CN102071362A - 一种高性能低碳贝氏体钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料领域，尤其涉及钢铁冶炼及压延工艺技术领域。本发明提供了一种高性能低碳贝氏体钢及生产方法，其化学成分含量(wt％)为：C＝0.03-0.10％，Si＝0.05-0.5％，Mn＝1.0-2.0％，Cr＝0.1-0.5％，Mo＝0.1-0.5％，Nb＝0.01-0.10％，Ti＝0.005-0.10％，Al＝0.02-0.06％，其余为Fe。采用转炉冶炼、LF精炼、微合金化及Ca处理，然后连铸；轧制过程采用TMCP工艺，采用两阶段控轧，随后进行加速冷却，之后空冷。该钢种含碳量低，低温韧性好，而且具有良好的抗层状撕裂性能及冷弯成型性能。不需弛豫和回火处理，工艺简单，既提高了强度，又降低了成本。产品可以广泛应用于工程机械、挖掘机械、重型汽车、船舶、集装箱及海洋设施等领域。

Description

一种高性能低碳贝氏体钢及生产方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，尤其涉及钢铁冶炼及压延工艺技术领域。

背景技术

目前高性能低碳贝氏体钢主要应用于石油天然气管线、工程机械、海洋设施、汽车、桥梁、造船、压力容器等领域，并且对强度、韧性的要求日益提高。现有的低碳贝氏体钢大多添加Cu，为避免Cu的加入引起的热脆性，一般必须同时加入Ni，Ni的添加将造成生产成本大幅提高。另外，这类低碳贝氏体钢中都通过添加B来提高淬透性，但B的添加将增加连铸坯表面裂纹形成几率，同时容易提高焊接裂纹敏感性。这类钢的生产工艺大多采用弛豫析出控制相变技术，有的甚至要辅以后续高温回火，该技术虽然可以获得高强度、高韧性的低碳贝氏体钢，但同时降低了生产节奏。

鞍钢股份公司的一项申请号为200610134087.7，名为“高性能低碳贝氏体结构钢及其生产方法”的中国专利，其化学成分(wt％)为：C＝0.04-0.07％，Si＝0.20-0.50％，Mn＝1.50-1.80％，Nb＝0.03-0.06％，Ti＝0.005-0.030％，Cr＝0.25-0.50％，Cu＝0.30-0.60％，Ni＝0.20-0.50％，Als＝0.010-0.070％，余量为Fe。其抗拉强度达到590MPa级别，且低温冲击韧性优良。价格昂贵的Ni含量较高，生产采用TMCP+RPC工艺。即热机械控制工艺+弛豫析出控制相变技术。并在冷后回火，生产周期较长，生产成本提高。

北京科技大学一项申请号为01115650.3，名为“一种用于高强度低合金钢生产的弛豫-析出-控制相变技术”的中国专利，其化学成分(wt％)为C＝0.03-0.07％，Mn＝1.3-1.8％，Si＝0.15-0.5％，Nb＝0.03-0.10％，Ti＝0.02-0.10％，B＝0.0005-0.0025％，Ni＝0.2-0.4％，Mo＝0.05-0.35％，Cu＝0.2-0.6％，余量为Fe。通过采用TMCP+RPC工艺，即热机械控制工艺+弛豫析出控制相变技术。水冷后进行600℃以上回火，获得了屈服强度为800MPa级别的低碳贝氏体钢。然而，其Nb、Ti元素含量较高，重量百分含量分别为0.091％和0.08％，给连铸生产带来较大的难度，不利于大规模生产。另外，弛豫和高温回火也使生产成本提高。

本发明为克服已开发的高性能贝氏体钢，其中Ni、Nb、Ti等元素含量较高并且采用TMCP+RPC或弛豫和高温回火生产工艺，既增加生产成本同时也给连铸、轧制生产带来较大的难度，不利于大规模生产等不足，发明一种采用Mn-Cr-Mo-Nb-Ti合金系的，低成本高强韧性低碳贝氏体钢及生产方法。

在Mn-Cr-Mo-Nb-Ti合金系中的各个元素的作用如下：

C是奥氏体稳定化元素，作为间隙原子，能起到有效的固溶强化作用，而且C是提高淬透性最有效的元素；但是C含量高，直接导致焊接困难，需要焊前预热及焊后热处理；同时高的C含量对韧性危害极大，C含量降至低于0.1％时，C当量对冷裂纹敏感性影响不大，即使钢中其他合金元素的加入使C当量较高，钢种仍具有较优的焊接性能。同时，C含量的降低将大大降低渗碳体的形成几率，从而有效提高钢种的低温冲击韧性。在低碳贝氏体钢中，C含量通常低于0.1％，固溶强化效果大大削弱，为保证强度需要添加其他合金元素，利用奥氏体再结晶实现组织细化，通过相变强化实现高强度，同时保持高韧性。

Mn是奥氏体稳定化元素，在钢中能显著扩大奥氏体相区，降低相变温度，在热变形过程中Mn能够增大奥氏体变形抗力，延迟奥氏体再结晶，细化相变组织。尤其在C含量降低时，提高Mn含量能够有效保证强度和韧性。在过冷奥氏体冷却过程中，在铁素体-奥氏体界面处Mn元素存在明显的富集，对相界迁移起拖曳与类拖曳作用，从而显著降低贝氏体相变的驱动力，降低贝氏体转变开始温度。

Cr降低碳的扩散速度，抑制铁素体和珠光体转变，使贝氏体转变向低温区移动，降低贝氏体相变点。Cr也能够稳定奥氏体，相对Mo和Ni，Cr在低温和中温转变阶段均有较强的稳定奥氏体的作用，且具有成本上的优势。低碳贝氏体钢中，Cr能够有效促进板条贝氏体或针状铁素体的相变，有效提高强度。

Mo能够增加碳在奥氏体中的扩散激活能，降低碳的扩散系数，从而强烈阻碍先共析铁素体的形核和长大过程，抑制铁素体转变。Mo可使铁素体-珠光体相变的C曲线右移，在较大冷却速度范围内得到贝氏体，促进贝氏体型转变。

Nb是控制轧制中最有利的元素，能够有效延迟奥氏体再结晶，提高奥氏体再结晶温度，从而阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒。其中，固溶铌能够对奥氏体晶界及亚晶界产生溶质拖曳，Nb的细小碳氮化物能够以质点“钉扎”形式抑制晶界及亚晶界运动。在控制轧制过程中，通过轧制及冷却工艺参数的调整，可以使部分固溶态的Nb在铁素体中以碳氮化物的形式沉淀析出，对铁素体起到析出强化的作用。尤其在Mo存在的情况下，Nb的析出更加细小弥散，沉淀强化作用也更加明显。

Ti可以形成氮化物，在板坯加热和轧制过程中通过抑制奥氏体晶粒粗化从而获得细化的奥氏体晶粒。另外，氮化钛颗粒能够抑制焊接热影响区的晶粒粗化，从而提高焊接热影响区的低温韧性。TiC可以在较低的温度析出，从而产生沉淀强化效果。

Si是炼钢脱氧的必要元素，并具有一定的强化作用。当Si含量超过0.5％是，钢的洁净度下降，韧性降低，焊接性能变差。当Si含量低于0.05％时，难以获得理想的脱氧效果。

Al是脱氧元素，可以形成AlN有效细化晶粒。当Al超过0.07％时，脱氧作用饱和，当Al含量低于0.01％时，脱氧效果不明显。

P和S是钢中有害的杂质元素，其上限控制在P≤0.015％，S≤0.005％，以提高钢的韧性。

本发明的Mn-Cr-Mo-Nb-Ti合金系，即以Mn、Mo、Cr、Nb、Ti为主，以Al为辅。其化学成分重量百分含量(wt％)C＝0.03-0.10％，Si＝0.05-0.5％，Mn＝1.0-2.0％，Cr＝0.1-0.5％，Mo＝0.1-0.5％，Nb＝0.01-0.10％，Ti＝0.005-0.10％，Al＝0.02-0.06％。其余为Fe。

上述Mn-Cr-Mo-Nb-Ti合金系的高性能低碳贝氏体钢及其生产方法是，采用转炉顶底复合冶炼后，进行LF精炼处理，再进行微合金化及Ca处理，然后进行连铸；轧制过程采用TMCP工艺，钢坯轧前加热温度为1150-1250℃，采用两阶段控轧，第一阶段再结晶区轧制温度为≥1000℃，第二阶段未再结晶区轧制温度为950℃-(Ar3+0℃-80℃)，随后立即进入冷却水箱进行加速冷却，冷却速度为5-30℃/s，冷却终止温度控制在Bs点以下0-150℃，之后空冷。

所述的采用两阶段控轧，第一阶段再结晶区轧制温度为1000℃-1100℃，道次压下率大于15％；第二阶段未再结晶区轧制温度为940℃-850℃，累积压下率大于60％，冷却终止温度为450-600℃。在微合金化工序中添加Cr、Mo、Nb、Ti、Al，然后再根据钢中的S含量，喂Si-Ca线3-5m/吨钢进行Ca处理。连铸坯堆冷时间≥48小时，钢板水冷后进行堆垛缓冷。

由于本发明利用Cr、Mo、Nb、Ti元素的复合添加促进贝氏体相变，不含成本较高的Ni元素，不含Cu元素，板坯表面质量良好。生产时，只采用控制轧制和控制冷却工艺，不需要弛豫和回火处理，工艺简单，生产周期短，生产成本低。本发明钢种的组织类型为针状铁素体组织，该钢种碳含量较低，抗拉强度≥690MPa，-40℃低温冲击吸收功≥300J，Z向断面收缩率≥55％。

产品可以广泛应用于工程机械、挖掘机械、重型汽车、船舶、集装箱及海洋设施等领域。

实现本发明的高性能低碳贝氏体钢，主要采用以Mn、Mo、Cr、Nb、Ti为主，以Al为辅的合金系。其化学成分重量含量(wt％)C＝0.03-0.10％，Si＝0.05-0.5％，Mn＝1.0-2.0％，Cr＝0.1-0.5％，Mo＝0.1-0.5％，Nb＝0.01-0.10％，Ti＝0.005-0.10％，Al＝0.02-0.06％。其余为Fe，并且满足碳当量CEV≤0.43，裂纹敏感指数Pcm≤0.23％。

在生产工艺上采取以下技术措施。冶炼工艺。采用转炉顶底复合吹炼进行深脱碳；采用LF炉精炼并进行微合金化，结合钢中S含量和出钢量喂Si-Ca线3-5m/吨钢，进行Ca处理，控制硫化物形态，提高钢的塑性和韧性。连铸坯进行堆冷，促使氢扩散，提高铸坯内部质量。

加热工艺。轧前钢坯加热温度确定在1150-1250℃左右，保证较为细小的奥氏体晶粒，同时保证Nb的充分固溶。

轧制及冷却工艺。采用控制轧制和控制冷却工艺。采用两阶段控轧，再结晶区轧制温度控制在≥1000℃，未再结晶区轧制温度在(Ar3+30℃-80℃)-950℃，累积变形量≥50％。轧后立即进行加速冷却，冷却速度范围为5-30℃/s，冷却终止温度控制在450-600℃，之后空冷。

附图说明

图1为本发明的金相组织。(是钢坯、还是成品钢材500倍放大图)

具体实施方式

按照本发明设计的化学成分进行了冶炼、连铸、轧制，达到屈服强度达到550MPa级别的低碳贝氏体钢板的的要求。以下是实际生产中两个具体的冶炼化学成分，如表1所示。

表1、本发明钢种的冶炼成分实例，Wt％

本发明实施例所用的连铸坯厚度为250mm，板坯加热温度为1200℃，在3500mm中厚板轧机进行两阶段控制轧制，中间坯厚度保证未再结晶区累积变形量在60-70％，根据成品板厚度不同，第二阶段开轧温度在850-940℃。按照本发明的生产工艺，制造出钢板的实物力学性能检验结果如表2所示。

表2、本发明钢种的力学性能实例

从表2数据中可以看出，该钢种具有高强度、高韧性、高抗层状撕裂性能、冷弯性能优良等特点，化学成分设计上采用了低碳含量。焊接性能良好，从而使该发明钢种综合性能十分优良、用途十分广泛。

Claims (6)

1.一种高性能低碳贝氏体钢及生产方法，其特征在于其化学成分重量百分含量(wt％)为：C＝0.03-0.10％，Si＝0.05-0.5％，Mn＝1.0-2.0％，Cr＝0.1-0.5％，Mo＝0.1-0.5％，Nb＝0.01-0.10％，Ti＝0.005-0.10％，Al＝0.02-0.06％，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的高性能低碳贝氏体钢及生产方法，其特征在于采用转炉顶底复合冶炼后，进行LF精炼处理，再进行微合金化及Ca处理，然后进行连铸；轧制过程采用TMCP工艺，钢坯轧前加热温度为1150-1250℃，采用两阶段控轧，第一阶段再结晶区轧制温度为≥1000℃，第二阶段未再结晶区轧制温度为950℃-(Ar3+0℃-80℃)，随后立即进入冷却水箱进行加速冷却，冷却速度为5-30℃/s，冷却终止温度控制在Bs点以下0-150℃，之后空冷。

3.根据权利要求2所述的高性能低碳贝氏体钢及生产方法，其特征在于第一阶段再结晶区轧制温度为1000℃-1100℃，道次压下率大于15％。

4.根据权利要求2所述的低碳贝氏体钢板的生产方法，其特征在于第二阶段未再结晶区轧制温度为940℃-850℃，累积压下率大于60％，冷却终止温度为450-600℃。

5.根据权利要求2所述的高性能低碳贝氏体钢及生产方法，其特征在于在微合金化工序中添加Cr、Mo、Nb、Ti、Al，然后再根据钢中的S含量，喂Si-Ca线3-5m/吨钢，进行Ca处理。

6.根据权利要求2所述的高性能低碳贝氏体钢及生产方法，其特征在于连铸坯堆冷时间≥48小时，钢板水冷后进行堆垛缓冷。