一种屈服强度大于1300MPa的超高强度结构钢板及其制备方法

一种屈服强度大于1300MPa的超高强度结构钢板及其制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种屈服强度大于1300MPa的超高强度结构钢板，所述钢板的成分包括按质量百分比计的以下组分：C：0.18?0.23％、Si：0.05?0.25％、Mn：0.60?1.00％、P≤0.013％、S≤0.003％、Nb：0.010?0.060％、V：0.010?0.060％、Mo：0.20?0.70％、B：0.0008?0.0025％，Ti：0.000?0.015％、Cr：0.00?0.70％、Ni：0.51?2.00％。本发明还提供了所述钢材制备的钢板，所述钢板中马氏体的含量大于90％，优选地，所述钢板的屈服强度大于1300MPa，抗拉强度大于1500MPa，延伸率大于10.0％，?40℃冲击功大于40J。本发明还提供了所述钢板的制备工艺。本发明的钢板具有高强度、高韧塑性、良好的成型性和焊接性等特点，适用于大型起重机吊臂、混凝土泵车臂架、港口龙门吊、军用坦克等装备关键结构件制造。
【技术领域】
[0001]本发明涉及超高强钢领域，具体而言，涉及一种屈服强度大于1300MPa的超高强度 结构钢板及其制备方法。 一种屈服强度大于1300MPa的超高强度结构钢板及其制备 方法
【背景技术】
[0002] 超高强度结构用钢板被广泛工程机械、港口机械、矿山机械和军工产品等装备的 制造，如超大型起重机、混凝土输送栗车、军用坦克等关键装备零部件，该类钢板不但要求 具有极高的强度，还要求良好的韧塑性、焊接性能和抗疲劳性能。
[0003] 随着我国机械制造工业的飞速发展，工程结构日益向大型化、轻量化和长寿化，高 强度结构钢应用越来越广泛，受到了科技界和工程界的高度重视，对钢材的强度及高强度 条件下的韧性要求越来越高。由于该类钢材的强度极高，韧塑性尤其难以保证；同时，该类 钢板制造的结构件大部分以焊接的方式连接，且需要承受复杂多变的周期载荷，因此该类 钢材还要求具良好的焊接性能、较高疲劳极限和一定的冷成形性。机械制造工业为了提高 效率，减轻自重，减少能耗的需要，屈服强度1000 MPa的高强度钢板已不能满足需求，研制与 开发屈服强度1300MPa高级别的结构用钢板对于相关装备的减重及提高使用寿命、降低原 材料消耗等均具有重要意义。
[0004] 目前，已有不少关于高强度钢的专利报道，但大部分均是作为非结构件使用，无需 同时保证超高的强硬度、良好的韧塑性和优异的焊接性能。作为结构件使用时，已有专利的 屈服强度均在IlOOMPa级及以下级别。
[0005] 鉴于此，特提出本发明。

【发明内容】

[0006] 本发明的第一目的在于提供一种钢材，所述钢材的成分中合金元素 Mn、Cr、Ni、Mo 的加入量严格控制，可以在保证超高强度和良好韧塑性的同时，满足良好焊接性能的要求。
[0007] 本发明的第二目的在于提供使用所述钢材制备的钢板，所述钢板的屈服强度高， 同时具有良好的人塑性和优异的焊接性能，可以作为结构件使用。
[0008] 本发明的第三目的在于提供所述钢板的制备工艺，所述工艺采用特殊的工序，严 格控制条件，可以将刚才加工制成超高强度的结构用钢板。
[0009] 为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
[0010] 本发明的一个方面涉及一种钢材，所述钢的成分包括按重量百分比计的以下组 分：C:0.18-0.23%、Si :0.05-0.25%、Μη:0· 60-1.00%、P彡0.013%、S彡0.003%、Nb: 0.010-0.060%、V:0.010-0.060%、Mo 0.20-0.70%、B:0.0008-0.0025%，Ti :0·000-0.015%、Cr:0.00-0.70%、Ni:0.51-2.00%。
[0011] 本发明的主要化学成分的选择和控制理由如下：
[0012] 碳:钢板获得高的强度和硬度的关键元素。对于要获得组织为90%及以上马氏体 组织的钢板而言，碳是最重要的元素，碳元素可以显著提高钢板的淬透性。但由于碳元素的 增加，会降低钢板的塑性和焊接性能。本发明通过控制碳元素含量为0.18-0.23%，既保证 获得超高的强度，又使得钢板具备良好的韧塑性和焊接性能。
[0013]硅:钢中加入硅元素能够提高钢质纯净度和脱氧。硅在钢中起固溶强化作用，其在 奥氏体中的溶解度$父大，提尚娃含量有利于提尚钢的强度和硬度，且能提尚奥氏体的稳定 性。但硅元素含量过高会导致钢的韧性下降，且高硅含量的钢板加热时的氧化皮粘度较大， 出炉后除鳞困难，导致乳后钢板表面红色氧化皮严重、表面质量较差。综合考虑硅元素各方 面的影响，本发明硅元素的含量为〇. 05-0.25%。
[0014]锰:锰元素能够扩到奥氏体区，稳定奥氏体组织，其能力仅次于合金元素镍，是廉 价的稳定奥氏体和强化合金元素，同时锰元素能够增加钢的淬透性，降低马氏体形成的临 界冷速。然而，当锰元素添加量过多时，极易与钢中的硫元素相结合形成硫化锰夹杂，从而 降低了材料的韧塑性，尤其是降低了抗疲劳性能。本发明中锰元素的含量应控制在0.60-1.00%。锰在钢中还和铝一起共同起到脱氧的作用。
[0015] 硫和磷:硫在钢中与锰等化合形成塑性夹杂物硫化锰，尤其对钢的抗疲劳性能及 横向塑性和韧性不利，因此硫的含量应尽可能地低。磷也是钢中的有害元素，严重损害钢板 的塑性和韧性。对于本发明而言，硫和磷均是不可避免的杂质元素，应该越低越好，考虑到 钢厂实际的炼钢水平，本发明要求PS0.0 13%、SS0.00 3%。
[0016] 镍:稳定奥氏体的元素，对提高强度没有明显的作用。在调质钢中加入镍元素能够 大幅提高钢的韧性尤其是低温韧性，但由于镍属于贵重合金元素，所以本发明可添加不超 过2.00 %的镍元素。
[0017] 钼:钼元素能显著地细化晶粒，提高强度和韧性。钼元素能减少钢的回火脆性，同 时回火时还能析出非常细小的碳化物，显著强化钢的基体。由于钼元素是非常昂贵的战略 合金元素，所以本发明中可添加不超过〇. 70 %的钼。
[0018] 硼:淬透性元素，对提高钢板淬透性尤其是厚规格钢板的淬透性有着重要作用。钢 中添加少量的硼元素即可起到较大的增加钢板的淬透性，且硼元素资源富有，价格便宜，添 加少量的硼可以显著的节省锰、镍、铬、钼等贵重的合金元素添加，但过多的硼元素会增加 晶界的偏聚，从而降低钢铁材料的韧塑性。在本发明中，硼元素的含量为 ：〇.〇〇〇8_ 0.0025%，既可以保证良好的淬透性，还可以避免在晶界周围偏聚影响韧塑性能。
[0019] 优选地，所述钢板的成分包括按重量百分比计的以下组分：C:0.19-0.22%、Si: 0.10-0.20% ^Mn :0.60-0.90% . 010% ^ S^O . 002% ^Nb ： 0.010-0.060% ^ V： 0.010- 0.060% ^Mo 0.20-0.70% ^B：0.0008-0.0025% ,Ti :0.000-0.015% ^Cr：0.00-0.45% ^Ni ： 0.70-1.40% 〇
[0020] 本发明的另一个方面涉及使用所述钢材制备的钢板，所述钢板中马氏体的含量大 于90%，优选地，所述钢板的屈服强度大于1300MPa，抗拉强度大于1500MPa，延伸率大于 10.0%，-40°C冲击功彡40J。
[0021] 本发明的钢材制造的钢板，在具有超高屈服强度的同时具有良好的韧塑性和焊接 性能，优选地，所述钢板的屈服强度大于1380MPa
[0022] 本发明的另一个方面涉及所述钢板的制备工艺，所述工艺包括以下工序：
[0023] 1)按元素比例取原料进行洁净钢冶炼，对钢水进行连铸或模铸得到钢还或钢锭；
[0024] 2)加热，热乳；
[0025] 3)冷却并进行热处理；
[0026]其中，所述步骤2)中的乳制为在奥氏体再结晶区和未再结晶区分别进行的两阶段 乳制。
[0027]本发明的工艺条件明确、便于重现，在冶炼步骤中优选采用转炉吹炼和真空处理， 其目的在于确保钢液的基本成分要求，去除钢中的氧、氮、氢等有害气体。
[0028] 优选地，所述加热温度为1150_1230°C。
[0029] 优选地，所述乳制的乳制道次大于三次，在所述奥氏体再结晶区的终乳温度为 1000-1100°C，在所述奥氏体未再结晶区的乳制的终乳温度为800-950°C。
[0030] 优选地，所述乳制在900°C以下的累积压下率大于60%。
[0031]优选地，所述步骤3)中的冷却为控制冷却，冷却速度要求为多8 °C/s，终冷温度< IOOcC0
[0032] 优选地，所述热处理为回火处理，回火温度为100_300°C。
[0033] 优选地，所述冷却为空冷，冷却至室温后进行热处理，优选地，所述热处理是离线 热处理，其中，所述离线热处理的淬火温度为810-950°C，回火温度为100-300°C。
[0034] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0035] 1.本发明得到的超高强度结构用钢板屈服强度大于1300MPa，延伸率大于 10.0%，-40°C冲击功大于40J，180°冷弯不开裂，具有超高的屈服强度和抗拉强度的同时， 还具有优异韧塑性和成型性。
[0036] 2.本发明中严格控制合金元素 Mn、Cr、Ni、Mo的加入量，在保证超高强度和良好韧 塑性的同时，满足了良好焊接性能的要求，并降低了生产成本。
[0037] 3.本发明在工艺上采用控制冷却或离线热处理的方式生产，其中控冷或离线淬火 时只需较小的冷速即可得到本发明需要的组织。
[0038] 4.本发明得到的组织主要为马氏体组织，主要通过细化的板条马氏体组织的高硬 度和良好的韧性来提高强度和保证良好的韧塑性。
[0039]本发明具有以上显著的优点，因此更适合工程机械、港口机械、矿山机械和军工产 品等装备的制造，替代低级别的产品可以增加装备使用寿命、降低装备重量。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细阐述，但是本领域技术人员将 会理解，下列实施例仅用于说明发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体 条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用仪器或设备未注明生产商者，均为常 规钢厂所拥有或可以通过市集购买获得的常规产品。
[0041] -种本发明所述的适用于屈服强度大于1300MPa的超高强度结构钢及其制造方 法，连铸坯选择的厚度为150~400mm。
[0042] 按本发明钢种的化学成分要求，并结合所述的制造工艺，以制造不同规格的超高 强度钢板。具体的成分如下：
[0043]表1本发明各实施例的化学成分(wt%)
L〇〇45」所治烁的钢坯按所还的万法，米用控乳控冷或控乳空冷+离线热处理的万法进仃 超尚强度钢板的生广，具体实施如下：
[0046] 实施例1
[0047]将按表1配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度200mm，将 钢坯加热至1210 °C的炉温，保温180min后出炉进行奥氏体再结晶乳制和未再结晶区乳制， 其中再结晶区终乳温度为l〇〇〇°C，未再结晶区终乳温度为820°C，钢板的最终乳制厚度为 16mm。乳后以约8°C/s的冷速冷却至室温，然后进行回火处理，回火温度为280°C。
[0048] 实施例2
[0049] 将按表1配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度220mm，将 钢坯加热至1200 °C的炉温，保温200min后出炉进行奥氏体再结晶乳制和未再结晶区乳制， 其中再结晶区终乳温度为IlOOcC，未再结晶区终乳温度为800°C，钢板的最终乳制厚度为 12mm。乳后以约25°C/s的冷速冷却至室温，然后进行回火处理，回火温度为220°C。
[0050] 实施例3
[0051]将按表1配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度150mm，将 钢坯加热至1180 °C的炉温，保温180min后出炉进行奥氏体再结晶乳制和未再结晶区乳制， 其中再结晶区终乳温度为IOHTC，未再结晶区终乳温度为950°C，钢板的最终乳制厚度为 8mm。乳后空冷至室温，然后进行离线热处理，其中，淬火温度为810°C，回火处理的回火温度 为IOO cC 〇 [0052] 实施例4
[0053]将按表1配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度150mm，将 钢坯加热至1150Γ的炉温，保温170min后出炉进行奥氏体再结晶乳制和未再结晶区乳制， 其中再结晶区终乳温度为1020°C，未再结晶区终乳温度为810°C，钢板的最终乳制厚度为 l〇mm，乳后空冷至室温，然后进行离线淬火处理，离线热处理时淬火温度为940°C，回火温度 为230。。。
[0054] 实施例5
[0055] 将按表1配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度150mm，将 钢坯加热至1230 °C的炉温，保温180min后出炉进行奥氏体再结晶乳制和未再结晶区乳制， 其中再结晶区终乳温度为l〇〇〇°C，未再结晶区终乳温度为808°C，钢板的最终乳制厚度为 7mm，乳后空冷至室温，然后进行离线淬火处理，离线热处理时淬火温度为860°C，回火温度 为 210。。。
[0056]对实施例中的钢板的力学性能进行测试，其中强度按照GB/T228-2002金属材料室 温拉伸试验方法进行，低温冲击韧性按GB/T 229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法测 定，硬度按照GB/T231.1-2009方法测定，得到的结果见表2所示。
[0057]表2本发明钢板的力学性能
[0060] 由上表可以看出，本发明的得到的超高强度钢的力学性能为：屈服强度大于 1300MPa，抗拉强度大于1500MPa，延伸率大于10.0 %，-40 °C冲击功大于40J。
[0061] 可见本发明涉及的超高强度钢具有良好的力学性能和优异的成型性能。
[0062] 尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的 精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中 包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。
【主权项】
1. 一种屈服强度大于1300MPa级超高强度结构钢板及其制造方法，其特征在于，所述钢 板的成分包括按质量百分比计的以下组分< :0.18-0.23%、3丨：0.05-0.25%、]?11:0.60-1.00%、P彡0.013%、S彡0.003%、Nb:0.010-0.060%、V:0.010-0.060%、Mo:0.20-0.70%、 Β:0·0008-0·0025%，Ti :0·000-0.015%、Cr :0·00-0· 70%、Ni :0.51-2.00%。2. 根据权利要求1所述的钢材，其特征在于，所述钢材的成分包括按重量百分比计的以 下组分：C:0.19-0.22%、Si :0.10-0.20%、Mn:0.60-0.90% K0.010%、S彡0.002%、Nb: 0.010-0.060% ^V： 0.010-0.060% ^M〇0.20-0.70% :0.0008-0.0025% ,Ti ：0.000- 0.015%、Cr:0.00-0.45%、Ni:0.70-1.40%。3. 使用权利要求1或2所述的钢材制备的钢板，其特征在于，所述钢板中马氏体组织的 含量大于90 %，优选地，所述钢板的屈服强度大于1300MPa，抗拉强度大于1500MPa，延伸率 大于10.0%，-40°C冲击功彡40J 〇4. 权利要求3中所述的钢板的制备工艺，其特征在于，所述工艺包括以下工序： 1) 按元素比例取原料进行洁净钢冶炼，对钢水进行连铸或模铸得到钢还或钢锭； 2) 加热，热乳； 3) 冷却并进行热处理； 其中，所述步骤2)中的乳制为在奥氏体再结晶区和未再结晶区分别进行的两阶段乳 制。5. 根据权利要求4所述的工艺，其特征在于，所述加热温度为1150-1230°C。6. 根据权利要求4所述的工艺，其特征在于，所述乳制的乳制道次大于三道次，在所述 奥氏体再结晶区的终乳温度为1000-1100°C，在所述奥氏体未再结晶区的乳制的终乳温度 为800-950 Γ。7. 根据权利要求4所述的工艺，其特征在于，所述乳制在900°C以下的累积压下率大于 60% 〇8. 根据权利要求4所述的工艺，其特征在于，所述步骤3)中的冷却为控制冷却，冷却速 度要求彡8 °C /s，终冷温度< 100 °C。9. 根据权利要求8所述的工艺，其特征在于，所述热处理为回火处理，回火温度为100-300。。。10. 根据权利要求4所述的工艺，其特征在于，所述冷却为空冷，冷却至室温后进行热处 理，优选地，所述热处理是离线热处理，其中，所述离线热处理的淬火温度为810-950°C，回 火温度为100-300 °C。
【文档编号】C22C38/14GK106086657SQ201610711541
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月24日
【发明人】邓想涛, 王昭东, 温长飞, 付天亮, 王国栋, 刘丽华, 闫强军, 陈林恒, 姜在伟
【申请人】东北大学, 南京钢铁股份有限公司