CN101376945B

CN101376945B - 2000MPa级超高强度高韧性钢板及其制造方法

Info

Publication number: CN101376945B
Application number: CN2007100453355A
Authority: CN
Inventors: 刘俊亮; 王军艺; 王国栋
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd; Baosteel Group Corp
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2027-08-28
Also published as: CN101376945A

Abstract

本发明提供了一种2000MPa级超高强度高韧性钢板及其制造方法。本发明的2000MPa级超高强度高韧性钢板由以下化学成分组成：C：0.20～0.60％、Si：1.0～3.0％、Mn：1.0～5.0％、Mo：0.10～0.60％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明采用Mn-Si-Mo系成分，通过控轧控冷技术，获得了以贝氏体+马氏体复相为组织特征的钢板。该钢板屈服强度≥1000MPa、抗拉强度≥2000MPa、屈强比≤0.75、夏氏冲击功A_kv(-40℃)>50J、50％韧脆转变温度FATT低于-40℃。

Description

2000MPa级超高强度高韧性钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及高强度钢，具体涉及2000MPa级超高强度高韧性钢板及其制造方法。

背景技术

超高强度钢是在合金结构钢的基础上发展起来的一种高强度、高韧性合金钢，热加工工艺简单，成本相对低廉，目前已被航空、航天部门广泛采用，是制造国防尖端武器的关键材料。相对于普通强度钢，超高强度钢对氢更为敏感，使用中可能会发生氢致断裂。不同的显微组织对氢脆的敏感性不同，大致按如下次序增加：铁素体、珠光体、贝氏体、低碳马氏体、马氏体和贝氏体的混合物组织。

但由于多数超高强度钢的韧性不高，这将会缩短其使用寿命，从而使之成为此类钢推广应用的制约因素。近几年来随着汽车轻量化、铁路高速化，国外低合金超高强度钢制品如超高强度螺栓、长寿命弹簧、扭转性能良好的钢丝等的应用日益增多，因此需要更进一步提高超高强度钢的韧性。超高强度钢韧性的提高，一方面可以从冶炼入手，提高钢的洁净度和组织均匀度。对难以除去的夹杂物进行改性或无害化处理是实现该类钢高韧化的前提和基础。另一方面可以通过控制轧制、控制冷却(即TMCP)技术，配合晶粒细化和轧后处理等方法，有效细化晶粒、改善夹杂物分布、改善显微组织比例，从而实现低合金超高强度钢的高韧化。

在低合金高强度钢领域中，由贝氏体和马氏体为主组成的复相钢被认为是一类具有特殊意义的重要产品。它运用了复合材料的强韧化机制，在塑性和韧性优良的铁素体基体上引入高强度(硬度)的马氏体，并且通过准确控制两相的比例，获得理想的性能，例如低屈服比，高抗拉强度，良好的韧性、成形性和极高的加工硬化率。按照生产工艺的不同，贝氏体和马氏体复相钢可以分为两类：一类是采用连续退火工艺生产的热处理双相钢，另一类是不需要进行热处理的热轧双相钢，以后者应用更为广泛。

目前，热轧复相钢的合金成分一般是Mn-Cr-Mo-V-Nb-B系或Mn-Si-Cr-Al-B系：如US20040118489涉及的双相钢的化学成分为：C：0.02～0.15％、Mn：0.30～2.50％、Cr：0.10～2.00％、Al：0.01～0.20％、Mo≤0.50％、Ni≤0.50％、Cu≤0.50％、Nb≤0.20％、Ti≤0.20％、V≤0.20％、P≤0.10％、S≤0.03％、Ca：0.001-0.01％，该钢的屈服强度为800MPa，且成分中加入了较多种类的合金元素，如Cr、Ni、Ti等，增加了原料成本；又如EP1553202涉及一种抗氢脆超高强度钢，其化学成分为：C：0.06～0.6％、Si+Al：0.5～3％、Mn：0.5～3％、P≤0.15％、S≤0.02％，显微组织由多边形铁素体(≤50％)、贝氏体和残余奥氏体组成，抗拉强度达到1180MPa；又如DE19936151公开了一种高强度钢的化学成分：C：0.05～0.20％、Si：0～1.00％、Mn：0.80～2.00％、P：0～0.100％、S：0～0.015％、Al：0.02～0.40％、N：0～0.005％、Cr：0.25～1.00％、B：0.002-0.010％，此钢中加入了微量元素B，目的是提高钢的淬透性，但B的冶炼收得率极不稳定，在生产中难以控制，并且B易引起B(硼)脆，给钢的韧性带来极大损害。

此外，为了使钢组织获得较多的贝氏体，上述钢种均减少了C的加入量，但C的含量一旦过少，其强化作用会降低，从而造成钢的强度下降，因此从钢的微观结构来看，在工业化条件下生产的传统热轧低屈服比钢，其抗拉强度难以达到2000MPa级。

为了解决以上问题，本发明者结合合金钢强化机理，在中低碳钢中添加Mn、Si、Mo等元素，通过对轧制工艺的控制，设计出了一种以贝氏体+马氏体复相为组织特征的2000MPa级超高强度高韧性钢板，从而完成了本发明。

本发明的一个目的在于提供一种2000MPa级超高强度高韧性钢板。

本发明的另一个目的在于提供所述2000MPa级超高强度高韧性钢板的制造方法。

发明内容

本发明的第一个方面提供一种2000MPa级超高强度高韧性钢板，以重量百分比计其化学成分包含：C：0.20～0.60％、Si：1.0～3.0％、Mn：1.0～5.0％、Mo：0.10～0.60，余量为Fe和不可避免的杂质。

在一个优选实施方式中：在所述不可避免的杂质中，S、P、O、N、H总量<100mg/kg。

在另一个优选实施方式中：所述钢板的显微组织由贝氏体、马氏体和残余奥氏体组成，其中马氏体体积百分含量为5～20％、残余奥氏体体积百分含量<5％、余量为贝氏体。

本发明钢的合金元素含量少，焊接裂纹敏感性低，焊前无需很高的预热温度。

下面，对本发明的2000MPa级超高强度高韧性钢板的化学成分作用作详细叙述。

C：由于贝氏体和马氏体复相钢的强度主要取决于它的含碳量及其组织结构，而韧性主要取决于它的亚结构——低碳的贝氏体板条，它具有相当高的强度和良好的韧性，故综合考虑欲使贝氏体具有较高的强度和良好的韧性，应对钢中的含碳量有一定的限制，因此含碳量一般控制在0.2～0.6％之间。

Si：Si在钢中的作用主要是固溶强化。较高含量的Si能够提高钢的淬透性，一般钢中加Si有利于提高钢的强度和韧性。另外，Si可以增加降低氢扩散速度的奥氏体数量，并使钢可以在更高温度下回火。采用硅合金化形成无碳化物贝氏体既可以降低钢中的位错密度，又可以利用无碳化物贝氏体中的残余奥氏体膜降低氢原子在钢中的扩散速度，从而改善超高强度钢的耐延迟断裂性能。因此，本发明将Si含量限制为1.0～3.0％。

Mn：Mn在钢中的作用是固溶强化和提高淬透性，但是Mn的偏析倾向较高，因此Mn含量应为1.0～5.0％。

Mo：改善钢的耐蚀性，本发明不需要加入Ni、Cr等合金元素，只需加入少量Mo，加入量为0.1～0.6％。

本发明的第二个方面提供一种2000MPa级超高强度高韧性钢板的制造方法，该方法包括冶炼、浇铸、加热、轧制、冷却，其中在所述轧制过程中，开轧温度为1150～1200℃，当轧件厚度到达成品钢板厚度的2～3倍时，在辊道上待温至1100～1150℃，随后进行第二阶段轧制，第二阶段轧制道次变形率为10～25％，终轧温度为1000～1050℃。

在一个优选实施方式中：浇铸后的连铸坯或钢锭的厚度不小于成品钢板厚度的10倍。

在另一个优选实施方式中：在所述加热过程中，加热温度为1240～1260℃，保温时间为120～150分钟。

本发明的有益效果为：

1、本发明钢种采用Mn-Si系成分，合金种类常见且用量少，生产成本较低。

2、通过成分设计和轧制工艺的配合，获得贝氏体基体，马氏体多数呈现孤岛状分布，并有少量残余奥氏体组织，从而有利于钢板强度、塑性和韧性的匹配。

3、由于成分和工艺设计合理，从实施效果来看，工艺制度比较宽松，可以在普通生产线上稳定生产。

4、本发明超高强度高韧性钢板的屈服强度≥1000MPa、抗拉强度≥2000MPa、屈强比≤0.75、夏氏冲击功A_kv(—40℃)>50J、50％FATT低于—40℃。

附图说明

图1为本发明实施例3的2000MPa级超高强度高韧性钢板显微组织的扫描电子显微镜照片(5000×)。

图2为本发明实施例3的2000MPa级超高强度高韧性钢板显微组织的光学显微镜照片(500×)。

具体实施方式

以下用实施例结合附图对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

实施例1

按表1所示的化学成分在真空电磁感应炉中冶炼钢水，并浇铸成连铸坯或钢锭，浇铸后的连铸坯或钢锭的厚度不小于成品钢板厚度的10倍，将连铸坯或钢锭加热至1260℃，保温120分钟，在厚板轧机上进行第一阶段轧制，开轧温度为1150℃，当轧件厚度为54mm时，在辊道上待温至1100℃，随后进行第二阶段轧制，第二阶段轧制道次变形率为25％，终轧温度为1050℃，成品钢板厚度为18mm。轧制结束后，钢板空冷。

实施例2

实施方式同实施例1，其中加热温度为1250℃，保温130分钟；第一阶段开轧温度为1170℃，轧件厚度为40mm；第二阶段轧制的开轧温度为1150℃，道次变形率为10％，终轧温度为1000℃，成品钢板厚度为18mm。

实施例3

实施方式同实施例1，其中加热温度为1250℃，保温140分钟；第一阶段开轧温度为1180℃，轧件厚度为36mm；第二阶段轧制的开轧温度为1100℃，道次变形率为25％，终轧温度为1030℃，成品钢板厚度为12mm。

本实施例的2000MPa级超高强度高韧性钢板显微组织的扫描电子显微镜照片(5000×)及光学显微镜照片(500×)分别见图1和图2。

实施例4

实施方式同实施例1，其中加热温度为1240℃，保温150分钟；第一阶段开轧温度为1200℃，轧件厚度为38mm；第二阶段轧制的开轧温度为1100℃，道次变形率为15％，终轧温度为1040℃，成品钢板厚度为15mm。

表1 本发明实施例1-4的2000MPa级超高强度高韧性钢板的化学成分(wt％)

	C	Si	Mn	Mo	Fe及杂质
						实施例1	0.20	1.00	1.0	0.10	余量
实施例2	0.30	1.52	2.0	0.30	余量
						实施例3	0.40	2.10	3.0	0.35	余量
实施例4	0.60	3.00	5.0	0.60	余量

其中，杂质中的S、P、O、N、H总量<100mg/kg。

试验例

对本发明实施例1-4的2000MPa级超高强度高韧性钢板进行力学性能测试，测试结果见表2。

表2 本发明实施例1-4的2000MPa级超高强度高韧性钢板的力学性能

结合图1、图2和表2可以看出，本发明2000MPa级超高强度高韧性钢板的微观组织以贝氏体为主，且其屈服强度达到2000MPa以上，屈强比较低，同时具有良好的韧性，可作为超高强度制品用钢。

Claims

1.一种2000MPa级超高强度高韧性钢板，其特征在于，(1)以重量百分比计其化学成分包含：C：0.20～0.60％、Si：1.0～3.0％、Mn：1.0～5.0％、Mo：0.10～0.60％，余量为Fe和不可避免的杂质；在所述不可避免的杂质中，S、P、O、N、H总量＜100mg/kg；(2)所述钢板的轧制参数为：开轧温度为1150～1200℃，当轧件厚度到达成品钢板厚度的2～3倍时，在辊道上待温至1100～1150℃，随后进行第二阶段轧制，第二阶段轧制道次变形率为10～25％，终轧温度为1000～1050℃。

2.根据权利要求1所述的2000MPa级超高强度高韧性钢板，其特征在于，所述钢板的显微组织由贝氏体、马氏体和残余奥氏体组成，其中马氏体体积百分含量为5～20％、残余奥氏体体积百分含量＜5％、余量为贝氏体。

3.权利要求1所述2000MPa级超高强度高韧性钢板的制造方法，所述方法包括冶炼、浇铸、加热、轧制、冷却，其特征在于，在所述轧制过程中，开轧温度为1150～1200℃，当轧件厚度到达成品钢板厚度的2～3倍时，在辊道上待温至1100～1150℃，随后进行第二阶段轧制，第二阶段轧制道次变形率为10～25％，终轧温度为1000～1050℃。

4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，浇铸后的连铸坯或钢锭的厚度不小于成品钢板厚度的10倍。

5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，在所述加热过程中，加热温度为1240～1260℃，保温时间为120～150分钟。