CN101285156A - 一种700MPa级复合强化贝氏体钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种700MPa级复合强化贝氏体钢及其制备方法，该复合强化贝氏体钢钢采用薄板坯连铸连轧流程制备，其中精炼后钢水的主要化学成分为：C：0.03～0.07wt.％、Mn：1.51～2.10wt.％、Cr：0.50～0.80wt.％、Ti：0.10～0.15wt.％、Si≤0.30wt.％、P：≤0.020wt.％、S≤0.010wt.％，其余为Fe和不可避免的残余元素。本发明实现了现有345MPa级热轧钢板的屈服强度提高1倍，开辟了节约Mo、Ni等贵合金元素生产700MPa级高强钢的新途径。同时钢的组织以细小的贝氏体为主，可以改善高强钢加工硬化能力，并具有良好的成形性能。

Description

一种700MPa级复合强化贝氏体钢及其制备方法

技术领域

本发明属于低合金钢制造领域，具体地是涉及一种低碳700MPa级复合强化贝氏体钢及其制备方法。

背景技术

对于运输设备的结构部件、焊接部件和悬挂部件等而言，通过提高钢板的强度来减薄钢板使用厚度，不仅可以节约制造成本，同时能够减低运输过程的单位油耗，显著提高运输效率。一般，按照如下经验公式对应结构件所用的材料和厚度的关系可以保证结构的稳定度。

$\frac{t_1}{t_2}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\σ}}_{s2}}{{\mathrm{\σ}}_{s1}}}$

式中：t₁，σ_s1和t₂，σ_s2分别表示两种材料相对应的厚度和屈服强度。因此按照这样的对应关系，采用屈服强度700MPa的高强度钢板取代屈服强度345MPa级的钢板，可以显著地减薄钢板使用厚度，同时保证足够的结构稳定性。

实际上，目前已公开的700MPa级高强钢板的生产方法主要分为两类。一类是低碳贝氏钢系列，其成分特点是在低碳或者超低碳的基础上添加一定量的Mo、Ni、B、Nb、Cr等合金元素，使钢的微观组织为低碳贝氏体组织。如美国专利(USP 7288158，发明人Thomason，et al)“改善成形性能的高强钢生产方法”；“鞍钢技术”杂志，2005年第1期第17页公开的“高强集装箱用钢AQ700MC的开发”；都是应用Mo-Cr-Ni-Cu-V系列成分设计，生产屈服强度超过100Ksi(1Ksi＝6.98MPa)或者700MPa的高强钢，该类方法的缺点是合金种类多，合金加入量大，特别是贵金属Mo的质量分数达到0.20～0.65％范围，因此生产成本很高。另外一类是析出强化系列，其成分特点是在C-Mn钢的基础上，添加一定量的Ti，Nb，V等微合金元素。一方面，利用这些微合金元素在钢的铁素体组织基体中形成大量的纳米尺寸的析出物，通过显著的沉淀强化作用来提高钢的强度；另一方面，利用微合金元素细化铁素体晶粒，而晶粒细化对钢材屈服强度的贡献可用下式表示：σ_s＝k_yD^-1/2，式中D为晶粒尺寸，k_y为比例系数。如“钢铁研究”杂志2006年第6期第16页公开的“超细晶高强贝氏体钢析出相的研究”中，通过Nb-Ti-Mo系列成分设计，将钢的晶粒尺寸细化至3～5μm，同时形成大量的30～250nm尺寸的(Ti，Nb)(C，N)析出物，综合利用晶粒超细化和析出物沉淀强化的效果，使钢的屈服强度超过700MPa。该方法的缺点是钢水精炼后经过真空处理才能进行浇铸，铸坯需要先从高温冷却到室温后再加热到高温，因此工序复杂，能源消耗高。同时为了实现组织超细化必须采用多段冷却，对轧制设备的冷却能力要求高。

发明内容

本发明需要解决的技术问题之一是提供一种700MPa级复合强化贝氏体钢，该复合强化贝氏体钢成本低，且屈服强度超过700MPa，同时具有良好的使用性能，其金相组织为细小的贝氏体和铁素体复合组织。

解决本发明的上述技术问题的技术方案如下：

一种700MPa级复合强化贝氏体钢，采用薄板坯连铸连轧流程制备而成，制备该高强耐候钢时的精炼后钢水的主要化学成分为：C：0.03～0.07wt.％、Mn：1.51～2.10wt.％、Cr：0.50～0.80wt.％、Ti：0.10～0.15wt.％、Si≤0.30wt.％、P：≤0.020wt.％、S≤0.010wt.％，其余为Fe和不可避免的残余元素。

其中，化学成分优选范围是：C：0.05～0.06wt.％、Mn：1.6～2.0wt.％、Cr：0.60～0.70wt.％、Ti：0.11～0.14wt.％、Si≤0.30wt.％、P：≤0.020wt.％、S≤0.010wt.％，其余为Fe和不可避免的残余元素。

本发明的另一需要解决的技术问题是提供一种制备上述700MPa级复合强化贝氏体钢的方法。

解决本发明的上述技术问题的技术方案如下：

一种制备700MPa级复合强化贝氏体钢的方法，包括以下步骤：

采用薄板坯连铸连轧流程，主要包括如下：以化学成分C，Si，Mn，S，P和Fe为原料经过电炉或转炉冶炼、精炼过程对钢水进行合金化处理，薄板坯连铸、连铸坯均热、均热、热连轧、层流冷却、卷取，

其中，精炼过程进行合金化处理后的钢水的主要化学成分为：C：0.03～0.07wt.％、Mn：1.51～2.10wt.％、Cr：0.50～0.80wt.％、Ti：0.10～0.15wt.％、Si≤0.30wt.％、P：≤0.020wt.％、S≤0.010wt.％，其余为Fe和不可避免的残余元素；

上述薄板坯连铸连轧流程工艺参数为：铸坯入炉温度900～1000℃、出炉温度1100～1180℃、终轧温度870～930℃、冷却速度15～50℃/s、卷取温度570～640℃。

本发明克服了上述现有技术中生产方法的不足，在345MPa级碳素钢的成分基础上，通过化学成分的重新调整，利用薄板坯连铸连轧流程进行控轧，轧后直接冷却方面的进一步完善，生产出屈服强度超过700MPa的高强钢，同时具有良好的使用性能，其金相组织为细小的贝氏体和铁素体复合组织。

通过上述制备方法获得的热轧钢板的金相组织为细小的贝氏体和铁素体复合组织，钢的机械性能屈服强度为700～800MPa，抗拉强度730～850MPa，延伸率14～25％。

本发明与已知技术相比，具有以下优点和效果：

经研究发现：采用Mn-Cr-Ti化学成分设计，当Mn≥1.51wt.％、Cr≥0.5wt.％时，通过薄板坯连铸机铸成坯料，坯料不经过冷却直接进入均热炉，轧后直接进行冷却并且冷速不需要太快的情况下(轧后冷速≥15℃/s)就可以获得体积分数超过80％的贝氏体组织。该技术效果的最大优点是不需要添加Mo、Nb、B、Ni等促进低碳钢形成贝氏体的元素，节约了合金化成本。

仅利用贝氏体组织自身的强化增量，无法将原强度级别345MPa的热轧钢板提高到700MPa级。因此，本发明采用复合强化方式，研究者通过控制C0.03～0.07wt.％、Ti：0.10～0.15wt.％，通过控制终轧温度和卷取温度，钢的复合组织基体(贝氏体+铁素体组织)中能够形成大量弥散分布的TiC析出物。这些纳米尺寸数量级的析出物能够产生显著的沉淀强化效果。因此结合贝氏体组织自身的强化和TiC析出物的沉淀强化效果，最终使钢的屈服强度超过700MPa。

本发明控制轧后冷速和卷取温度的依据是：协调复合强化中贝氏体组织形成的工艺要求和TiC析出的工艺要求。在以Mn-Cr-Ti为主的化学成分设计条件下，过高的卷取温度和过慢的轧后冷却速度将抑制贝氏体组织形成，但却会促进TiC的充分析出。反之，过低的卷取温度和过快的轧后冷却速度将促进贝氏体组织形成，甚至得到100％体积分数的贝氏体组织，但却会显著抑制TiC的析出，最终造成TiC沉淀强化的作用明显降低而钢的屈服强度也难以超过700MPa。因此本发明研究者发现了在轧制后采用层流冷却水冷(冷却速度15～50℃/s)，卷取温度570～640℃条件下，可以得到钢的组织为细小的贝氏体以及体积分数10～20％、晶粒尺寸5μm～10μm的铁素体组织，同时形成大量TiC析出物，实现了700MPa级复合强化贝氏体钢的生产。

通过本发明的技术方案，真正实现了现有345MPa级热轧钢板的屈服强度提高1倍，开辟了节约Mo、Ni等贵合金元素生产700MPa级高强钢的新途径。同时钢的组织以细小的贝氏体为主，可以改善高强钢加工硬化能力，使钢在提高强度的同时，还具有良好的成形性能。

附图说明

图1是本发明700MPa级复合强化贝氏体钢的金相组织照片。

具体实施方式

以下列举具体实施例对本发明进行说明。需要指出的是，实施例只用于对本发明作进一步说明，不代表本发明的保护范围，其他人根据本发明做出的非本质的修改和调整，仍属于本发明的保护范围。

根据本发明设定的化学成分范围，下述实施例都通过以下具体工艺流程：主要以化学成分C，Si，Mn，S，P和Fe为原料，进行电炉或者转炉冶炼、精炼过程对钢水进行合金化处理(添加少量Cr、Mn、Ti合金)、薄板坯连铸、铸坯直接加热/均热、热连轧、轧后层流水冷却、卷取等流程制备而成。

实施例1

制备本实施例所述的700MPa级复合强化贝氏体钢时的精炼后钢水主要化学成分为：C：0.03wt.％、Si：0.30wt.％、Mn：1.51wt.％、P：0.006wt.％、S：0.003wt.％、Cr：0.50wt.％、Ti：0.15wt.％，其余为Fe和不可避免的残余元素。制备到的700MPa级复合强化贝氏体钢的金相组织照片参见图1。

轧制工艺参数：铸坯入均热炉温度900℃、出炉温度1100℃、终轧温度870℃、卷取温度570℃。钢板的轧后冷速控制和力学性能参见表1。

表1实施例1钢板的轧后冷速控制和力学性能

钢板厚度(mm)	轧后冷速℃/s	Rel(MPa)	Rm(MPa)	A5(％)	宽冷弯b＝35mm，d＝a，180°
						6	27	705	760	25	合格
4	35	735	795	22	合格
						3.5	40	755	800	21	合格
3	50	760	835	20	合格

实施例2

制备本实施例所述的700MPa级复合强化贝氏体钢时的精炼后钢水主要化学成分为：C：0.070wt.％、Si：0.10wt.％、Mn：1.85wt.％、P：0.020wt.％、S：0.010wt.％、Cr：0.80wt.％、Ti：0.12wt.％，其余为Fe和不可避免的残余元素。

轧制工艺参数：铸坯入均热炉温度1000℃、出炉温度1180℃、终轧温度930℃、卷取温度640℃。钢板的轧后冷速控制和力学性能参见表2。

表2实施例2钢板的的轧后冷速控制和力学性能

钢板厚度(mm)	轧后冷速℃/s	Rel(MPa)	Rm(MPa)	A5(％)	宽冷弯b＝35mm，d＝a，180°
						6	15	755	780	23	合格
4	26	755	820	21	合格
						3.5	35	775	810	18	合格
3	44	800	885	17	合格

实施例3

制备本实施例所述的700MPa级复合强化贝氏体钢时的精炼后钢水主要化学成分为：C：0.050wt.％、Si：0.15wt.％、Mn：2.10wt.％、P：0.009wt.％、S：0.003wt.％、Cr：0.65wt.％、Ti：0.10wt.％，其余为Fe和不可避免的残余元素。

轧制工艺参数：铸坯入均热炉温度930℃、出炉温度1150℃、终轧温度900℃、卷取温度590℃。钢板的轧后冷速控制和力学性能参见表3。

表3实施例3钢板的的轧后冷速控制和力学性能

钢板厚度(mm)	轧后冷速℃/s	Rel(MPa)	Rm(MPa)	A5(％)	宽冷弯b＝35mm，d＝a，180°
						6	25	730	780	20	合格
4	36	750	790	19	合格
						3.5	44	755	815	17	合格
3	49	780	825	14	合格

Claims (4)

1. 一种700MPa级复合强化贝氏体钢，其特征是，采用薄板坯连铸连轧流程制备而成，制备该高强耐候钢时的精炼后钢水的主要化学成分为：C：0.03～0.07wt.％、Mn：1.51～2.10wt.％、Cr：0.50～0.80wt.％、Ti：0.10～0.15wt.％、Si≤0.30wt.％、P：≤0.020wt.％、S≤0.010wt.％，其余为Fe和不可避免的残余元素。

2. 根据权利要求1所述的700MPa级复合强化贝氏体钢，其特征是，精炼过程进行合金化处理后的钢水的主要化学成分为：C：0.05～0.06wt.％、Mn：1.6～2.0wt.％、Cr：0.60～0.70wt.％、Ti：0.11～0.14wt.％、Si≤0.30wt.％、P：≤0.020wt.％、S≤0.010wt.％，其余为Fe和不可避免的残余元素。

3. 一种制备700MPa级复合强化贝氏体钢的方法，其特征是，采用薄板坯连铸连轧流程，主要包括如下步骤：以化学成分C，Si，Mn，S，P和Fe为原料经过电炉或转炉冶炼、精炼过程对钢水进行合金化处理，薄板坯连铸、连铸坯均热、均热、热连轧、层流冷却、卷取，

其中，精炼过程进行合金化处理后的钢水的主要化学成分为：C：0.03～0.07wt.％、Mn：1.51～2.10wt.％、Cr：0.50～0.80wt.％、Ti：0.10～0.15wt.％、Si≤0.30wt.％、P：≤0.020wt.％、S≤0.010wt.％，其余为Fe和不可避免的残余元素；

所述薄板坯连铸连轧流程工艺参数为：铸坯入炉温度900～1000℃、出炉温度1100～1180℃、终轧温度870～930℃、冷却速度15～50℃/s、卷取温度570～640℃。

4. 根据权利要求3所述的制备方法，其特征是，精炼过程进行合金化处理后的钢水的主要化学成分为：C：0.05～0.06wt.％、Mn：1.6～2.0wt.％、Cr：0.60～0.70wt.％、Ti：0.11～0.14wt.％、Si≤0.30wt.％、P：≤0.020wt.％、S≤0.010wt.％，其余为Fe和不可避免的残余元素。