背景技术
以前,生产高抗拉强度级别的钢种大都采用调质的方法,其化学元素含量高,生产周期长,碳当量高,焊接性能差,生产成本高。
早期开发的低碳贝氏体钢中Mn含量低,Cr、Ni元素含量较高,钢的成本高,且对促进全部组织的贝氏体转变效果不理想,因而钢的强度级别不高,生产比较困难。
北京科技大学申请的“一种用于高强度低合金钢生产的弛豫-析出-控制相变技术”中国专利,其申请号为01115650.3,利用该技术,可以获得超细复合组织,采用少量元素,能够获得高强度、高韧性和低成本,该技术适用于屈服强度800N/mm2级别钢板的生产。但由于其Nb、Ti元素含量较高,重量百分比分别为0.091、0.08,给连铸生产带来很大的技术难度,不利于大工业化连铸生产,且与N结合后过剩的Ti必然会引起冲击韧性的降低。此外,该技术的钢坯加热温度较高,在1200℃以上,这会影响产品的低温韧性。
本公司申请的一项专利号为03110973.X,名为“一种超低碳贝氏体钢及其生产方法”的中国专利,其特点是该钢种以成本低廉的Mn元素作为主要添加元素,以Cr、Ni作为辅助添加元素,钢中C含量低,在0.05%以下。该技术在生产工艺中只采用了控轧控冷+回火工艺,钢的强度级别相对较低,其抗拉强度都在900N/mm2级别以下,而且钢板的厚度一般都在10mm以下。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,从市场需求的角度出发,提供一种成分设计合理,工艺先进,用少量元素,获得抗拉强度在900N/mm2级别以上的高韧性、低成本的低碳贝氏体厚钢板。
本发明高抗拉强度低碳贝氏体厚钢板的化学成分含量(Wt%)为:C 0.052%~0.08%、Si 0.1%~0.5%、Mn 1.65%~1.90%、Nb 0.015%~0.060%、Ti 0.005%~0.03%、B 0.0005%~0.003%、Mo 0.33%~0.50%、Cu 0.62%~0.85%、Ni 0.42%~0.80%、Al 0.015%~0.05%,其余为Fe及不可避免的杂质。
本发明之所以选择以上合金元素的种类及含量主要在于:
(1)C:碳对钢的强度、韧性、焊接性能冶炼成本影响很大。碳低于0.052%钢的强度达不到目标要求;碳高于0.08%,则生成组织中贝氏体组织减少,使延伸率和韧性下降,因此本发明确定碳含量的范围为0.052%~0.08%。
(2)Mn:锰是提高强度和韧性的有效元素,对贝氏体转变有较大的促进作用,而且成本十分低廉,因此在本发明中把Mn元素作为主要添加元素。本发明将锰含量限定在1.65%~1.90%。
(3)B:硼元素是本发明中重要的成分,它能够提高钢的淬透性,加入极微量的硼就会有明显的效果,显著推迟奥氏体向铁素体、珠光体的转变,当有Nb同时存在时,B的作用更加突出。当硼含量低于0.0005%时,提高淬透性的效果不大;当硼的含量为0.001%时,就会使钢的组织全部转变为贝氏体;高达0.003%时,淬透性达到饱和,此时可观察到Fe23(CB)6的析出;高于0.003%,淬透性下降,钢的韧性恶化,且会形成低熔点共晶体,集中于晶粒的边界,这将引起热脆性,增加热压力加工困难。故在本发明中将硼限定在0.0005%~0.003%之间。
(4)Nb:铌是本发明的重要添加元素,它能够有效地延迟变形奥氏体的再结晶,阻止奥氏体晶粒长大,提高奥氏体再结晶温度,细化晶粒,同时改善强度和韧性;它与微量的硼元素复合作用,可以显著地提高淬透性,促进贝氏体转变。这是因为在仅添加B的情况下,轧制后常常在奥氏体晶界析出Fe23(CB)6,从而大大降低了B的作用,不能有效地延迟γ-α的转变,Nb易与C结合,防止形成Fe23(CB)6,随着Nb在钢中的溶解度增大,形成贝氏体的趋势增大。在本发明中将Nb含量限定在0.015%~0.06%范围内。
(5)Ti:加入微量的钛,是为了固定钢中的氮元素,从而确保硼元素的提高淬透性效果。硼与氧、氮的亲合力较大,如果加入的微量硼与钢中的氧、氮起作用,硼的促进贝氏体转变的作用将消失。因此,必须将钢中气体尽量降低,加入足够量的铝、钛进行完全脱氧和固氮,才能充分发挥硼的有效作用。在最佳状态下,钛、氮形成氮化钛,阻止钢坯在加热、轧制、焊接过程中晶粒的长大,改善母材和焊接热影响区的韧性。钛低于0.005%时,固氮效果差,超过0.03%时,固氮效果达到饱和,过剩的钛将会使钢的韧性恶化。当钢中的Ti、N原子之比为1∶1时,TiN粒子最为细小且分布弥散,对高温奥氏体晶粒的细化作用最强,不仅可获得优良的韧性,而且能够实现30KJ/cm以上的大线能量焊接。此时相应于Ti、N重量之比为3.42,故在本发明中,结合钢中N的含量,将钛成分控制在0.005%~0.03%之间,其优化范围在0.01%~0.019%之间。
(6)Si:硅是炼钢脱氧的必要元素,也具有一定的固溶强化作用,当低于0.1%时,难于获得充分的脱氧效果;超过0.5%时,钢的清洁度下降,韧性降低,可焊性差。故在本发明中将硅限定在0.1%~0.5%的范围内。
(7)Al:铝是脱氧元素,可作为AlN形成元素,有效地细化晶粒,其含量不足0.01%时,效果较小;超过0.07%时,脱氧作用达到饱和;再高则对母材及焊接热影响区韧性有害。所以,应将铝含量限定在0.010%~0.07%的范围内。本发明将铝含量限定在0.015%~0.050%。
(8)Mo:钼有助于轧制时奥氏体晶粒的细化和微细贝氏体的生成,提高钢的强度,但添加超过0.5%时,成本提高,可焊性明显降低。因而,在本发明中,根据钢板强度和厚度的不同将钼的含量限定在0.33%~0.50%之间。
(9)Cu:铜不仅对焊接热影响区硬化性及韧性没有不良影响,又可使母材的强度提高,并使低温韧性大大提高,还可提高耐蚀性。在超低碳贝氏钢中加入铜,可利用Cu-B的综合作用,来进一步提高钢的淬透性,促进贝氏体的形成。在合适的条件下,Cu能够沉淀析出生成ε-Cu,进一步使基体强化;但Cu含量高时钢坯加热或热轧时易产生裂纹,恶化钢板表面性能,必须添加适量的Ni以阻止这种裂纹的产生。在本发明中,根据钢板强度和厚度的不同,将铜含量控制在0.62%~0.85%之间。
(10)Ni:镍对焊接热影响区硬化性及韧性没有不良影响,又可使母材的强度提高,并使低温韧性大大提高。其为贵重元素,导致钢的成本大幅度上升,经济性差。在本发明中添加Ni元素的目的主要是阻止含Cu量高的钢坯在加热或热轧时产生裂纹的倾向。故在本发明中根据钢板强度和厚度的不同,将Ni含量控制在0.42%~0.80%之间。
(11)钢中的杂质元素的上限控制在P≤0.02%,S≤0.01%,以提高钢的韧性。最好N≤0.006%,以避免形成硼的氮化物,使硼的淬透性失效,钢质越纯净效果更佳。
本发明所述低碳贝氏体厚钢板的生产方法如下:
冶炼工艺:采用转炉冶炼,通过顶吹或顶底复合吹炼,深脱碳;采用RH或VD真空处理和LF炉处理,以降低O、H、N等有害气体以及S的含量;添加合金元素,进行微合金化;结合钢中S含量,通过喂Si-Ca线2~7m/吨钢,进行Ca处理,以控制硫化物形态,提高延性和韧性,减小钢板横向和纵向性能差;连铸采用电磁搅拌。
轧制工艺:采用控轧控冷技术(TMCP)+弛豫-析出-控制相变技术(RPC)+回火(T)。轧前加热温度为1050℃~1190℃,以保证获得细小的奥氏体晶粒,能有相当量的Nb溶入奥氏体,有利于轧后冷却过程中贝氏体的形成;采用两阶段控轧,再结晶区轧制温度≥1000℃,未再结晶区轧制温度为950℃~(Ar3+0℃~80℃),积累变形量大于50%,轧后弛豫时间10~120s,随后加速冷却,最佳的冷却速度范围在10~40℃/S,加速冷却的终冷温度控制在Bs点以下0~150℃,最佳终冷温度为500℃~300℃;之后空冷;最后再进行不同时间的回火处理,以使Cu沉淀析出生成ε-Cu,进一步提高产品强度和韧性,回火温度控制在480℃~680℃。
本发明以成本低廉的Mn元素作为主要添加元素,将Cu、Mo、Ni、Nb、B等元素对贝氏体转变的作用充分联合应用。该钢种碳含量低,低温韧性好,韧脆转折温度分别在-40℃以下,焊接性能优良,焊接前不需预热,焊接后不需热处理,可以实现30KJ/cm以上的大线能量焊接,而且具有优良的冷弯成型性能;Nb、Ti元素含量低,适合于大工业化连铸生产;较高的Cu含量,有利于提高产品的综合性能。本发明采用TMCP+RPC+T工艺可获得抗拉强度900N/mm2级别以上的高强度、高韧性和低成本钢种。本发明采用较低的钢坯加热温度,既节约能源,又提高了钢的低温韧性。用该工艺生产出的钢板厚度可达到12mm~60mm,产品可广泛应用于工程机械、采挖机械、重型汽车及海洋设施等领域。