CN102965572A - 一种高强度高韧性钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度高韧性钢板，其微观组织为回火屈氏体组织，且其化学元素质量百分含量为：C：0.04～0.07%，Si：≤0.30%，Mn：1.4～1.6%，Al：0.02～0.04%，Ti：0.005～0.020%，N：≤0.006%，余量为Fe和其他不可避免的杂质。相应地，本发明还公开了该高强度高韧性钢板的制造方法。该高强度高韧性钢板具有较具有较大的硬度，较高的强度，优质的低温冲击韧性，良好的加工成型性和优良的冷弯性能。

Description

一种高强度高韧性钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢板及其制造方法，尤其涉及一种合金钢板及其制造方法。

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地应用于海洋工程、军工器械、机械及船舶制造等行业。我国工业的飞速发展以及各类军用及民用设备的复杂化、大型化及轻量化的趋势对于低合金高强度钢提出了更高的要求，即用于生产制造的低合金高强度钢板不但要求具有更大的硬度及更高的强度，而且还要求其具有良好的低温冲击韧性。

近几十年来，海洋工程及船舶结构用的高强度高韧性钢板的开发与应用发展得很快。低合金高强度钢是在低合金高强度可焊接钢的基础上发展起来的，此类钢板的使用寿命可达到传统结构钢板使用寿命的数倍。低强度级别的海洋工程用钢常采用TMCP（Thermo Mechanical Control Process，热机械控制工艺）或者正火工艺生产，生产工艺较简单；而高强度级别的海洋工程用钢一般采用轧后直接冷却或淬火，或者离线淬火加回火工艺生产。

现有技术中，在生产制造海洋工程及船体结构用高强度高韧性钢板时，一般采用添加较多的Cu、Ni、Cr和Mo等贵重合金元素，生产成本较高，目前高强度高韧性钢板开始向低成本经济型和高成本高性能的两个不同方向发展。国内钢厂生产高强度钢所加的合金元素多为V、Ti、Cr、Si、Mn、B、Re等我国资源丰富的元素，且添加量一般为≤3%。对于强度级别更高的海洋工程或船体结构用钢，还需要补充一定量的Cu、Ni、Cr、Mo等元素用来提高钢板的强度级别和耐腐蚀性能。近几年我国在高强度高韧性钢板领域的技术发展取得了长足进步，但不能提供用于-80℃甚至-100℃低温冲击有要求的海洋工程或船体结构用钢。

公开号为WO200039352，公开日为2000年7月6日，名称为“一种具有超高强度且优异的低温韧性的钢”的国际专利文献，其公开了一种低温用钢，用较低含碳量（0.03%～0.12%）和高镍含量(不小于1.0%)的方法生产低温韧性好的高强度钢，其采用较低的冷却速率（10℃/s），其抗拉强度能达到930MPa以上。这种钢材料的镍含量高，并且还添加有Cu和Nb等贵金属元素，因此生产制造成本是比较高的。

公开号为GB2132225，公开日为1984年7月4日，名称为“生产制造强度厚钢板”的英国专利文献公开了一种厚度大于25mm的钢板，其采用在热轧后通过控制水流量来控制直接淬火的冷却速率然后回火的方法。其组分(重量百分比)为：碳(0.04％～0.16％)、铬(0.20～1.50％)、镍(0.20～5.00％)、钼(0.20～1.00％)含量均高于本专利铬(不大于0.75％)、镍(不大于0.40％)、钼(不大于0.30％)含量，且至少加入V：0.03～0.15%，Ti：0.03～0.15%,Nb：0.03～0.15%中的一种。同样，该钢板需要添加微合金元素V、Nb。

公开号为CN1249006A，公开日为2000年3月29日，名称为“高抗拉强度钢及其生产方法”的中国专利文献所涉及的钢板主要用于生产管线，其碳含量为0.02～0.10%，锰为0.2～2.5%，需添加Cu、Ni、Cr、Mo和Nb，且其抗拉强度为900MPa左右，该钢板在热轧时采用低温终轧甚至低到700℃，对轧机设备要求相应提高，轧机的负荷量大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度高韧性钢板及其制造方法，使得该种钢板具有较高的强度，较大的屈服强度和抗拉强度，较好的低温冲击韧性，优质的加工成型性及良好的冷弯性能等综合力学性能。

为达到上述发明目的，本发明提供了一种高强度高韧性钢板，其微观组织为回火屈氏体组织，且其化学元素质量百分含量为：

C：0.04～0.07%，

Si：≤0.30%，

Mn：1.4～1.6%，

Al：0.02～0.04%，

Ti：0.005～0.020%，

N：≤0.006%，

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

本发明所述的高强度高韧性钢板，通过合理的成分设计，无需添加Cu、V和Nb等昂贵的合金元素，并少量添加Mn元素，结合改进的制造工艺从而获得具有回火屈氏体微观组织的钢板。回火屈氏体是马氏体回火后的中间产物，消除了原马氏体组织的微观裂纹和内应力，获得细小的铁素体和碳化物的混合组织特征。该种微观组织具有较高的弹性极限和韧性级别，具有此类微观组织的钢板在成型后具有较大的硬度，较高的强度和较强的韧性。

本发明所述的高强度高韧性钢板中各化学元素的设计原理如下：

碳：碳是确保钢板强度的关键元素。对于要在制造过程中获得微观组织为大部分马氏体钢板而言，碳是最重要的元素，其可以显著地提高钢板的淬透性。碳含量的提高能使强度和硬度上升，塑性下降，因此，若钢板既要获得较高的强度，又要具备较高的韧性，那么对于钢板中的碳含量必须综合考虑。为了保证钢板优良的焊接性和良好的低温韧性，本发明钢采用较低的碳含量，即0.04～0.07%。

硅：钢中添加硅元素能提高钢质纯净度，并同时起到脱氧的作用。硅还可以在钢中起固溶强化的作用。但是，当硅含量过高时，会使钢板加热时的氧化皮粘度增大，出炉后除鳞困难，导致轧后钢板表面出现严重的红色氧化皮，从而致使钢材料表面质量劣化；同时钢板含有较高的硅含量不利于成品钢板的焊接性能。综合硅元素对于钢板各方面的影响，本发明中硅含量控制为≤0.30%。

锰：锰可以稳定奥氏体组织，其能力仅次于合金元素镍，同时其还是廉价的稳定奥氏体与强化合金元素，并且锰还能增加钢的淬透性，降低马氏体形成的临界冷速。不过，由于锰具有较高的偏析倾向，因而其含量不能太高，一般低碳微合金钢中锰含量不超过2.0%。综合考虑到Mn元素与其他元素的协同作用，故将本发明锰的含量控制在1.4～1.6%的范围之间。

铝：铝是强脱氧元素。脱氧后多余的铝还可以和钢中的氮元素能形成AlN析出物，提高钢板的强度并且在后续的热处理加热工艺时，细化钢的元素奥氏体晶粒度。为了保证钢中的氧含量尽可能地低，本发明钢中铝的含量应控制在0.02～0.04%。

钛：钛是强碳化物形成元素，在钢中加入微量的Ti有利于固定钢中的N，所形成的TiN能使钢坯加热时的奥氏体晶粒不过分长大，细化原始奥氏体晶粒度。钛在钢中还可分别与碳和硫生成TiC、TiS、Ti₄C₂S₂等化合物，它们以夹杂物和第二相粒子的形式存在。由钛元素生成的碳氮化析出物在焊接时还可阻止热影响区晶粒长大，从而改善钢板的焊接性能。在本发明中，将钛含量设计为0.005～0.020%。

氮：氮是钢中残余的气体元素，其在钢中会和Al及微合金元素Nb、Ti、V等形成氮化物，提高强度，但会损害钢的韧性。本发明不利用N的析出强化，仅少量利用C形成碳化物强化钢，主要利用相变强化及不完全回火获得高强度和高韧性。因此，本发明要求氮含量低于0.006%。

在本技术方案中，硫和磷是主要的杂质元素。其中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均会产生不利影响，因此硫的含量应尽可能地低。磷也是钢中的有害元素，其也会严重损害钢板的塑性和韧性。硫和磷均是不可避免的杂质元素，应该越低越好，

进一步地，本发明所述的高强度高韧性钢板中还包括Ni 0.05～0.3%和Mo 0.05～0.3%的至少其中之一。

由于镍是稳定奥氏体的元素，对提高强度没有明显的作用，但是钢中若加一定含量的镍，尤其是在调质钢中加镍元素，能够大幅提高钢的韧性，特别是钢板的低温韧性。在本发明中添加的镍元素不超过0.30%。

钼能显著地细化晶粒，提高强度和韧性。钼能减少钢板的回火脆性，同时回火时还能析出非常细小的碳化物，能够显著强化钢板的基体。本发明中添加不超过0.30%的钼。

相应地，本发明还提供了该高强度高韧性钢板的制造方法，包括冶炼、铸造、加热、轧制、冷却和回火步骤，获得钢板的微观组织为回火屈氏体组织，其中回火步骤中以5～15℃/s速度加热至530～570℃，回火时间为10～20s。

在制造工艺方面，采用上述回火步骤有助于消除淬火时产生的内应力以及消除马氏体板条内或之间的微裂纹，淬火马氏体经回火后，马氏体中过饱和的碳大部分或全部脱溶，弥散析出部分碳化物强化，基体马氏体已开始回复，最终获得微观组织为回火屈氏体组织，提高了钢板的强塑性、韧性和冷弯性能。

此外，上述铸造步骤可以采用连铸也可以采用模铸，但是在模铸后需将铸坯初轧制成钢坯。

进一步地，在上述加热步骤中，将板坯加热至1150～1220℃。将加热温度控制在1150至1220℃的范围之间，一方面是为了获得均匀的奥氏体化组织，另一方面是为了使钛、钼等合金元素的化合物部分溶解。

进一步地，在上述轧制步骤中，在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行一道次或多道次的轧制，控制总压下率≥70%，终轧温度≥850℃。在奥氏体再结晶和未再结晶温度范围内进行一道次或者多道次轧制，原因在于随变形量的加大，钢的晶粒会相应细化，提高了钢板的强度且改善了钢板的韧性。

进一步地，在上述冷却步骤中，轧后钢板以≥50℃/s的速度水冷至200～300℃。采取快速冷却至较低温度可以使钢板中的大部分合金元素被固溶到马氏体中。

更进一步地，在上述高强度高韧性钢板的制造方法中，还包括将回火后的钢板进行空冷。

较之于现有技术，本发明所述的高强度高韧性钢板其微观组织为回火屈氏体组织，其具有以下优点：

（1）具有较大的硬度、较高的强度、较好的低温冲击韧性和优良的冷弯性能，因此可广泛适用于海洋工程及船体结构用钢领域；

（2）无需添加Cu、V和Nb等合金元素，生产成本低；

（3）本发明所述的高强度高韧性钢板的制造方法，未增加任何工序难度。

附图说明

图1显示了本发明所述的高强度高韧性钢板实施例1的微观组织。

具体实施方式

下面将根据具体实施例和说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明，但是具体实施例和相关说明并不构成对于本发明所述技术方案的不当限定。

实施例1-6

按照下述步骤制造本发明所述的高强度高韧性钢板，各步骤的具体工艺参数见表2：

1）冶炼并进行真空脱气处理，控制各化学元素的配比如表1所示；

2）连铸，板坯厚度为100mm；

3）加热：将板坯加热至1150～1220℃；

4）轧制：在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行多道次轧制，控制总压下率≥70%，且终轧温度≥850℃，轧制后的钢板厚度为10-30mm；

5）冷却：将轧后的钢板以≥50℃/s快速水冷至200～300℃；

6）回火：冷却后的钢板进入在线感应炉以5～15℃/s快速加热至530～570℃，回火10～20s；

7）空冷：将回火后的钢板空冷至室温。

表1.（wt.%，余量为Fe和除S、P以外其他不可避免的杂质）

序号	C	Si	Mn	Al	Ti	N	P	S	Ni	Mo
											实施例1	0.040	0.30	1.60	0.025	0.018	0.0043	0.008	0.003	0.30-
实施例2	0.050	0.20	1.58	0.035	0.020	0.0038	0.007	0.004-		0.20
											实施例3	0.055	0.15	1.55	0.035	0.014	0.0044	0.008	0.002	0.30	0.24
实施例4	0.060	0.10	1.50	0.040	0.018	0.0040	0.008	0.003	0.15	0.15
											实施例5	0.065	0.05	1.50	0.040	0.013	0.0045	0.009	0.002	0.22	0.30
实施例6	0.070	0.03	1.40	0.035	0.015	0.0060	0.008	0.003	0.25	0.28

表2显示了实施例1-6中的高强度高韧性钢板的相关工艺参数。

表2

表3显示了实施例1-6所涉及的高强度高韧性钢板的力学性能和微观组织。

表3

由表3可以看出，采用上述的成分设计和工艺参数进行加工后的钢板，10～30mm厚度成品钢板的屈服强度＞600MPa，抗拉强度＞720MPa，延伸率A₅₀＞20%，-80℃Akv冲击值＞150J，横向冷弯性能符合相关标准，微观组织呈现为回火屈氏体。该钢板能够满足相关行业对于钢板的高强度高韧性的要求，其能适用于生产制造海洋工程和船体结构，具有广泛的应用价值和市场前景。

图1显示了本案实施例1的高强度高韧性钢板的微观组织。从图1可以看出，实施例1中的高强度高韧性钢板的最终微观组织为回火屈氏体组织，具有这样的微观组织的钢板具有较大的硬度，较高的强度，优质的低温冲击韧性，良好的加工成型性和优良的冷弯性能。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (9)

1.一种高强度高韧性钢板，其特征在于，其微观组织为回火屈氏体组织，且其化学元素质量百分含量为：

C：0.04～0.07%，

Si：≤0.30%，

Mn：1.4～1.6%，

Al：0.02～0.04%，

Ti：0.005～0.020%，

N：≤0.006%，

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，还包括Ni和Mo中的至少其中之一，其中Ni 0.05～0.3%，Mo 0.05～0.3%。

3.如权利要求1或2所述的高强度高韧性钢板的制造方法，其特征在于，依次包括下列步骤：冶炼、铸造、加热、轧制、冷却和回火，获得钢板的微观组织为回火屈氏体组织；其中回火步骤中以5～15℃/s的速度加热至530～570℃，回火时间为10～20s。

4.如权利要求3所述的高强度高韧性钢板的制造方法，其特征在于，所述铸造步骤为连铸。

5.如权利要求3所述的高强度高韧性钢板的制造方法，其特征在于，所述铸造步骤为模铸，模铸后的铸坯初轧为钢坯。

6.如权利要求3所述的高强度高韧性钢板的制造方法，其特征在于，在所述加热步骤中：将板坯加热至1150～1220℃。

7.如权利要求3所述的高强度高韧性钢板的制造方法，其特征在于，在所述轧制步骤中：在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行轧制，总压下率≥70%，终轧温度≥850℃。

8.如权利要求3所述的高强度高韧性钢板的制造方法，其特征在于，在所述冷却步骤中：轧后钢板以≥50℃/s的速度水冷至200～300℃。

9.如权利要求3所述的高强度高韧性钢板的制造方法，其特征在于，还包括在所述回火步骤之后的空冷步骤。

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