CN102699031A

CN102699031A - 一种900MPa级超高韧性低合金钢及其制造方法

Info

Publication number: CN102699031A
Application number: CN2012101475719A
Authority: CN
Inventors: 周平; 孙新军; 杨建勋; 雍岐龙; 汤化胜; 董瀚; 麻衡; 夏志伟; 李昭东; 李艳
Original assignee: Laiwu Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute; Laiwu Steel Group Yinshan Section Steel Co Ltd
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2032-05-14
Also published as: CN102699031B

Abstract

本发明公开了一种屈服强度900MPa级超高韧性低合金钢，所述钢的成分按照重量百分比计为：C：0.04～0.08wt.％、Si：0.10～0.40wt.％、Mn：1.50-2.35wt.％、Cu：0-0.40wt.％、Cr：0-0.50wt.％、Ni：0-0.50wt.％、Mo：0.05-0.40wt.％、Nb：0.02-0.10wt.％、V：0-0.07wt.％、Ti：0.005-0.04wt.％、B：0.0005-0.0030wt.％、Al：0.01-0.06wt.％、P：＜0.015wt.％、S：＜0.010wt.％，余为Fe和不可避免的杂质。根据本发明的钢具有高强度的同时具有高韧性，从而能够满足生产实践的要求。

Description

一种900MPa级超高韧性低合金钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高强度高韧性低合金钢及其制造方法，具体地讲，本发明涉及一种屈服强度为900MPa级、超高韧性的低合金钢及其制造方法。

背景技术

高强高韧是钢铁结构材料永恒的发展主题，是实现构件减量化和安全性的必由之路。目前，实际工程中对屈服强度达到900MPa级或更高强度的超高强钢的需求正逐渐增多，如液压支架结构、起重机吊臂、挖掘机支架等钢结构部件。这类高强钢过去通常采用调质工艺(离线淬火+回火)生产，工艺流程长，能耗高，而且为了提高钢的淬透性，在钢板整个厚度截面上获得均匀的马氏体组织，需要加入较高的碳(不小于0.12％)和Cr、Ni、Mo等合金元素，造成合金化成本和焊接碳当量较高。另外，传统调质板由于碳含量高其低温韧性有限，-40℃夏比冲击功通常不超过100J。例如，瑞典SSAB钢铁生产商采用传统调质工艺生产的WELDOX960和DOMEX960屈服强度大于960MPa，但-40℃冲击功仅能保证≥34J。目前，采用控轧控冷(TMCP)或TMCP+回火工艺生产屈服强度大于900MPa钢板正在成为国内外研究的热点问题，该工艺省却了离线淬火，具有生产过程高效、节能和节约合金元素的优点。例如，中国专利ZL200510024775.3提出了一种屈服强度960MPa以上超高强度钢板及其制造方法，采用热轧后直接淬火和回火工艺，钢板具有良好塑性和焊接性。但是，所涉及钢的碳含量仍然较高(0.08～0.18％)，因而造成-40℃低温冲击韧性仅30～40J。公开专利“屈服强度为950MPa级的焊接结构钢”(公开号CN101397641A)，公布了一种实验用超高强钢，轧制过程采用高温大压下以充分细化奥氏体晶粒，然后喷水冷至900℃以下进行最后两道次轧制，轧后空冷，钢板屈服强度≥950MPa。然而由于所涉及钢的碳含量高达0.13-0.18％，，导致-20℃冲击功仅＞50J。Exxonmobil Upstream Res公司申请的专利WO200039352采用控轧控冷生产低温韧性优异的高强度钢，其含碳量较低(0.03-0.12％)，同时加入了高镍含量(不小于1.0％)，但其抗拉强度只能达到830MPa以上。在埃克森美孚和住友金属联合申请的“高抗拉强度钢及其生产方法”的中国专利98802878中，钢板碳含量为0.02-0.10％，采用TMCP工艺生产，但抗拉强度只能达到900MPa以上。综上所述，目前采用TMCP或TMCP+回火工艺生产的高强钢中，若屈服强度大于900MPa，则钢板碳含量较高(不小于0.08％)，其低温韧性较差；若碳含量低于0.08％，尽管可以获得优异的低温韧性，但不大幅度提高合金添加量的条件下，屈服强度难以达到900MPa以上。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种碳含量不大于0.08％、屈服强度900MPa以上的超高韧性低合金钢及其制造方法。

所述制造方法包括以下步骤：将连铸坯装入加热炉中加热，加热温度为1100-1250℃，加热时间为1-5小时；轧制步骤，所述轧制步骤包括粗轧轧制和精轧轧制，其中，粗轧轧制5-9道次，粗轧的终轧温度为1000-1100℃，精轧轧制5-12道次，精轧的开轧温度为880-960℃、精轧的终轧温度为750-880℃，精轧总压缩比不小于3；对轧制后的钢进行冷却，其中，冷却速度为不小于5℃/s，终冷温度不高于500℃。

根据本发明的制造方法，粗轧结束后奥氏体平均晶粒尺寸小于30微米，精轧结束后扁平奥氏体的厚度小于10微米。

优选地，所述制造方法还包括对轧制之后的钢进行回火处理，其中，回火温度为580-680℃，保温时间为25-60分钟。

根据本发明制造的钢的成分为，按重量百分比计，C：0.04～0.08wt.％、Si：0.10～0.40wt.％、Mn：1.50-2.35wt.％、Cu：0-0.40wt.％、Cr：0-0.50wt.％、Ni：0-0.50wt.％、Mo：0.05-0.40wt.％、Nb：0.02-0.10wt.％、V：0-0.07wt.％、Ti：0.005-0.04wt.％、B：0.0005-0.0030wt.％、Al：0.01-0.06wt.％、P：＜0.015wt.％、S：＜0.010wt.％，余为Fe和不可避免的杂质。

根据本发明制造的钢具有高强度和高韧性，从而能够满足生产实践的要求。

附图说明

通过参照附图对本发明的实施例进行详细描述，本发明的以上特征及优点将变得更加清楚，在附图中：

图1是根据实施例1制备的钢的SEM微观组织照片；

图2是根据实施例1制备的钢的TEM照片。

具体实施方式

以下将参照附图来详细描述本发明的示例性实施例。

本发明的目的之一是提供一种屈服强度900MPa级、-40℃夏比冲击功超过200J的钢板，目的之二是提供上述超高强度、超高韧性钢的制造工艺。

高的低温韧性需要通过采用超低碳成分设计(不大于0.08％)来实现，这是因为超低碳可以消除钢中的渗碳体、富碳的马氏体/奥氏体(M-A)组元等对低温韧性不利的硬质第二相。然而，超低碳设计对提高强度非常不利，需要在组织细化、位错强化及沉淀强化等方面进行调控，以弥补降碳带来的强度损失。

钢板最终组织细化通过全流程组织细化来实现，其工艺要点如下：(1)铸坯再加热阶段：降低奥氏体化温度，获得细小均匀的原始奥氏体组织，为后续组织细化奠定良好的基础；(2)粗轧阶段：适当降低粗轧温度、提高道次压下量，强化再结晶细化效果，通过反复再结晶细化奥氏体；(3)精轧阶段：在奥氏体未再结晶温度(Tnr)以下变形，获得薄饼形的加工硬化态奥氏体。奥氏体加工硬化对于相变后组织细化至关重要。对于贝氏体或马氏体钢而言，决定其强度的有效组织单元为板条块，而板条块的宽度与奥氏体未再结晶区压下量(即硬化程度)密切相关，大的压下量(即高的硬化程度)有助于细化相变后板条块尺寸，从而提高钢板强度。(4)加速冷却阶段：通过提高冷速获得贝氏体或马氏体组织，减少对韧性不利的富碳M/A组元的数量和尺寸。

本发明提供的900MPa级超高韧性钢的化学成分和含量为：按重量百分比计，C：0.04～0.08wt.％、Si：0.10～0.40wt.％、Mn：1.50-2.35wt.％、Cu：0-0.40wt.％、Cr：0-0.50wt.％、Ni：0-0.50wt.％、Mo：0.05-0.40wt.％、Nb：0.02-0.10wt.％、V：0-0.07wt.％、Ti：0.005-0.04wt.％、B：0.0005-0.0030wt.％、Al：0.01-0.06wt.％、P：＜0.015wt.％、S：＜0.010wt.％，余为Fe和不可避免的杂质。

本发明各元素的作用及配比依据如下：

碳：作为最主要的固溶强化元素，显著提高钢的强度。但碳对提高钢的冲击韧性尤其是上平台冲击功非常不利，还明显损害焊接性能。因此，本发明涉及的钢板采用超低碳成分设计，碳含量范围为0.04～0.08wt.％。

硅：钢中脱氧元素之一，同时具有较强的固溶强化作用，但过量的Si将恶化钢的韧性及焊接性能。综合上述考虑，本发明钢硅含量范围为0.10～0.40wt.％。

锰：明显提高钢的淬透性，同时具有一定的固溶强化作用。但Mn含量过高时，其在铸坯中的偏析倾向增加，另外对焊接性能不利。基于上述原因，本发明钢Mn含量范围为：1.50-2.35wt.％。

钼：显著提高钢的淬透性，减少回火脆性，提高钢的耐延迟断裂性能。回火过程中沉淀析出的含Mo第二相具有沉淀强化作用。Mo含量低于0.05wt.％时，难以起到上述作用，超过0.40wt.％时，作用效果达到饱和，且成本较高。因此，本发明钢Mo含量范围为0.05-0.40wt.％。

钒：钒在钢中以两种形式存在：固溶于钢中的钒和碳氮化钒析出相。固溶钒能够明显提高钢的淬透性，特别是与Mo复合添加时其作用效果尤其显著。回火过程中析出的碳氮化钒粒子还具有一定的沉淀强化作用。本发明钢V含量范围为0-0.07wt.％。

铬：提高钢的淬透性和耐大气腐蚀性能，但较高的Cr将降低焊接性能，应控制在0.50wt.％以内。

镍：提高钢的淬透性，明显改善低温韧性，提高钢的抗大气腐蚀性能。但其价格价高，应控制在0.50wt.％以内。

铜：提高钢的淬透性和耐大气腐蚀性能，时效析出的纳米级Cu相粒子具有较强的沉淀强化作用，但含Cu钢由于表面选择性氧化而易于产生热脆问题。基于上述考虑，Cu含量控制在0.40wt.％以内。

硼：强烈偏聚于奥氏体晶界及其它晶体缺陷处，加入微量B即可显著提高淬透性，但硼含量超过0.0030％后上述作用饱和，而且还可能形成各种对热加工性能和韧性不利的含B析出相，因此硼含量应控制在0.0005-0.0030wt.％范围内。

铌：显著奥氏体未再结晶温度，是实现未再结晶轧制、获得最终细晶组织的最有效元素；固溶于奥氏体的Nb能够提高淬透性，回火过程中沉淀析出的碳氮化铌粒子具有沉淀强化作用。Nb含量应控制在0.02-0.10wt.％以内，低于0.02wt.％难以起到上述作用，高于0.10wt.％则上述作用达到饱和。

钛：本发明钢中加入少量Ti是为了形成纳米级尺寸的TiN粒子，可以细化铸坯加热过程中奥氏体晶粒。Ti含量应控制在0.005-0.040wt.％范围内，低于0.005wt.％所形成TiN数量稀少，细化晶粒作用很小；高于0.040wt.％将形成微米级尺寸的液析TiN，不仅无法细化晶粒作用，而且对钢板韧性有害。

铝：铝是强脱氧元素，还可与N结合形成AlN，能够起到细化晶粒作用。

磷和硫：钢中杂质元素，显著降低塑韧性和焊接性能，其含量应分别控制在0.015wt.％和0.01wt.％以内。

本发明所涉及的900MPa级超高韧性钢板制造工艺如下：

冶炼和铸造：采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸。

采用中厚板轧机轧制：连铸坯在加热炉中加热，加热温度为1100-1250℃，时间为1-5小时。若加热温度低于1100℃，微合金化元素Nb和V不能充分固溶于奥氏体中而难以发挥其作用；若加热温度高于1250℃，奥氏体晶粒明显长大而对钢板强韧性不利。加热后进行轧制，轧制工艺为：粗轧轧制5-9道次，粗轧终轧温度为1000-1100℃。粗轧过程中奥氏体发生再结晶而逐渐细化，粗轧结束后奥氏体平均晶粒尺寸小于30微米。若粗轧终轧温度低于1000℃，奥氏体再结晶不完全，成品钢板中将形成对强韧性不利的混晶组织；若粗轧终轧温度高于1100℃，再结晶奥氏体晶粒尺寸较大(大于30微米)，亦不利于钢板的强韧性。精轧轧制5-12道次，精轧开轧温度880-960℃，终轧温度为750-880℃，精轧总压缩比不低于3。精轧过程中奥氏体不发生再结晶而逐渐扁平化，精轧结束后扁平奥氏体的厚度应小于10微米。若精轧开轧温度高于960℃，奥氏体将发生部分再结晶而易于引起混晶问题，若精轧开轧温度低于880℃，则显著增加轧制力和轧制扭矩，不利于板型的控制；若精轧终轧温度高于880℃，一方面由于精轧温度窗口过窄(低于960℃高于880℃)而增加实施难度，另一方面不利于奥氏体中形变缺陷的累积而对最终组织细化不利；若精轧终轧温度低于750℃，则可能进入奥氏体+铁素体两相区轧制，易于在成品钢板中引起分层缺陷。精轧总压缩比的控制对于在超低碳钢中获得900MPa以上的超高强度也非常重要。若总压缩比小于3，则不能充分细化相变后贝氏体或马氏体的板条块宽度，其屈服强度难以达到900MPa以上。轧后加速冷却，冷速不低于5℃/s，终冷温度不高于500℃。若冷速过慢或终冷温度过高，则将获得以粒状贝氏体为主的微观组织，不能获得强度较高的板条贝氏体或马氏体组织，钢板屈服强度难以达到900MPa级。加速冷却后对钢板进行矫直。

回火处理。回火加热温度为580-680℃，保温时间25-60min。回火过程中发生微合金碳氮化物的沉淀析出，具有沉淀强化作用，可以补偿因位错回复导致的强度下降，提高钢板回火稳定性。回火温度过低则微合金碳氮化物难以析出，而回火温度过高则析出相粒子发生粗化，两者均不利于沉淀强化。

实施例1至实施例3

表1中示出了根据本发明的实施例1至实施例3的高强度高韧性低合金钢的化学成分。按表1所示化学成分进行转炉冶炼并浇注成连铸坯，将连铸坯加热后采用中厚板轧机轧制，轧后对钢板进行加速冷却。铸坯加热温度、粗轧终轧温度、精轧开轧温度、精轧终轧温度等主要工艺参数见表2。相应钢板拉伸强度、-40℃纵向冲击功、厚度规格在表3中列出。

表1本发明实施例1-3900MPa级超高韧性钢的化学成分(wt.％)

表2本发明实施例1-3900MPa级超高韧性钢板的主要生产工艺参数

表3本发明实施例1-3900MPa级超高韧性钢板的力学性能

实施例

屈服强度

抗拉强度

延伸率

-40℃冲击功

厚度规格

	(MPa)	(MPa)	A5(％)	(J)	(mm)
						1	935	1050	15.5	223	30
2	945	1070	16	208	25
						3	960	1105	14	246	20

图1～2分别示出了根据实施例1制造的钢的SEM微观组织照片及TEM照片，可见精轧后扁平化奥氏体厚度约为8微米，组织为具有较高的位错密度板条马氏体或贝氏体。

从以上实施例1至实施例3可知，通过根据本发明的制造方法制造的钢具有高强度、高韧性的特点，能够满足实际生产的需要。

本发明的优点在于：

(1)采用超低碳成分设计(碳含量不高于0.08％)，通过全流程组织细化特别是通过控制精轧总压缩比细化相变后马氏体或贝氏体板条块尺寸，从而提高钢板的强度，同时消除了对韧性有害的渗碳体析出，钢板具有优异强韧性和焊接性能。在屈服强度高于900MPa的情况下钢板-40℃冲击功仍高达200J以上；焊接冷裂纹敏感性指数(Pcm值)不高于0.27。

(2)采用TMCP工艺+回火生产900MPa级高强钢板，突破了目前TMCP+回火工艺主要生产800MPa级以下高强钢而更高强度级别需要采用离线调质工艺生产的现状，为超高强度、高韧性钢板提供了一条高效、节能生产的新途径。

Claims

1.一种屈服强度900MPa级超高韧性低合金钢的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤：

将连铸坯装入加热炉中加热，加热温度为1100-1250℃，加热时间为1-5小时；

轧制步骤，所述轧制步骤包括粗轧轧制和精轧轧制，其中，粗轧轧制5-9道次，粗轧的终轧温度为1000-1100℃，精轧轧制5-12道次，精轧的开轧温度为880-960℃、精轧的终轧温度为750-880℃，精轧总压缩比不小于3；

对轧制后的钢进行冷却，其中，冷却速度为不低于5℃/s，终冷温度为不高于500℃。

2.根据权利要求1所述的屈服强度900MPa级超高韧性低合金钢的制造方法，其特征在于，粗轧结束后奥氏体平均晶粒尺寸小于30微米，精轧结束后扁平奥氏体的厚度小于10微米。

3.根据权利要求1所述的屈服强度900MPa级超高韧性低合金钢的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括对轧制之后的钢进行回火处理，其中，回火温度为580-680℃，保温时间为25-60分钟。

4.根据权利要求1所述的屈服强度900MPa级超高韧性低合金钢的制造方法，其特征在于，所述钢的成分按重量百分比计为，C：0.04～0.08wt.％、Si：0.10～0.40wt.％、Mn：1.50-2.35wt.％、Cu：0-0.40wt.％、Cr：0-0.50wt.％、Ni：0-0.50wt.％、Mo：0.05-0.40wt.％、Nb：0.02-0.10wt.％、V：0-0.07wt.％、Ti：0.005-0.04wt.％、B：0.0005-0.0030wt.％、Al：0.01-0.06wt.％、P：＜0.015wt.％、S：＜0.010wt.％，余为Fe和不可避免的杂质。

5.一种屈服强度900MPa级超高韧性低合金钢，其特征在于，所述钢的成分按重量百分比计为，C：0.04～0.08wt.％、Si：0.10～0.40wt.％、Mn：1.50-2.35wt.％、Cu：0-0.40wt.％、Cr：0-0.50wt.％、Ni：0-0.50wt.％、Mo：0.05-0.40wt.％、Nb：0.02-0.10wt.％、V：0-0.07wt.％、Ti：0.005-0.04wt.％、B：0.0005-0.0030wt.％、Al：0.01-0.06wt.％、P：＜0.015wt.％、S：＜0.010wt.％，余为Fe和不可避免的杂质。