的性能与组织厚度 σs σb δ,% Akv,J,-5, 状态组织 MPa MPa 140 / ,12,7 热轧 F+B+P 少 ,6,8 热轧 +600 回火 F+S 回 +P ,58,82 正火 F+P+B ,94,124 正火 +600 回火 F+P+S 回 98,67,88(-40 ) ,88,74 正火 F+P+B ,140,135 正火 +600 回火 F+P+S 回 ,46,90 正火 F+P+B ,129,127 正火 +600 回火 F+P+S 回从表 9 可以看出, 热轧和正火状态抗拉强度较高而韧性较差, 金相分析发现该两种状态下有较多贝氏体存在, 其中热轧状态中为最多较多贝氏体的存在是钢板具有较高强度而韧性较差的原因能够使钢在空冷条件下获得较多贝氏体组织的合金元素主要是钼 [5], 该成分中的钼已明显地起到产生贝氏体的作用因该贝氏体为粒状贝氏体, 若不进行补充回火以充分 [ 分解这种贝氏体, 将对钢的韧性产生不利的影响 5], 表 9 中热轧及正火冲击试验数据证明了此点结论韧性良好的根本是晶粒细化, 热轧加回火后尽管贝氏体已分解, 但由于厚板晶粒较大和组织的不均匀, 故仍然得不到良好的韧性正火使晶粒细化, 改善了韧性, 同时是在空气中自然冷却, 由于过冷度低和冷速较慢而减少了贝氏体量, 但因仍存在相当部分贝氏体, 故其冲击功值仍然不高且不稳定, 有的甚至不能满足标准要求, 因此该强化方案的钢板必须在正火之后补充回火 53

800 700 600 500 正火屈服强度, Mpa 正火抗拉强度,Mpa 正火延伸率,% 140 400

4 第二种方案钢板热处理性能对比 (A) 热轧 500 (B) 热轧 + 回火 500 (C) 正火 500

厚钢板的显微组织回火的实质是将韧性差而强度高的贝氏体分解, 以获得组织均匀晶粒细小

同时也进一步消除了内部应力, 最终结果使屈服强度屈强比冲击功值升高, 而抗拉强度进一步降低,

9 正火屈服强度, Mpa 正火抗拉强度,Mpa 正火延伸率,% 正火 + 回火屈服强度,Mpa 正火 + 回火抗拉强度,Mpa 正火 + 回火延伸率,% 图 4 第二种方案钢板热处理性能对比 (A) 热轧 500 (B) 热轧 + 回火 500 (C) 正火 500 (D) 正火 + 回火 500 图 5 第二种成分 140 厚钢板的显微组织回火的实质是将韧性差而强度高的贝氏体分解, 以获得组织均匀晶粒细小韧性高而强度适中的回火索氏体, 在回火过程中,Mo V Nb 碳化物也进一步析出, 增加了沉淀强化效果 [5], 同时也进一步消除了内部应力, 最终结果使屈服强度屈强比冲击功值升高, 而抗拉强度进一步降低, 组织趋向平衡状态, 钢板的强韧性得到良好的搭配从表 9 中还可以看出,140 厚钢板的 -40 冲击功平均值超过了 70J, 说明该成分钢板具备了足够的低温韧性, 符合国际上对结构钢 -40 冲击韧性的一般要求 54

5.3 第四种方案钢板正火正火 + 回火状态下组织性能比较见表 10, 其显微组织见图 6 表 10, 第四种方案钢板热处理后的性能与组织厚度 σs, MPa σb,mpa δ,% Ψz,% Akv,J, 62 475 640 31 47,49,54 177,163,170(-26 ) 152,139,159(-40 ) 122,110,98(-50 ) 62 495 640 32

此成分热轧正火状态时也存在 B, 但却没有导致强韧性的失衡, 究其原因, 我们认为, 一是由于不再加钼而减少了 B 量, 二是由于 Ni 的加入, 增大了钢的过冷能力, 促使 B 转变在更低些的温度发生, 一定程度改善 B 组织结构由于 Ni 的加入, 此成分钢板的低温冲击韧性要优于第二种, 正火状态下 -50 冲击功平均值即超过了 J, 从而可满足结构件在寒冷恶劣环境下的使用要求从表

10 5.3 第四种方案钢板正火正火 + 回火状态下组织性能比较见表 10, 其显微组织见图 6 表 10, 第四种方案钢板热处理后的性能与组织厚度 σs, MPa σb,mpa δ,% Ψz,% Akv,J, ,49,54 177,163,170(-26 ) 152,139,159(-40 ) 122,110,98(-50 ) ,134,133(-40 ) 86,,122(-50 ) ,131,142(-40 ) 143,97,111(-50 ) 状态正火正火 +550 回火正火 +600 回火组织 F+B+P 少 F+P+S 回 F+P+ S 回 (A) 正火 500 (B) 正火 + 回火 500 图 6 第四种方案 62 厚钢板的显微组织从表 10 可以看出, 此成分热轧正火状态时也存在 B, 但却没有导致强韧性的失衡, 究其原因, 我们认为, 一是由于不再加钼而减少了 B 量, 二是由于 Ni 的加入, 增大了钢的过冷能力, 促使 B 转变在更低些的温度发生, 一定程度改善 B 组织结构由于 Ni 的加入, 此成分钢板的低温冲击韧性要优于第二种, 正火状态下 -50 冲击功平均值即超过了 J, 从而可满足结构件在寒冷恶劣环境下的使用要求从表 10 还可以看出, 钢板的厚度方向断面收缩率 Ψz 平均值超过了 35%, 达到了 GB5313 厚度方向性能标准 Z35 级别的要求, 说明只要 S 含量足够低 ( 此炉 S 含量为 0.006%), 如此高强度的钢板同样可以具有良好的抗层状撕裂能力从表 10 可以看出, 该强化方案钢板回火之后屈服强度有所升高, 但升高幅度不大, 远小于第二种的含钼钢板正火加回火之后的性能总体上与正火差别不大, 说明正火后组织已比较稳定, 这也体现了该成分的优点第四种强化方案已作为我公司大批量稳定生产 SM570 的内控工艺 5.4 产品应用及对焊接性能的评价 55

11 采用以上经改进的技术生产的 SM570 得到了广泛应用, 产品用于了载重量为 105 吨的电动轮自卸车 900 吨海上浮吊大型装载机挖掘机发电设备等, 为重大设备用钢国产化作出了贡献 SM570 屈服强度为 460MPa 级别, 从国际上来看, 正火型高强钢标准中最大的屈服强度级别为 500MPa, 如德国标准 DIN17102 日本标准 JIS G 3115, 这说明标准已考虑了对焊接工艺的适应性我公司的 SM570 钢板按改进工艺已生产供应 4000 多吨, 大量用于各种焊接结构件经调查, 用户对焊接性能的评价是良好的, 说明该钢的焊接性能用户是认可和接受的, 能够满足用户的需要 6 结论 6.1 采用 Nb V 微合金化, 并复合少量 Mo 或 Ni 的强化设计保证了 SM570 正火型特厚钢板的顺利生产, 其中第四种强化方案 ( 较高 Nb+ 较高 V+ 少量 Ni 类型 ) 效果最佳, 完全适应了我公司的现有生产工艺条件 6.2 第二种 ( 较高 Nb+ 较高 V+ 少量 Mo 类型 ) 强化方案钢板经正火加回火, 第四种强化方案钢板单经正火, 即可取得满意的综合性能和高的性能合格率, 并且第二种更适应于生产更高强度级别的钢板 6.3 所生产的 SM570 特厚钢板, 具有屈服强度富裕量适中, 抗拉强度水平处于标准中限,-50 冲击功 J, 厚度方向性能可满足 Z35 级别的特点, 具有良好的强韧性搭配 6.4 第二种和第四种强化成分经过微调, 即可正常非调质型的强度更高的 Q500 Q550 及日本压力容器用钢板 SPV490 等高强钢, 从而为我公司开发高强度级别钢板提供了一条技术途径参考文献 1 章守华, 合金钢, 北京, 冶金工业出版社, 1988 年, P64 2 东涛孟繁茂王祖滨等, 神奇的铌铌在钢铁中的应用, 中信美国钢铁公司 ( 北京 ), 1999 年, P268,P205,P202 3 M. 科恩等, 钢的微合金化及控制轧制, 李述创向德渊译, 北京, 冶金工业出版社,1984 年,P50,P14,P51,P200 4 王有铭李曼云韦光, 钢材的控制轧制和控制冷却, 北京, 冶金工业出版社,1995,P9 5 王祖滨东涛等, 低合金高强度钢, 北京, 原子能出版社,1996,P52,P111 56

前言本指南是 CCS 规范的组成部分, 规定船舶入级产品, 授权法定产品检验适用技术要求, 检验和试验要求本指南由 CCS 编写和更新, 通过网页发布, 使

前言本指南是 CCS 规范的组成部分, 规定船舶入级产品, 授权法定产品检验适用技术要求, 检验和试验要求本指南由 CCS 编写和更新, 通过网页发布, 使指南编号 /Guideline No.B-05(201510) B-05 钢质无缝气瓶生效日期 /Issued date:2015 年 10 月 20 日中国船级社 China Classification Society 前言本指南是 CCS 规范的组成部分, 规定船舶入级产品, 授权法定产品检验适用技术