CN103103452A - 一种低温用途的低屈强比高强度高韧性钢及其制备方法 - Google Patents

一种低温用途的低屈强比高强度高韧性钢及其制备方法 Download PDF

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余伟
武会宾
蔡庆伍
陈雨来
刘涛
何春雨
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Abstract

本发明公开了一种低温用途的低屈强比高强度高韧性钢及其制备方法，属于金属材料领域。钢的化学成分质量百分比为：C0.05~0.10，Si0.15~0.35，Mn1.0~1.8，P<0.014，S<0.001，Nb0.03~0.05，Ti0.0012~0.02，Ni0.5~1.0，Cr0.1~0.4，Cu0.5~1.0，Mo0.1~0.5，Alt0.001~0.03，余量为Fe和微量杂质。并提供了制备工艺步骤，使本发明的钢具有670MPa以上的抗拉强度，0.90以下的屈强比和-80℃时140J以上的低温冲击功，可用于制造-80℃的极地等高寒环境使用工程机械、管线和容器等。

Description

一种低温用途的低屈强比高强度高韧性钢及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种低温用途的低屈强比高强度高韧性钢及其制备工艺。
 
背景技术
进入21世纪，工业水平快速发展，建筑、桥梁、船舶、海洋平台等领域对钢铁材料的需求越来越大，而且对材料的性能也提出了更高要求，除要求有高的强度，还需要有高的低温韧性。为了降低成本，节约能源，同时提高生产效率，广泛采用控轧控冷工艺制备钢铁材料，可以有效利用轧后余热，将形变强化和热处理技术结合，获得高强度，高韧性、高可焊性、良好的成型性能等性能良好配合。然而仅通过控轧控冷工艺难以满足较厚钢板对高强度和高的低温韧性的需要，而且采用控轧控冷工艺得到的产品组织在厚度方向通常不均匀，影响材料的使用，因此后续热处理工艺仍然必不可少。
传统的高强度钢的热处理工艺通常采用调制处理，即完全淬火加高温回火，已经在低、中碳钢或低、中碳低合金钢等结构钢中应用广泛。淬火后组织为马氏体，高温回火后为回火索氏体。这种显微组织能够提供强度和韧性的良好结合，但仍存在强度高，而低温韧性偏低的问题，影响了材料的应用。为了解决上述问题，本发明采用控轧控冷工艺获得非平衡态贝氏体组织，结合后续热处理，获得高强度和低温韧性的良好配合。
采用的热处理工艺可以获得软相和硬相的混合组织，利用软相的韧化作用和热处理过程中的组织细化作用可以获得比单相组织更好的综合力学性能。热处理后钢的强韧化效应取决于两相的相对含量和形态，其中强度主要取决于硬相马氏体或贝氏体的相对量、形态，而韧性和塑性主要取决于软相铁素体或残余奥氏体的形态和分布。具有马氏体、贝氏体等非平衡原始组织的钢经过热处理后能抑制钢的回火脆性，明显提高钢板的低温冲击韧性，稳定性大幅增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种低温用途的低屈强比高强度高韧性钢的成分设计及制备方法，在满足高强度的同时，大幅提高其低温冲击韧性，降低钢的屈强比。钢的抗拉强度在670~830MPa，屈强比低于0.90，-80℃低温冲击韧性大于140J。
本发明通过以下技术方案实现：
低温用途的低屈强比高强度高韧性钢的化学成分质量百分比为：C 0.05~0.10，Si 0.15~0.35，Mn 1.0~1.8，P<0.014，S<0.001，Nb 0.03~0.05，Ti 0.012~0.02，Ni 0.5~1.0，Cr 0.1~0.4，Cu 0.5~1.0，Mo 0.1~0.5，Alt 0.001~0.03，其中，Ni + Cr + Mo+ Cu≤2.2，余量为Fe和微量杂质。
本发明所涉及的一种低温用途的低屈强比高强度高韧性钢的制备工艺，包括冶炼、连铸、加热、控制轧制、控制冷却、热处理工艺，其特征在于：
1. 所述铸坯的加热温度为1180～1220℃，根据坯料厚度，其加热时间为2.5～4.5小时。
2. 所述控制轧制工艺采用两阶段轧制，包括再结晶区轧制和未再结晶区轧制，终轧温度控制在800～850℃
3. 所述控制冷却采用加速冷却，将钢板冷却到500～550℃，再空冷至室温，获得贝氏体或针状铁素体组织的热轧钢板。
4. 所述热处理工艺包括：加热温度为790～850℃，奥氏体化比例控制在70～90%之间，保温时间为（1.4-1.7）×钢板厚度＋5～20min，保温后快速冷却到室温；回火加热温度为550~600℃，保温时间为2.2～2.4×钢板厚度＋10～30min，出炉后空冷到室温。钢板厚度以毫米计。
本发明的应用效果：
1．本发明技术可获得细小的混合组织。原始组织为非平衡态贝氏体组织。贝氏体晶界和晶内具有高位错密度区和M/A岛，这些位置都为奥氏体形核提供了便利条件，奥氏体的形核位置多，晶粒被细化；由于组织中存在软相未溶铁素体，并且这些细小、均匀分布的铁素体分割奥氏体，可以阻碍奥氏体晶粒的长大，在淬火回火后能得到晶粒更细小的组织。
2．本发明技术的热处理工艺获得铁素体和贝氏体的混合组织。在两相区保温过程中奥氏体化不完全，未进行奥氏体化部分仅进行了元素的扩散，形成了铁素体；而奥氏体化部分最终形成贝氏体。这种韧性铁素体与硬相贝氏体交织分布的组织形态能够有效提高钢板的低温韧性。
3．本发明经过反复研究，发现790～850淬火+550～600℃回火，能大幅提高钢板的低温冲击韧性。
附图说明
图1为820℃淬火+600℃回火处理钢板的透射组织照片；
图2为850℃淬火+600℃回火处理钢板的透射组织照片；
具体实施方式
下面列举具体实施例对本发明进行说明，有必要在此指出的是以下具体实施步骤只用于对本发明作进一步说明，不代表对本发明保护范围的限制，其他人根据本发明做出的一些非本质的修改和调整仍属于本发明的保护范围。
下面是本发明的具体实施例：
实施例一：
化学成分按质量百分比为：C 0.076，Si 0.18，Mn 1.53，P 0.008，S 0.001，Nb 0.034，Ti 0.012，Ni 0.70，Cr 0.32，Cu 0.72，Mo 0.30，Alt 0.011，余量为Fe和微量杂质。
将铸坯加热到1200℃，保温3.0小时，然后进行第一阶段—再结晶区轧制，开轧温度为1180℃，其终止温度为1040℃；第二阶段—未再结晶区轧制，开轧温度为950℃，终轧温度为850℃，轧后板厚为60mm。轧后以10℃/s冷速加速冷却到550℃，然后空冷到室温。
将钢板放入加热炉中分别加热到850℃，保温120min后水冷至室温，在550℃，600℃和600℃加热保温220min，出炉空冷。将热处理后的钢板依据国标进行力学性能检测，结果如表1。
由附图1中可以看到组织为细小铁素体和贝氏体的混合组织，铁素体尺寸小于2μm，附图2可以观察到板条间存在膜状残余奥氏体，有利于韧性的改善。
 
表1 实施例钢板的力学性能对比
Figure 889935DEST_PATH_IMAGE002
 实施例二：
低温用途的低屈强比高强度高韧性钢的化学成分质量百分比为：C 0.05，Si 0.35，Mn 1.0，P0.009，S0.001，Nb0.05，Ti 0.015，Ni 0.5，Cr 0.4，Cu 0.7，Mo 0.5，Alt 0.001，其中，Ni + Cr + Mo+ Cu≤2.2，余量为Fe和微量杂质。
将铸坯加热到1180℃，保温4.5小时，然后进行第一阶段—再结晶区轧制，开轧温度为1180℃，其终止温度为1040℃；第二阶段—未再结晶区轧制，开轧温度为940℃，终轧温度为850℃，轧后板厚为40mm。轧后以12℃/s冷速加速冷却到550℃，然后空冷到室温。
将钢板放入加热炉中分别加热到790℃，同时选取730℃、760℃、880℃、910℃作为对比研究，保温65min后水冷，然后再加热到550℃、600℃，保温220min，出炉空冷。将热处理后的钢板依据国标进行力学性能检测，结果如表2。
表2 实施例钢板的力学性能对比
实施例三：
低温用途的低屈强比高强度高韧性钢的化学成分质量百分比为：C 0.10，Si 0.35，Mn 1.8，P0.011，S0.0005，Nb 0.03，Ti 0.018，Ni 1.0，Cr 0.1，Cu 0.5，Mo 0.15，Alt 0.03，余量为Fe和微量杂质。
将铸坯加热到1220℃，保温2.5小时，然后进行第一阶段—再结晶区轧制，开轧温度为1180℃，其终止温度为1050℃；第二阶段—未再结晶区轧制，开轧温度为950℃，终轧温度为850℃，轧后板厚为80mm。轧后以6℃/s冷速加速冷却到500℃，然后空冷到室温。
以下是本发明所述钢的热处理工艺。将钢板放入加热炉中分别加热到790℃、820℃、850℃，同时选取730℃、760℃、880℃、910℃作为对比研究，保温120min后水冷，然后再加热到550℃、600℃、650℃，保温220min，出炉空冷。将热处理后的钢板依据国标进行力学性能检测，结果如表3。
表3 实施例钢板的力学性能对比
Figure 586812DEST_PATH_IMAGE006

Claims (2)

1.一种低温用途的低屈强比高强度高韧性钢，其特征在于所述钢板的化学成分质量百分比为：C 0.05~0.10，Si 0.15~0.35，Mn 1.0~1.8，P<0.014，S<0.001，Nb 0.03~0.05，Ti 0.012~0.02，Ni 0.5~1.0，Cr 0.1~0.4，Cu 0.5~1.0，Mo 0.1~0.5，Alt 0.001~0.03，其中，Ni + Cr + Mo+ Cu≤2.2，余量为Fe和微量杂质。
2.如权利要求1所述一种低温用途的低屈强比高强度高韧性钢的制备方法，包括冶炼、连铸、加热、控制轧制、轧后控制冷却、热处理工艺，其特征在于：
所述铸坯的加热温度为1180～1220℃，根据坯料厚度，其加热时间为2.5～4.5小时；
所述控制轧制工艺采用两阶段轧制，包括再结晶区轧制和未再结晶区轧制，终轧温度控制在800～850℃，所述轧后控制冷却采用加速冷却，冷却速度≥5℃/s，冷却到500～550℃，再空冷至室温；
所述热处理工艺包括：加热温度为790～850℃，奥氏体化比例控制在70～90%之间，保温时间按（1.4-1.7）×钢板厚度＋5～20min，保温后快速冷却到室温；回火加热温度为550~600℃，保温时间为（2.2～2.4）×钢板厚度＋10～30min，出炉后空冷到室温；钢板厚度以毫米计。
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