一种900MPa级超高韧性低合金钢及其制造方法

文档序号:3257678阅读:215来源:国知局
专利名称:一种900MPa级超高韧性低合金钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种高强度高韧性低合金钢及其制造方法,具体地讲,本发明涉及一种屈服强度为900MPa级、超高韧性的低合金钢及其制造方法。
背景技术
高强高韧是钢铁结构材料永恒的发展主题,是实现构件减量化和安全性的必由之路。目前,实际工程中对屈服强度达到900MPa级或更高強度的超高强钢的需求正逐渐增多,如液压支架结构、起重机吊臂、挖掘机支架等钢结构部件。这类高强钢过去通常采用调质エ艺(离线淬火+回火)生产,エ艺流程长,能耗高,而且为了提高钢的淬透性,在钢板整个厚度截面上获得均匀的马氏体组织,需要加入较高的碳(不小于O. 12%)和Cr、Ni、Mo等合金元素,造成合金化成本和焊接碳当量较高。另外,传统调质板由于碳含量高其低温韧性有限,_40°C夏比冲击功通常不超过100J。例如,瑞典SSAB钢铁生产商采用传统调质エ 艺生产的WELD0X960和D0MEX960屈服强度大于960MPa,但_40°C冲击功仅能保证彡34J。目前,采用控轧控冷(TMCP)或TMCP+回火エ艺生产屈服强度大于900MPa钢板正在成为国内外研究的热点问题,该エ艺省却了离线淬火,具有生产过程高效、节能和节约合金元素的优点。例如,中国专利ZL200510024775. 3提出了ー种屈服强度960MPa以上超高强度钢板及其制造方法,采用热轧后直接淬火和回火エ艺,钢板具有良好塑性和焊接性。但是,所涉及钢的碳含量仍然较高(O. 08 O. 18% ),因而造成_40°C低温冲击韧性仅30 40J。公开专利“屈服强度为950MPa级的焊接结构钢”(公开号CN101397641A),公布了一种实验用超高强钢,轧制过程采用高温大压下以充分细化奥氏体晶粒,然后喷水冷至900°C以下进行最后两道次轧制,轧后空冷,钢板屈服强度彡950MPa。然而由于所涉及钢的碳含量高达O. 13-0. 18%,,导致 _20°C冲击功仅> 50J。Exxonmobil Upstream Res 公司申请的专利W0200039352采用控轧控冷生产低温韧性优异的高强度钢,其含碳量较低(O. 03-0. 12%),同时加入了高镍含量(不小于I. 0% ),但其抗拉强度只能达到830MPa以上。在埃克森美孚和住友金属联合申请的“高抗拉强度钢及其生产方法”的中国专利98802878中,钢板碳含量为O. 02-0. 10%,采用TMCPエ艺生产,但抗拉强度只能达到900MPa以上。综上所述,目前采用TMCP或TMCP+回火エ艺生产的高强钢中,若屈服強度大于900MPa,则钢板碳含量较高(不小于O. 08% ),其低温韧性较差;若碳含量低于O. 08%,尽管可以获得优异的低温韧性,但不大幅度提高合金添加量的条件下,屈服強度难以达到900MPa以上。

发明内容
针对现有技术中的上述问题,本发明提供了ー种碳含量不大于O. 08%、屈服強度900MPa以上的超高韧性低合金钢及其制造方法。所述制造方法包括以下步骤将连铸坯装入加热炉中加热,加热温度为1100-1250°C,加热时间为1-5小时;轧制步骤,所述轧制步骤包括粗轧轧制和精轧轧制,其中,粗轧轧制5-9道次,粗轧的终轧温度为1000-1IOO0C,精轧轧制5-12道次,精轧的开轧温度为880-960°C、精轧的终轧温度为750-880°C,精轧总压缩比不小于3 ;对轧制后的钢进行冷却,其中,冷却速度为不小于5°C /s,终冷温度不高于500°C。根据本发明的制造方法,粗轧结束后奥氏体平均晶粒尺寸小于30微米,精轧结束后扁平奥氏体的厚度小于10微米。优选地,所述制造方法还包括对轧制之后的钢进行回火处理,其中,回火温度为580-680°C,保温时间为25-60分钟。根据本发明制造的钢的成分为,按重量百分比计,C :0. 04 O. 08wt. Si 0. 10 O. 40wt. Mn 1. 50-2. 35wt. %、Cu :0-0. 40wt. %、Cr :0-0. 50wt. %、Ni 0-0. 50wt. %、Mo 0. 05-0. 40wt. %、Nb 0. 02-0. IOwt. %、V :0-0. 07wt. Ti 0. 005-0. 04wt. B 0. 0005-0. 0030wt. Al :0. 01-0. 06wt. P < 0. 015wt. S < 0. OlOwt. %,余为Fe和不可避免的杂质。根据本发明制造的钢具有高強度和高韧性,从而能够满足生产实践的要求。


通过參照附图对本发明的实施例进行详细描述,本发明的以上特征及优点将变得更加清楚,在附图中图I是根据实施例I制备的钢的SEM微观组织照片;图2是根据实施例I制备的钢的TEM照片。
具体实施例方式以下将參照附图来详细描述本发明的示例性实施例。本发明的目的之ー是提供ー种屈服強度900MPa级、_40°C夏比冲击功超过200J的钢板,目的之ニ是提供上述超高強度、超高韧性钢的制造エ艺。高的低温韧性需要通过采用超低碳成分设计(不大于O. 08% )来实现,这是因为超低碳可以消除钢中的渗碳体、富碳的马氏体/奥氏体(M-A)组元等对低温韧性不利的硬质第二相。然而,超低碳设计对提高強度非常不利,需要在组织细化、位错强化及沉淀强化等方面进行调控,以弥补降碳带来的强度损失。钢板最終组织细化通过全流程组织细化来实现,其エ艺要点如下(I)铸坯再加热阶段降低奥氏体化温度,获得细小均匀的原始奥氏体组织,为后续组织细化奠定良好的基础;(2)粗轧阶段适当降低粗轧温度、提高道次压下量,強化再结晶细化效果,通过反复再结晶细化奥氏体;(3)精轧阶段在奥氏体未再结晶温度(Tnr)以下变形,获得薄饼形的加工硬化态奥氏体。奥氏体加工硬化对于相变后组织细化至关重要。对于贝氏体或马氏体钢而言,决定其強度的有效组织单元为板条块,而板条块的宽度与奥氏体未再结晶区压下量(即硬化程度)密切相关,大的压下量(即高的硬化程度)有助于细化相变后板条块尺寸,从而提高钢板強度。(4)加速冷却阶段通过提高冷速获得贝氏体或马氏体组织,減少对韧性不利的富碳Μ/A组元的数量和尺寸。本发明提供的900MPa级超高韧性钢的化学成分和含量为按重量百分比计,C :0· 04 O. 08wt. %、Si :0. 10 O. 40wt. Mn 1. 50-2. 35wt. Cu 0-0. 40wt.
Cr 0-0. 50wt. %、Ni :0-0. 50wt. %、Mo :0. 05-0. 40wt. %、Nb :0. 02-0. IOwt. V 0-0. 07wt. Ti 0. 005-0. 04wt. B 0. 0005-0. 0030wt. Al 0. 01-0. 06wt. P < 0. 015wt. %,S < 0. OlOwt. %,余为Fe和不可避免的杂质。本发明各元素的作用及配比依据如下
碳作为最主要的固溶強化元素,显著提高钢的强度。但碳对提高钢的冲击韧性尤其是上平台冲击功非常不利,还明显损害焊接性能。因此,本发明涉及的钢板采用超低碳成分设计,碳含量范围为O. 04 O. 08wt. %。硅钢中脱氧元素之一,同时具有较强的固溶強化作用,但过量的Si将恶化钢的韧性及焊接性能。综合上述考虑,本发明钢硅含量范围为O. 10 O. 40wt. %。锰明显提高钢的淬透性,同时具有一定的固溶強化作用。但Mn含量过高时,其在铸坯中的偏析倾向増加,另外对焊接性能不利。基于上述原因,本发明钢Mn含量范围为I. 50-2. 35wt. %。钥显著提高钢的淬透性,減少回火脆性,提高钢的耐延迟断裂性能。回火过程中沉淀析出的含Mo第二相具有沉淀强化作用。Mo含量低于O. 05wt. %时,难以起到上述作用,超过0.40wt. %时,作用效果达到饱和,且成本较高。因此,本发明钢Mo含量范围为O. 05-0. 40wt. % ο钒钒在钢中以两种形式存在固溶于钢中的钒和碳氮化钒析出相。固溶钒能够明显提高钢的淬透性,特别是与Mo复合添加时其作用效果尤其显著。回火过程中析出的碳氮化钒粒子还具有一定的沉淀强化作用。本发明钢V含量范围为0-0. 07wt. %。铬提高钢的淬透性和耐大气腐蚀性能,但较高的Cr将降低焊接性能,应控制在O. 50wt. % 以内。镍提高钢的淬透性,明显改善低温韧性,提高钢的抗大气腐蚀性能。但其价格价高,应控制在O. 50wt. %以内。铜提高钢的淬透性和耐大气腐蚀性能,时效析出的纳米级Cu相粒子具有较强的沉淀强化作用,但含Cu钢由于表面选择性氧化而易于产生热脆问题。基于上述考虑,Cu含量控制在O. 40wt. %以内。硼強烈偏聚于奥氏体晶界及其它晶体缺陷处,加入微量B即可显著提高淬透性,但硼含量超过O. 0030%后上述作用饱和,而且还可能形成各种对热加工性能和韧性不利的含B析出相,因此硼含量应控制在O. 0005-0. 0030wt. %范围内。铌显著奥氏体未再结晶温度,是实现未再结晶轧制、获得最终细晶组织的最有效元素;固溶于奥氏体的Nb能够提高淬透性,回火过程中沉淀析出的碳氮化铌粒子具有沉淀强化作用。Nb含量应控制在O. 02-0. IOwt. %以内,低于O. 02wt. %难以起到上述作用,高于O. IOwt. %则上述作用达到饱和。钛本发明钢中加入少量Ti是为了形成纳米级尺寸的TiN粒子,可以细化铸坯加热过程中奥氏体晶粒。Ti含量应控制在O. 005-0. 040wt. %范围内,低于O. 005wt. %所形成TiN数量稀少,细化晶粒作用很小;高于O. 040wt. %将形成微米级尺寸的液析TiN,不仅无法细化晶粒作用,而且对钢板韧性有害。铝铝是强脱氧元素,还可与N结合形成A1N,能够起到细化晶粒作用。磷和硫钢中杂质元素,显著降低塑韧性和焊接性能,其含量应分别控制在O. 015wt. %和 O. Olwt. % 以内。
本发明所涉及的900MPa级超高韧性钢板制造エ艺如下冶炼和铸造采用转炉或电炉冶炼,鋳造采用连鋳。采用中厚板轧机轧制连铸坯在加热炉中加热,加热温度为1100_1250°C,时间为
1-5小吋。若加热温度低于1100°C,微合金化元素Nb和V不能充分固溶于奥氏体中而难以发挥其作用;若加热温度高于1250°C,奥氏体晶粒明显长大而对钢板强韧性不利。加热后进行轧制,轧制エ艺为粗轧轧制5-9道次,粗轧终轧温度为1000-1100°C。粗轧过程中奥氏体发生再结晶而逐渐细化,粗轧结束后奥氏体平均晶粒尺寸小于30微米。若粗轧终轧温度低于1000°C,奥氏体再结晶不完全,成品钢板中将形成对强韧性不利的混晶组织;若粗轧终轧温度高于1100°C,再结晶奥氏体晶粒尺寸较大(大于30微米),亦不利于钢板 的强韧性。精轧轧制5-12道次,精轧开轧温度880-960°C,终轧温度为750-880°C,精轧总压缩比不低于3。精轧过程中奥氏体不发生再结晶而逐渐扁平化,精轧结束后扁平奥氏体的厚度应小于10微米。若精轧开轧温度高于960°C,奥氏体将发生部分再结晶而易于引起混晶问题,若精轧开轧温度低于880°C,则显著增加轧制力和轧制扭矩,不利于板型的控制;若精轧终轧温度高于880°C,一方面由于精轧温度窗ロ过窄(低于960°C高于880°C)而增加实施难度,另ー方面不利于奥氏体中形变缺陷的累积而对最终组织细化不利;若精轧终轧温度低于750°C,则可能进入奥氏体+铁素体两相区轧制,易于在成品钢板中引起分层缺陷。精轧总压缩比的控制对于在超低碳钢中获得900MPa以上的超高強度也非常重要。若总压缩比小于3,则不能充分细化相变后贝氏体或马氏体的板条块宽度,其屈服強度难以达到900MPa以上。轧后加速冷却,冷速不低于5°C /s,终冷温度不高于500°C。若冷速过慢或终冷温度过高,则将获得以粒状贝氏体为主的微观组织,不能获得强度较高的板条贝氏体或马氏体组织,钢板屈服強度难以达到900MPa级。加速冷却后对钢板进行矫直。回火处理。回火加热温度为580_680°C,保温时间25_60min。回火过程中发生微合金碳氮化物的沉淀析出,具有沉淀强化作用,可以补偿因位错回复导致的強度下降,提高钢板回火稳定性。回火温度过低则微合金碳氮化物难以析出,而回火温度过高则析出相粒子发生粗化,两者均不利于沉淀強化。实施例I至实施例3表I中示出了根据本发明的实施例I至实施例3的高強度高韧性低合金钢的化学成分。按表I所示化学成分进行转炉冶炼并浇注成连铸坯,将连铸坯加热后采用中厚板轧机轧制,轧后对钢板进行加速冷却。铸坯加热温度、粗轧终轧温度、精轧开轧温度、精轧终轧温度等主要エ艺參数见表2。相应钢板拉伸强度、_40°C纵向冲击功、厚度规格在表3中列出。表I本发明实施例l_3900MPa级超高韧性钢的化学成分(wt. % )
权利要求
1.ー种屈服強度900MPa级超高韧性低合金钢的制造方法,其特征在于,所述制造方法包括以下步骤 将连铸坯装入加热炉中加热,加热温度为1100-1250°C,加热时间为1-5小时; 轧制步骤,所述轧制步骤包括粗轧轧制和精轧轧制,其中,粗轧轧制5-9道次,粗轧的终轧温度为1000-1100°C,精轧轧制5-12道次,精轧的开轧温度为880_960°C、精轧的终轧温度为750-880°C,精轧总压缩比不小于3 ; 对轧制后的钢进行冷却,其中,冷却速度为不低于5°C /s,终冷温度为不高于500°C。
2.根据权利要求I所述的屈服強度900MPa级超高韧性低合金钢的制造方法,其特征在于,粗轧结束后奥氏体平均晶粒尺寸小于30微米,精轧结束后扁平奥氏体的厚度小于10微米。
3.根据权利要求I所述的屈服強度900MPa级超高韧性低合金钢的制造方法,其特征在于,所述制造方法还包括对轧制之后的钢进行回火处理,其中,回火温度为580-680°C,保温时间为25-60分钟。
4.根据权利要求I所述的屈服強度900MPa级超高韧性低合金钢的制造方法,其特征在于,所述钢的成分按重量百分比计为,C :0. 04 O. 08wt. %、Si 0. 10 O. 40wt. %、Mn :1. 50-2. 35wt. Cu :0-0. 40wt. Cr :0-0. 50wt. Ni :0-0. 50wt.Mo 0. 05-0. 40wt. %、Nb 0. 02-0. IOwt. %、V :0-0. 07wt. %、Ti 0. 005-0. 04wt. B 0.0005-0. 0030wt. %,A1 :0. 01-0. 06wt. %,P < 0. 015wt. %,S < 0. OlOwt. %,余为 Fe 和不可避免的杂质。
5.ー种屈服強度900MPa级超高韧性低合金钢,其特征在于,所述钢的成分按重量百分比计为,C 0. 04 O. 08wt. Si 0. 10 O. 40wt. %、Mn :1. 50-2. 35wt.Cu 0-0. 40wt. %、Cr :0-0. 50wt. %、Ni :0-0. 50wt. %、Mo :0. 05-0. 40wt. Nb -0. 02-0. IOwt. V 0-0. 07wt. Ti 0. 005-0. 04wt. B 0. 0005-0. 0030wt. Al -0.01-0. 06wt. %,P < 0. 015wt. %,S < 0. OlOwt. %,余为 Fe 和不可避免的杂质。
全文摘要
本发明公开了一种屈服强度900MPa级超高韧性低合金钢,所述钢的成分按照重量百分比计为C0.04~0.08wt.%、Si0.10~0.40wt.%、Mn1.50-2.35wt.%、Cu0-0.40wt.%、Cr0-0.50wt.%、Ni0-0.50wt.%、Mo0.05-0.40wt.%、Nb0.02-0.10wt.%、V0-0.07wt.%、Ti0.005-0.04wt.%、B0.0005-0.0030wt.%、Al0.01-0.06wt.%、P<0.015wt.%、S<0.010wt.%,余为Fe和不可避免的杂质。根据本发明的钢具有高强度的同时具有高韧性,从而能够满足生产实践的要求。
文档编号C22C38/16GK102699031SQ20121014757
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年5月14日
发明者周平, 夏志伟, 孙新军, 李昭东, 李艳, 杨建勋, 汤化胜, 董瀚, 雍岐龙, 麻衡 申请人:莱芜钢铁集团有限公司
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