一种1100MPa级低碳中锰高强度热轧钢板及其制造方法与流程

本发明涉及一种钢板及其制造方法，尤其涉及一种低碳中锰高强度热轧钢板及其制造方法。

背景技术：

1、众所周知，特殊防护材料是防护系统的物质基础，自从防护概念出现以后，人类就开始不断地研究和制造适用于制造防护装备的高性能防护材料。

2、在当前特殊防护系统中，最简单也最有效的结构单元为特殊防护用钢。随着现代反装甲武器的不断发展，对于防护用钢的防护等级要求也越来越高。因此，高强度高性能的防护用钢一直是国内外专家学者关注的重点。

3、传统的装甲钢多采用调质处理工艺进行制备，这种钢板在轧制结束后，还需要采用高温奥氏体淬火+高温回火工艺进行热处理，其基体组织为回火板条马氏体。同时，为了保证性能的均匀性，在钢中通常还加入cr、ni、mo等贵金属元素，以保证钢板在经过高温回火后具有稳定的性能，另外ni元素的添加，还能够提高钢板在低温状态下的冲击韧性，使材料能够适应低温服役环境下的使用。又或者采用超低碳的成分，通过添加大量的ni、co等元素，以确保钢板在时效后具有较高的强硬度。

4、但是，上述这两种化学成分体系所设计的钢板通常存在着生产工艺复杂，控制精度高以及合金元素成本高等问题，其直接导致了目前生产高强度防护用钢的成本居高不下。

5、研究发现，目前高强度的防护用钢的合金成分多以cr、ni、mo体系为主，并辅以少量的微合金化元素作为强化手段。当前现有技术所制备的防护用钢多数为热轧板卷，且钢板厚度较薄，采用的仍然是轧制卷取+开卷离线热处理工艺进行生产，其强度也普遍在1000mpa级以上。

6、例如：公开号为cn105648310a，公开日为2016年6月8日，名称为“一种含钒热轧防弹钢卷及其生产方法”的中国专利文献，其公开了一种含钒热轧防弹钢卷及其生产方法，该钢板的化学成分百分比为：c：0.2～0.3％；si：0.8～1.2％；mn：0.5～0.8％；p≤0.020％；s≤0.010％；v：0.05～0.09％；ni：0.8～1.0％；cr：0.85～1.1％，余量为fe及不可避免杂质。在技术方案中，其生产方法包括：转炉冶炼、lf精炼、rh精炼、板坯连铸、板坯加热、高压水除鳞、控制轧制、控制冷却、卷取。该技术方案所制备的钢板的屈服强度≥680mpa，抗拉强度≥900mpa，布氏硬度≥300hbw。

7、又例如：公开号为cn1814845a，公开日为2006年8月9日，名称为“一种1000mpa级高强度热轧防弹钢板及其制造方法”的中国专利文献，公开了一种1000mpa级高强度热轧防弹钢板及其制造方法，该钢板的化学成分百分比为：c：0.17～0.21％；si：1.5～2.2％；mn：1.5～2.0％；p≤0.035％；s：≤0.010％；al：0.015～0.060％；n≤0.0060％；nb：0.010～0.050％，可加入ti：0.010～0.060％和ca≤0.0050％，余量为fe和不可避免的杂质。该发明的制造方法包括：按上述成分冶炼、浇铸、形成板坯、加热、控制轧制、控制冷却、卷取，其所制备的钢板的基体组织为铁素体+贝氏体+残余奥氏体，钢板的抗拉强度超过1000mpa，延伸率＞10％。

8、再例如：公开号为cn102181795a，公开日为2011年9月14日，名称为“一种超高强度防弹钢板及其制造工艺”的中国专利文献，公开了一种超高强度防弹钢板及其制造工艺，该钢板的化学成分百分比为：c:0.30～0.50％；si：0.40～0.60％；mn：1.50～1.80％；p≤0.025％；s≤0.01％；cr+ni+mo≤2.5％；nb+v+ti+b≤0.20％，其余是fe。该钢板的生产工艺包括：冶炼制得钢坯，在1180～1250℃加热，1000～1150℃进行开轧，终轧温度850～900℃，轧后卷取空冷至室温，室温卷开平热冲压900～950℃奥氏体化，采用压淬工艺冲压成型，工件冲压后表面温度在100～150℃之间移除模具空冷。在该技术方案中，钢板在压淬处理后的硬度可达480～520hb，对于碳含量≥0.45％的钢中，处理后工件硬度达到580～630hb，延伸率≥5％。

9、从上述高强度钢板的现有专利情况来看，目前大多数的1000mpa级以上的高强度防护钢板以热连轧的薄规格产品为主，并且需要经过调质热处理生产，其基体组织主要为回火板条马氏体，通常延伸率不高，冷加工性能有待提高。

10、因此，有必要开发一种成本相对低廉、生产工艺简单，且具有优异冷加工性能和冲击韧性的高强度防护钢板，以满足目前防护结构对于高强度防护钢板的需求，同时提高高强度防护钢板在加工使用过程中的可加工性能。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板，该1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板采用了合理的化学成分设计，其成本较低，且室温下抗拉强度≥1100mpa，延伸率达到20％以上，室温下的夏比冲击≥46j，其在具有良好抗冲击能力的同时，还具备优异的塑性变形能力，其冷加工性能优异，能够满足常规加工所需要的切割、弯曲等冷加工工艺，具有良好的应用前景。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板，其含有fe和不可避免的杂质元素，其还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：

3、c：0.1～0.2％，si：0.2～0.5％，mn：6～11％，al：0.2～0.4％，nb：0.01～0.04％；

4、所述1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板不含有cr、ni和mo元素；

5、其中当c≥0.15％时，mn含量需满足＜9％。

6、进一步地，在本发明所述的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板中，其各化学元素质量百分含量为：

7、c：0.1～0.2％，si：0.2～0.5％，mn：6～11％，al：0.2～0.4％，nb：0.01～0.04％；余量为fe和不可避免的杂质元素；

8、其中当c≥0.15％时，mn含量需满足＜9％。

9、在本发明所述的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板中，各化学元素的设计原理如下所述：

10、c：在本发明所述的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板中，c能够保证钢材的强度，随着钢中c元素含量的增加，钢板的强度会显著提高。但需要注意的是，钢中c元素含量也不宜过高，当钢中c元素含量过高时，会导致钢板的韧性下降，同时提高钢板的焊接裂纹敏感性。本发明采用低碳的设计，通过变形过程中残余奥氏体的trip效应以及nb的弥散析出提高钢板的强度，这样可以使钢板在具有较高强度的同时，兼顾优异的塑韧性。因此，为发挥c元素的有益效果，在本发明所述的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板中，将c元素的质量百分含量控制在0.1～0.2％之间。

11、si：在本发明所述的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板中，si元素可以起到固溶强化的作用，其能够提高钢材的耐蚀性能和高温抗氧化性能，并且si的加入还能够有效地提高钢板的弹性模量。但需要注意的是，钢中si元素含量同样也不宜过高，si含量过高后，会导致钢表面脱碳严重，使钢板的有效防护厚度下降，同时还会降低焊接性能。故而，在本发明所述的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板中，将si元素的质量百分含量控制在0.2～0.5％之间。

12、mn：在本发明所述的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板中，mn是钢中稳定奥氏体的主要元素，通过大量的mn元素的添加，可以使钢材的奥氏体淬火转变温度显著降低，在淬火至室温时，仍有部分奥氏体未发生马氏体相变，形成残余奥氏体，在后续的回火过程中，这部分奥氏体也不会发生分解，最终保留至室温。在钢板的变形过程中，马氏体变形后形成应力集中点，为了缓解应力集中，周围的残余奥氏体此时发生相变，提高了钢板的实际可变形能力。但是，在本发明钢中，同样不易添加过量的mn，当钢中mn元素的含量过高时，会导致钢板的马氏体转变温度接近或低于室温，并使钢中残余奥氏体的含量增加，导致钢板的强度下降。基于此，考虑到mn元素含量对钢材性能的影响，必须严格控制mn元素的含量，在本发明，将mn元素的质量百分含量控制在6～11％之间。

13、需要注意的是，在本发明中，mn元素的添加量还需要参考钢中c元素的含量，当钢中c含量≥0.15％时，钢中锰的添加量要＜9％。

14、al：在本发明所述的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板中，al能够有效地防止钢中碳化物的形成，有利于奥氏体中碳的固溶，提高冷却过程中奥氏体的稳定性。同时，al元素还具有细化晶粒的作用，其对于改善钢板的韧性大有益处。但需要注意的是，钢中的al元素含量同样不宜过高，当钢中al元素含量过高时，会导致钢在冶炼和浇注的难度增大，制造成本上升，形成过度的氧化物恶化钢板质量。因此，考虑到本技术方案中al元素对钢板性能的影响，在本发明所述的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板中，将al的质量百分含量控制在0.2～0.4％之间。

15、nb：在本发明所述的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板中，nb是强碳化物形成元素，其能够在钢材进行高温轧制变形的过程中，通过形变诱导析出，从而起到细化轧态奥氏体晶粒的作用，同时析出的碳化物钉扎位错还能起到析出强化的效果。相应地，在低温回火的过程中，过饱和的马氏体中会有碳的排出，在此低温下，碳很难进行长程扩散或向奥氏体富集，其主要在马氏体板条周围以nb的碳氮化物的形式弥散析出，对钢板强度的提高效果显著。

16、当钢中nb元素含量过低时，在钢中的析出强化和细化晶粒的效果弱；而随着钢中nb元素含量的增加，其强化效果增强，但钢中nb元素含量也不宜过高，钢中nb含量过高时，其析出强化和细晶强化的作用便不再明显。因此，考虑到nb元素的有益效果，在本发明所述的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板中，将nb元素的质量百分含量控制在0.01～0.04％之间。

17、进一步地，在本发明所述的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板中，在不可避免的杂质元素中，p＜0.01％，s＜0.01％。

18、在上述技术方案中，p、s均是本发明所述的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板中的杂质元素，在技术条件允许情况下，为了获得性能更好且质量更优的钢材，应尽可能降低钢中杂质元素的含量。

19、进一步地，在本发明所述的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板中，其板厚为8-40mm。

20、进一步地，在本发明所述的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板中，其微观组织为马氏体板条+残余奥氏体+弥散析出的碳化物。

21、进一步地，在本发明所述的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板中，其中残余奥氏体的相比例为5～10％，且形态及分布主要是位于马氏体板条间的薄片状残余奥氏体。

22、进一步地，在本发明所述的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板中，其性能满足：其室温抗拉强度≥1100mpa，延伸率≥20％以上，室温下的夏比冲击功≥46j。

23、相应地，本发明的另一目的在于提供本发明上述1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板的制造方法，该制造方法流程简单且易于实施，采用该制造方法所获得的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板不仅具有良好的抗冲击能力，还具有优异的塑性变形能力，其能够满足常规加工所需要的切割、弯曲等冷加工工艺，具有良好的应用前景。

24、为了实现上述目的，本发明提出了上述1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板的制造方法，其包括步骤：

25、(1)冶炼和铸造；

26、(2)加热；

27、(3)控制轧制；

28、(4)轧后在线水冷至室温；

29、(5)低温回火：回火温度为200～220℃，保温时间为板厚×2-3min/mm，出炉后空冷至室温。

30、在本发明上述技术方案中，发明人对钢板的制造工艺进行了优化设计，其设计钢板在轧后采用在线水冷至室温，免去了离线热处理的奥氏体化加热工序，降低能耗，提高了制造效率。

31、同时，由于在本发明所设计的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板中，其采用锰元素作为钢中主要添加的元素，且并未添加cr、ni和mo元素，采用上述制造工艺可以获得基体组织为马氏体板条+残余奥氏体+弥散析出的碳化物的钢板，相比于以往采用cr、ni、mo体系的产品，其塑韧性能够得到显著的提高。

32、进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，将钢锭或板坯加热至1130-1160℃。

33、进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3)中，钢板采用两阶段控制轧制工艺，钢板的粗轧开轧温度为1080～1100℃，粗轧的终轧温度在1000℃以上；精轧的开轧温度为900～920℃，终轧温度为860～880℃。

34、进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(4)中，水冷的冷速大于5℃/s。

35、相较于现有技术，本发明所述的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板及其制造方法具有如下所述的优点以及有益效果：

36、(1)本发明通过合理设计化学成分，在传统的低碳合金钢中设计并添加了适量的锰元素，以在提高固溶强化效果的同时，降低钢板的马氏体转变温度，从而确保钢板在室温下仍然存在一定体积分数的残余奥氏体。

37、(2)本发明对制造工艺进行了优化设计，其在控制轧制后直接采用了在线水冷的工艺，减少了钢板在冷床上冷却的时间，同时避免了二次加热奥氏体化的过程，显著缩短了生产周期，降低了生产过程中的能耗，提高了生产效率。

38、(3)由于成分和工艺设计合理，本发明所设计的生产过程简单，其所制备的钢板能够在线直接冷却到室温，不需要控制终冷温度，可操作性较强。从实施效果来看，该1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板适合在中、厚板产线进行稳定的批量生产，以获得8-40mm的成品板厚。

39、(4)本发明的1100mpa级低碳中锰高强度热轧钢板采用了合理的化学成分设计，其不含有cr、ni和mo元素，并在钢材的基体组织中引入了亚稳残余奥氏体，且形态及分布主要是位于马氏体板条间的薄片状残余奥氏体。在实际的变形过程中，残余奥氏体的相变诱导塑性效应能有效地缓解钢中的应力集中，提高钢板在达到屈服以后的均匀延伸率，有效地提高钢板的变形能力，使钢板在具有高强度的同时保持优异的塑韧性，其冷加工变形能力在同类的钢板中具有显著的优势。