CN102618800A - 一种屈服强度1150MPa级钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种屈服强度1150MPa级钢板，其化学成分质量百分配比是：C：0.14～0.17wt％、Si：0.10～0.30wt％、Mn：0.80～1.20wt％、P：≤0.015wt％、S：≤0.003wt％、Cr：0.30～0.50wt％、Mo：0.40～0.70wt％、Ni：1.1～2.2wt％、Nb：0.01～0.06wt％、V：0.04～0.06wt％、Ti：0.003～0.02wt％、Al：0.03～0.07wt％、B：0.0006～0.0020wt％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。所述屈服强度1150MPa级钢板还应满足：0.23Ni+0.32Mo+0.49Si+0.17Cr-153.21B≤C+Mn/2≤0.49Ni+0.64Mo+0.76Si+0.53Cr-132.61B；以及2.77≤Qm≤4.92。该钢板的屈服强度≥1150MPa，抗拉强度≥1200MPa，夏氏冲击功Akv(-40℃)≥60J，碳当量CEV≤0.60％，具有优良的焊接性能。

Description

一种屈服强度1150MPa级钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种合金及其制造方法，尤其涉及一种钢板及其制造方法。

背景技术

具有良好低温韧性的高强度钢板广泛应用于大型机械设备结构件的制造，例如大吨位的履带式起重机的拉杆、高工作阻力煤矿液压支架的推杆、臂长超过47m的混凝土泵车的臂架等，其均采用屈服强度900/960MPa及以上的高强度钢板。大型机械结构件通常采用焊接方式连接，因此对钢板的强韧性和焊接性能均有较高的要求。随着机械结构日益大型化，屈服强度1150MPa且具有较低碳当量的高强度钢板能够满足大型机械设备增强减重的需求。

碳当量是评价钢板焊接性能的重要指标，碳当量的计算公式为：

CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

碳当量越低，钢板的焊接性能越好。欧标10025-6：2004和国标GB/T16270：2009限定屈服强度960MPa钢板的碳当量CEV为≤0.82％。目前尚无屈服强度1150MPa钢板的碳当量标准。

屈服强度960MPa及以上钢板通常采用淬火+回火工艺生产，具体工艺过程为连铸板坯或钢锭在一定温度下加热，并均热奥氏体化，然后采用高温轧制工艺达到目标厚度后，冷却到室温。钢板通常以0.1～0.3℃/s的加热速率加热至指定温度后，保温一段时间，再采用淬火机或水槽进行淬火热处理。为保证钢板的力学性能并使内应力均匀，热处理后钢板进入回火炉进行回火热处理。经过在加热淬火和回火热处理的钢板切割成用户要求的形状后交货。近年来，控制轧制和控制冷却技术有了较大的发展。通过设计优化的成分体系，板坯在较高温度加热奥氏体化后，通过分阶段轧制，控制轧制的温度和变形量，可实现控制奥氏体晶粒尺寸、位错密度和形态以及碳氮化物析出等目的。钢板在轧制结束后进入加速冷却装备，结合不同的冷却速率和停冷温度，可获得不同的最终微观组织，获得良好的力学性能。控轧控冷后的钢板进入热处理炉回火，钢板中发生了碳氮化物析出、异号位错湮灭、钢板应力降低等变化，最终得到具有良好强韧性的钢板。控制轧制和控制冷却技术对装备和控制能力均有较高要求，因此一般用此工艺生产屈服强度900MPa及以下的钢板。加热淬火+回火和控轧控冷+回火工艺采用通常的热处理炉，加热速度较慢，回火过程中碳氮化物长大，从而降低钢板的冲击性能，且生产周期较长，具有较高的生产成本。

在线热处理工艺是板坯在较高温度奥氏体化后，采用控制轧制和控制冷却工艺，实现奥氏体和最终组织控制，并在控制冷却之后直接进入感应加热炉，以1～15℃/s的加热速率对钢板进行加热，实现轧制、冷却和加热的在线控制，从而缩短了钢板的交货周期，降低了生产成本。通过设计合适的成分体系、结合优化的在线热处理工艺，可开发具有良好机械性能的高强度钢板。

公开号为CN101906594A，公开日为2010年12月8日，名称为“一种900MPa级屈服强度调质钢板及其制造方法”的中国专利公开了一种900MPa级屈服强度调质钢板及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C：0.15％～0.25％，Si：0.15％～0.35％，Mn：0.75％～1.60％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Ni：0.08％～0.30％，Cu：0.20％～0.60％，Cr：0.30％～1.00％，Mo：0.10％～0.30％，Al s：0.015％～0.045％，B：0.001％～0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质。该发明的钢板Rel≥900MPa，A≥15％(纵向)，-40℃AKv≥21J(纵向)，同时碳当量小于0.60％。

公开号为CN1840724，公开号为2006年10月4日，名称为“屈服强度960MPa以上超高强度钢板及其制造方法”的中国专利公开一种屈服强度960MPa以上超高强度钢板，其化学成分重量百分比为：C 0.08～0.18％；Si≤0.6％；Mn 0.5～2.0％；Al≤0.018％；N≤0.008％；B≤0.0025％；Ca：0～0.006％；P≤0.015％；S≤0.005％；Ni≤1.0％、Cr≤0.8％、Cu≤0.5％和Mo≤0.6％中的一种或几种以上；Ti0.01～0.03％、V≤0.1％和Nb 0.01～0.1％中的一种或几种以上；余量为铁和其他不可避免杂质。

发明内容

本发明的目的在于提供一种屈服强度1150MPa级钢板，该钢板不仅具有较高的强度和韧性，还具有优良的焊接性能。此外，本发明的目的还在于提供一种该屈服强度1150MPa级钢板的制造方法。

本发明成分设计的思路为采用较低的Mn含量，添加一定的Ni，配合Cr和Mo等合金元素，结合控轧控冷和在线热处理工艺，实现钢板的强韧化。C+Mn/2的范围设计是优化C和Mn与其它元素的配比。淬透性系数的计算方法体现了不同合金元素对钢板淬透性的影响程度，如Mo元素增加会导致钢板淬透性明显增加，但Si元素增加对钢板淬透性的影响相对不明显。钢板淬透性增加，则在相同的冷却条件下，会形成强度更高的组织。采用给定的淬透性系数的计算公式和范围，可在保证钢板强韧性的基础上，具有较低的碳当量。

根据上述发明目的，本发明提供了一种屈服强度1150MPa级钢板，其化学成分质量百分配比是：

C：0.14～0.17wt％、Si：0.10～0.30wt％、Mn：0.80～1.20wt％、P：≤0.015wt％、S：≤0.003wt％、Cr：0.30～0.50wt％、Mo：0.40～0.70wt％、Ni：1.1～2.2wt％、Nb：0.01～0.06wt％、V：0.04～0.06wt％、Ti：0.003～0.02wt％、Al：0.03～0.07wt％、B：0.0006～0.0020wt％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

所述屈服强度1150MPa级钢板还应满足：

0.23Ni+0.32Mo+0.49Si+0.17Cr-153.21B≤C+Mn/2≤

0.49Ni+0.64Mo+0.76Si+0.53Cr-132.61B；

以及

2.77≤Qm≤4.92；

式中，Qm为淬透性系数，其满足：

Qm＝1.379C+0.218Si+1.253Mn+2.113Mo+0.879Cr+0.411Ni+101.21B。

本发明中化学元素的添加原理如下：

C：C加入钢中能够提高钢板的淬透性，形成强度较高的组织，但C含量过高会降低钢板韧性，恶化焊接性能。C会和其它合金元素如Nb、V和Ti形成碳化物析出。C含量过高则会形成粗大的析出物，恶化钢板的冲击性能。因此，为保证钢板的强韧性和焊接性能，本发明C含量控制在0.14～0.17wt％范围内。

Si：Si以固溶形式存在钢中，从而提高钢板的强度。Si在渗碳体中的溶解度较小，Si含量较高时，可形成残余奥氏体和贝氏体的复合组织。Si含量增加，会恶化钢板的焊接性能。因此本发明中的Si含量控制在0.10～0.30wt％范围内。

Mn：Mn通常以固溶形式存在于钢中。Mn固溶在奥氏体中，通过抑制扩散界面运动，细化最终微观组织，从而提高钢板的强度和韧性。Mn含量过高，会使板坯有易发裂纹的倾向。因此，本发明中加入0.80～1.20wt％的Mn元素，有利于形成细化的贝氏体组织，使钢具有良好的强韧性。

Cr：Cr加入钢中，提高钢板的淬透性。回火过程中，Cr和C形成碳化物析出。如析出的碳化物细小弥散，则对钢板的力学性能有益，否则会恶化钢板的低温冲击性能。结合本发明中其它合金元素含量，将Cr含量控制在0.30～0.50wt％范围内，以保证钢板的强度和冲击功。

Mo：钢板中的Mo会抑制扩散界面运动，单位摩尔的Mo耗散的自由能约是Mn的3倍，因此固溶在钢板中的Mo会使CCT曲线(过冷奥氏体连续冷却转变曲线)右移。在同样的冷却速率下，形成具有较高强韧性的微观组织。Mo与C形成细小的MoC析出，从而提高钢板在回火后的韧性。因此，本发明中加入0.40～0.70wt％的Mo，以保证钢板的力学性能。

Nb：Nb加入钢中，通过抑制奥氏体晶粒界面运动，从而提高钢板的再结晶温度。钢板中加入一定量的Nb，结合钢板中的C含量，在高温奥氏体化时，未溶解的NbC起到钉轧奥氏体晶界的作用，从而阻碍奥氏体晶界过分粗化。溶解在奥氏体中的Nb，在两阶段轧制过程中抑制奥氏体再结晶，细化奥氏体晶粒。Nb含量过高，则会形成粗大的NbC，影响钢板的力学性能。因此，本发明中Nb的加入量为0.01～0.06wt％，以获得良好的力学性能。

Ni：Ni会与Fe形成FeNi化合物，同时固溶在钢中的Ni会在相变过程中起到细化最终奥氏体晶粒的作用。钢板在较低温度下受到低温冲击载荷时，固溶的Ni会提高钢板的低温冲击吸收功。因此，本发明中加入1.1～2.2wt％的Ni能够保证钢板的力学性能，并使其具有市场竞争力。

V：V与C会形成VC析出物，在回火过程中提高钢板的屈服强度，而不会使钢板的韧性发生明显的恶化。V含量过高，则会形成粗大的VC，降低钢板的低温冲击性能。因此，本发明中加入0.04～0.06wt％的V以保证钢板在回火后有较高的屈服强度。

B：B在钢中以间隙原子存在，受到刃型位错静水压力场的作用，B通常富集在位错和晶界等缺陷附近。B在晶界处的富集，使相变时新相不易在晶界形核，从而提高钢板的淬透性。晶界处富集B较多，会降低晶界结合能，使钢板在受到冲击载荷时更倾向于沿晶断裂，降低钢板的低温冲击吸收功。因此，本发明中B的加入量为0.0006～0.0020wt％。

Al：Al和钢中的0、N形成氧化物和氮化物，在高温奥氏体化时起到钉轧奥氏体晶界的作用，细化奥氏体晶粒，以得到细小的最终组织。因此本发明中加入0.03～0.07wt％的Al细化晶粒，以提高钢板的韧性并保证其焊接性能。

Ti：Ti与钢中的N和C形成TiN和TiC。TiN在较高温度形成，起到细化奥氏体晶粒作用；TiC在较低温度形成，能够提高钢板的回火后的强度。Ti含量较高，会形成粗大的TiN，使钢板在受力时的疲劳性能降低，因此，本发明中的Ti含量控制在0.003～0.02wt％范围内。

在优化成分的基础上，本发明还限定成分中的C和Mn，使其需满足：

0.23Ni+0.32Mo+0.49Si+0.17Cr-153.21B≤C+Mn/2≤

0.49Ni+0.64Mo+0.76Si+0.53Cr-132.61B；

此外，钢板的淬透性系数Qm需满足：

Qm＝1.379C+0.218Si+1.253Mn+2.113Mo+0.879Cr+0.411Ni+101.21B；

2.77≤Qm≤4.92；

C+Mn/2的范围设计是优化C和Mn与其它元素的配比。淬透性系数的计算方法体现了不同合金元素对钢板淬透性的影响程度，如Mo元素增加会导致钢板淬透性明显增加，但Si元素增加对钢板淬透性的影响相对不明显。钢板淬透性增加，则在相同的冷却条件下，会形成强度更高的组织。采用给定的淬透性系数的计算公式和范围，可在保证钢板强韧性的基础上，具有较低的碳当量。通过上述限定条件，可生产具有碳当量不大于0.60％的高强韧钢板。

另外，为了实现本发明的目的，本发明还提供该种屈服强度1150MPa级钢板的制造方法，其包括下列步骤：

(1)冶炼；

(2)浇铸；

(3)加热：钢坯加热至中心温度达到1020～1220℃；

钢板的在1020～1220℃温度下加热奥氏体化，保温一段时间后出炉轧制，在此温度区间加热，可获得均匀的奥氏体组织，使合金元素部分或全部溶解在钢中。

(4)轧制：

a)第一阶段：在高于再结晶温度下对钢坯进行轧制，轧制完成后，将钢坯置放于辊道上待温；

b)第二阶段：当钢坯待温至770～850℃时，开始第二阶段轧制，其终轧温度为760～840℃；

轧制分为第一阶段和第二阶段轧制。第一阶段轧制在出加热炉后进行。第一阶段轧制后在辊道上待温至770～850℃，开始第二阶段轧制，第二阶段轧制的终轧温度为760～840℃。第一阶段轧制过程中，奥氏体发生动态再结晶、静态再结晶和动态回复的过程，从而细化了奥氏体晶粒。第二阶段轧制过程中，奥氏体中富集了大量的位错，为冷却过程中发生的相变提供了大量的形核位置。

(5)冷却：以15～45℃/s的速度将钢板冷却至≤300℃；

钢板在轧制后进入水冷装置，以15～45℃/s的速度冷却至≤300℃。钢板冷却到指定温度后，进入回火炉。较快的冷却速率使钢板迅速进入过冷区域，在较低温度发生相变。较低温度下，相变的驱动力增加，C和合金元素原子的扩散能力减弱，因此会形成细化的微观组织。本发明所述成分工艺形成以细化的贝氏体和马氏体为基体，分布着残余奥氏体的微观组织。

(6)在线回火热处理：以3～15℃/s的速度将钢板升温至回火温度200～530℃，保温5～180s后，空冷。

钢板在冷却后进入在线回火感应加热炉，在线回火的升温速率为3～15℃/s，升温至回火温度200～530℃，保温5～180s后，空冷。在线回火加热速率很快，碳化物析出的热力学驱动力较大，保温时间较短，使碳化物粗化过程缩短。感应加热快速回火后会形成细小的碳氮化物析出，有利于钢板的低温韧性。

采用本发明所述的C、Nb、V、Ti等成分，在所述奥氏体化温度1020～1220℃加热，可使部分碳化物溶解，未溶解的氮化物会抑制奥氏体晶粒粗化，溶解的合金元素会在轧制和冷却过程中实现细化最终微观组织的目的。本发明所述的Cr、Mo含量，结合两阶段轧制温度和回火工艺，可形成细化的贝氏体+马氏体的微观组织，获得良好的力学性能。本发明所述的Al和Ti含量，结合奥氏体化温度和回火温度，可细化奥氏体晶粒，形成具有较高强度且有良好低温韧性的组织。本发明的Ni、Mn、Si、B含量，结合两阶段轧制和冷却工艺，可提高钢板的低温冲击韧性。

本发明所采用优化的成分和工艺体系，可生产出碳当量CEV≤0.60％的屈服强度1150MPa级高强韧钢板。碳当量是影响焊接的重要参数。通常认为碳当量大于0.60％的钢板的焊接性能差，难以实现采用焊接工艺连接结构件。碳当量小于等于0.60％的钢板，可以通过焊接手段连接。碳当量越低，焊接越容易。欧标10025-6：2004和国标GB/T16270：2009限定屈服强度960MPa钢板的碳当量CEV为≤0.82％。本发明中，钢板的屈服强度为1150MPa，并且碳当量CEV≤0.60％。

优选地，在上述屈服强度1150MPa级钢板的制造方法中，空冷采用冷床冷却。

采用本发明所述的技术方案具有以下优点：

(1)本发明所述的屈服强度1150MPa级钢板的屈服强度≥1150MPa，抗拉强度≥1200MPa，夏氏冲击功Akv(-40℃)≥60J，碳当量CEV≤0.60％，具有优良的焊接性能；

(2)本发明所述的屈服强度1150MPa级钢板的制造方法采用控制轧制、控制冷却和在线回火热处理工艺，工艺流程短，从而节约了钢板生产的成本；

(3)由于本发明所述的屈服强度1150MPa级钢板的成分与工艺设计合理，从实施效果来看，工艺制度比较宽松，可以在配备有感应加热炉的中、厚钢板产线上稳定生产。

附图说明

图1为本发明所述的屈服强度1150MPa级钢板在一种实施方式下的光学显微镜照片。

图2为本发明所述的屈服强度1150MPa级钢板在一种实施方式下的扫描电镜照片。

具体实施方式

实施例1-6

制造本发明所述的屈服强度1150MPa级钢板的具体步骤如下(本案实施例1-6中各钢种化学成分见表1)：

(1)冶炼：采用真空感应炉、转炉或电炉冶炼，冶炼后通过精炼和脱气处理。需要注意的是，冶炼包括但不仅限于上述冶炼方法及处理工序，本案实施例采用真空感应炉冶炼，化学光谱法测定最终成分；；

(2)浇铸：采用立式连铸、立弯式连铸、弧形连铸、模铸、定向凝固或电渣重熔等方式。需要注意的是，浇铸包括但不仅限于上述浇铸方式，本案实施例采用模铸方式浇铸在耐材钢锭模中，浇铸过热度为25±20℃；

(3)加热：钢坯加热至中心温度达到1020～1220℃；

(4)轧制：

a)第一阶段：在高于再结晶温度下对钢坯进行轧制，轧制完成后，将钢坯置放于辊道上待温；

b)第二阶段：当钢坯待温至770～850℃时，开始第二阶段轧制，其终轧温度为760～840℃；

(5)冷却：以15～45℃/s的速度将钢板冷却至≤300℃；

(6)在线回火热处理：以3～15℃/s的速度将钢板升温至回火温度200～530℃，保温5～180s后，冷床冷却。

表1.(余量为Fe和其他不可避免的杂质，wt％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Nb	Ni	V	B	Al	Ti	C+Mn/2	Qm
																1	0.14	0.3	1.0	0.015	0.002	0.3	0.4	0.01	2.2	0.04	0.002	0.03	0.02	0.64	3.73
2	0.15	0.25	1.1	0.01	0.003	0.35	0.4	0.02	1.7	0.04	0.0015	0.06	0.015	0.70	3.64
																3	0.155	0.2	0.8	0.01	0.001	0.5	0.45	0.03	1.6	0.04	0.001	0.05	0.01	0.56	3.41
4	0.15	0.15	0.9	0.008	0.001	0.4	0.5	0.04	1.5	0.05	0.0008	0.07	0.003	0.60	3.47
																5	0.165	0.1	0.8	0.006	0.001	0.3	0.7	0.05	1.3	0.06	0.001	0.065	0.007	0.57	3.63
6	0.17	0.1	1.2	0.006	0.001	0.3	0.45	0.06	1.1	0.04	0.0006	0.066	0.009	0.77	3.49

本案实施例1-6中各步骤的详细工艺参数参见表2。

表2.

表3列出了本案实施例1-6的力学性能。

表3.

实施例	屈服强度，MPa	抗拉强度，MPa	延伸率，％	-40℃纵向冲击功，J	CEV
						1	1230	1410	10	85	0.60
2	1250	1380	11	78	0.60
						3	1175	1330	11	75	0.59
4	1180	1280	10	80	0.59
						5	1185	1230	11	69	0.60
6	1170	1250	12	72	0.60

从表3可以看出，本案实施例1-6的屈服强度均≥1150MPa，抗拉强度均≥1200MPa，夏氏冲击功Akv(-40℃)均≥60J，碳当量CEV均≤0.60％。

图1显示了实施例6中屈服强度1150MPa级钢板的微观组织。如图1所示，实施例6中屈服强度1150MPa级钢板的微观组织为细化的贝氏体或贝氏体+马氏体组织。

图2为实施例6中屈服强度1150MPa级钢板的扫描电镜照片。如图2所示，实施例6钢板的板条细小，板条边缘分布着细微的马奥组元或碳化物。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种屈服强度1150MPa级钢板，其特征在于，化学成分质量百分配比是：

C：0.14～0.17wt％、Si：0.10～0.30wt％、Mn：0.80～1.20wt％、P：≤0.015wt％、S：≤0.003wt％、Cr：0.30～0.50wt％、Mo：0.40～0.70wt％、Ni：1.1～2.2wt％、Nb：0.01～0.06wt％、V：0.04～0.06wt％、Ti：0.003～0.02wt％、Al：0.03～0.07wt％、B：0.0006～0.0020wt％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

所述屈服强度1150MPa级钢板还应满足：

0.23Ni+0.32Mo+0.49Si+0.17Cr-153.21B≤C+Mn/2≤

0.49Ni+0.64Mo+0.76Si+0.53Cr-132.61B；

以及

2.77≤Qm≤4.92；

式中，Qm为淬透性系数，其满足：

Qm＝1.379C+0.218Si+1.253Mn+2.113Mo+0.879Cr+0.411Ni+101.21B。

2.如权利要求1所述的屈服强度1150MPa级钢板的制造方法，其特征在于，

包括下列步骤：

(1)冶炼；

(2)浇铸；

(3)加热：钢坯加热至中心温度达到1020～1220℃；

(4)轧制：

a)第一阶段：在高于再结晶温度下对钢坯进行轧制，轧制完成后，

将钢坯置放于辊道上待温；

b)第二阶段：当钢坯待温至770～850℃时，开始第二阶段轧制，其终轧温度为760～840℃；

(5)冷却：以15～45℃/s的速度将钢板冷却至≤300℃；

(6)在线回火热处理：以3～15℃/s的速度将钢板升温至回火温度200～530℃，保温5～180s后，空冷。

3.如权利要求2所述的屈服强度1150MPa级钢板的制造方法，其特征在于，所述空冷采用冷床冷却。

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