CN103131962A

CN103131962A - 一种高韧性的低合金高强度钢及其调质热处理方法

Info

Publication number: CN103131962A
Application number: CN2011103859278A
Authority: CN
Inventors: 胡小锋; 闫德胜; 戎利建; 赵明久
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: CN103131962B

Abstract

本发明提供了一种高韧性的低合金高强度钢及其调质热处理方法，所述低合金高强度钢的化学成分按质量百分比为C0.23~0.35、Si0.20~0.35、Ni1.0~4.0、Cr0.8~1.2、Mn0.4~1.0、Mo0.4~1.0、V0.01~0.12、S≤0.010、P≤0.010，Fe余量；其调质热处理方法步骤包括：该钢先经850~900℃正火，然后在830~920℃淬火形成马氏体，最后在590~660℃之间进行回火处理得到回火索氏体组织；调质处理后的低合金高强度可满足低合金高强度钢对强度、屈强比、低温冲击韧性和延伸率等综合性能的要求。

Description

一种高韧性的低合金高强度钢及其调质热处理方法

技术领域

本发明涉及低合金高强度钢，具体说就是提供了一种在低温下具有高韧性的低合金高强度钢及其热处理方法，通过调整合金成分并经过合适的调质处理得到回火索氏体组织，在保证钢具有高强的基础上，可得到很高的低温冲击韧性。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，钢材已被用于社会的各个领域，与此同时人们对钢材的品质也提出了更高的要求。低合金高强度钢，因其具有高的强度、良好的塑性和韧性等性能，已经广泛用于航空航天、船舶等国防领域，同时在压力容器、消防、医疗、石油和交通等其它民用领域也得到了广泛应用。低合金高强度钢的高强度在保障结构件具有承载能力的同时，可减轻结构件重量，同时好的韧性可保证使用安全，不发生低应力作用下的破坏。

国内外传统的低合金高强度钢，通常都具有很高的强度，如国内开发的Cr-Mo-V系低合金高强度钢，其强度可达1200~1400MPa，而延伸率一般不到14%，在-50℃的低温冲击功在20~30J左右。美国开发的AISI4340、300M、D6AC等高强钢应用最广，俄罗斯也开发了具有代表性的低合金高强度钢30XГCH2A、40XH2CMA等，这些钢具有超高的强度（可达1600MPa以上），然而其延伸率普遍低于14%，且低温冲击韧性偏低。经检索，有下列相关专利文献涉及低合金高强度钢，其化学成分见表1。

CN101880831A公开了一种低合金高强度高韧性的耐磨钢，通过添加少量的Al可脱氧和细化晶粒，提高韧性，添加微量的B提高钢板淬透性从而提高强度，同时通过完全淬火或亚温淬火的方法，获得的低合金高强度耐磨钢其抗拉强度可达1200MPa以上，延伸率大于12%，不过-20℃的冲击韧性仅为50J/cm²。由于采用了粗轧和精轧（均为热轧）相结合的方法，对轧制控制要求高，增加了实际生产时的难度。

CN1064506A公开了一种奥氏体-贝氏体组织的低合金高强度钢，属于高碳钢，降低稀贵金属Ni、Cr、Mo等的含量，提高我国富产价廉的Mn、Si元素含量，同时通过在280~340℃等温处理，从而获得极高强度、良好韧性的奥氏体-贝氏体双相组织。其力学性能与AISI4340相当，强度可达1700MPa以上，室温U型缺口的冲击韧性为64 J/cm²，韧性偏低，且延伸率不到15%。

CN101381841A公开了一种高强度高韧性的低温钢，通过微合金化技术添加少量的Ti、Nb等合金元素，细化晶粒，提高钢的强度和低温韧性，其-50℃低温下的冲击功（V型缺口）可达190J，不过抗拉强度不超过600MPa。

US0067787A1公开了一种抗氢脆低合金高强度钢，C含量为0.1~0.2%，通过添加Cr、Cu、Mn、Ni、V等元素进行合金化，制备的高强钢可代替传统的奥氏体不锈钢而用于制作储存高压氢气的容器，不仅节省成本，而且可用来储存、运输45MPa高压氢。该钢属于调质处理钢，其热处理制度：先在1000~1100℃正火，然后在880~900℃淬火，最后在560~580℃下回火处理，不过该钢的拉伸强度在950MPa左右。

US005387392A公开了一种高强高韧性的压力容器钢，属于低合金高强度钢，是在AISI4130合金钢的基础上，通过提高Mo含量，同时降低S含量，提高强度和韧性。该钢经调质处理后，延伸率达22%，-50℃的夏比V型冲击韧性达100J/cm²，不过其拉伸强度只在1150MPa左右，而且屈服强度并未给出，因此屈强比的高低也不可知。

以上公开专利的低合金高强度钢的强度和韧性均不可兼得，同时屈强比也没有重点考虑，因为一般的低合金高强度钢的屈强比都比较高，严重影响高强钢的使用安全。随着现代科技的不断发展进步，人们对低合金高强度钢的性能提出了越来越苛刻的要求，不仅要求高强度，同时要求具有较低的屈强比，在低温环境（-50℃）下还要求钢具有好的韧性，保证在低温下能安全使用。本发明采用Ni、V、Mo、Mn等元素合金化的方法，通过调质处理后可获得综合性能优良的低合金高强度钢，不仅具有高的强度，屈强比能保持在一定水平之下，同时还能保证在低温（-50℃）下仍具有较高的冲击韧性，能够满足高强钢在特殊环境下的安全使用要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种高韧性的低合金高强度钢及其调质热处理方法，该钢不仅具有高的强度，可满足构件轻量化的目的，其屈强比较低，而且具有良好的塑性和冲击韧性，尤其是在低温（-50℃）下仍具有高的冲击功，保证结构件能在低温下安全使用，可满足某些特殊环境下对低合金高强度钢的苛刻要求。

本发明提供了一种高韧性的低合金高强度钢，该低合金高强度钢的化学成分按质量百分比为C 0.23~0.35、Si 0.20~0.35、Ni 1.0~4.0、Cr 0.8~1.2、Mn 0.4~1.0、Mo 0.4~1.0、V 0.01~0.12、S≤0.010、P≤0.010，Fe余量。铸锭经热锻、热轧后制成板坯。

本发明提供的高韧性的低合金高强度钢，该低合金高强度钢的化学成分按质量百分比为C 0.23~0.35、Si 0.20~0.35、Ni 2.5~4.0、Cr 0.8~1.2、Mn 0.4~1.0、Mo 0.4~1.0、V 0.01~0.12、S≤0.010、P≤0.010，Fe余量。

本发明还提供了低合金高强度钢的调质热处理方法，所述低合金高强度钢的热处理方法如下：

1、正火处理。首先将所述钢在850~900℃下保温1h，然后空冷处理。正火处理的目的在于细化晶粒，可一定程度上提高钢的韧性；

2、淬火处理。将正火处理过的低合金高强度钢的板坯在830~920℃温度下保温40min~1h，然后进行油淬处理。淬火过程中注意防止油温上升过高，保证足够的过冷度使该钢能够进行马氏体转变，得到淬火马氏体组织；

3、回火处理。将上述马氏体态钢放置在590~660℃温度之间进行高温回火处理，通常保温2h，然后水冷。回火处理时马氏体中过饱和的碳将以碳化物的形式析出，最后形成由α铁素体和渗碳体组成的回火索氏体组织。

本发明提供的低合金高强度钢的调质热处理方法，低合金高强度钢可以不进行正火处理，未经正火处理的钢冲击韧性略有降低，但同样能满足权利要求5所述性能指标（强度、韧性等）的要求，这样不仅减少了工序节省时间，同样还降低成本。

本发明低合金高强度钢的C含量不能过高，否则会损害钢的冲击韧性，尤其是对低温冲击韧性影响很大，但也不能偏低，否则钢的强度没法保证，因此选择在0.23~0.35wt.%。该低合金高强度钢要保证一定的Ni含量，Ni不仅可以提高钢的淬透性，重要的是可以改善韧性，尤其是低温韧性，一般Ni含量不低于1.0wt.%。添加Mn可以提高该低合金高强度钢的淬透性，同时提高钢的强度，一般添加量在0.6%左右；而添加适量的合金化元素Mo、V不仅可以提高强度，还可以有效地防止回火脆性的发生，回火时形成的碳化物具有二次硬化效果，可提高强度并保证韧性。

低合金高强度钢的成分不同，升温过程中奥氏体开始转变温度A _c1和奥氏体转变结束温度A _c3会有不同，A _c3可同时指导正火和淬火温度的选择，而A _c1可用来确定回火温度。在淬火前进行正火处理，可以一定程度地提高钢的冲击韧性。因为对钢进行高温正火处理，可以有效地细化晶粒，同时还能使合金化元素充分地固溶到奥氏体中，可以提高韧性，而对钢的强度没有损害。淬火温度的选择不能过高，否则钢的晶粒尺寸会长大，对钢的强度和韧性都不利，一般选择高于A _c3温度50~100℃为宜。回火温度的选择非常关键，因为低合金高强度钢最终的强度主要取决于回火温度的选择，回火温度低则强度高，但钢的冲击韧性会降低，通常回火温度选择在低于A _c1温度30~80℃为宜。回火后钢的冷却方式同样关键，一般采取水淬快冷的方式，可防止回火脆性的发生，保证钢的最终强度和韧性。

本发明的优点在于：

1、所述低合金高强度钢的成分设计易于实施，通过提高Ni的含量提高冲击韧性，添加适当的Mn、Mo、V含量可有效地保证强度和韧性。所述钢对正火、淬火温度不敏感，可在相对宽松的温度范围内进行正火、淬火处理；

2、所述低合金高强度钢可以不进行正火处理，力学性能也能满足大多数使用环境的要求，这样不仅可以节省时间，还能降低成本；

3、所述低合金高强度钢综合性能优良，不仅强度高（屈服强度不低于1000MPa，抗拉强度可达1100MPa以上），屈强比不高于0.92，而且延伸率较好（超过16.0%），面缩大于55%，更为重要的是低温冲击韧性，在-50℃下冲击功高于60J。

所述低合金高强度钢不仅能满足结构件轻量化的需求，同时较低的屈强比和好的低温冲击韧性可以保证在特殊环境下的使用安全性，降低发生低应力破坏的可能性。

具体实施方式

下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。

本发明实施例中冶炼的低合金高强度钢铸锭，先在约1100℃进行锻造，保证终锻温度不低于800℃，然后进行热轧，热轧温度为1100℃左右，厚度由35mm轧至12mm左右。正火时采用空冷，而淬火时采用油淬，此时要注意防止油温升高过快，影响淬火效果，最后回火处理后一定要进行水冷处理，防止产生回火脆性。

实施例低合金高强度钢的成分如表2所示。此外，对本发明钢也进行了对比例试验，对比例钢的成分如表2所示。

表2 本发明实施例低合金高强度钢及对比例钢的化学成分（wt.%）

	C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	V	P	S
										对比例钢1	0.23	0.21	0.78	2.00	0.99	0.64	0.15	0.008	0.007
对比例钢2	0.34	0.20	0.79	3.94	0.85	0.72	0.15	0.007	0.006
										实施例钢1	0.31	0.21	0.70	3.98	0.96	0.65	0.11	0.007	0.007
实施例钢2	0.27	0.20	0.65	2.02	0.97	0.65	0.08	0.008	0.007
										实施例钢3	0.29	0.22	0.73	4.01	1.00	0.66	0.08	0.006	0.008
实施例钢4	0.32	0.32	0.72	3.99	0.94	0.77	0.06	0.007	0.006
										实施例钢5	0.32	0.20	0.58	2.56	0.98	0.64	0.03	0.007	0.007
实施例钢6	0.30	0.21	0.69	4.03	0.95	0.68	0.03	0.008	0.007
										实施例钢7	0.30	0.26	0.79	3.89	0.89	0.68	0.01	0.007	0.006
对比例钢3	0.35	0.21	0.70	3.95	0.82	0.66	0.0	0.008	0.007

对实施例钢及对比例钢一共进行了28例试验，各例的热处理制度如表3所示。对热处理后的实施例低合金高强度钢进行力学性能测试，采用Charpy V型缺口标准试样进行冲击韧性测量，以下主要列出-50℃的冲击功，拉伸性能根据GB-T-228-2002进行取样、测试。试验钢及对比例钢的测试结果如表3所示。从试验例结果可看出，合金成分对本发明高强钢的综合性能影响很大，尤其是Ni、V、Mn、Mo等元素的含量，合适的元素添加量可以平衡各力学性能。如V的添加量过高，会明显降低本发明钢的低温冲击韧性和屈强比，而V含量过低则本发明低合金高强度钢的强度又没有保证，因此V的添加量要适当。总体来看，本发明低合金高强度钢的强度容易达到较高水平，延伸率都在16%以上，断面收缩率也在较高水平，难点在于降低屈强比和提高低温冲击韧性。从实施例中也可以看出，正火对提高本发明高强钢的冲击韧性是有利的，不过效果有限。而在实施例钢中，合适的热处理制度是保证本发明钢强度、韧性及屈强比的关键，比如实施例钢3，过高的正火温度和淬火温度对韧性不利，而过低的回火温度同样会明显降低低温冲击韧性。控制好热处理制度及合金成分，本发明低合金高强度钢可以达到断裂强度1100MPa以上，屈强比甚至可以控制在不高于0.90，-50℃低温冲击韧性在65J以上，比如实施例6、实施例11、实施例14和实施例19等。

Claims

1.一种高韧性的低合金高强度钢，其特征在于：该低合金高强度钢的化学成分按质量百分比为C 0.23~0.35、Si 0.20~0.35、Ni 1.0~4.0、Cr 0.8~1.2、Mn 0.4~1.0、Mo 0.4~1.0、V 0.01~0.12、S≤0.010、P≤0.010，Fe余量。

2.按照权利要求1所述的高韧性的低合金高强度钢，其特征在于：该低合金高强度钢的化学成分按质量百分比为C 0.23~0.35、Si 0.20~0.35、Ni 2.5~4.0、Cr 0.8~1.2、Mn 0.4~1.0、Mo 0.4~1.0、V 0.01~0.12、S≤0.010、P≤0.010，Fe余量。

3.权利要求1所述的低合金高强度钢的调质热处理方法，其特征在于：该方法包括正火处理、淬火处理、回火处理；

具体步骤如下：

对钢进行正火处理，正火温度为850~900℃，保温1h后空冷至室温；随后进行淬火，淬火温度为830~920℃，保温40min~1h后进行油淬；最后进行回火处理，回火温度在590~660℃，保温2h后水冷。

4.按照权利要求3所述的低合金高强度钢的调质热处理方法，其特征在于：所述热处理方法可以不进行正火处理，只进行淬火处理、回火处理的低合金高强度钢其韧性略有降低，对强度、屈强比影响很小。

5.按照权利要求3和4所述的低合金高强度钢及其调质热处理方法，其特征在于：所述的低合金高强度钢经过调质热处理后，钢的拉伸强度高于1100MPa，屈服强度不低于1000MPa，屈强比不高于0.92，延伸率大于16%，面缩不低于55%，室温下的冲击功不低于70J，-50℃下的低温冲击功不低于60J。