专利名称：一种屈服强度1030MPa级钢板及其制造方法
技术领域：
本发明涉及ー种合金及其制造方法，尤其涉及一种钢板及其制造方法。
背景技术：
高强度钢板广泛应用于工程机械、矿山机械和港口机械的大型结构件。随着社会需求和科技进步，高强度钢板的強度不断増加，从而减轻设备的重量，实现节能降耗的目标。欧标10025-6 2004和国标GB/T16270-2009中规定了屈服强度960MPa级高强钢的カ 学性能和碳当量标准。欧标中规定的S960Q和S960QL，屈服强度> 960MPa，抗拉强度980 1150MPa，延伸率彡10%，其中S960Q满足-20°C纵向冲击功彡30J，S960QL满足_40°C纵向冲击功彡30J此外，S960Q和S960QL的碳当量满足CEV ^ 0. 82%，其计算公式为CEV = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15国标GB/T16270-2009 规定 Q960E 的屈服强度彡 960MPa，抗拉强度 980_1150MPa， 延伸率彡10%, -40°C纵向冲击功彡27J，碳当量满足CEV < 0. 82%。屈服強度1030MPa级高强度钢板作为屈服強度900/960MPa级钢板的替代产品，有广泛的应用前景。目前国内外标准尚未规定屈服強度1030MPa级高强度钢板的力学性能和
碳当量。高强韧钢板的制造技术主要是控轧控冷+回火(TMCP+T)和淬火+回火(Q+T)。采用控轧控冷エ艺(TMCP Thermo Mechanical Control Process)可通过控制奥氏体晶粒大小、奥氏体中缺陷密度、碳氮化物在缺陷处的析出和冷却过程中相变的类型等实现组织控制和性能控制的目的。淬火+回火エ艺是通过再加热奥氏体化控制奥氏体晶粒大小、碳氮化物溶解、回火后含有过饱和碳的铁素体中碳的扩散和碳氮化物析出等实现组织控制和性能控制。上述两种エ艺生产的钢板均需下线后进入热处理装置，进行淬火或回火处理。传统热处理装置的加热速率约0. I 0. 30C /s，回火时发生碳氮化物析出、位错密度减小和残余奥氏体分解过程。由于回火时间较长，碳氮化物析出的长大时间较长，因此回火后会形成较粗大的析出物，降低钢板的低温冲击性能。近期开发的在线热处理(HOP heat treatment online process)エ艺是钢板在控制轧制和控制冷却后直接进入感应加热炉进行回火热处理。电磁感应加热炉使钢板以2 200C /s的升温速率，很快升温至指定回火温度，保温一段时间后出炉。快速加热可使碳氮化物析出有较大的形核驱动力，同时保温时间较短，可形成细化的碳化物组织。残余奥氏体在快速加热过程中部分转变成铁素体，形成弥散分布的残余奥氏体组织。焊接性能是工程机械用高强度钢板的重要使用性能。碳当量是衡量钢板焊接性能的重要指标。碳当量越低，钢板的焊接性能越好。欧标10025-6和GB/T16270中规定的屈服强度960MPa级钢板，碳当量CEV均不大于0. 82%。公开号为CN101497971，
公开日为2009年8月5日，名称为“ー种高强度调质钢及其生产方法”的中国专利公开了ー种高强度调质钢及其生产方法，该专利所述钢板采用粗轧、精轧、控冷、淬火炉奥氏体化、淬火机水淬和回火炉回火生产ェ艺，生产的钢板屈服強度大于等于690MPa，抗拉强度大于等于770MPa。公开号为CN1786245,
公开日为2006年6月14日，名称为“高抗拉强度低碳贝氏体厚钢板及其生产方法”的中国专利公开了ー种高抗拉强度低碳贝氏体厚钢板及其生产方法，该专利所述钢板采用TMCP+RPC+Tエ艺可获得抗拉强度900MPa以上级别钢板。
发明内容
本发明的目的在于提供ー种屈服強度1030MPa级钢板，该钢板不仅具有较高的强度和韧性，还具有优良的焊接性能。此外，本发明的目的还在于提供该种屈服強度1030MPa 级钢板的制造方法。本发明成分体系的设计原则是在成分所涉及范围内，低C高Mn或高C低Mn，结合 Mo、Ni、Nb、B等成分,适当选择性添加Cr或者V,其中Mn元素含量通过其它元素的添加量确定。合金元素如Si、Cr、Mo和Ni等含量增加，则Mn含量做相应调整。水韧化系数是C、 Si、Mn、Mo、Cr、Ni和B元素对淬火后钢板强韧性影响的综合体现。合金元素含量前的常数项系数体现了在淬火热处理时，不同元素对钢板强韧性的影响程度。根据上述发明目的，本发明提供了ー种屈服強度1030MPa级钢板，其化学成分质量百分配比是C 0. 115 0. 165wt % ；Si :0. 10 0. 40wt % ；Mn :0. 80 2. OOwt % ；P く 0. 015wt % ；S ^ 0. 003wt %, Cr ^ 0. 70wt % ；Mo :0. 30 0. 80wt % ；Ni :0. 20 I. OOwt % ；Nb 0. 01 0. 06wt % ；V ^ 0. 03wt % ；Ti :0. 003 0. 04wt % ；A1 :0. 02 0. 07wt% ；B 0. 0006 0. 0020wt% ;余量为Fe和其他不可避免的杂质；该屈服強度1030MPa级钢板还应满足7. 01-30. 13C-7. 58Si_6. 38Mo_3. 93Cr-0. 63Ni ^ Mn ^42. 73-30. 62C-11. 25Si_18. 69Mo-10. 97Cr-8. 23Ni ；以及3. 83 ^ In (km) ^ 4. 97 ；式中，km为水韧化系数,其满足km = 33. 15C+8. 33Si+27. 99Mn+58. 62Mo+10. 52Cr+15. 41Ni+2512B。本发明中化学元素的添加原理如下C :C元素加入钢中，提高钢板的淬透性，形成强度较高的低温贝氏体或马氏体组织，从而提高钢板的強度。C含量较高，会导致钢板低温冲击性能下降，钢板在受到冲击作用时会发生沿晶解离断裂。为保证较高的強度和低温冲击韧性，本发明C含量控制在0. 115 0. 165wt%范围内。Si =Si含量増加会使钢板的焊接裂纹敏感性提高，即增加钢板在焊接后产生冷裂纹的趋势。Si固溶在钢中，提高钢板的強度。结合钢板強度性能和焊接性能，本发明中的 Si含量控制在0. 10 0. 40wt%范围内。Mn :钢中的Mn含量増加，会提高板坯产生纵向裂纹的倾向。C和Mn含量增加会导致板坯偏析严重，降低钢板内部质量，同时还会在控轧控冷过程中形成淬硬性较高的组织， 从而降低钢板的低温冲击功。C含量较高的情况下，为保证板坯质量和钢板力学性能，会采用较低的Mn含量；C含量较低，会采用较高的Mn含量以保证钢板的强韧性。结合本发明中的碳含量范围，本发明中加入0. 80 2. 00wt%的Mn元素，以形成细化的贝氏体组织，使钢具有良好的强韧性。Cr =Cr元素能够提高钢板的淬透性，形成强度较高的组织。回火过程中Cr元素会与钢中的C形成不同的碳化物，不利于低温冲击性能。结合本发明中其它合金元素含量，钢中Cr元素加入量不超过0. 70wt%，以保证钢板的强度和冲击功。Mo =Mo元素固溶在钢中，通过固溶强化提高钢板的强度。Mo元素会抑制扩散相变， 细化最终组织，通过细晶強化提高钢板的強度。Mo元素提高钢板的回火抗力，扩展回火平台，从而使钢板在较宽的温度范围内回火获得优异的性能。Mo含量増加会提高钢板的制造成本，因此本发明中加入0. 30 0. 80wt%的Mo元素，以保证钢板的力学性能和适当的制造成本。Nb =Nb元素加入钢中，提高钢板再结晶温度，结合两阶段控轧エ艺细化奥氏体晶粒。在线热处理回火过程中Nb元素会形成碳氮化物，从而提高钢板的低温冲击韧性。Nb含量较高会导致钢板在回火过程中形成粗大的碳氮化物析出，从而恶化低温冲击韧性。因此， 本发明中加入0. 01 0. 06wt%的Nb元素，以获得良好的力学性能。Ni =Ni元素加入钢中，会降低层错能，提高钢板的低温冲击韧性。Ni元素在钢中会和Fe、Mn形成面心立方的结构。Ni含量増加，钢板的低温冲击功虽然会増加，但钢板的制造成本也会提高。因此，本发明中加入0. 20 I. 00wt%的Ni元素，以保证钢板的力学性能并具有市场竞争力。V V元素在钢中形成VC析出，从而在回火过程中提高钢板的的强度性能。V含量过高，会形成粗大的析出物，从而降低钢板的冲击功。结合其它合金元素如Mn、Mo、Cr的含量，本发明中将V含量控制在< 0. 03wt%，以保证钢板在回火后有较高的屈服強度。B :B元素添加钢中，能够提高钢板的淬透性。加速冷却后，钢板会形成细化的微观组织，从而提高钢板的力学性能。B含量提高会降低钢板的低温冲击功。因此，本发明中B 元素的加入量为0. 0006 0. 0020wt%oAl A1元素作为脱氧剂加入钢中，Al的氧化物和氮化物会实现细化奥氏体晶粒的作用，但Al含量过高则会形成粗大的夹杂物，降低钢板的疲劳性能、低温冲击韧性及探伤性能。因此，本发明中加入0. 02 0. 07wt%的Al细化晶粒，以提高钢板的韧性并保证其焊接性能。Ti :Ti在钢中与N结合，在高温时形成TiN，控制Ti的含量则可利用TiN析出抑制奥氏体晶粒长大，同时避免TiN颗粒粗大影响钢板的力学性能。本发明中的Ti含量控制在
0.003 0. 04wt%o本发明成分体系的设计原则是在成分所涉及范围内，低C高Mn或高C低Mn，结合 Mo、Ni、Nb、B等成分,适当选择性添加Cr或者V,其中Mn元素含量通过其它元素的添加量确定。合金元素如Si、Cr、Mo和Ni等含量增加，则Mn含量做相应调整。水韧化系数是C、 Si、Mn、Mo、Cr、Ni和B元素对淬火后钢板强韧性影响的综合体现。合金元素含量前的常数项系数体现了在淬火热处理时，不同元素对钢板强韧性的影响程度。另外，为了实现本发明的目的，本发明还提供ー种屈服強度1030MPa级钢板的制造方法，其包括下列步骤(I)冶炼；
(2)浇铸；(3)加热钢坯加热至中心温度达到1050 1250°C ；(4)轧制a)第一阶段在高于再结晶温度下对钢坯进行轧制，轧制完成后，将钢坯置放于棍道上待温；b)第二阶段当钢坯待温至800 860°C吋，开始第二阶段轧制，其终轧温度为 780 840°C ；钢板在加热奥氏体化后采用两阶段轧制，第一阶段轧制在再结晶区变形，轧制后中间坯待温到800 860°C，开始进行第二阶段轧制。第二阶段轧制在钢板的再结晶温度以下，终轧温度为780 840°C。第二阶段轧制变形在奥氏体内充分提供了缺陷的累积，从而为冷却过程形成细化组织提供了有利的原始组织。(5)冷却以15 45°C /s的速度将钢板冷却至く 300°C ；钢板在控制轧制后进入冷却装置，冷却速度为15 45°C /s，停冷温度为< 300°C。 在冷却过程中，会形成过冷奥氏体。由于冷却速度较快，奥氏体的过冷度较大，贝氏体或马氏体相具有较大的形核驱动力。冷却速度快使钢板快速进入低温区域，C原子和合金元素原子扩散系数降低，因此钢板形成细小的贝氏体或贝氏体+马氏体组织。(6)在线回火热处理以3 15°C/s的速度将钢板升温至回火温度200 580°C， 保温5 120s后，空冷。钢板冷却后进入在线感应加热的热处理回火炉，升温速度3 15°C /S，升温至回火温度200 580°C，保温5 120s，回火后空冷。常规回火炉的升温速率为0. I 0. 3°C / s，本发明钢板的升温速率为3 15°C /S。在线回火エ艺，可形成细小的碳氮化物和弥散分布的马奥组元，提高钢板的力学性能。在线热处理工艺使钢板在轧制、冷却后直接进行回火，缩短了エ艺流程和交货周期，从而降低钢板的生产成本。结合本发明钢种成分与制造エ艺来看，钢坯在1050 1250°C奥氏体化，钢板的中 Ti和Al的氮化物会阻碍奥氏体晶界长大，Nb和V的碳氮化物部分溶解。在本发明所述温度范围内加热即可获得大小适当的奥氏体晶粒，避免奥氏体晶粒粗大，也可使Nb和V部分固溶于钢中，避免温度过低碳氮化物溶解不充分。第二阶段轧制开始温度为800 860°C，终轧温度为780 840°C，在此温度区间进行第二阶段轧制可在奥氏体中累积位错，避免因轧制温度过高降低钢板低温冲击功和轧制温度过低形成铁素体降低钢板强度。钢板以15 450C /s的速度冷却至< 300°C，会形成贝氏体板条或贝氏体+马氏体和沿板条界面分布的马奥组元，此类组织具有高强韧性等特点。本发明所述钢板停冷后需进入在线回火热处理， 升温速率为3 15°C /s，升温至回火温度200 580°C，保温5 120s，回火后空冷。较快的升温速率和较短的保温时间，可形成细小的碳化物析出和均匀分布的残余奥氏体，从而提高钢板的力学性能。本发明采用优化的成分设计和エ艺体系，可生产碳当量CEV ^ 0. 60%的屈服強度 1030MPa级高强韧钢板。碳当量是影响焊接的重要參数。通常认为碳当量>0.60%的钢板的焊接性能差，难以实现采用焊接エ艺连接结构件。碳当量<0. 60%的钢板，可以通过焊接手段连接。碳当量越低，焊接越容易。欧标10025-6 :2004和国标GB/T16270 :2009限定屈服强度960MPa钢板的碳当量CEV为彡0. 82 %，而本发明的屈服强度为1030MPa，且碳当量CEV ( 0. 60%，不仅屈服強度高于标准，碳当量CEV也远低于标准。优选地，在上述屈服强度1030MPa级钢板的制造方法中，空冷采用冷床冷却。采用本发明所述的技术方案具有以下优点(I)本发明所述的屈服强度1030MPa级钢板的屈服强度彡1030MPa，抗拉强度彡11001^，夏氏冲击功ム1 (-40で)彡60J，碳当量CEV彡0.60%，具有优良的焊接性能；(2)本发明所述的屈服強度1030MPa级钢板的制造方法采用控制轧制、控制冷却和在线回火热处理工艺，エ艺流程短，从而节约了钢板生产的成本；(3)由于本发明所述的屈服強度1030MPa级钢板的成分与エ艺设计合理，从实施效果来看，エ艺制度比较宽松，可以在配备有感应加热炉的中、厚钢板产线上稳定生产。
图I为本发明所述的屈服強度1030MPa级钢板在一种实施方式下的光学显微镜照片。图2为本发明所述的屈服強度1030MPa级钢板在一种实施方式下的透射电镜照片。
具体实施例方式实施例1-6制造本发明所述的屈服強度1030MPa级钢板的具体步骤如下(本案实施例1_6中各钢种化学成分见表I)(I)冶炼采用真空感应炉、转炉或电炉冶炼，冶炼后通过精炼和脱气处理。需要注意的是，冶炼包括但不仅限于上述冶炼方法及处理工序，本案实施例采用真空感应炉冶炼，化学光谱法测定最终成分；(2)浇铸采用立式连铸、立弯式连铸、弧形连铸、模铸、定向凝固或电渣重熔等方式。需要注意的是，浇铸包括但不仅限于上述浇铸方式，本案实施例采用模铸方式浇铸在耐材钢锭模中，浇铸过热度为25±20°C ；(3)加热钢坯加热温度为1050 1250°C ；(4)轧制a)第一阶段在高于再结晶温度下对钢坯进行轧制，轧制完成后，将钢坯置放于棍道上待温；b)第二阶段当钢坯待温至800 860°C吋，开始第二阶段轧制，其终轧温度为 780 840°C ；(5)冷却以15 45°C /s的速度将钢板冷却至彡300°C ；(6)在线回火热处理以3 15°C/s的速度将钢板升温至回火温度200 580°C， 保温5 120s后，冷床冷却。表I.(余量为Fe和其他不可避免的杂质，Wt % )
权利要求
1.ー种屈服強度1030MPa级钢板，其特征在于，化学成分质量百分配比是C :0. 115 0. 165wt% ；Si 0. 10 0. 40wt% ；Mn :0. 80 2. OOwt% ；P .く 0. 015wt% ； S .く 0. 003wt%,Cr .く 0. 70wt% ；Mo :0. 30 0. 80wt%；Ni :0. 20 I. OOwt% ；Nb :0. 01 0. 06wt % ；V ^ 0. 03wt % ；Ti :0. 003 0. 04wt % ；A1 :0. 02 0. 07wt % ；B :0. 0006 0. 0020wt% ;余量为Fe和其他不可避免的杂质；所述屈服強度1030MPa级钢板还应满足7.01-30.13C-7. 58Si-6. 38Mo_3. 93Cr-0. 63Ni ^ Mn ^42.73-30. 62C-11. 25Si_18. 69Mo_10. 97Cr-8. 23Ni ；以及 3. 83 く In (km) ^ 4. 97 ；式中，km为水韧化系数,其满足km = 33. 15C+8. 33Si+27. 99Mn+58. 62Mo+10. 52Cr+15. 41Ni+2512B。
2.如权利要求I所述的屈服強度1030MPa级钢板的制造方法，其特征在于，包括下列步骤(1)冶炼；(2)浇铸；(3)加热:钢坯加热至中心温度达至IJ1050 12500C ；(4)轧制a)第一阶段在高于再结晶温度下对钢坯进行轧制，轧制完成后，将钢坯置放于辊道上待温；b)第二阶段当钢坯待温至800 860°C时，开始第二阶段轧制，其终轧温度为780 840 0C ；(5)冷却以15 45°C/s的速度将钢板冷却至彡3000C ；(6)在线回火热处理以3 15°C/s的速度将钢板升温至回火温度200 580°C，保温5 120s后，空冷。
3.如权利要求2所述的屈服強度1030MPa级钢板的制造方法，其特征在于，所述空冷采用冷床冷却。
全文摘要
本发明公开了一种屈服强度1030MPa级钢板，其化学成分质量百分配比是C0.115～0.165wt％；Si0.10～0.40wt％；Mn0.80～2.00wt％；P≤0.015wt％；S≤0.003wt％、Cr≤0.70wt％；Mo0.30～0.80wt％；Ni0.20～1.00wt％；Nb0.01～0.06wt％；V≤0.03wt％；Ti0.003～0.04wt％；Al0.02～0.07wt％；B0.0006～0.0020wt％；余量为Fe和其他不可避免的杂质；该屈服强度1030MPa级钢板还应满足7.01-30.13C-7.58Si-6.38Mo-3.93Cr-0.63Ni≤Mn≤42.73-30.62C-11.25Si-18.69Mo-10.97Cr-8.23Ni；以及3.83≤ln(km)≤4.97。该钢板的屈服强度≥1030MPa，抗拉强度≥1100MPa，夏氏冲击功Akv(-40℃)≥60J，碳当量CEV≤0.60％，具有优良的焊接性能。
文档编号C22C33/04GK102605252SQ20121009150
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者姚连登, 张庆峰, 焦四海, 赵四新 申请人:宝山钢铁股份有限公司