CN102650013A

CN102650013A - 一种超高强度热轧钢板及其制造方法

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Publication number: CN102650013A
Application number: CN2012101697574A
Authority: CN
Inventors: 张爱文; 焦四海; 孙全社
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2012-05-28
Publication date: 2012-08-29

Abstract

本发明涉及一种超高强度钢板，其成分的重量百分比为：C：0.16-0.19%，Si：0.55-1.05%，Mn：1.4-1.6%，P≤0.015%，S≤0.010%，Al：0.03-0.055%，Ti≤0.020%，N≤0.006%，Ca≤0.005%，以及Cr≤0.70%、Ni≤0.30%、Mo≤0.30%中的1种或1种以上，余量为铁和不可避免杂质。其制造方法包括：钢水经真空脱气处理后进行连铸成连铸坯或模铸并初轧成钢坯；连铸坯或钢坯于1150-1200℃加热后进行一道次或多道次轧制，总压下率不低于70%；终轧温度不低于860℃；轧后钢板以30-100℃/s的冷却速度快速水冷至200-300℃，再进入240-260℃保温炉中保温4-6分钟后出炉空冷至室温。得到的6-25mm厚钢板屈服强度≥1050MPa，延伸率≥18%，-60℃的A_kv≥27J，冷弯性能优良，适合用于汽车、工程机械等高强度耐冲击的结构件等。

Description

一种超高强度热轧钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高强度钢板，具体地涉及一种超高强度热轧钢板及其制造方法。本发明钢板具有较好的低温韧性，适合作为汽车、工程机械等高强度耐冲击的结构件的高屈服强度钢板。

背景技术

低合金高强度钢作为一种重要的钢铁材料，被广泛应用于汽车、矿山机械、工程机械、农业机械及铁路运输等部门。随着我国工业的飞速发展，各类机械设备的复杂化、大型化及轻量化对该类钢提出了更高的要求，即用于制造这些设备的低合金高强度钢板不但要求具有更高的硬度、强度，而且还要求良好的韧性及成型性能。传统工艺在生产低合金高强度钢板时，多添加较多的Cu、Ni、Cr和Mo等贵重合金元素，成本较高，目前高强度钢开始向低成本经济型和高成本高性能方向发展。

目前在屈服强度1000MPa以上超高强度钢领域已有一些相关产品和专利申请。

CN1840724A采用TMCP轧制，轧后水冷至Ms-Ms+100℃（Ms为马氏体转变开始温度），然后离线重新加热至350-550℃回火，工序时间长，成本高，且添加的合金元素也较多，成本上没有优势，而且其低温冲击韧性不高，-40℃Akv仅33-50J。

瑞典SSAB公司生产的Weldox1100标准钢板，采用Cr、Mo、Cu和较高的Ni合金化，加入Nb、V、Ti微合金元素提高强度，加入B提高淬透性，采用高铝(不小于0.020%)含量细化晶粒，交货状态为Q+T或者Q。此产品加入的贵重合金元素和微合金元素较多，尤其是Ni、Mo含量较高。5-25mm F级钢板标准要求-60℃的A_kv大于等于27J左右，实物冲击韧性约是标准的一倍左右。

目前需要提供更经济且低温韧性好的1000MPa以上高强度钢板。

发明内容

本发明的目的在于提供一种屈服强度在1050MPa以上的超高强度钢中厚板，特别是厚度为6-25mm的钢板。

为了降低传统离线调质工艺生产高强度时添加的贵重合金元素Cu、Ni、Cr和Mo含量，本发明采用较高含量的廉价合金元素Si和稍高的合金元素C和Mn作为主要强化元素，辅以添加适量的Ni、Cr和Mo元素中的一种或以上。轧后在线的快速冷却和终冷温度的控制，保证组织中马氏体含量来保证钢的强度级别。水冷终冷后的钢板进入保温炉短时间（4-6min）保温来促进残余奥氏体转变成马氏体，保证钢的冲击韧性。由于贵重合金元素含量的降低以及在线的轧后快速冷却代替离线热处理工序可以降低此类钢的生产成本，估算可降低合金和工序成本200元/吨以上。

为实现上述目的，本发明的屈服强度为1050MPa以上的超高强度钢板，其成分的重量百分比为：C：0.16-0.19%，Si：0.55-1.05%，Mn：1.4-1.6%，P≤0.015%，S≤0.010%，Al：0.03-0.055%，Ti≤0.020%，N≤0.006%，Ca≤0.005%，以及Cr≤0.70%、Ni≤0.30%、Mo≤0.30%中的1种或1种以上，余量为铁和不可避免杂质。

本发明的所述钢板的组织为回火马氏体和碳化物。优选地，本发明的所述钢板的组织为95%以上的低碳马氏体组织。

本发明的另一个目的在于提供上述屈服强度为1050MPa以上的超高强度钢板的制造方法，该方法包括：

1.钢水经真空脱气处理后进行连铸成连铸坯或模铸并初轧成钢坯；

2.连铸坯或钢坯于1150-1200℃加热后进行一道次或多道次轧制，总压下率不低于70%；终轧温度不低于860℃；

3.轧后钢板以30至100℃/s的冷却速度快速水冷至200-300℃温度区间再进入240-260℃保温炉中保温4-6分钟后出炉空冷至室温。

下面就本发明对成分以及工艺的选择原因和作用机理进行如下陈述：

碳：确保钢板强度的关键元素。对于要获得组织为大部分马氏体的钢板而言，碳是最重要的元素，其可以显著提高钢板的淬透性。由于碳在奥氏体中有较高的溶解度，可以使奥氏体保持较高的稳定性，降低钢的Ms点，利于获得一定量的残余奥氏体。同时碳含量的提高能使强度和硬度上升，塑性下降。所以如果钢板既要获得高硬度，又要具备一定的韧性，那么碳含量必须综合考虑。对于本发明的屈服强度1050MPa强度级别而言，0.16-0.19%的碳是合适的。

硅：钢中加硅能提高钢质纯净度和脱氧。硅在钢中起固溶强化作用，其在奥氏体中的溶解度较大，提高硅含量有利于提高钢的强度和硬度，同时硅能促进相变时的排碳，使碳富集到残余奥氏体中使之稳定，配合轧后冷却工艺能使钢的塑型韧性有所提高。但硅含量过高会使钢板加热时的氧化皮粘度较大，出炉后除鳞困难，导致轧后钢板表面红色氧化皮严重，表面质量较差。且高硅不利于焊接性能。综合考虑硅各方面的影响，本发明硅含量为0.55-1.05%。

锰：锰稳定奥氏体组织，其能力仅次于合金元素镍，是廉价的稳定奥氏体与强化合金元素，同时锰增加钢的淬透性，降低马氏体形成的临界冷速。但锰具有较高的偏析倾向，所以其含量不能太高，一般低碳微合金钢中锰含量不超过2.0%。锰的加入量主要取决于钢的强度级别。本发明锰的含量应控制在1.4-1.6%。锰在钢中还和铝一起共同起到脱氧的作用。

硫和磷：硫在钢中与锰等化合形成塑性夹杂物硫化锰，尤其对钢的横向塑性和韧性不利，因此硫的含量应尽可能地低。磷也是钢中的有害元素，严重损害钢板的塑性和韧性。对于本发明而言，硫和磷均是不可避免的杂质元素，应该越低越好，考虑到钢厂实际的炼钢水平，本发明要求P≤0.015%、S≤0.010%。

铝：强脱氧元素。为了保证钢中的氧含量尽量地低，铝的含量控制在0.03-0.055%。脱氧后多余的铝和钢中的氮元素能形成AlN析出物，提高强度并且在热处理加热时能细化钢的元素奥氏体晶粒度。

钛：钛是强碳化物形成元素，钢中加入微量的Ti有利于固定钢中的N，形成的TiN能使钢坯加热时奥氏体晶粒不过分涨大，细化原始奥氏体晶粒度。钛在钢中还可分别与碳和硫化合生成TiC、TiS、Ti₄C₂S₂等，它们以夹杂物和第二相粒子的形式存在。目前，微钛处理已成为大部分低合金高强度钢的常规工艺。本发明钛含量控制在小于等于0.020%。

铬：铬提高钢的淬透性，增加钢的回火稳定性。铬在奥氏体中溶解度很大，稳定奥氏体，淬火后在马氏体中大量固溶，并在随后的回火过程中会析出Cr₂₃C₇、Cr₇C₃等碳化物，提高钢的强度和硬度。为了保持钢的强度级别，铬可以部分代替锰，减弱高锰的偏析倾向。本发明可添加不大于0.70%的铬。

镍：稳定奥氏体的元素，对提高强度没有明显的作用。钢中加镍尤其是在调质钢中加镍能大幅提高钢的韧性尤其是低温韧性，同时由于镍属于贵重合金元素，所以本发明可添加不超过0.30%的镍元素。

钼：钼能显著地细化晶粒，提高强度和韧性。钼能减少钢的回火脆性，同时回火时还能析出非常细小的碳化物，显著强化钢的基体。由于钼是非常昂贵的战略合金元素，所以本发明中仅添加不超过0.30%的钼。

氮：本发明不含Nb、V微合金元素，且主要以相变强化和回火碳化物析出强化为主要强化方式。小于等于60ppm含量的氮可以稳定0.01-0.02%的钛形成TiN，此TiN能保证加热时板坯的奥氏体晶粒不过分粗大。本发明中控制氮含量≤0.006%。

钙：本发明中加钙主要是改变硫化物形态，改善钢的横向性能和冷弯性能。对于硫含量很低的钢亦可不钙处理。钙含量小于等于0.005%。

制造工艺过程对本发明产品的影响：

转炉吹炼和真空处理：目的是确保钢液的基本成分要求，去除钢中的氧、氢等有害气体，并加入锰、钛等必要的合金元素，进行合金元素的调整。

连铸或模铸：保证铸坯内部成分均匀和表面质量良好，模铸的钢锭需轧制成钢坯。

加热和轧制：连铸坯或钢坯在1150-1200℃的温度下加热，一方面获得均匀的奥氏体化组织，另一方面使钛、铬等的化合物部分溶解。在奥氏体再结晶温度范围内经一道次或多道次轧制成钢板，总压下率不低于70%，终轧温度不低于860℃；

快速冷却：轧后钢板以30-100℃/s快速水冷至200-300℃温度区间；在快速冷却过程中，大部分的合金元素被固溶到马氏体中。

空冷或保温：快速水冷冷却后的钢板再进入240-260℃保温炉中保温4-6分钟后出炉空冷至室温。短时间保温有助于奥氏体稳定化和提高塑韧型和冷弯性能。

本发明通过合适的成分设计、加热、控制轧制、轧后快速冷却和在线短时间保温，使钢板实现细晶强化、相变强化、析出强化，提高了钢板的强度、硬度，具有较高的低温韧性，组织呈现为回火马氏体（可能还含有少量残余奥氏体）和碳化物。6-25mm厚钢板屈服强度≥1050MPa，延伸率≥18%，-60℃的A_kv≥27J，冷弯性能优良，能够满足汽车、工程机械等行业对高强度钢板的较高要求。采用上述成分设计和工艺控制方法制造的高强度钢中厚板，具备较高的强度、很高的低温韧性，优良的冷弯性能，用户加工成型方便。

本发明采用了适当的碳含量，适当廉价的合金元素Si和Mn，添加较少的贵重合金元素Cr、Ni和Mo，不添加Cu、Nb、V、B等元素。具有明显的合金成本优势，免去了离线调质工序，使得钢板的合金成本和工序成本大大降低。轧制上无需未再结晶区控轧，能降低轧机负荷，轧后采用较快冷速迅速冷至200-300℃后再进入240-260℃保温炉中保温4-6分钟后出炉空冷至室温。获得95%以上的低碳马氏体组织。另外本专利采用在线低温短时间保温，避免离线长时间再热回火，使得钢板的生产效率大大提高。低温冲击值-60℃A_kv=40-80J，具有明显的成本和技术优势。

附图说明

图1是本发明实施例1的6mm厚高强度钢板的典型金相组织照片。

图2是本发明实施例5的25mm厚高强度钢板的典型金相组织照片。

具体实施方式

以下通过结合实施例对本发明的特点和效果进行较为详细的说明。

实施例

实施例1

按表1配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，板坯厚度80mm，所得坯料于1200℃加热后，在奥氏体再结晶温度范围内经多道次轧制，轧制成厚度为6mm的钢板，总压下率大于90%，终轧温度为890℃，然后以100℃/s水冷至200℃，再进入250℃保温炉保温4.5min后出炉空冷至室温。本实施例的钢板金相组织如图1所示。

实施例2-5的详细成分和工艺参数见表1和2。

表1本发明实施例1-5的化学成分

实施例	C	Si	Mn	P	S	Al	Ni	Cr	Mo	Ti	Ca	N	Ceq*
														1	0.16	1.05	1.60	0.010	0.006	0.039		0.55		0.015	0.0023	0.0045	0.54
2	0.18	0.75	1.59	0.0089	0.005	0.034	0.20	0.44		0.012	0.0025	0.0050	0.55
														3	0.19	0.55	1.45	0.008	0.005	0.043	0.18	0.45	0.18	0.013		0.0045	0.57
4	0.16	1.05	1.51	0.008	0.004	0.052	0.15	0.55	0.23	0.013		0.0043	0.58
														5	0.19	0.75	1.55	0.009	0.006	0.038	0.15	0.63	0.23	0.018	0.0020	0.0048	0.63

*Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/14

C当量满足焊接要求。

表2本发明实施例1-5的相关工艺参数及钢板厚度

试验例1：力学性能

按照GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法、GB 2106-1980金属夏比V型缺口冲击试验方法测定本发明实施例1-5钢板的各项力学性能，其结果见表3。

试验例2：弯曲性能

按照GB/T 232-2010金属材料弯曲试验方法，对本发明实施例1-5钢板进行横向冷弯d=2a,180°试验，其结果见表3，全部实施例钢板完好，均无表面裂纹。

表3本发明钢板的力学性能和组织

试验例3：金相组织

图1是本发明实施例1的6mm厚钢板的金相组织图。

图2是本发明实施例5的25mm厚钢板的金相组织图。

从图中可见，钢板的组织为回火马氏体+碳化物。

其他实施例也能得到类似的金相组织图。

从以上实施例可以看出，采用本发明的成分和工艺参数进行加工，6-25mm厚成品钢板的屈服强度≥1050MPa，延伸率A₅₀≥18%，-60℃的A_kv≥27J，冷弯性能优良，组织呈现为回火马氏体和碳化物。钢板能够满足相关行业对高强度钢板的较高要求。另外，从表1可见，本发明钢板的碳当量Ceq比较低，因此具有良好的焊接性能。本发明产品适用于制作汽车、工程机械等行业结构件等，具有广泛的应用价值和市场前景。

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

1.一种超高强度钢板，其特征在于，其成分的重量百分比为：C：0.16-0.19%，Si：0.55-1.05%，Mn：1.4-1.6%，P≤0.015%，S≤0.010%，Al：0.03-0.055%，Ti≤0.020%，N≤0.006%，Ca≤0.005%，以及Cr≤0.70%、Ni≤0.30%、Mo≤0.30%中的1种或1种以上，余量为铁和不可避免杂质。

2.如权利要求1所述的超高强度钢板，其特征在于，所述钢板的组织为回火马氏体和碳化物。

3.如权利要求1所述的超高强度钢板，其特征在于，所述钢板的组织为95%以上的低碳马氏体组织。

4.如权利要求1－3任意一项所述的超高强度钢板的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）钢水经真空脱气处理后进行连铸成连铸坯或模铸并初轧成钢坯；

（2）连铸坯或钢坯于1150-1200℃加热后进行一道次或多道次轧制，总压下率不低于70%；终轧温度不低于860℃；

（3）轧后钢板以30至100℃/s的冷却速度快速水冷至200-300℃温度区间再进入240-260℃保温中保温4-6分钟后出炉空冷至室温。