CN103014539B - 一种屈服强度700MPa级高强度高韧性钢板及其制造方法 - Google Patents

一种屈服强度700MPa级高强度高韧性钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高强度高韧性钢板，其化学成分的重量百分比为：C：0.03-0.06％、Si≤0.30％、Mn：1.0-1.5％、P≤0.020％、S≤0.010％、Al：0.02-0.05％、Ti：0.005-0.025％、N≤0.006％、Ca≤0.005％，以及Cr≤0.75％、Ni≤0.40％、Mo≤0.30％中的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或模铸，模铸后需经初轧成钢坯；连铸坯或钢坯于1100-1250℃加热后在奥氏体再结晶区进行一道次或多道次轧制，总压下率≥70％；终轧温度≥860℃；轧后钢板以15-50℃/s快速水冷至200-300℃，空冷5-60s；冷却的钢板进入在线感应加热炉以1-10℃/s快速加热至450-550℃回火15-45s，然后出炉空冷。得到的6-25mm厚钢板屈服强度≥700MPa，延伸率A50≥18％，-60℃的Akv≥150J，适合用于汽车、工程机械及舰艇船体结构等行业。

Description

一种屈服强度700MPa级高强度高韧性钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种高强度高韧性钢板，具体地涉及一种屈服强度大于等于700MPa的高强度高韧性钢板及其制造方法。本发明钢板具有较好的低温韧性，适合用于汽车、工程机械及舰艇船体结构等行业的高强度高韧性耐冲击的结构钢板。
背景技术
低合金高强度钢作为一种重要的钢铁材料，被广泛应用于军工、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，各类军用及民用设备的复杂化、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。近几十年来，高强度钢板的开发与应用发展很快。这类钢是在低合金高强度可焊接钢的基础上发展起来的，使用寿命可达传统结构钢板的数倍；生产工艺较简单，一般采用轧后直接冷却或淬火，或者离线淬火加回火工艺，或通过控轧控冷工艺进行强化。
传统工艺在生产汽车、工程机械及舰艇船体结构用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。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舰艇船体结构、汽车、矿山机械、工程机械等行业用高强度钢，如屈服强度700MPa级高强度钢板，还需要补充一定量的Cu、Ni、Cr、Mo等元素提高性能。这种钢的屈服强度可达700MPa，但低温韧性不足，不能用于-60℃甚至-80℃低温冲击有要求的军用舰艇船体结构和民用装备。目前，屈服强度700MPa以上强度级别高强度钢仍主要依赖进口。
美国执行军用标准MILS-24645A-SH中的HSLA-80/100涉及C≤0.06％，Si≤0.04％，Mn：0.75-1.05％，P≤0.020％，S≤0.006％，Cu：1.45-1.75％，Ni：3.35-3.65％，Cr：0.45-0.75％，Mo：0.55-0.65％，Nb：0.02-0.06％，最小Ceq＝0.67，板厚≤102mm，其采用了低碳甚至是超低碳的合金设计(C≤0.06％)，确保钢的优良焊接性和低温韧性，钢中添加了较高的铜和镍，依靠铜的时效硬化作用，在对韧塑性没有明显损害的条件下，获得了高强度。其屈服强度690-860MPa，延伸率18％，-18℃横向Akv＝108J，-84℃横向Akv＝81J。由于其中加入了较多的贵重合金元素，成本昂贵。
目前已经公开的有关屈服强度在700MPa左右及以上的高强度高韧性钢板的专利文献，如WO 200039352A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。
WO 9905335A，其成分中碳含量较低为0.05-0.10％，但采用较高含量的Mn、Ni、Mo和Nb合金化，在热轧后只淬火不回火，钢板的抗拉强度能达到830MPa以上，其-40℃夏氏冲击功最小175J。
目前仍需要提供相对经济的高强度高韧性中厚钢板，以广泛用于汽车、工程机械及舰艇船体结构等行业的高强度高韧性耐冲击的结构钢板。
发明内容
本发明的目的在于提供一种屈服强度在700MPa以上的高强度高韧性钢板，特别是6-25mm的中厚钢板。
为实现上述目的，本发明的屈服强度在700MPa以上的高强度高韧性中厚钢板，其化学成分的重量百分比为：C：0.03-0.06％、Si≤0.30％、Mn：1.0-1.5％、P≤0.020％、S≤0.010％、Al：0.02-0.05％、Ti：0.005-0.025％、N≤0.006％、Ca≤0.005％，以及Cr≤0.75％、Ni≤0.40％、Mo≤0.30％中的1种以上，余量为铁和不可避免杂质。
优选地，C：0.031-0.059％。
优选地，Si：0.03-0.30％。
优选地，Mn：1.02-1.5％。
优选地，P≤0.015％。
优选地，S≤0.005％。
优选地，Al：0.02-0.046％。
优选地，Ni：0.10-0.40，更优选0.13-0.36％。
优选地，Cr：0.3-0.75％，更优选0.32-0.75％。
优选地，Mo：0.10-0.30％，更优选0.13-0.26％。
优选地，Ti：0.01-0.025％。
优选地，N≤0.005％。
本发明中，除非另有指明，含量均指重量百分比含量。
所述钢板的组织为回火马氏体+弥散碳化物。
本发明的另一目的在于提供上述高强度高韧性中厚钢板的制造方法，该方法包括：
钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，模铸后需经初轧成钢坯；
连铸坯或钢坯于1100-1250℃加热后在奥氏体再结晶区进行一道次或多道次轧制，总压下率≥70％；终轧温度≥860℃；
轧后钢板以15-50℃/s快速水冷至200-300℃，空冷5-60s；
冷却的钢板进入在线感应加热炉以1-10℃/s快速加热至450-550℃回火15-45s，然后出炉空冷。
优选地，终轧温度为860-900℃。
优选地，冷却的钢板进入在线感应加热炉以1-10℃/s快速加热至450-500℃回火15-45s，然后出炉空冷。
根据本发明，所述钢板的轧后冷却速度不能低于15℃/s。目的是保证冷却后获得马氏体类组织，避开贝氏体组织形成区间。冷速上限受轧后冷却装备冷却能力以及终冷温度的限制，不易太快。故本发明采用15-50℃/s的冷速范围。
本发明通过合适的成分设计、加热、控制轧制、轧后快速冷却和回火，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，具有很高的低温韧性，组织呈现为回火马氏体+弥散碳化物。6-25mm厚钢板屈服强度≥700MPa，延伸率A50≥18％，-60℃的Akv≥150J，冷弯性能优良，满足了汽车、工程机械和舰艇船体结构等行业对高强度高韧性钢板的较高要求。适合用于舰艇船体结构、汽车、工程机械等行业需要的高强度高韧性构件，由于钢板具备较高的强度、很高的低温韧性，优良的冷弯性能，用户加工成型方便。
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
以下结合实施例对本发明的特点和性质进行较为详细的说明。
为实现本发明的目的，主要化学成分控制如下：
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。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强度，又要具备较高的韧性，那么碳含量必须综合考虑。为了保证优良的焊接性和良好的低温韧性，钢中碳含量降至0.06％以下。对于本发明的屈服强度700MPa强度级别而言，为了获得较高的低温冲击韧性，采用较低的碳含量0.03-0.06％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。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，本发明硅含量为小于等于0.30％。
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1.0-1.5％。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≤0.020％、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0.02-0.04％。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。钛的这些碳氮化物析出物在焊接时还可阻止热影响区晶粒长大，改善焊接性能。本发明钛含量控制在0.005-0.025％。
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。配合在线快速感应加热回火技术的细小碳化物析出，可相应降低合金含量，故本发明可添加不大于0.75％的铬，优选为0.3-0.75％。
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0.40％的镍元素，优选为0.10-0.40％，更优选为0.13-0.36％。
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，优选为0.10-0.30％。更优选为0.13-0.26％。
钙：钢中加钙主要是改变硫化物形态，改善钢的厚向、横向性能和冷弯性能。对于硫含量很低的钢亦可不钙处理。本发明视硫含量的高低可钙处理，钙含量≤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1100-1250℃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、钼等合金元素的化合物部分溶解。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15-50℃/s快速水冷至200-300℃温度区间空冷5-60s；在快速冷却过程中，大部分的合金元素被固溶到马氏体中。
在线回火：冷却的钢板进入在线感应加热炉以1-10℃/s快速加热至450-550℃回火15-45s，然后出炉空冷。回火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，弥散析出部分碳化物强化，提高强塑型、韧性和冷弯性能。
本发明通过合适的成分设计、加热、控制轧制、轧后快速冷却和自回火，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，具有很高的低温韧性，组织呈现为回火马氏体+弥散碳化物。6-25mm厚钢板屈服强度≥700MPa，延伸率A50≥18％，-60℃的Akv≥150J，冷弯性能优良，满足了汽车、工程机械和舰艇船体结构等行业对高强度高韧性钢板的较高要求。
实施例
实施例1
将按表1配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，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94％，终轧温度为880℃，然后以50℃/s水冷至220℃再在线快速加热至450℃回火，然后空冷至室温；
本实施例的部分钢板金相组织如图1所示。
实施例2-5的详细成分见表1，工艺参数见表2，所有实施例所得钢板性能见表3。
表1  本发明实施例1-5的化学成分、Ceq(wt％)
*Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/14
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，其结果见表3。
表3 本发明钢板的力学性能和组织
试验例2：弯曲性能
按照GB/T232-2010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。
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和弥散析出碳化物。
其他实施例也能得到同样的金相组织。
从以上实施例可以看出，采用上述的成分和工艺参数进行加工，6-25mm厚成品钢板的屈服强度≥700MPa，延伸率A50≥18％，-60℃的Akv≥150J，冷弯性能优良，组织呈现为回火马氏体+弥散碳化物。钢板满足了相关行业对高强度高韧性钢板的较高要求。产品适用于制作舰艇船体结构、汽车及工程机械等行业，具有广泛的应用价值和市场前景。
本发明采用了较少的合金元素，通过新型的在线淬火和在线回火工艺，实现了比HSLA-100性能(屈服强度690-860MPa，延伸率18％，-18℃横向Akv＝108J，-84℃横向Akv＝81J)更优越的性能，即本发明实物钢板性能纵向屈服强度700-860MPa，延伸率20％，-60℃纵向的Akv＝200J，-84℃横向Akv＝151J，而且本发明钢板的碳当量Ceq远低于美国HSLA-100钢(其最小Ceq＝0.67)，说明本发明钢板的焊接性更好，因此，本发明钢板与美国HSLA-100相比具备明显的成本和技术优势。

Claims (16)

1.一种高强度高韧性钢板，其化学成分的重量百分比为：C：0.03-0.06％、Si≤0.30％、Mn：1.0-1.5％、P≤0.020％、S≤0.010％、Al：0.02-0.05％、Ti：0.005-0.025％、N≤0.006％、Ca≤0.005％，以及Cr≤0.75％、Ni≤0.40％、Mo≤0.30％中的1种以上，余量为铁和不可避免杂质；
所述钢板通过包含如下步骤的方法制造：
钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，模铸后需经初轧成钢坯；
连铸坯或钢坯于1100-1250℃加热后在奥氏体再结晶区进行一道次或多道次轧制，总压下率≥70％；终轧温度≥860℃；
轧后钢板以15-50℃/s快速水冷至200-300℃，空冷5-60s；
冷却的钢板进入在线感应加热炉以1-10℃/s快速加热至450-550℃回火15-45s，然后出炉空冷。
2.如权利要求1所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，C：0.031-0.059％。
3.如权利要求1所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，Si：0.03-0.30％。
4.如权利要求1所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，Mn：1.02-1.5％。
5.如权利要求1所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，P≤0.015％。
6.如权利要求1所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，S≤0.005％。
7.如权利要求1所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，Al：0.02-0.046％。
8.如权利要求1所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，Ni：0.10-0.40。
9.如权利要求1所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，Cr：0.3-0.75％。
10.如权利要求1所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，Mo：0.10-0.30％。
11.如权利要求1所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，Ti：0.01-0.025％。
12.如权利要求1所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，N≤0.005％。
13.如权利要求1所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，终轧温度为860-900℃。
14.如权利要求1所述的高强度高韧性钢板，其特征在于，冷却的钢板进入在线感应加热炉以1-10℃/s快速加热至450-500℃回火15-45s，然后出炉空冷。
15.如权利要求1-14任一所述的高强度高韧性钢板，其组织为回火马氏体和弥散析出碳化物。
16.如权利要求15所述的高强度高韧性钢板，其6-25mm厚钢板屈服强度≥700MPa，延伸率A50≥18％，-60℃的Akv≥150J。
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