CN102286695A - 一种高塑性高韧性超高强度钢板及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高塑性高韧性超高强度钢板及制造方法,该高强钢板化学成分按重量百分比计,C:0.14~0.18%,Si:0.10~0.30%,Mn:0.80~1.30%,P:≤0.015%,S:≤0.005%,Nb:0.010~0.050%,Ti:0.006~0.020%,V:0.020~0.060%,Cr:0.30~0.60%,Mo:0.20~0.80%,余量为Fe及不可避免的杂质。制造方法:采用转炉冶炼。通过TMCP工艺,随后进行调质处理。所获得的高塑性高韧性超高强度钢板组织为回火索氏体、片层间距细小,原始奥氏体晶粒均匀、细小。具有生产工艺稳定,可操作性强,以及低成本、高性能等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度钢板,尤其是一种高塑性高韧性超高强度钢板及其生产方法。
背景技术
随着装备制造业的迅猛发展,工程机械用钢市场需求增大,发展前景广阔。低合金高塑性高韧性超高强度钢由于其具有超高强度、加工成型良好、冲击韧性高、可焊性良好等优点,可广泛应用于装备制造业如起重机、机动车底盘,推土机附件等需要高强度、可饶性好的部件,并能降低成本、减轻质量和增加有效负载。国际上一般认为,屈服强度≥840MPa的结构用钢可称为超高强度结构钢。由于这类钢在达到超高强度的同时,具有较高的塑性和优异的低温冲击韧性。近几年来,此类钢种成为研究与开发的热点。
通常来说,钢的强度越高,塑性与低温韧性越难提高。为了大幅度提高了钢材的强度和加工性能,同时得到超高强度钢材与高强度相匹配的良好韧性和塑性,需要合理的利用合金化,通过冶炼工艺,轧制工艺及热处理工艺,使钢材获得理想的组织形态,完全能够满足构件的加工制作要求。
现有的涉及在超高强度钢板的生产方法的专利,主要是通过控轧控冷或热处理方法获得超高强度钢板,具体生产方法如下:
中国专利98807689.6提供了一种超低温韧性优异的可焊接的超高强度钢的制造方法,它通过将钢板加热至一定温度,在奥氏体再结晶区轧制和奥氏体未再结晶区以每道道次压缩量大于50%轧制,终轧温度略高于700℃,随后淬火处理,控制淬火结束温度,最后进行空冷。获得了抗拉强度大于930MPa的具有超高强度低温冲击韧性钢。该方法不仅需要控制淬火温度,同时,还要求终轧温度略高于700℃低温未再结晶区轧制,且道次压缩量须大于50%,对这种超高强度钢种轧制来说,这无疑是增加了轧制负荷,加大了现场大生产控制难度。
中国专利98812439.4提供了一种具有优异的低温韧性的超高强度钢,该钢通过奥氏体再结晶区轧制和奥氏体未再结晶区轧制,控制淬火结束温度,然后在400℃~Ac1(铁素体开始相变点)之间回火,获得了抗拉强度大于830MPa以上的高强度钢板。但是,该钢用了较低含碳量0.04~0.12%,为了保证强度与低温韧性,所以该钢加入了大量合金与微合金,其中镍含量大于1%,成本较高。
中国专利200510024775.3公开了一种屈服强度960MPa以上超高强度钢板及其制
造方法,其生产方法也是将钢坯加热后,在奥氏体再结晶区与未再结晶区轧制,以大于5℃/s冷却速度冷至Ms点以下,获得屈服强度960MPa,但是其-20℃V型冲击吸收功只有35~55J。可见由于直接TMCP轧制获得的高强钢,导致了钢中的强韧性未达到良好的匹配。
中国专利200810080072.6 公开了一种高塑性高韧性超高强度钢板,轧制后,经调质热处理,获得了超高强度钢板,但其合金元素复杂,贵重合金较多,需要热矫直,并且矫直温度较高,介于500~600℃。说明尽管调质处理后,钢板中残余应力较大,导致了板形问题,同时也增加了工序与成本。
发明内容
鉴于以上现有技术的不足,考虑到超高强度钢板的强韧性匹配与良好的加工性能要求,且易于生产,本发明的目的是提供一种高塑性高韧性超高强度钢板及其生产方法,该方法利用简单的化学成分设计方式和无需大冷速的TMCP工艺,通过一种简单的调质热处理方法,便可获得高塑性高韧性超高强度钢板。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
一种高塑性高韧性超高强度钢板,其特征在于:该超高强钢板中钢的化学成分按重量百分比计,C:0.14~0.18%,Si:0.10~0.30%,Mn:0.80~1.30%, P:≤0.015%,S:≤0.005%,Nb:0.010~0.050%,Ti:0.006~0.020%,V:0.020~0.060%, Cr:0.30~0.60%,Mo:0.20~0.80%,余量为Fe及不可避免的杂质。
由于钢的化学成分是影响超高强钢板性能的关键因素之一,本发明为了使所述钢获得综合性能,对所述钢的化学成分进行了限制,原因在于:
C:碳是影响超高强度钢力学性能的主要元素,当碳含量低于0.05则强度低,含量高于0.20%时,则存在韧性和可焊性变差的缺点。最适宜的区间在0.14~0.18%。
Si:硅是炼钢脱氧的必要元素,也具有一定的固溶强化作用,在本发明中将硅限定在0.10~0.30%的范围内。
Mn:锰在所述钢中具有推迟奥氏体向铁素体的转变的作用,对细化铁素体,提高强度和韧性有利。当锰的含量较低,低于0.80%时,上述作用不显著,钢板强度和韧性偏低等。过高,结合本发明中碳含量介于0.14~0.18%,则会引起连铸坯偏析、韧性差和可焊性降低等,故本发明中锰含量控制在0.80~1.30%的范围内。
Nb:微量铌的溶质拖曳作用和Nb对奥氏体晶界的钉扎作用,均抑制形变奥氏体的再结晶,并在冷却或回火时形成析出物,从而使强度和韧性均得到提高。添加量小于0.010%时效果不明显,大于0.050%时韧性降低,促进连铸坯产生表面裂纹。因此,铌含量应控制在0.010~0.050%的范围内。
V:钒是钢的优良脱氧剂。钢中加入钒可细化组织晶粒,提高强度和韧性。回火时或焊接后冷却时形成碳化物,有利于增加强度。添加量小于0.020%时效果不明显,大于0.060%时,钢的韧性与可焊接性降低。
Ti:钛是用来固定钢中的氮元素,在适当条件下,钛、氮形成氮化钛,阻止钢坯在加热、轧制、焊接过程中晶粒长大,改善母材和焊接热影响区的韧性。钛低于0.006%时,固氮效果差,超过0.03%时,固氮效果达到饱和,过剩的钛会使钢的韧性恶化。当钢中的Ti、N原子之比为1:1时,相当于Ti、N重量之比为3.42,TiN粒子最为细小且分布弥散,对高温奥氏体晶粒的细化作用最强,不仅可获得优良的韧性,而且能够实现30KJ/cm以上的大线能量焊接。故在本发明中,结合实际生产中钢中氮含量控制范围,将钛成分控制在0.006%~0.020%。
Cr:铬是提高钢淬透性的元素,能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成,促进低温组织贝氏体或马氏体的转变,提高钢的强度。但Cr含量过高将影响钢的韧性,并引起回火脆性,本发明中铬含量控制在0.30~0.60%。
Mo:与Cr同样地使硬化能增加,大量添加时会增加成本,并降低韧性和可焊性,限制在0.80%以下。回火时,形成碳化物颗粒,从而有利于析出强化。一般限制在0.20~0.80%。
钢中的杂质元素,如S、P等,会严重损害所述钢和焊接近爆缝区的低温韧性,增加连铸坯偏析程度。因此,硫、磷含量应分别控制在≤0.005%和≤0.015%以下。
钢的化学成分按重量百分比计,优选为:C:0.16%,Si:0.23%,Mn:0.85%, P:≤0.008%,S:≤0.0015%,Nb:0.037%,Ti:0.011%,V:0.056%, Cr:0.35%,Mo:0.35%,余量为Fe及不可避免的杂质。
一种高塑性高韧性超高强度钢板的生产方法,其特征在于该生产方法包括如下工序:
冶炼工艺:采用转炉冶炼,通过顶吹,尽可能脱碳,采用RH或VD真空脱气处理以及LF处理,尽可能降低有害元素O、N、H、S、P含量,进行微合金化,然后铸坯。钢坯的成份满足要求,即化学成分按重量百分比计,C:0.14~0.18%,Si:0.10~0.30%,Mn:0.80~1.30%, P:≤0.015%,S:≤0.005%,Nb:0.010~0.050%,Ti:0.006~0.020%,V:0.020~0.060%, Cr:0.30~0.60%,Mo:0.20~0.80%,余量为Fe及不可避免的杂质。
轧制工艺:采用控轧控冷工艺(TMCP)。连铸坯加热温度介于1200℃~1250℃。采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制,粗轧每道次压下率10~20%,粗轧终轧温度1000~1050℃,粗轧成2.0~3.5倍成品厚度的中间坯,精轧开轧温度为850~900℃,每道次压下率为8~12%。轧后采用层流冷却,终冷温度650~700℃,冷却速率5~10℃/s,随后空冷。
热处理工艺:为了获得超高强度,本发明将空冷之后的钢板再进行加热,加热温度在Ac3之上30~50℃进行奥氏体相区淬火处理,最佳淬火温度在900~930℃,淬火保温时间为2min/mm×板厚。淬火后钢板获得了均匀淬火板条状马氏体。初始奥氏体晶粒细小。淬火后在530~600℃回火,回火保温时间为2min/mm×板厚+60min。
本发明通过简单的成分控制,利用TMCP技术与调质热处理工艺获得了一种高塑性高韧性的超高强度钢,组织为回火索氏体,片导间距较为细小,原奥氏体晶粒细小、均匀。本发明钢板塑性良好,具有优良的冷弯成型性能、低温韧性优异、强度高。通过本发明获得的超高强度钢具体性能为:材料的屈服强度为960~1080MPa,抗拉强度为1020~1150MPa,延伸率为18~25%,-40℃低温冲击≥60J。具有生产工艺稳定,可操作性强,以及低成本、高性能等特点。
本发明具有如下优点:
1、在利用简单的化学成分设计方式和易于控制的TMCP工艺的前提下,通过一种简单的离线调质热处理方法,便可获得片层间距细小的回火索氏体,组织均匀。
2、通过简单的热处理方法,充分发挥钢在TMCP过程中来不及析出的微合金元素的强化作用,使钢材的抗拉强度上升,并通过回火热处理方式,使钢中马氏体中的片层转变成相对较软的铁素体相,使延伸率上升,低温冲击韧性提高,-40℃低温冲击≥60J。
3、本发明的制造方法,不需要添加贵重合金元素Ni,便能改善韧性,提高强度,使钢板表面质量易于控制。
4、本发明制造方法,通过离线热处理,减轻了轧制状态下的残余应力,超高强度的钢板平整度得以保证,并且在后续焊接或其它低温受热处理时,不易瓢曲。
5、本发明制造方法,对于如此超高强度钢板制造,无需较大轧制负荷的轧制,超快冷设备,只要在普通轧机上与冷却设备下,也无需控制难以控制的淬火终止温度。通过简单的TMCP和离线热处理,便可保证生产的超高强度钢获得良好的强韧性匹配、和塑性。工艺简便,性能质量稳定。
附图说明
图1是在扫描电镜下,实施例经调质处理后在钢板厚度方向1/4处典型组织,为回火索氏体组织形貌图。
具体实施方式
一种本发明所述的高塑性高韧性超高强度钢板,该钢板中钢的化学成分按重量百分比计,,C:0.14~0.18%,Si:0.10~0.30%,Mn:0.80~1.30%, P:≤0.015%,S:≤0.005%,Nb:0.010~0.050%,Ti:0.006~0.020%,V:0.020~0.060%, Cr:0.30~0.60%,Mo:0.20~0.80%,余量为Fe及不可避免的杂质。
根据本发明的生产工艺,冶炼轧制本发明的钢种实际化学成分如表1所示。
表1 本发明实施例的化学成分(wt%)
实施例 | C | Si | Mn | P | S | Nb | V | Ti | Cr | Mo |
实施例1 | 0. 17 | 0.20 | 0.9 | 0.010 | 0.0008 | 0.045 | 0.045 | 0.010 | 0.40 | 0.55 |
实施例2 | 0. 14 | 0.25 | 1.2 | 0.013 | 0.0007 | 0.044 | 0.051 | 0.012 | 0.50 | 0.60 |
实施例3 | 0.18 | 0.25 | 1.1 | 0.010 | 0.0010 | 0.025 | 0.025 | 0.008 | 0.55 | 0.42 |
实施例4 | 0.16 | 0.23 | 0.85 | 0.008 | 0.0015 | 0.037 | 0.056 | 0.011 | 0.35 | 0.35 |
一种高塑性高韧性超高强度钢板的生产方法,包括如下工序:
冶炼工艺:采用转炉冶炼,通过顶吹,尽可能脱碳,采用RH或VD真空脱气处理以及LF处理,尽可能降低有害元素O、N、H、S、P含量,进行微合金化,然后铸坯。
本发明轧制工艺如下,采用TMCP轧制,连铸坯加热温度介于1200℃~1250℃。采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制。具体工艺参数如表2。
表2 本发明实施例的TMCP工艺参数
热处理工艺:本发明将空冷之后的钢板再进行加热,加热温度在900~930℃,并保温时间为2min/mm×板厚,保温后立即淬火。淬火后钢板获得了均匀淬火板条状马氏体。原始奥氏体晶粒细小,均匀。淬火后在530~600℃回火,回火保温时间为2min/mm×板厚+60min。获得了回火索氏体,片层间距较为细小。
按照本发明的工艺获得的性能如表3,实施例经调质处理后钢板厚度方向1/4处扫描电镜下典型的回火索氏体组织形貌见图1。原奥氏体晶粒细小、均匀,回火索氏体片层间距较为细小。
表3本发明实施例调质热处理后获得的板材力学性能
可以看出,按照本发明生产的高塑性高韧性超高强度钢板屈服强度为960~1000MPa,抗拉强度为1000~1100MPa,延伸率为18~25%,-40℃低温冲击≥60J。具有生产工艺稳定,可操作性强,以及低成本、高性能等特点。
Claims (4)
1.一种高塑性高韧性超高强度钢板,其特征在于:该超高强度钢板中钢的化学成分按重量百分比计,C:0.14~0.18%,Si:0.10~0.30%,Mn:0.80~1.30%, P:≤0.015%,S:≤0.005%,Nb:0.010~0.050%,Ti:0.006~0.020%,V:0.020~0.060%, Cr:0.30~0.60%,Mo:0.20~0.80%,余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高塑性高韧性超高强度钢板,其特征在于:该钢板组织为回火索氏体,片层间距细小。
3.根据权利要求1所述的高塑性高韧性超高强度钢板,其特征在于:该超高强度钢板中钢的化学成分按重量百分比计优选为,C:0.16%,Si:0.23%,Mn:0.85%, P:≤0.008%,S:≤0.0015%,Nb:0.037%,Ti:0.011%,V:0.056%, Cr:0.35%,Mo:0.35%,余量为Fe及不可避免的杂质。
4.一种权利要求1所述的高塑性高韧性超高强度钢板的生产方法,其特征在于该生产方法包括如下工序:
冶炼工艺:采用转炉冶炼,通过顶吹,充分脱碳;采用RH或VD真空脱气处理以及LF处理,降低有害元素O、N、H、S、P含量,进行微合金化,然后铸坯,钢坯的化学成分按重量百分比计符合,C:0.14~0.18%,Si:0.10~0.30%,Mn:0.80~1.30%, P:≤0.015%,S:≤0.005%,Nb:0.010~0.050%,Ti:0.006~0.020%,V:0.020~0.060%, Cr:0.30~0.60%,Mo:0.20~0.80%,余量为Fe及不可避免的杂质;
轧制工艺:采用控轧控冷工艺,轧前连铸坯加热温度介于1200℃~1250℃,采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制,粗轧每道次压下率10~20%,粗轧终轧温度1000~1050℃,粗轧成2.5~3.5倍成品厚度的中间坯;精轧开轧温度为850~900℃,轧后采用层流冷却,终冷温度650~700℃,冷却速率5~10℃/s,随后空冷;
热处理工艺:将空冷后的钢板再进行加热,加热温度在Ac3之上30~50℃进行奥氏体相区淬火处理,淬火温度在900~930℃,淬火保温时间为2min/mm×板厚,淬火后钢板获得了均匀淬火板条状马氏体,原始奥氏体晶粒细小,淬火后在530~600℃回火,回火保温时间为2min/mm×板厚+60min。
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