CN101338400A

CN101338400A - 一种高强度低温用低碳贝氏体钢及其生产工艺

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Publication number: CN101338400A
Application number: CNA2008100226002A
Authority: CN
Inventors: 刘丽华; 祝瑞荣; 王道远; 余伟; 林国强; 武会宾; 郭怀兵; 耿建宁; 张逖
Original assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2008-08-18
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2028-08-18
Also published as: CN101338400B

Abstract

本发明涉及一种钢及其生产工艺，是一种高强度低温用低碳贝氏体钢及其生产工艺，其成分重量百分比为：C：0.03～0.10％，Mn：1.00～1.80％，Nb：0.02～0.10％，Si：0.02～0.04％，P：0～0.015％，S：0～0.005％，Ti：0.01～0.03％，Cr：0.05～0.5％，Mo：0.1～0.5％，Fe：余量。按以下工序进行：冶炼：采用转炉炼钢，顶低复合吹炼深脱碳，采用RH真空处理进一步脱碳，并进行微合金化；TMCP：采用再结晶和未再结晶两阶段控轧，高温阶段轧制温度在1050～1150℃，低温阶段轧制温度在800～950℃，终轧温度800～880℃；回火：在500～700℃进行高温回火。利用该工艺能生产出屈服强度达700MPa，且在－40℃的情况下仍能保持很高的冲击韧性。

Description

一种高强度低温用低碳贝氏体钢及其生产工艺

技术领域

本发明涉及一种钢及其生产工艺，具体的说是一种高强度低温用低碳贝氏体钢及其生产工艺。

背景技术

低碳贝氏体钢是国际上近年来发展起来的高强度、高韧性、焊接性能优良的新钢种，被誉为21世纪的钢铁材料，是现代冶金技术发展的最新产物。早在20世纪60年代，Irwin和Pickering发现当钢中碳的质量分数接近零时，钢的连续冷却转变曲线中的贝氏体鼻子就会左移，以至于在很宽范围的冷却速率下形成贝氏体组织，而且在该条件下马氏体和贝氏体组织两者之间的强度差异达到可以忽略的程度。Coldren等人给出贝氏体开始转变温度与强度的线性关系，由于缺少碳的强化作用，可以通过固溶强化获得超过690MPa的高屈服强度。另外，McEvily等人于1967年发表了钢的一份研究报告，研制出成份为0.03％C、0.7％Mn、3％Mo、3％Ni、0.05％Nb的超低碳贝氏体钢，经热机械控制工艺(TMCP)处理后，该钢的屈服强度达到了770MPa，并具有良好的低温韧性，而且该钢种焊接性能优良，同时也强调钢的洁净度同超低碳一样能改善轧制钢板的韧性，但缺点是钢中加入了大量的贵重合金元素，价格昂贵，没有得到广泛应用。美国BcthlchcmSteel发表的关于低碳贝氏体钢的文献中，低碳贝氏体钢的化学成分设计存在同样的问题，其Cr、Mo的含量分别达到了2.23％和2.35％，不但成本较高，而且Cr、Mo含量的过度增加显著降低了钢的韧性，同样没有得到广泛应用。

日本Nippon钢铁公司于20世纪80年代成功开发了寒冷地带使用的大直径高压管线ULCB钢，这种钢的成份(重量百分比)：0.02％C、2.0％Mn、0.4％Ni、0.3％Mo、0.04％Nb、0.02％Ti、0.001％B，利用Nb-B，，Ti-B或Mo-Nb-B抑制多边铁素体形核，促进相变强化的有力作用，经控制轧制得到厚20mm的板材，可以获得550MPa级的屈服强度，并具有优异的低温韧性，而且大幅降低了钢中的合金含量，标志着低碳贝氏体钢进入新的发展阶段。

进入21世纪，日本和美国对ULCB钢的研究异常活跃，日本川崎制铁公司在2003年采用轧后直接淬火并回火工艺生产了HT780ULCB，其成分为0.02C、0.23Si、2.00Mn、0.035Al、0.013Ti，另有一定量Cu、Ni、Cr、Mo，冷裂纹敏感性指数Pcm＝0.21％，50mm厚度钢板的屈服强度为713MPa，抗拉强度为830MPa，延伸率为21％，Akv-40℃为179J。据最新报道，日本最近开发出了抗拉强度590MPa的桥梁和建筑用75mm特厚超低碳贝氏体钢。

随着我国经济的持续快速发展，各工业领域对厚规格高强韧钢板的需求进一步扩大，由于低碳贝氏体钢具有优良的强韧性匹配、生产工艺流程短、成本相对较低等优点，因此国内各主要钢铁企业都相继开展了厚规格的低碳贝氏体钢的研制工作，并形成了一定的生产规模，积累了较丰富的经验。

舞钢采用电炉及炉外精炼、4200mm轧机控轧、轧后控冷等工艺，经过多次合金设计，通过严格控制加热、轧制及冷却参数，并对钢板进行适当的时效处理，开发出了强韧性匹配良好的低碳贝氏体钢，钢板的最大厚度达到50mm。力学性能达到下列要求：屈服强度σ_s＞590MPa、抗拉强度σ_b＞685、延伸率δ＞19％、-20℃的Akv≥47J。

济钢于近年进行了低碳贝氏体钢的试制工作，主要使用270mm的厚板坯在双机架中厚板轧机上进行轧制，采用TMCP工艺+轧后热处理的工艺，其产品的屈服强度达到550～640MPa，抗拉强度达到720～770MPa，0℃冲击功超过100J，延伸率相对较低，为16～18％。

安钢于2007年开发了屈服强度600MPa的D级低碳贝氏体钢。采用TMCP工艺，轧后不经热处理，其产品具有良好的综合性能及可焊性，屈服强度550～620MPa，抗拉强度在670～710MPa，延伸率平均为19％，并在-20℃具有良好的冲击韧性，其产品己形成批量规模，成功应用于煤机行业，取得了良好的经济效益。

可见，目前国外均采用淬火+回火的热处理方法生产高强度低温用低碳贝氏体钢板，其工艺流程长，能耗高。国内大部分高强度低温用低碳贝氏体钢板采用中厚板轧机进行，一般使用厚板坯(＞200mm)，采用TMCP工艺进行轧制，轧后进行回火处理，其屈服强度只达到600Mpa左右的水平，低温韧性不高，只能满足-20℃的一般要求。从目前的发展来看，对强度更高、低温韧性更优良的钢板需求将越来越大，对于屈服强度达到700Mpa以上且低温韧性更高的E级钢板的生产尚无相关的报道。

发明内容

本发明的目的是：针对以上现有技术的缺点，提出一种高强度低温用低碳贝氏体钢及其生产工艺，利用该工艺能生产出屈服强度达700MPa，且在-40℃的情况下仍能保持很高的冲击韧性，并能达到不预热焊接使用的E级钢板(厚度≤30mm)。

为了实现以上发明目的，本发明的技术方案是：高强度低温用低碳贝氏体钢的成分重量百分比设计为：C：0.03～0.10％，Mn：1.00～1.80％，Nb：0.02～0.10％，Si：0.02～0.04％，P：0～0.015％，S：0～0.005％，Ti：0.01～0.03％，Cr：0.05～0.5％，Mo：0.1～0.5％，Fe：余量。

高强度低温用低碳贝氏体钢的生产工艺按以下工序进行：

(1)冶炼：采用转炉炼钢，顶低复合吹炼深脱碳，采用RH真空处理进一步脱碳，并进行微合金化；

(2)TMCP(热机械控制工艺)：采用再结晶和未再结晶两阶段控轧，高温阶段轧制温度在1050～1150℃，低温阶段轧制温度在800～950℃，终轧温度800～880℃；

(3)回火：在500～700℃进行高温回火。

在TMCP中，轧前钢坯加热温度为1160～1230℃，以便使Nb、Ti等微合金元素充分溶入钢中，在随后的热变形过程中充分析出，提高钢的强度，并有利于轧后冷却过程中贝氏体的形成。轧后快速冷却，终冷温度控制在500～600℃，以得到贝氏体组织。

进行高温回火时，控制升温速率和保温时间，升温速率1.2～3.0分钟/mm，保温时间1.0～2.0小时，使钢中的微合金元素再次析出，进一步提高钢的强度和韧性。

本发明的优点是：成分中加入Nb，使得钢的再结晶停止温度升高到950℃以上，从而保证了钢可以在非再结晶区进行大量变形，大幅提高冷却时的相变形核率，细化组织。成分中加入了一定量的Cr、Mo等提高淬透性的元素，能够在较宽的冷速范围内得到贝氏体组织，适量的Ti等微合金元素则作为强化元素。

本发明提供的化学成分和采用TMCP+回火工艺能够生产高强度钢板，其屈服强度超过700MPa，厚度达30mm，屈强比低于0.95，且低温韧性更加优良，-40℃的冲击功超过150J，耐寒性强，综合性能稳定，其性能完全能够满足我国工程机械、采掘设备、港机等领域对高强度、高韧性、易焊接、长寿命、低成本钢的要求。本发明的的钢种贵重合金含量低，成本低廉，产品性价比高，市场竞争力强。本发明的钢种碳当量低，焊接性能优良，不预热焊接，钢板不易变形，可简化焊接工序。

另外，本发明的生产工艺与现在调质处理钢相比，可免除加热淬火工序，直接采用TMCP+回火工艺，缩短了工艺流程，减少了工时及生产设备，节约了大量能源，降低了成本，实施后经济效益显著，并且在冶炼、热加工工艺方面具有工艺简单、操作方便等优点，在工业中应用有着广泛的前景。

具体实施方式

实施例一

本实施例是规格为12mm的高强度低温用低碳贝氏体钢的生产工艺，其成分重量百分比如下表：

表1

元素	C	Mn	Si	P	S	Nb	Cr	Mo	Ti	Fe
元素	C	Mn	Si	P	S	Nb	Cr	Mo	Ti	Fe	含量(％)	0.03	1.00	0.02	0.01	0.001	0.02	0.05	0.1	0.01	余量

生产工艺按以下工序进行：

(1)冶炼：采用转炉炼钢，顶低复合吹炼深脱碳，采用RH真空处理进一步脱碳，并进行微合金化。

(2)TMCP(热机械控制工艺)：轧前钢坯加热温度为1160℃，以便使Nb、Ti等微合金元素充分溶入钢中，在随后的热变形过程中充分析出，提高钢的强度，并有利于轧后冷却过程中贝氏体的形成。采用再结晶和未再结晶两阶段控轧，高温阶段轧制在1050℃，通过轧制道次之间的再结晶充分细化奥氏体晶粒；低温阶段的轧制在800℃，经过多道次大压下量的积累，使奥氏体晶粒充分变形而不发生再结晶，为随后冷却过程中的相变提供更多的形核位置，使组织进一步细化，而有意避开部分再结晶区，以防止发生部分再结晶导致出现混晶，终轧温度800℃。轧后快速冷却，终冷温度控制在500℃，以得到贝氏体组织。

(3)回火：进行500℃的高温回火，升温速率1.2分钟/mm，保温时间1.0小时，使钢中的微合金元素再次析出，进一步提高钢的强度和韧性。

实施例二

本实施例是规格为16mm的高强度低温用低碳贝氏体钢的生产工艺，其成分重量百分比如下表：

表2

元素	C	Mn	Si	P	S	Nb	Cr	Mo	Ti	Fe
元素	C	Mn	Si	P	S	Nb	Cr	Mo	Ti	Fe	含量(％)	0.05	1.2	0.08	0.012	0.002	0.04	0.1	0.2	0.02	余量

生产工艺按以下工序进行：

(2)TMCP(热机械控制工艺)：轧前钢坯加热温度为1180℃，以便使Nb、Ti等微合金元素充分溶入钢中，在随后的热变形过程中充分析出，提高钢的强度，并有利于轧后冷却过程中贝氏体的形成。采用再结晶和未再结晶两阶段控轧，高温阶段轧制在1080℃，通过轧制道次之间的再结晶充分细化奥氏体晶粒；低温阶段的轧制在850℃，经过多道次大压下量的积累，使奥氏体晶粒充分变形而不发生再结晶，为随后冷却过程中的相变提供更多的形核位置，使组织进一步细化，而有意避开部分再结晶区，以防止发生部分再结晶导致出现混晶，终轧温度820℃。轧后快速冷却，终冷温度控制在520℃，以得到贝氏体组织。

(3)回火：进行550℃的高温回火，升温速率1.5分钟/mm，保温时间1.2小时，使钢中的微合金元素再次析出，进一步提高钢的强度和韧性。

实施例三

本实施例是规格为20mm的高强度低温用低碳贝氏体钢的生产工艺，其成分重量百分比如下表：

表3

元素	C	Mn	Si	P	S	Nb	Cr	Mo	Ti	Fe
元素	C	Mn	Si	P	S	Nb	Cr	Mo	Ti	Fe	含量(％)	0.06	1.5	0.1	0.013	0.003	0.05	0.3	0.3	0.03	余量

生产工艺按以下工序进行：

(2)TMCP(热机械控制工艺)：轧前钢坯加热温度为1200℃，以便使Nb、Ti等微合金元素充分溶入钢中，在随后的热变形过程中充分析出，提高钢的强度，并有利于轧后冷却过程中贝氏体的形成。采用再结晶和未再结晶两阶段控轧，高温阶段轧制在1100℃，通过轧制道次之间的再结晶充分细化奥氏体晶粒；低温阶段的轧制在900℃，经过多道次大压下量的积累，使奥氏体晶粒充分变形而不发生再结晶，为随后冷却过程中的相变提供更多的形核位置，使组织进一步细化，而有意避开部分再结晶区，以防止发生部分再结晶导致出现混晶，终轧温度850℃。轧后快速冷却，终冷温度控制在550℃，以得到贝氏体组织。

(3)回火：进行600℃的高温回火，升温速率1.8分钟/mm，保温时间1.5小时，使钢中的微合金元素再次析出，进一步提高钢的强度和韧性。

实施例四

本实施例是规格为25mm的高强度低温用低碳贝氏体钢的生产工艺，其成分重量百分比如下表：

表4

元素	C	Mn	Si	P	S	Nb	Cr	Mo	Ti	Fe
元素	C	Mn	Si	P	S	Nb	Cr	Mo	Ti	Fe	含量(％)	0.08	1.60	0.2	0.014	0.004	0.08	0.4	0.15	0.02	余量

生产工艺按以下工序进行：

(2)TMCP(热机械控制工艺)：轧前钢坯加热温度为1210℃，以便使Nb、Ti等微合金元素充分溶入钢中，在随后的热变形过程中充分析出，提高钢的强度，并有利于轧后冷却过程中贝氏体的形成。采用再结晶和未再结晶两阶段控轧，高温阶段轧制在1130℃，通过轧制道次之间的再结晶充分细化奥氏体晶粒；低温阶段的轧制在920℃，经过多道次大压下量的积累，使奥氏体晶粒充分变形而不发生再结晶，为随后冷却过程中的相变提供更多的形核位置，使组织进一步细化，而有意避开部分再结晶区，以防止发生部分再结晶导致出现混晶，终轧温度870℃。轧后快速冷却，终冷温度控制在580℃，以得到贝氏体组织。

(3)回火：进行650℃的高温回火，升温速率3.0分钟/mm，保温时间1.8小时，使钢中的微合金元素再次析出，进一步提高钢的强度和韧性。

实施例五

本实施例是规格为30mm的高强度低温用低碳贝氏体钢的生产工艺，其成分重量百分比如下表：

表5

元素	C	Mn	Si	P	S	Nb	Cr	Mo	Ti	Fe
元素	C	Mn	Si	P	S	Nb	Cr	Mo	Ti	Fe	含量(％)	0.10	1.80	0.4	0.015	0.005	0.10	0.5	0.5	0.03	余量

生产工艺按以下工序进行：

(2)TMCP(热机械控制工艺)：轧前钢坯加热温度为1230℃，以便使Nb、Ti等微合金元素充分溶入钢中，在随后的热变形过程中充分析出，提高钢的强度，并有利于轧后冷却过程中贝氏体的形成。采用再结晶和未再结晶两阶段控轧，高温阶段轧制在1150℃，通过轧制道次之间的再结晶充分细化奥氏体晶粒；低温阶段的轧制在950℃，经过多道次大压下量的积累，使奥氏体晶粒充分变形而不发生再结晶，为随后冷却过程中的相变提供更多的形核位置，使组织进一步细化，而有意避开部分再结晶区，以防止发生部分再结晶导致出现混晶，终轧温度880℃。轧后快速冷却，终冷温度控制在600℃，以得到贝氏体组织。

(3)回火：进行700℃的高温回火，升温速率3.0分钟/mm，保温时间2.0小时，使钢中的微合金元素再次析出，进一步提高钢的强度和韧性。

实施例一到实施例五所得的高强度低温用低碳贝氏体钢的性能如下表所示：

表6

本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims

1.一种高强度低温用低碳贝氏体钢，其成分重量百分比为：C：0.03～0.10％，Mn：1.00～1.80％，Nb：0.02～0.10％，Si：0.02～0.04％，P：0～0.015％，S：0～0.005％，Ti：0.01～0.03％，Cr：0.05～0.5％，Mo：0.1～0.5％，Fe：余量。

2.如权利要求1所述的高强度低温用低碳贝氏体钢的生产工艺，其特征在于：按以下工序进行：

(2)TMCP：采用再结晶和未再结晶两阶段控轧，高温阶段轧制温度在1050～1150℃，低温阶段轧制温度在800～950℃，终轧温度800～880℃；

(3)回火：在500～700℃进行高温回火。

3.如权利要求2所述的高强度低温用低碳贝氏体钢的生产工艺，其特征在于：所述工序(2)中，轧前钢坯加热温度为1160～1230℃。

4.如权利要求2所述的高强度低温用低碳贝氏体钢的生产工艺，其特征在于：所述工序(2)中，轧后快速冷却，终冷温度为500～600℃。

5.如权利要求2所述的高强度低温用低碳贝氏体钢的生产工艺，其特征在于：所述工序(3)中，升温速率1.2～3.0分钟/mm，保温时间1.0～2.0小时。