一种屈服强度1300MPa级的低碳超高强钢及其制备方法与流程

本发明属于钢铁材料领域，涉及一种具有优异强韧性和焊接性的超高强钢，具体涉及一种屈服强度1300mpa级的低碳超高强钢及其制备方法。

背景技术：

屈服强度为1300mpa级的超高强钢具有极高的强度，可用于制造大型起重机吊臂、舰艇或武装装甲防爆部件、飞机起落架辅助结构等。目前，屈服强度1300mpa及以上级别超高强钢主要依赖于碳元素和合金化来获得高的强度，所以在化学成分选择与设定上，需要含有一定含量的碳元素、多种微合金元素和硼、铬、钼、镍等合金元素。公开号为cn106086657a和cn104532156a的专利均公开了屈服强度大于1300mpa的超高强钢，其碳含量分别达到0.18～0.23％和0.21～0.26％，因为碳具有极强的固溶强化作用，是获得超高强度的关键元素。屈服强度达1300mpa的超高强钢主要应用于焊接结构件，在应用过程中往往需要经过大量的焊接工序后才能投入使用，所以焊接性是该类钢材可否大面推广应用的关键特性。随着碳含量的增加，超高强钢的焊接裂纹敏感性增加，焊接冷裂纹倾向大，因此焊接过程中需要严格控制预热温度和焊接工艺参数，这将导致建造周期延长、制造成本增加。

在超高强钢的制备工艺上，现有技术一般是将铸坯或锻坯热轧后先冷却至低温，然后重新加热至完全奥氏体化温度(ac3)以上的温度进行淬火，以便获得马氏体组织，从而使钢材具有超高的强度，最后再重新加热进行回火热处理。例如，上述两个专利公开的制备方法分别要求将钢板重新加热至810～950℃和ac3+(30～80)℃再淬火，最后再进行回火处理。同时，为了提高淬透性，使淬火过程中容易形成马氏体组织，还添加了一定含量的高淬透性元素硼。上述两个专利公开的屈服强度1300mpa的超高强钢，其化学成分中分别含有0.0008-0.0025％和0.0005～0.0030％的硼元素。一方面，在超高强钢的制备过程中采用离线淬火+回火的工艺方法，工艺环节相对较多，导致能耗增加、生产周期延长；另一方面，添加硼元素的超高强钢硼含量允许的波动范围窄，这就对冶炼提出较高要求，冶炼过程中当硼含量偏低时起不到提高淬透性的作用，但硼含量偏高时又非常容易导致硼在晶界偏析，降低钢材的塑性和韧性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，鉴于屈服强度1300mpa级超高强钢存在的这些问题，提供一种屈服强度大于1300mpa的低碳超高强钢及其制备方法，目的在于提供一种屈服强度1300mpa级的低碳、无硼超高强钢，涉及的超高强钢兼具超高的强度、优异的塑性、高的低温韧性和优异的焊接性特征；同时提供一种无需离线淬火且适合工业化批量生产的低碳超高强钢的制备方法。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种屈服强度1300mpa级的低碳超高强钢及其制备方法，化学成份按重量百分比为：0.05～0.09％c、0.15～0.35％si、0.6～1.2％mn、0.04～0.10％nb、1.5～2.5％cu、0.4～0.8％mo、0.4～0.8％cr、0.5～0.8％al、2.5～4％ni，余量为fe及不可避免的杂质并采用如下步骤进行制备：

步骤1，冶炼

按照化学成分：0.05～0.09％c、0.15～0.35％si、0.6～1.2％mn、0.04～0.10％nb、1.5～2.5％cu、0.4～0.8％mo、0.4～0.8％cr、0.5～0.8％al，0.00～0.025％、2.5～4％ni，余量为fe及不可避免的杂质进行冶炼，获得铸坯

步骤2，热轧

将步骤1得到的铸坯置于1150～1220℃进行保温，然后进行热轧；热轧采用两阶段轧制工艺，第一阶段轧制温度1150～1000℃，压下率≥45％，第二阶段轧制温度920～750℃，压下率≥60％，最终轧至10～30mm；热轧后的高温钢板直接在线用水冷却至100—450℃，冷却速率控制在20～65℃/s的范围内

步骤3，回火热处理

将步骤2热轧后的钢板置于450～600℃保温进行回火热处理，随后空冷至室温20—25摄氏度。

在上述技术方案中，上述超高强钢的化学成分构成特征在于无需添加贵重的硼元素和钨元素，而且无需添加微合金元素钒；化学成份按重量百分比为：0.06～0.08％c、0.2～0.3％si、0.8～1％mn、0.06～0.08％nb、1.8～2.5％cu、0.4～0.8％mo、0.4～0.6％cr、0.5～0.8％al、2.5～3.5％ni，余量为fe及不可避免的杂质。

在上述技术方案中，低碳超高强钢微观组织以贝氏体为主，且在贝氏体基体中存在大量纳米尺寸的析出强化相，大小10nm以下，如5—10nm。

在上述技术方案中，上述超高强钢屈服强度rp0.2≥1300mpa，可达1317—1370mpa；抗拉强度rm≥1350mpa，可达1371—1410mpa；断后延伸率≥15％，可达18—20％，具有优异的强塑性匹配，而且－40℃冲击功≥45j，可达47—65j；－60℃冲击功≥27j，可达28—47j，具有优异的低温韧性测试。

在上述技术方案中，进行回火热处理时，回火热处理时间为1—5小时；回火热处理温度为500—560摄氏度，时间为1—2小时。回火热处理过程的作用在于使钢材内析出大量的纳米强化相，大幅提高强度。

在上述技术方案中，将步骤1得到的铸坯置于1150～1220℃进行保温，保温时间为1—3小时，优选地，保温温度为1180—1200摄氏度，保温时间为1—2小时。

在上述技术方案中，第一阶段轧制温度为1050—1100摄氏度，第二阶段轧制温度为800—900摄氏度。

在上述技术方案中，在线用水冷却至200—400℃，冷却速率控制在20～50℃/s。

本发明的超高强钢化学成分构成的选择与含量设定基于以下几点：

1)碳：超高强钢重要的强化元素，可以显著提高钢材的淬透性。但是，高的碳含量使钢材的焊接性恶化，不利于后续的使用，而且高碳含量还会使钢材容易产生大量脆化的马氏体组织，损害塑性和韧性。本发明中，为了提高超高强钢焊接性、塑性和韧性，且保证具有超高的强度，碳含量设定在0.05～0.09％的范围内。

2)硅：钢材的强化元素，但同时也会降低钢材表面质量。因此，本发明中将硅限定在0.15～0.35％的范围内。

3)锰：稳定奥氏体化元素，可提高钢材的淬透性，并起到固溶强化和晶粒细化的作用。本分发明中锰含量为0.6～1.2％。

4)铌：具有细化晶粒的作用，作为强碳化物形成元素，可与碳结合形成碳化铌析出强化相，有效提高强度。本发明中铌含量为0.04～0.10％。

5)铜：奥氏体稳定化元素，当含量达到一定值时可通过回火热处理工艺形成纳米强化相，使钢材在低碳含量下仍然具有超高的强度。本发明中为了满足屈服强度大于1300mpa的要求，铜含量设定为1.5～2.5％。

6)铬和钼：淬透性元素，可提高钢材的强度和硬度，防止回火脆性，但是含量过高也可导致相变温度过低，形成大量硬而脆的马氏体组织，降低韧性和塑性。本发明中铬和钼的含量均为0.4～0.8％。

7)铝：在冶炼过程中可作为脱氧剂，在钢中还起到细化晶粒、固定氮元素的作用，可显著提高韧性。在本发明中，铝和铜配合使用，可起到显著的强化作用，铝和钼、铜、硅、铬配合使用还能提高抗腐蚀性能，其含量设定为0.5～0.8％。

8)镍：强的淬透性元素，一方面提高钢材强度，另一方面改善低温韧性，对于含铜元素的超高强钢，镍的添加可避免回火脆性。本发明中镍的含量要求ni/cu≥1，以2.5～4％为佳。

与现有的技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明的超高强钢屈服强度大于1300mpa，断后延伸率大于15％，－40℃冲击功大于45j，－60℃冲击功大于27j，兼具超高的强度和优异的塑性，而且低温冲击韧性优异，韧性满足f级(-60℃)要求。

2、本发明的超高强钢在组织设计上，以贝氏体为基体，并通过纳米强化相来获得超高的强度，同时采用低的碳含量设计，碳含量仅为0.05～0.09％，因此使该种钢材在保持超高强度的同时具有优异的焊接性，特别适合用于焊接结构件。

3、本发明涉及的超高强钢在制备工艺上，热轧后无需进行离线淬火工艺环节，可以缩短制备工艺流程、节约能耗，尤其适合进行工业化批量生产。

附图说明

图1为本发明实施例1的超高强钢电子扫描显微组织照片。

图2为本发明实施例7的超高强钢电子扫描显微组织照片。

图3为本发明实施例1的超高强钢透射电子显微组织照片。

图4为本发明实施例7的超高强钢透射电子显微组织照片。

图5为本发明实施例1的超高强钢高倍透射电子显微组织照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细阐述，本发明实施例中对钢材性能测试按照astm-a370-17标准执行。

实施例1

本发明的一种屈服强度1300mpa级低碳超高强钢，按设定成分冶炼钢水并铸成铸坯，成分按重量百分比为：0.05％c、0.30％si、1.15％mn、0.08％nb、1.9％cu、0.40％mo、0.8％cr、0.6％al、3.5％ni，余量为fe及不可避免的杂质。

将铸坯加热至1150℃，保温2h，然后进行两阶段热轧；第一阶段轧制温度1150～1000℃，压下率51％，第二阶段轧制温度920～750℃，压下率80％，最终将钢板热轧至10mm；热轧后的高温钢板直接用水冷却至102℃，冷却速率为65℃/s；将钢板加热至600℃保温1h进行回火热处理，随后空冷至室温。

采用上述制备方法得到屈服强度rp0.21370mpa、抗拉强度rm1405mpa、断后延伸率20％、－40℃冲击功65j、－60℃冲击功32j的低碳超高强钢。

实施例2

本发明的一种屈服强度1300mpa级低碳超高强钢，按设定成分冶炼钢水并铸成铸坯，成分按重量百分比为：0.08％c、0.24％si、1.0％mn、0.065％nb、2.1％cu、0.52％mo、0.61％cr、0.7％al、2.9％ni，余量为fe及不可避免的杂质。

将铸坯加热至1150℃，保温2h，然后进行两阶段热轧；第一阶段轧制温度1150～1000℃，压下率57％，第二阶段轧制温度920～750℃，压下率71％，最终将钢板热轧至11mm；热轧后的高温钢板直接用水冷却至250℃，冷却速率为36℃/s；将钢板加热至580℃保温1.2h进行回火热处理，随后空冷至室温。

采用上述制备方法得到屈服强度rp0.21345mpa、抗拉强度rm1379mpa、断后延伸率18％、－40℃冲击功48j、－60℃冲击功35j的低碳超高强钢。

实施例3

本发明的一种屈服强度1300mpa级低碳超高强钢，按设定成分冶炼钢水并铸成铸坯，成分按重量百分比为：0.065％c、0.25％si、0.6％mn、0.04％nb、2.5％cu、0.6％mo、0.7％cr、0.8％al、3.2％ni，余量为fe及不可避免的杂质。

将铸坯加热至1220℃，保温2h，然后进行两阶段热轧；第一阶段轧制温度1150～1000℃，压下率45％，第二阶段轧制温度920～750℃，压下率76％，最终将钢板热轧至13mm；热轧后的高温钢板直接用水冷却至225℃，冷却速率41℃/s；将钢板加热至550℃保温1.7h进行回火热处理，随后空冷至室温。

采用上述制备方法得到屈服强度rp0.21317mpa、抗拉强度rm1386mpa、断后延伸率19％、－40℃冲击功56j、－60℃冲击功30j的低碳超高强钢。

实施例4

本发明的一种屈服强度1300mpa级低碳超高强钢，按设定成分冶炼钢水并铸成铸坯，成分按重量百分比为：0.063％c、0.21％si、1.05％mn、0.07％nb、1.8％cu、0.6％mo、0.5％cr、0.74％al、3.5％ni，余量为fe及不可避免的杂质。

将铸坯加热至1150℃，保温2h，然后进行两阶段热轧；第一阶段轧制温度1150～1000℃，压下率44％，第二阶段轧制温度920～750℃，压下率75％，最终将钢板热轧至14mm；热轧后的高温钢板直接用水冷却至320℃，冷却速率为39℃/s；将钢板加热至550℃保温1.5h进行回火热处理，随后空冷至室温。

采用上述制备方法得到屈服强度rp0.21360mpa、抗拉强度rm1410mpa、断后延伸率18％、－40℃冲击功47j、－60℃冲击功28j的低碳超高强钢。

实施例5

本发明的一种屈服强度1300mpa级低碳超高强钢，按设定成分冶炼钢水并铸成铸坯，成分按重量百分比为：0.058％c、0.35％si、0.9％mn、0.10％nb、1.5％cu、0.65％mo、0.5％cr、0.63％al、3.8％ni，余量为fe及不可避免的杂质。

将铸坯加热至1200℃，保温2h，然后进行两阶段热轧；第一阶段轧制温度1150～1000℃，压下率45％，第二阶段轧制温度920～750℃，压下率73％，最终将钢板热轧至30mm；热轧后的高温钢板直接用水冷却至360℃，冷却速率35℃/s；将钢板加热至500℃保温1.5h进行回火热处理，随后空冷至室温。

采用上述制备方法得到屈服强度rp0.21328mpa、抗拉强度rm1378mpa、断后延伸率19％、－40℃冲击功58j、－60℃冲击功47j的低碳超高强钢。

实施例6

本发明的一种屈服强度1300mpa级低碳超高强钢，按设定成分冶炼钢水并铸成铸坯，成分按重量百分比为：0.075％c、0.28％si、1.2％mn、0.076％nb、2.0％cu、0.55％mo、0.4％cr、0.59％al、2.5％ni，余量为fe及不可避免的杂质。

将铸坯加热至1150℃，保温2h，然后进行两阶段热轧；第一阶段轧制温度1150～1000℃，压下率43％，第二阶段轧制温度920～750℃，压下率71％，最终将钢板热轧至20mm；热轧后的高温钢板直接用水冷却至210℃，冷却速率为39℃/s；将钢板加热至550℃保温1.5h进行回火热处理，随后空冷至室温。

采用上述制备方法得到屈服强度rp0.21320mpa、抗拉强度rm1366mpa、断后延伸率18％、－40℃冲击功59j、－60℃冲击功32j的低碳超高强钢。

实施例7

本发明的一种屈服强度1300mpa低碳超高强钢，按设定成分冶炼钢水并铸成铸坯，成分按重量百分比为：0.09％c、0.15％si、1.1％mn、0.06％nb、2.3％cu、0.8％mo、0.7％cr、0.5％al、4％ni，余量为fe及不可避免的杂质。

将铸坯加热至1220℃，保温2h，然后进行两阶段热轧；第一阶段轧制温度1150～1000℃，压下率58％，第二阶段轧制温度920～750℃，压下率62％，最终将钢板热轧至30mm；热轧后的钢板直接用水冷却至448℃以下，冷却速率为20℃/s；将钢板加热至520℃保温1.3h进行回火热处理，随后空冷至室温。

采用上述制备方法得到屈服强度rp0.21342mpa、抗拉强度rm1371mpa、断后延伸率20％、-40℃冲击功55j、-60℃冲击功29j的低碳超高强钢。

图1和图2给出了实施例1和实施例7超高强钢的电子扫描显微镜观察的显微组织，图3和图4给出了实施例1和实施例7超高强钢的透射电子显微镜观察的显微组织，可以看出本发明制备的超高强钢以贝氏体为基体。图5给出实施例1超高强钢的透射电子显微镜观察的贝氏体基体析出相形貌，可以看出在基体中析出大量纳米级的析出强化相，大小在10nm以下。

根据本发明内容进行工艺参数和组分含量的调整，均可实现本发明高强钢的制备，且表现出与本发明的基本一致的性能。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。