CN101603119A

CN101603119A - 用热轧卷板制造高强度高韧性钢板的方法

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Publication number: CN101603119A
Application number: CNA2009100123617A
Authority: CN
Inventors: 马景怡
Original assignee: Individual
Current assignee: Wuhan Wugang Industrial Mechanical And Electrical Materials Engineering Co ltd
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2029-07-03
Also published as: CN101603119B

Abstract

本发明涉及一种用热轧卷板制造高强度高韧性钢板的制造方法。首先是将热轧卷板在开平机组上开平后，然后进行调质热处理，即在感应加热设备中加热，加热时间为60－140s内，加热到910－960℃奥氏体化；然后进入水冷或汽雾冷却淬火机组淬火，其淬火冷却速度为≥5℃/s，淬火后得到淬火马氏体组织；对淬火后进行回火，回火采用感应加热设备进行感应加热，其加热温度为220－440℃，回火时间80－180s，得到回火马氏体组织；最后进行矫直、探伤、表面检查、取样检验，最终得到性能优异的高强度高韧性钢板。本发明的优点是：由于调质处理采用感应加热方法，加热时间短，奥氏体晶粒细小，机械性能优于用传统工艺生产的同类产品，钢板板型好，生产效率高，设备投资低，设备维护费用少、占地面积小、环境污染少。

Description

用热轧卷板制造高强度高韧性钢板的方法

技术领域

本发明属于冶金制造机械结构件热处理技术领域，特别涉及一种用热轧卷板制造高强度高韧性钢板的方法。

背景技术

高强度高韧性钢板是装备制造业生产重要原料，它可以用于重型卡车、汽车吊臂、装载机等重要结构件的制造领域。

传统的高强度高韧性钢板的制造方法是采用连铸钢坯，在中厚板轧机轧制成原平板，切除四边，经过热处理加热炉将钢板奥氏体化后，在淬火机组内淬火，得到淬火马氏体，再经过回火热处理炉加热到回火热温度后，保温一定时间后空冷，得到回火马氏体组织，最终得到高强度高韧性钢板。传统工艺生产这类产品工序繁杂、能耗高、成材率低、产品质量低、薄规格高强度高韧性钢板无法生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种用热轧卷板制造高强度高韧性钢板的方法，它是通过感应加热调质工艺，制造出具有性能均匀、板型好、设备投资少、成材率高、产品规格薄(1.5～5mm)、生产效率高、生产成本低和能源消耗少高强度高韧性钢板的方法。

本发明的用热轧卷板制造高强度高韧性钢板的方法，包括冶炼工艺过程、炉外精炼、制成连铸板坯，采用热连轧机组或炉卷轧机轧制成的热轧卷板，其特征在于：将热轧卷板在开平机组上开平，对开平钢板采用感应加热进行调质热处理，制造出高强度高韧性钢板，所述的高强度高韧性钢板各化学元素质量百分比为：C：0.10-0.20％、Si：0.10-0.45％、Mn：0.70-1.45％、Ni：0.02-0.80％、Cr：0.15-0.65％、Mo：0.20-0.65％、Cu：0-0.30％、Nb：0.010-0.060％、V：0.020-0.070％、Ti：0.002-0.030％、Al：0.010-0.065％、B：0.0005-0.0040％、Zr：0-0.0005％、P＜0.020％、S＜0.010％、N＜0.0080％其余为铁。其调质热处理方法具体步骤如下：

1)将上述开平板，送入感应加热设备进行感应加热，加热时间为60-140s内，加热到910-960℃奥氏体化；

2)加热好的高强度高韧性钢板进入水冷或汽雾冷却淬火机组进行淬火，淬火冷却速度为≥5℃/s，淬火后得到淬火马氏体组织；

3)对淬火后的开平板进行回火，回火采用感应加热设备进行感应加热，其加热温度为240-420℃，回火时间80-180s，得到回火马氏体组织；

4)最后进行矫直、探伤、表面检查、取样检验，最终得到性能优异的高强度高韧性钢板。

按照本发明，当制造厚度为12mm，用各化学元素质量百分比为：C：0.17％、Si：0.25％、Mn：1.25％、Ni：0.05％、Cr：0.21％、Mo：0.61％、Cu：0.01％、Nb：0.015％、V：0.038％、Ti：0.025％、Al：0.035％、B：0.0015％、P：0.018％、S：0.004％、N：0.0035％，其余为铁的12mm厚热轧卷板制造屈服强度Reh≥1030MPa高强度高韧性钢板时，其热处理工艺过程为：在感应加热设备内加热到940℃奥氏体化，加热时间为100s，淬火冷却速度20℃/s，在感应加热设备内加热到290℃进行回火，回火时间120s。获得机械性能为：Reh：1080MPa、Rm：1280MPa、A％：13％、Akv-40℃：98J的高强度高韧性钢板。

本发明的冶金化学成分设计思想如下：

高强度高韧性钢板在成分设计上对C、Mn、Si、Nb、V、Ti、Ni、Cr、Mo、Cu、B、Al等合金元素的最佳组合进行了大量的研究，从而在较宽广的冷却速度范围内能够得到淬火马氏体，通过合理的淬火得到淬火马氏体组织，经过合理的回火温度回火，得到回火马氏体组织，屈服强度可达900-1300MPa、抗拉强度达到950-1680MPa、Akv-40℃≥47J的高强度高韧性钢板。

本发明各元素成分设计范围和组合理由说明：

0.10％≤C≤0.20％

碳是较强的固熔强化元素，能显著提高钢板强度，但C含量过高会使韧性和塑性明显恶化，钢板的焊接性能变为困难，合金元素在奥氏体中固熔量减少。因此在设计钢成分时尽可能降低碳的含量，以保证钢板具有良好的焊接性能、和低温冲击韧性和焊接性能。因此C含量应在0.10-0.20％。

0.70％≤Mn≤1.45％

Mn是弱碳化物形成元素，它在冶炼中的具有脱氧和消除硫的影响，可以降低奥氏体转变温度，细化铁素体晶粒，对提高钢板强度和韧性有益。同时还能固溶强化铁素体和增加钢的淬透性。但含Mn量超过1.5％左右时，则会有孪晶马氏体出现，使钢的延展性变坏。因此在成分设计时Mn含量一般在0.80％-1.50％之间，最佳含量是控制范围是0.80-1.40％。

0.10％≤Si≤0.45％

Si具有脱氧作用和固溶强化作用，能极大延缓碳化物的形成，增加奥氏体稳定性。但Si含量过高的钢种易出现夹杂物，Si含量过高对大线能量热输入时焊接区域局部脆性有危害性。因此控制硅含量在0.15-0.45％。

P≤0.020％

P是钢中的有害元素。P在晶界偏析，会恶化韧性，P含量高低直接影响到钢板的塑性和韧性。应尽量减少其含量，应保证P含量≤0.020％以下。

S≤0.005％

S是钢中的有害元素。MnS的存在会降低钢的塑性和强韧性，降低钢的延伸率。MnS有一定塑性，随轧制方向拉长延伸，加大了钢的各向异性，这对钢的横向性能非常不利。S与Fe形成的FeS，使钢在热轧和焊接中产生热脆裂纹。应保证S含量≤0.005％以下。

0.15％≤Cr≤0.65％

添加Cr可以降低钢种的相变点，细化组织，有效地提高强度，还可以提高钢种抗氧化性及高温耐腐蚀性能等，但是Cr添加过的多，析出的组织粗大，导致钢的脆化。Cr的量最高不超过0.65％为好，最佳含量在0.60％左右。

0.010％≤Nb≤0.060％

添加能显著细化晶粒和具有中度析出强化作用。Nb细化晶粒的强烈效果与在轧制时碳氮化铌能效地提高奥氏体的再结晶温度。Nb的另一个重要作用是，在低碳钢中降低相变变温度，使淬火时促进马氏体的形成。Nb的加入量与钢种的C含量有关，C含量在0.13-0.20％时，Nb的最大加入量为0.050％，当Ti-Nb-Mo共存时会呈现良好的韧性。因此添加Nb含量≤0.060％。

0.002％≤Ti≤0.030％

Ti具有有效的固氮作用，在钢水中加入B元素之前，必须要加入Ti元素。Ti能够以钛的氮化物形式固定游离氮原子，所以它可以阻止游离氮与B的形成了BN在晶界析出，防止钢的冲击韧性恶化。Ti同时能提高基体金属和焊接热影响区的低温韧性，Ti对焊接热影响区处晶粒长大起到遏制作用，由于TiN的众多形核质点，可以有效地细化焊缝处的晶粒组织，有效地提高焊缝、熔合线的强度和冲击韧性。但过多添加Ti会引起钛的氮化物的粗化，对低温韧性不利，因此Ti的含量一般控制在0.002-0.030％左右，最佳含量在0.015％左右。

0％≤Cu≤0.030％

在钢中加入Cu可以提高钢的耐蚀性、强度，改善焊接性、成型性与机加工性能等。按照强度要求，Cu含量应控制在0-0.030％之间。

0.002％≤Ni≤0.80％

Ni在钢中不但能很好的起到固溶强化的作用，还可以改善韧性，另外它可以很好地提高钢的耐蚀性，以及减轻Cu的偏聚。但Ni是较贵的微合金元素，且加入量较多时与其强度和韧性性能并不与加入量成正比。其含量应控制在0.80％以下。

0.20％≤Mo≤0.65％

Mo在钢中有固溶强化作用，可提高钢的淬透性。Mo属于缩小奥氏体相区的元素，Mo在钢中存在于固溶体相和碳化物相中。在碳化物相中，当Mo含量较低时，与铁及碳形成复合的渗碳体；当Mo含量较高时，则形成Mo的特殊碳化物。Mo促进马氏体转变，但Mo含量过高会使焊接性能和延展性变差。因此控制Mo含量在0.20-0.65％。

0.0005％≤B≤0.0040％

B是强淬透性元素和强化元素，少量的B加入之后会显著地提高异型钢管的淬透性，能降低淬火时对冷却速度的要求。B加入时之前，应通过加入Ti将钢中的游离N元素固定，然后再加入B元素，否则B会和钢中的N形成BN在晶界中析出，导致冲击严重恶化。

0.010％≤Al≤0.065％

Al是细化晶粒的元素，加入Al过量会形成AlN导致连铸时候形成表面裂纹，因此最佳的加入量为0.030-0.050％。

0.0％≤Zr≤0.0005％

钢中添加Zr，钢板的强度，耐蚀性，耐磨性都会得到极大的改善和提高，微量的Zr能在焊接时，在熔池中形成细小的形核质点，防止焊接过程中晶粒粗化，导致冲击韧性恶化。添加过多的Zr会在钢板中形成夹杂物，在添加Ti元素的钢种中，可以不添加Zr元素，Zr的最佳的添加量为0.0002％。

N≤0.0080％

少量的N可以与V形成氮化钒和碳氮化铌，能有效的阻止钢坯加热时奥氏体组织晶粒长大，轧后可以起到析出强化作用。但N与B具有较强的亲和作用，一旦形成BN在晶界析出，就会严重恶化冲击韧性，为了防止形成BN形成。在加入B元素之前，先加入Ti元素固N处理，因此要控制N含量N≤0.0080％。

本发明的优点是：采用感应加热设备对热轧卷板时行调质热处理方法比采用传统的热处理方法有着无可比拟的优点。感应加热热效率高，将感应圈密闭充入氮气可以实现无氧化加热，它能让加热的热轧卷板开平钢板沿断面厚度同时加热，加热时间短奥氏体晶粒细小，加热均匀，加热温度控制精确而且容易，设备投资低，设备维护费用少、占地面积小、环境污染少等优点。完全可以替代中厚板轧机生产的同钢种平板使用，而且可以生产一些中厚板轧机无法生产的厚度小于5mm的高强度高韧性优质钢板。

附图说明：

图1示出了用热轧卷板制造高强度高韧性钢板的方法的流程图。

图2为用热轧卷板制造出的高强韧性吊臂钢管，屈服为1030MPa钢的CCT曲线图；

图3为用热轧卷板制造出的高强韧性吊臂钢管，屈服为1030MPa钢在冷速为20℃/s的典型组织形貌图；

图4为用热轧卷板制造出的高强韧性吊臂钢管，屈服为1030MPa钢350℃回火后的典型组织形貌图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明：

如图1所示，本发明用热轧卷板制造高强度高韧性钢板的方法主要采用A、B、C、D四个工序。；包括冶炼工艺过程、炉外精炼、制成连铸板坯，采用热连轧机组或炉卷轧机轧制成的热轧卷板，其特征在于：将热轧卷板在开平机组上开平，对开平钢板采用感应加热进行调质热处理，制造出高强度高韧性钢板，所述的高强度高韧性钢板各化学元素质量百分比为：C：0.10-0.20％、Si：0.10-0.45％、Mn：0.70-1.45％、Ni：0.02-0.80％、Cr：0.15-0.65％、Mo：0.20-0.65％、Cu：0-0.30％、Nb：0.010-0.060％、V：0.020-0.070％、Ti：0.002-0.030％、Al：0.010-0.065％、B：0.0005-0.0040％、Zr：0-0.0005％、P＜0.020％、S＜0.010％、N＜0.0080％，其调质热处理方法具体步骤如下：

4)最后进行矫直、探伤、表面检查、取样检验，最终得到性能优异的高强韧、耐磨钢板。

如图1所示，本发明的制造方法是将上述热轧卷板，通过A工序的开平机组把卷板开平、用B工序的感应加热设备将开平钢板加热到奥氏体化温度，然后在C工序的水冷或气雾冷却淬火机组内对钢板淬火，钢板淬火后得到淬火马氏体组织，在D工序用感应加热设备把淬火马氏体组织的钢板加热到回火温度进行回火，经过回火的钢板金相组织转变为回火马氏体组织。最后进行矫直、表面质量检查、进行性能检验、包装入库等工序环节，分别生产出性能均匀、板型良好的高强度高韧性钢板。

本发明的生产方法还可以将上述热轧卷板，通过A工序卷板开平机组开平、利用B工序的感应加热设备将钢板加热到奥氏体化温度，在D工序用感应加热设备继续加热以延长奥氏体化温度时间或只用A工序加热，然后空气自然冷却，得到细化的珠光体和铁素体组织，这种制造方法在提高了冲击韧性的同时也消除了钢板的内应力，再进行矫直、表面质量检查、切割、性能检验、包装入库等一系列加工，最终生产出性能均匀、板型良好高强度高韧性钢板。

对卷板的轧制技术的说明：

本发明的卷板制造工艺采用热连轧或炉卷轧机进行制造，轧制工艺与轧制普通板卷基本相同，然后将热轧卷板在开平机组上开平，为后续制造高强度高韧性钢板创造条件。对热处理技术的说明：

本发明采用的是在感应加热设备中感应加热，将高强度高韧性钢板在60-140s内加热到奥氏体淬火温度，加热到910-960℃奥氏体化，该种加热方式热效率高，设备投资低，将感应加热圈密闭充氮气，会保证加热的异型钢管实现无氧化的效果，感应加热加热速度快，奥氏体化后的组织细化，碳化物成细小弥散分布，经过水冷或气雾淬火机组淬火后，得到更加细化的淬火马氏体组织，在感应加热设备内加热到回火温度回火后，可以把淬火马氏体组织转变为回火马氏体组织，这种细小的回火马氏体组织对韧性、强度提高有明显的作用。

对感应加热的说明：

感应加热是电加热中，电能转化成热能效率最高的一种加热方式，它是通过高频感应线圈在钢板中产生涡流电流使钢板加热，根据钢板不同厚度，选择不同频率的感应电源以保证热透性。这种加热方法是沿钢板厚度方向所有断面同时加热，彻底改变了过去加热炉加热是从钢板外面向钢板心部传热的方式，加热速度快，加热质量好，钢板在奥氏体高温区停留时间短，奥氏体晶粒来不及长大，可以得到细化的奥氏体晶粒，经过淬火后得到的淬火马氏体晶粒将更细化，回火后钢板的机械性能，优于传统的热处理方法的钢板性能。

对于不同机械性能要求的高强度高韧性钢板，应选用不同的组分重量百分比和不同的热处理工艺参数。

实施例

用各化学元素质量百分比为：C：0.17％、Si：0.25％、Mn：1.25％、Ni：0.05％、Cr：0.21％、Mo：0.61％、Cu：0.01％、Nb：0.015％、V：0.038％、Ti：0.025％、Al：0.035％、B：0.0015％、P：0.018％、S：0.004％、N：0.0035％，其余为铁的12mm厚热轧卷板制造屈服强度Reh≥1030MPa高强度高韧性钢板时，其热处理工艺过程为：在感应加热设备内加热到940℃奥氏体化，加热时间为100s，淬火冷却速度20℃/s，在感应加热设备内加热到290℃进行回火，回火时间120s。获得机械性能为：Reh：1080MPa、Rm：1280MPa、A％：13％、Akv-40℃：98J的高强度高韧性钢板。

图2示出了利用Formastor-F热膨胀仪，结合金相组织观察及硬度测试，绘制出的Reh为1030MPa钢CCT曲线图。当冷速为20℃/s时，所得完全的马氏体组织，如图3所示；图4为300℃回火100s后的典型组织形貌图。

本发明的方法如果是采用耐磨钢板的化学成分的卷板，还可以生产出耐磨钢板，其热处理方法相同。本发明也可以用于钢板的正火和消除内应力回火用途。

本发明的生产的方法可以是连续式生产，也可以是单张钢板生产，连续式生产和单张生产，所采用的感应热处理设备和淬火设备工艺参数完全相同。

Claims

1、一种用热轧卷板制造高强度高韧性钢板的方法，包括冶炼工艺过程、炉外精炼、制成连铸板坯，采用热连轧机组或炉卷轧机轧制成的热轧卷板，其特征在于：将热轧卷板在开平机组上开平，对开平钢板采用感应加热进行调质热处理，制造出高强度高韧性钢板，所述的高强度高韧性钢板各化学元素质量百分比为：C：0.10-0.20％、Si：0.10-0.45％、Mn：0.70-1.45％、Ni：0.02-0.80％、Cr：0.15-0.65％、Mo：0.20-0.65％、Cu：0-0.30％、Nb：0.010-0.060％、V：0.020-0.070％、Ti：0.002-0.030％、Al：0.010-0.065％、B：0.0005-0.0040％、Zr：0-0.0005％、P＜0.020％、S＜0.010％、N＜0.0080％，其调质热处理方法具体步骤如下：

2)加热好的高强韧、耐磨钢板进入水冷或汽雾冷却淬火机组进行淬火，淬火冷却速度为≥5℃/s，淬火后得到淬火马氏体组织；

2、根据权利要求1所述的用热轧卷板制造高强度高韧性钢板的制造方法，其特征在于，当制造厚度为12mm高强度高韧性钢板用各化学元素质量百分比为：C：0.17％、Si：0.25％、Mn：1.25％、Ni：0.05％、Cr：0.21％、Mo：0.61％、Cu：0.01％、Nb：0.015％、V：0.038％、Ti：0.025％、Al：0.035％、B：0.0015％、P：0.018％、S：0.004％、N：0.0035％，其余为铁的12mm厚热轧卷板制造屈服强度Reh≥1030MPa高强度高韧性钢板时，其热处理工艺过程为：在感应加热设备内加热到940℃奥氏体化，加热时间为100s，淬火冷却速度20℃/s，在感应加热设备内加热到290℃进行回火，回火时间120s。获得机械性能为：Reh：1080MPa、Rm：1280MPa、A％：13％、Akv-40℃：98J的高强度高韧性钢。