CN102839319B - 1100MPa级高强度钢及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种合金钢，其按重量百分比计的化学成分为：C：0.22-0.30％，Si：0.80-1.20％，Mn：2.00-2.50％，V：0.08-0.15％，Nb：0.015-0.10％，Ti：0.01-0.04％，Al：0.015-0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05％。本发明钢的制造包括：经炼钢、热轧后，在高于850℃以上强冷却至450℃以下，随后空冷至室温，最后在200-250℃下回火，回火时间在2.5小时以上。本发明合金钢的抗拉强度σb≥1100MPa，延伸率δ5≥15％。本发明合金钢的制造工艺简单，无需复杂的热处理工序，从而节约能源，减少环境污染，缩短生产周期和降低制造成本。

Description

1100MPa级高强度钢及其生产方法
技术领域
本发明涉及一种高强度合金钢，特别是涉及一种1100MPa级中低碳非调质高强度钢及其制造方法。
背景技术
目前，机械制造行业普遍使用非调质钢代替需要调质的碳素钢和合金钢，以节约能源和合金资源，降低生产成本。我国自70年代以来，相继开发了一系列不同强度等级的非调质钢，但大多数钢种抗拉强度级别偏低，因此限制了它们的广泛应用。少数钢种抗拉强度虽然在1100MPa以上，但塑韧性指标偏低，它们通常含有较高的C，或是含有一定量的贵重元素Cr和Mo，或是需要经过特殊加工才能使抗拉强度达到1100MPa以上。
现有技术中有介绍1100MPa级非调质高强度合金钢的。如CN1861831A公开了一种1100Mpa级非调质高强钢及其生产方法，其中C含量相对较高，对气体N含量也有一定的控制要求，且只有经过冷轧后抗拉强度才能达到1100MPa以上，其制造工艺较复杂，生产成本增加。
CN101302601A公开了一种高强韧性大截面非调质钢钢棒及其制备方法，其中主要通过加入一定量的Cr和适量的Mo来获得高强高韧性。
CN1472358A公开了一种非调质超高碳钢及其生产工艺，其中C、Si含量非常高，又含有一定的Cr元素，虽然强度很高，但塑韧性较低，而且采用喷射成型加等温锻造工艺，使其制造成本大幅度提高。
开发一种不含Cr、Mo元素，不需要特殊加工即可达到抗拉强度在1100MPa以上、并具有良好塑韧性.的中低碳非调质合金钢是目前所需要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种1100MPa级中低碳非调质高强度钢。
本发明通过采用廉价的C、Si、Mn元素，并适当添加微量的V、Ti、Nb等元素，热轧后通过适当的强制冷却加低温回火，即可获得一种抗拉强度在1100MPa以上，并兼有良好塑韧性的非调质合金钢，可广泛用于制造汽车、工程机械的零部件。
为实现上述目的，本发明的非调质合金钢，按重量百分比计的化学成分为：C：0.22-0.30％，Si：0.80-1.20％，Mn：2.00-2.50％，V：0.08-0.15％，Nb：0.015-0.10％，Ti：0.01-0.04％，Al：0.015-0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05％。
优选地，C：0.22-0.28％，
优选地，Si：0.82-1.20％。
优选地，Mn：2.05-2.50％。
优选地，Nb：0.017-0.10％。
优选地，Al：0.015-0.045％，更优选0.015-0.04％。
本发明的合金钢选择化学成分范围的原因如下：
C是保证钢室温强度和淬透性所必需的成分。碳含量低于0.22％时淬透性和强度不够，高于0.30％则韧性变坏。优选C含量为0.22-0.28％。
Si加入钢中起到了脱氧和固溶强化的作用。含量低于0.80％效果不明显。当含量超过1.20％后，加工性和韧性恶化。本发明钢中控制Si含量为0.80-1.20％，优选为0.82-1.20％。
Mn：为了提高淬透性并确保强度，Mn含量必须在2.00％以上，另一方面，若Mn含量过高，则钢的韧性降低。为此，本发明中控制Mn含量为2.00-2.50％，优选为2.05-2.50％。
Al在钢中起到了脱氧和细化晶粒的作用。当加入量低于0.01％时，效果不明显，加入量超过0.06％时会使铝系夹杂物颗粒增大，使力学性能变差。本发明中控制Al含量为0.015-0.05％，优选为0.015-0.045％，更优选为0.015-0.04％。
Ti在钢中主要与C、N形成Ti(C，N)以提高强度，细小的Ti(C，N)可在加热过程中阻止奥氏体晶粒长大，细化组织，提高塑韧性。但其含量不能太高，否则Ti(C，N)颗粒粗大，不仅不能够有效阻止晶粒长大，而且会损害钢的韧性。本发明中控制Ti含量在0.01-0.04％范围可以有效阻止热加工过程中奥氏体晶粒长大。
V在钢中主要起沉淀强化作用，适量的V可提高钢的强度和塑性，V太高不会使强度明显增加，但会显著降低钢的塑韧性，如果V含量超过0.15％，则韧性就降低很多。本发明中控制V含量为0.08-0.15％范围。
Nb在微合金非调质钢中一般不单独加入，当Nb和V元素复合加入时，既能提高钢的强度又能改善钢的塑韧性。当加入量低于0.015％时，效果不明显，超过0.1％时，由于析出物粗化而使性能恶化。本发明中控制Nb含量为0.015-0.10％，有为0.017-0.10％。
本发明的另一个目的是提供上述1100MPa级中低碳非调质高强度钢的制造方法。
本发明的钢经炼钢、轧制后，在850℃以上强冷却至450℃以下，随后空冷至室温，最后在200-250℃下低温回火，回火时间为2.5小时以上即可达到抗拉强度σb≥1100MPa，延伸率δ5≥15％的高性能。
优选地，在850-920℃以上，以8-15℃/s冷却速度强冷却至450℃以下。
优选地，本发明钢采用电炉+炉外精炼→模铸或连铸→控轧控冷→低温回火工艺生产。冶炼时，为了提高微合金元素(如V、Ti)的收得率，在充分脱氧后再进行合金化。为了提高钢的塑韧性，对热加工条件应进行严格控制。在热轧工序中，钢锭加热温度控制在1150-1220℃，开轧温度为1020-1100℃，终轧温度为850-920℃，在轧制过程中，尽量增大精轧机组最后三道次的压下量，道次变形量控制在10-15％，终轧后以8-15℃/s的冷速冷却至450℃以下，保证轧材均匀快速冷却，随后空冷至室温，然后入200-250℃退火炉进行低温回火。
有益效果
本发明与现有技术相比较，具有突出的特点和显著优点：
本发明钢不含有Cr、Mo等元素，而是添加微量的V、Ti、Nb元素，节约了合金资源，合乎我国缺Cr的国情，而且我国的V、Ti、Nb等微合金化元素资源丰富，符合我国资源优势和可持续发展的战略要求。采用上述成分和制造方法生产的1100MPa级非调质合金钢，其延伸率在15％以上，具有高强度兼有一定的塑韧性，该钢在轧后强制冷却，然后经过200-250℃低温回火即可获得上述性能，其制造工艺简单，无需复杂的热处理工序，从而节约能源，减少环境污染，缩短生产周期和降低制造成本。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明进行较为详细的说明。
实施例
根据本发明所设计的化学成分和生产方法生产了6炉合金，合金的具体成分如表1所示。
表1本发明的实施例钢和对照钢的化学成分，wt％
具体工艺为：采用电炉+炉外精炼→模铸或连铸→控轧控冷→低温回火工艺生产。在冶炼工序中，钢液在充分脱氧后再进行合金化，以提高微合金元素(如V、Ti)的收得率。在热轧工序中，钢锭加热温度控制在1150-1220℃，开轧温度为1020-1100℃，终轧温度为850-920℃，最后三道次的变形量控制在10-15％，终轧后以8-15℃/s的冷速冷却至450℃以下，保证轧材均匀快速冷却，随后空冷至室温，然后入200-250℃退火炉进行低温回火2.5小时以上。
试验例：力学性能
按照GB/T2975-1998和GB/T228-2002对6炉合金进行取样，分别进行室温拉伸试验，其结果如表2所示。为了对比，随机抽取了大生产中的20CrMnTi、20CrNiMo和42CrMo各1炉，其化学成分和力学性能也分别列入表1和2中，其中A1-A6为本发明的非调质合金钢。
表2实施例钢和对照钢的力学性能
从以上结果可以看出，本发明的非调质合金钢经冶炼、控轧控冷和低温回火处理后便可得到优良的性能指标，其力学性能完全达到甚至超过部分调质钢，如20CrMnTi、20CrNiMo和42CrMo等钢的力学性能。
本发明的非调质合金钢由于其力学性能和一些工程上用量较大的调质钢，如20CrMnTi、20CrNiMo和42CrMo等钢的力学性能相当，且价格便宜，因此在某些工程应用上可完全取代上述调质钢，它的成功设计和开发将会带来巨大的经济效益，其市场前景将非常巨大。

Claims (10)

1.一种1100MPa级非调质高强度合金钢，其按重量百分比计的化学成分为：C：0.22-0.30％，Si：0.80-1.20％，Mn：2.00-2.50％，V：0.08-0.15％，Nb：0.015-0.10％，Ti：0.01-0.04％，Al：0.015-0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05％；
所述钢通过包含如下步骤的方法制造：
经炼钢、热轧后，在高于850℃以上强冷却至450℃以下，随后空冷至室温，最后在200-250℃下回火，回火时间在2.5小时以上。
2.如权利要求1所述的1100MPa级非调质高强度合金钢，其特征在于，C：0.22-0.28％。
3.如权利要求1所述的1100MPa级非调质高强度合金钢，其特征在于，Si：0.82-1.20％。
4.如权利要求1所述的1100MPa级非调质高强度合金钢，其特征在于，Mn：2.05-2.50％。
5.如权利要求1所述的1100MPa级非调质高强度合金钢，其特征在于，Nb：0.017-0.10％。
6.如权利要求1所述的1100MPa级非调质高强度合金钢，其特征在于，Al：0.015-0.045％。
7.如权利要求1所述的1100MPa级非调质高强度合金钢，其特征在于，Al：0.015-0.04％。
8.如权利要求1-7任一所述的1100MPa级非调质高强度合金钢，其特征在于，其抗拉强度σb≥1100MPa，延伸率δ5≥15％。
9.如权利要求1所述的1100MPa级非调质高强度合金钢，其特征在于，在850℃-920℃，以8-15℃/s的冷却速度冷却至450℃以下。
10.如权利要求1所述的1100MPa级非调质高强度合金钢，其特征在于，在热轧中，钢锭加热温度控制在1150-1220℃，开轧温度为1020-1100℃，终轧温度为850-920℃；
在轧制过程中，道次变形量控制在10-15％；
终轧后以8-15℃/s的冷却速度冷却至450℃以下。
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