专利名称：钨系低碳贝氏体钢及其生产方法
技术领域：
本发明涉及一种低碳低合金钢及其生产方法，尤其是一种具有高强度的钨系低碳贝氏体钢及其生产方法。
背景技术：
以往，抗拉强度大于800N/mm2强度级别的钢种通常采用调质方法生产，由于合金元素含量高，又采用了贵重元素Mo，再加上生产周期长等因素的影响，不可避免地造成了生产成本高；同时，还存在着碳含量和碳当量高，焊接性能差等问题(部分调质钢种实例如表1)。
表1、调质钢碳当量和焊接裂纹敏感性系数及Mo含量
发明内容鉴于上述技术的不足，本发明的目的在于提供一种抗拉强度为800N/mm2级别以上，塑性良好，并具有低碳当量和低焊接裂纹敏感性系数的低碳贝氏体钢及其生产方法，通过采用非调质的方法来达到降低生产成本，降低钢中的碳含量和碳当量，改善焊接性能的目的。
本发明以成本低廉的Mn元素为主要添加元素，联合应用Cu、W、Ni、Nb、B元素对贝氏体转变的作用，其化学成分(Wt％)为C0.015％～0.070％、Si0.20％～0.50％、Mn1.4％～1.8％、Nb0.035％～0.060％、Ti0.005％～0.030％、B0.0005％～0.0030％、W0.15％～0.50％、Cu0.3％～0.6％、Ni0.15％～0.50％、Al0.010％～0.070％，且碳当量Ceq＝C+Mn/6+Cr/5+Mo/4+V/14+Ni/40+Si/24≤0.40，焊接裂纹敏感系数Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.21，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明采用上述化学成分的理由是(1)C碳对钢的强度、韧性和焊接性能影响很大。碳低于0.015％则强度低，碳高于0.070％，则使延伸率和韧性下降，本发明确定碳含量的最佳范围为0.015％～0.070％。
(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，而且成本十分低廉，因此在本发明中合适区间为1.4％～1.8％，最佳区间为1.5％～1.7％。
(3)B硼元素是本发明中重要的成分，它能够提高钢的淬透性，加入极微量的硼就会有明显的效果，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。当硼含量低于0.0005％时，提高淬透性的效果不明显；当硼的含量为0.0010％时，就会使钢的组织全部转变为贝氏体；高达0.0030％时，淬透性达到饱和，此时可观察到Fe23(CB)6的析出；高于0.0030％，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。故在本发明中将硼限定在0.0005％～0.0030％之间。最佳区间在0.0007％～0.0020％。
(4)Nb铌是本发明的重要添加元素，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；它与微量的硼元素复合作用，可以显著地提高淬透性，促进贝氏体转变。在本发明中将Nb含量限定在0.035％～0.060％范围内。
(5)Ti加入微量的钛，是为了固定钢中的氮元素，从而确保硼元素提高淬透性效果。硼与氧、氮的亲合力较大，如果加入的微量硼与钢中的氧、氮起作用，硼的促进贝氏体转变的作用将消失。因此，必须加入足够量的铝、钛进行完全脱氧和固氮，将钢中气体尽量降低，才能充分发挥硼的有效作用。在最佳状态下，钛、氮形成氮化钛，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。钛低于0.005％时，固氮效果差，超过0.030％时，固氮效果达到饱和，过剩的钛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30KJ/cm以上的大线能量焊接。此时相应于Ti、N重量之比为3.42，故在本发明中，结合钢中N的含量以及便于连铸的需要，将钛成分控制在0.005％到0.030％。最佳控制为Ti、N重量之比为3.42左右。
(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，在本发明中将硅限定在0.20％～0.50％的范围内。
(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0.010％时，效果不明显；超过0.070％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。所以，本发明中将铝含量控制在0.010％～0.070％，最佳区间在0.015％～0.050％。
(8)W在贝氏体转变中，有助于轧制时奥氏体晶粒的细化和微细贝氏体的生成，但添加超过0.50％时，塑性和韧性降低，可焊性也明显降低。当添加钨低于0.15％时，强化作用小，强度降低。因而，在本发明中钨含量的最佳区间在0.15％～0.50％。
(9)Cu铜不仅对焊接热影响区硬化性及韧性没有不良影响，又可使母材的强度及低温韧性大大提高。在贝氏体钢中加入铜，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。在合适的条件下，Cu能够沉淀析出生成ε-Cu，进一步使基体强化；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，必须添加适量的Ni以阻止这种裂纹的产生。在本发明中将铜含量控制在0.3％～0.6％。
(10)Ni镍对焊接热影响区硬化性及韧性没有不良影响，又可使母材的强度及低温韧性大大提高。其为贵重元素，导致钢的成本大幅度上升，经济性差。在本发明中添加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。故在本发明中将Ni含量控制在0.15％～0.50％。
(11)钢中的杂质元素控制在P≤0.025％，S≤0.015％，以提高钢的韧性。最好N≤0.006％，以避免形成硼的氮化物，使硼的淬透性失效，钢质越纯净效果更佳。
本发明钢的具体生产工艺如下采用TMCP(热机械处理工艺)轧制。轧前加热最高温度确定在1220℃，以保证获得细小的奥氏体晶粒；加热温度下限为1050℃，以便能有相当量的Nb溶入奥氏体，有利于轧后冷却过程中贝氏体的形成。采用两阶段控轧，再结晶区轧制温度控制在≥1000℃；未再结晶区轧制温度控制在950℃～(Ar3+0℃～80℃)，积累变形量大于50％。轧后加速冷却，终止冷却温度控制在Bs点以下，最佳终止冷却温度为350℃～600℃。之后空冷。最后再进行不同温度的回火处理，以使Cu、W、Nb元素沉淀析出，同时进一步提高钢的塑性和韧性，回火温度控制在450℃～690℃。
本发明以成本低廉的Mn、Cu、W、Nb、B元素对贝氏体转变的作用以及析出强化作用充分联合应用，从合金设计方面大大降低了成本。用该方法生产出的钢，抗拉强度为800N/mm2级别以上，具有低焊接裂纹敏感性系数、低碳含量、成本低、生产工艺简单等特点，解决了调质钢种的碳含量和碳当量高以及焊接性能差等问题。该钢种可以广泛应用于工程机械、煤矿机械等领域。
具体实施例方式
根据本发明的化学成分及生产工艺，冶炼轧制本发明的钢种实际化学成分如表2，本发明实物轧态性能检验结果如表3，不同温度回火后性能检验结果如表4。
表2、本发明钢种的冶炼成分实例，Wt％
表3、本发明钢的轧态力学性能
表4、本发明钢的不同温度回火态力学性能
权利要求
1.一种钨系低碳贝氏体钢，其特征在于化学成分(重量百分比)为C0.015％～0.070％、Si 0.20％～0.50％、Mn 1.4％～1.8％、Nb 0.035％～0.060％、Ti 0.005％～0.030％、B 0.0005％～0.0030％、W 0.15％～0.50％、Cu 0.3％～0.6％、Ni 0.15％～0.50％、Al 0.010％～0.070％，余量为Fe及不可避免的杂质，并且碳当量Ceq＝C+Mn/6+Cr/5+Mo/4+V/14+Ni/40+Si/24≤0.40，焊接裂纹敏感系数Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.21。
2.一种用于权利要求1所述的钨系低碳贝氏体钢的生产方法，其特征在于轧制过程采用TMCP，轧后加速冷却的速度范围控制在3～40℃/S；终止冷却温度为350℃～600℃，之后空冷；最后再进行不同温度的回火处理，回火温度控制在450℃～690℃。
全文摘要
本发明提供了一种具有高强度的钨系低碳贝氏体钢及其生产方法，钢的化学成分(Wt％)为C0.015％～0.070％、Si0.20％～0.50％、Mn1.4％～1.8％、Nb0.035％～0.060％、Ti0.005％～0.030％、B0.0005％～0.0030％、W0.15％～0.50％、Cu0.3％～0.6％、Ni0.15％～0.50％、Al0.010％～0.070％，余量为Fe及不可避免的杂质，且碳当量Ceq＝C+Mn/6+Cr/5+Mo/4+V/14+Ni/40+Si/24≤0.40，焊接裂纹敏感系数Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.21。采用TMCP+回火方法进行生产，可生产抗拉强度为800N/mm
文档编号C21D8/00GK1982491SQ200510047998
公开日2007年6月20日 申请日期2005年12月12日 优先权日2005年12月12日
发明者郝森, 侯华兴, 董恩龙, 杨颖 , 刘明, 鲁强, 张涛 申请人:鞍钢股份有限公司