CN102676933A - 一种低合金超高强度高韧性钢板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢板及其生产方法，是一种低合金超高强度高韧性钢板及其生产方法，钢板的重量百分比化学成分为：C：0.14～0.18%，Si：0.10～0.30%，Mn：0.80～1.30%，P：≤0.015%，S：≤0.0020%，Nb：0.020～0.050%，Ti：0.008～0.020%，V：0.020～0.060%，Cr：0.30～0.60%，Mo：0.20～0.70%，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，所获得的低合金超高强度高韧性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。本发明具有生产工艺稳定，可操作性强，以及低成本、高性能等特点。

Description

一种低合金超高强度高韧性钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于钢铁技术领域，涉及一种钢板及其生产方法，具体的说是一种低合金超高强度高韧性钢板及其生产方法。

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。低合金高强度钢板由于其具有高强度、良好的冲击韧性、冷成型性和优良的可焊性能可广泛应用于装备制造业如矿山开采和各类工程施工用的设备，如钻机、电铲、电动轮翻斗车、挖掘机、装载机、推土机、各类起重机及煤矿液压支架等机械设备。随着工程机械向大型化、轻量化发展，希望低合金高强度钢板，在满足上述性能之外，强度进一步提高。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。为了大幅度提高钢材的强度和加工性能，同时得到超高强度钢材与超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：

美国专利WO99/05335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结束温度，这在普通淬火热处理车间很难精确实现。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 公开了一种低压缩比低合金超高强度高韧性钢板，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

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，考虑到低合金高强度钢板的高强度、高韧性、可焊性及低成本，提供一种低合金超高强度高韧性钢板及其生产方法，通过合理的化学成分设计，轻压下技术，严格控制S、P等有害元素，减轻中心偏析程度，通过TMCP与调质工艺，可获得了性能稳定的低合金高强度钢板。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

一种低合金超高强度高韧性钢板，钢板的重量百分比化学成分为：C：0.14～0.18%，Si：0.10～0.30%，Mn：0.80～1.30%， P：≤0.015%，S：≤0.0020%，Nb：0.020～0.050%，Ti：0.008～0.020%，V：0.020～0.060%， Cr：0.30～0.60%，Mo：0.20～0.70%，余量为Fe及不可避免的杂质。

由于钢的化学成分是影响连铸坯内部质量与超高强度高韧性钢板性能的关键因素之一，本发明为了使所述钢获得优异的综合性能，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；为了减轻冶炼压力，避开包晶区间，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，对细化组织，提高强度和韧性有利；当锰的含量较低，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大于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0.14～0.18%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0.020%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0.020～0.050%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0.008%～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0.70%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0.20～0.70%。

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≤0.0020%和≤0.015%以下。

低合金超高强度高韧性钢板的生产方法，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和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：≤0.0020%，Nb：0.020～0.050%，Ti：0.008～0.020%，V：0.020～0.060%， Cr：0.30～0.60%，Mo：0.20～0.70%，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℃之间，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15～20%，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。

本发明进一步限定的技术方案是：

前述的低合金超高强度高韧性钢板，钢板组织为回火索氏体，片层间距细小。

前述的低合金超高强度高韧性钢板，钢板的屈服强度为960～1080MPa，抗拉强度为1020～1150MPa，延伸率为18～25%，-40℃低温冲击≥60J。

前述的低合金超高强度高韧性钢板，钢板的重量百分比化学成分可优选为：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。

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低合金超高强度高韧性钢板，组织为回火索氏体，片层间距较为细小，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：

⑴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。

⑵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。

⑶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。

⑷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。

⑸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是本发明在扫描电镜下在钢板厚度方向1/4处典型组织图。

具体实施方式

    实施例

本发明低合金超高强度高韧性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：≤0.0020%，Nb：0.020～0.050%，Ti：0.008～0.020%，V：0.020～0.060%，Cr：0.30～0.60%，Mo：0.20～0.70%，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各实施例成分如表1所示。

表1：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

本发明各实施例的低合金超高强度高韧性钢板的生产方法，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：各实施例的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：各实施例调质热处理后获得的板材力学性能

可以看出，按照本发明生产的低合金超高强度高韧性钢板屈服强度为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。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种低合金超高强度高韧性钢板，其特征在于：所述钢板的重量百分比化学成分为：C：0.14～0.18%，Si：0.10～0.30%，Mn：0.80～1.30%， P：≤0.015%，S：≤0.0020%，Nb：0.020～0.050%，Ti：0.008～0.020%，V：0.020～0.060%， Cr：0.30～0.60%，Mo：0.20～0.70%，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的低合金超高强度高韧性钢板，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所述的低合金超高强度高韧性钢板，其特征在于：所述钢板的屈服强度为960～1080MPa，抗拉强度为1020～1150MPa，延伸率为18～25%，-40℃低温冲击≥60J。

4.根据权利要求1或2或3所述的低合金超高强度高韧性钢板，其特征在于：所述钢板的重量百分比化学成分为：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。

5.权利要求1所述低合金超高强度高韧性钢板的生产方法，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和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：≤0.0020%，Nb：0.020～0.050%，Ti：0.008～0.020%，V：0.020～0.060%， Cr：0.30～0.60%，Mo：0.20～0.70%，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℃之间，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15～20%，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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