CN103255342A - 一种600MPa级高强度热连轧结构钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种600MPa级高强度热连轧结构钢及其制造方法，所述结构钢的化学成分重量百分比为：C：0.14～0.24％、Si：≤0.50％、Mn：0.5～1.5％，P：≤0.020％，S≤0.010％，Ti：0.04-0.15％，B：0.0005-0.003％，Al≤0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。根据上述成分设计，经铁水深脱硫、炉外精炼、连铸成板坯、板坯再加热、控制轧制、控制冷却、卷取得到本发明的结构钢，其屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥650MPa，延伸率≥16％，-20℃冲击功≥100J，并具有优良的冷弯成形性能。

Description

一种600MPa级高强度热连轧结构钢及其制造方法

技术领域

本发明属于低合金钢制造领域，具体涉及一种600MPa级高强度热连轧结构钢及其制造方法。

背景技术

高强度钢的应用可以显著减轻构件的重量，减轻设备的自重量，从而减少设备的燃料消耗，提高设备的工作效率。提高结构钢强度通常可以采用细晶强化、析出强化、固溶强化、相变强化等一种或多种手段。

目前，600MPa级别高强度结构钢主要有两大类。一类是低碳或超低碳贝氏体钢，通过添加一定量的合金元素Mo、Mn、Cr、Ni和B等，使得钢板形成低碳贝氏体为主的组织，使钢板具有较高的强度和较好的韧性。这一类高强钢的缺点是添加的合金元素较多，既增加钢的制造成本，又影响钢板的焊接性。另外一类是析出强化钢，其特点是添加适量的强碳氮化物形成元素Nb、V和Ti等中的一种或多种，通过形成大量纳米级尺寸的第二相析出粒子来提高钢板的强度。

中国专利CN101153371A公开了一种700MPa级别的热连轧钢板，主要通过Nb和Ti的析出强化来提高钢板的强度，钢中Nb、Mo等贵重元素的含量相对较高，钢板的成本较高。

中国专利CN101736199A公开了一种600MPa以上级别的高强度冷成型用结构钢。该专利C含量较低，Nb、Mn和Cr等元素含量较多，导致钢板的成本相对较高。

中国专利CN101285156A公开了一种Ti析出强化的贝氏体钢，钢中的合金元素Cr和Mn含量相对较多，钢板的成本相对较高，且合金含量较高将对其焊接性产生一定的不利影响。上述三个中国专利都是低碳高锰的析出强化钢，其金相组织以F+B为主。

发明内容

本发明的目的在于提供一种600MPa级高强度热连轧结构钢及其制造方法，其屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥650MPa，延伸率≥16％，-20℃冲击功≥100J，不仅具有优良的力学性能，还具有良好的冷弯成形性能，可适用于特种汽车、保险柜等用结构件、集装箱行业等领域。

本发明的设计思路如下：

本发明的化学成分中碳含量较高，添加的合金元素种类少、含量低，属于低成本成分设计。并通过再加热温度、轧制温度、冷却速度等制造工艺，形成以下贝氏体为主的组织，下贝氏体组织具有较高的强度和良好的低温韧性，通过贝氏体相变强化能够大幅提高钢板的强度，并使其具有良好的韧塑性。使本发明高强度热连轧结构钢的屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥650MPa，延伸率≥16％，-20℃冲击功≥100J，冷弯成形性能良好。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种600MPa级高强度热连轧结构钢，其化学成分重量百分比为：C：0.14～0.24％、Si：≤0.50％、Mn：0.5～1.5％，P：≤0.020％，S≤0.010％，Ti：0.04-0.15％，B：0.0005-0.003％，Al≤0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质；所述高强度热连轧结构钢的微观金相组织为少量的铁素体+下贝氏体，其中铁素体组织的比例少于20％，下贝氏体组织所占的体积比大于80％，该结构钢的屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥650MPa，延伸率≥16％，-20℃冲击功≥100J。

进一步，本发明的600MPa级高强度热连轧结构钢的化学成分还可包括：Cu≤0.20％，Cr≤0.20％，Ni≤0.20％，Mo≤0.20％，Nb≤0.030％，V≤0.050％，Ca≤0.005％中的一种或多种，以重量百分比计。

本发明600MPa级高强度热连轧结构钢优选的化学成分为：C：0.14～0.24％、Si：≤0.50％、Mn：0.6～1.2％，P：≤0.020％，S≤0.010％，Ti：0.04-0.10％，B：0.0005-0.003％，Al≤0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质，以重量百分比计。

本发明成分设计中：

C：C是钢中不可缺少的强化组元，溶入基体中的碳可以起到固溶强化的作用。另外，C是提高钢板淬透性最有效的元素之一，合适的C含量可以充分发挥相变强化作用。而过高的碳含量则会影响钢材的焊接性和冷成型性。因此，本发明控制C含量为0.14～0.24％。

Si：Si主要是以固溶强化形式提高钢的强度，同时也是钢中的脱氧元素，但含量过高会恶化钢材的焊接性能。因此，本发明控制Si含量为≤0.50％。

Mn：Mn主要通过固溶强化提高钢的强度。Mn促进碳氮化物析出相在加热的时候溶解，抑制析出相在轧制的时候析出，有利于保持较多的析出元素在轧后的冷却过程中在铁素体中析出，加强析出强化。此外，Mn可扩大奥氏体相区，降低过冷奥氏体的转变温度，有利于相变组织的细化。但，Mn含量过高时，连铸坯表面易出现裂纹，并且对钢的焊接性能有不利影响。因此，本发明控制Mn含量为0.5～1.5％。

S、P：低的硫、磷含量可以使钢具有良好的韧性、冷成型性和焊接性，因此，本发明中应尽量降低硫、磷含量，控制P含量≤0.020％、S含量≤0.010％。

Ti：Ti是一种强烈的碳氮化物形成元素，Ti的未溶的碳氮化物在钢加热时可以阻止奥氏体晶粒的长大，在高温奥氏体区粗轧时析出的TiN和TiC可有效抑制奥氏体晶粒长大，而在铁素体区析出的细小的TiC颗粒能够阻止位错运动从而大大提高屈服强度。因此，本发明控制Ti含量为0.04～0.15％。

B：B是提高钢的淬透性有效且廉价的元素，钢中加入适量的B元素，能够保证在合适的冷却速度条件下获得贝氏体组织，保证钢板的拉伸强度。但B元素含量过多，B易在晶界聚集，引起脆化。因此，本发明控制B含量0.0005-0.003％。

Al：Al的作用主要是炼钢过程中的脱氧剂，是保证钢水中氧含量处于较低水平所必须的。但Al含量过多，易在钢中形成较多的夹杂物，影响钢板的性能。因此，本发明控制Al含量≤0.050％。

Nb：Nb是强碳氮化合物形成元素，通过细晶强化和析出强化提高钢的强度。Nb可提高奥氏体再结晶温度，在较高的温度下实现奥氏体非再结晶轧制，从而可使轧件在较高的温度下完成轧制变形同时得到细小的相变组织。因此，本发明控制Nb含量≤0.030％。

V：V是强碳氮化合物形成元素，通过细晶强化和析出强化提高钢的强度。因此，本发明控制V含量≤0.05％。

Mo：Mo能够有效提高淬透性，抑制多边形铁素体和珠光体的产生，促进在中温和低温区内形成晶内有大量位错分布的铁素体或贝氏体。但Mo为贵重合金元素，含量较高将使得钢的制造成本大大增加。因此，本发明控制Mo含量≤0.20％。

Cu：Cu通常以细小析出粒子状态存在于钢中，产生强化作用。但Cu含量高时将引起钢坯加热或热轧过程中产生裂纹。因此，本发明控制Cu含量≤0.20％。

Cr：Cr是提高淬透性的元素，能够使钢的强硬度增加。但Cr含量过高将影响钢的韧性，并引起回火脆性。因此，本发明控制Cr含量≤0.20％。

Ni：Ni在提高钢强度的同时能够改善其低温韧性。但Ni为贵重元素，故Ni含量上限控制在0.20％。因此，本发明控制Ni含量≤0.20％。

Ca：通过钙处理可以改变硫化物形态，从而改善钢的低温韧性。因此，本发明控制Ca含量≤0.0050％。

本发明的600MPa级高强度热连轧结构钢的制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、精炼、连铸：

按本发明的上述化学成分采用铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、连铸形成板坯。

2)再加热、轧制

将步骤1)得到的板坯再加热到1200℃以上，保温3小时以上，再通过粗轧和精轧，其中粗轧结束温度1000～1050℃，精轧结束温度820～920℃。

3)层流冷却、卷取

轧制后的轧件采用层流冷却，以10～50℃/s的冷却速度冷却至400～550℃，再在400～550℃下卷取，获得所述600MPa级高强度热连轧结构钢。

本发明通过成分和轧制工艺的匹配，特别是采用层流冷却并控制冷却速度为10～50℃/s，卷取温度为400～550℃，在冷却和卷取过程中避免形成大量的铁素体组织，而形成以下贝氏体为主的组织，其中，下贝氏体组织所占的体积比大于80％，使强韧性得到大幅提高。具体为：本发明通过成分的匹配，使得其铁素体相变过程向右移，因而当精轧结束后钢卷的层流冷却速度高于10℃/s时，能够避免形成较多的铁素体组织；本发明通过化学成分匹配，其贝氏体开始转变温度约为580℃左右，马氏体开始转变温度约为420℃。当卷取温度为400-550℃时，处于贝氏体转变温度范围，使本发明形成以下贝氏体为主的组织。

另一方面，本发明中加入了适量的Ti元素，Ti元素在钢坯的再加热过程中大部分溶解至钢中，随着轧制过程温度的逐渐降低，Ti的固溶度迅速降低，将在层流冷却阶段和卷取阶段形成TiCN析出粒子。本发明钢精轧结束后以10～50℃/s的冷却速度层流冷却，由于冷却速度较快，钢中的Ti来不及在层流冷却过程中析出，尚未析出的Ti将在卷取以后析出。本发明的卷取温度较低，因而有利于形成尺寸更加小的析出相粒子，其对强度的提高作用更大。

本发明的有益效果：

1.本发明添加的微合金元素种类少、含量低，尤其是贵重合金元素Nb、Mo和Ni等含量较少，大大降低了生产成本；

2.本发明中碳含量较高，并控制冷却速度为10～50℃/s，卷取温度400～550℃，可形成以下贝氏体为主的组织，使强韧性得到大幅提高；

3.本发明通过化学成分以及轧制工艺参数的配合，既充分利用了相变强化，又利用了Ti的析出强化作用，使得高强度热连轧结构钢具有良好的强韧性和冷弯成形性能，其屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥650MPa，延伸率≥16％，-20℃冲击功≥100J；

4.本发明卷取温度选择400～550℃，使形成的组织主要为下贝氏体，大大改善了本发明高强度热连轧结构钢的强度和韧塑性。

附图说明

图1为本发明实施例2的微观金相组织。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

本发明钢板实施例的化学成份见表1，余量为Fe和不可避免的杂质。采用铁水深脱硫、500kg真空感应炉冶炼、炉外精炼、连铸形成板坯。将板坯加热到1230-1280℃，保温3小时以上，粗轧结束温度1000～1050℃，精轧结束温度820～920℃，轧后水冷至规定的卷取温度，冷却速度10～50℃/s，卷取温度400-550℃。本发明实施例制造方法的工艺参数参见表2，力学性能参见表3。

表1 单位：重量百分比

表2

表3

由表2和表3可见，采用本发明的化学成分设计以及生产工艺制造，钢板的屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥650MPa，延伸率≥16％，-20℃冲击功≥100J，力学性能优良，并具有良好的冷弯成形性能。

如图1所示，本发明实施例2制造的600MPa级高强度热连轧结构钢的微观金相组织为少量的F(铁素体)+下贝氏体，钢板中铁素体组织的比例少于20％，下贝氏体组织所占的体积比大于80％，保证了钢板的强度。由此可见，本发明通过添加较少的贵金属元素，充分利用相变强化以及析出强化作用，并采用控扎控冷工艺可以获得屈服强度超过600MPa、并具有优良塑性和低温韧性的高强度结构钢。

Claims (5)

1.一种600MPa级高强度热连轧结构钢，其化学成分重量百分比为：C：0.14～0.24％、Si：≤0.50％、Mn：0.5～1.5％，P：≤0.020％，S≤0.010％，Ti：0.04～0.15％，B：0.0005～0.003％，Al≤0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质；所述高强度热连轧结构钢的微观金相组织为少量的铁素体+下贝氏体，其中铁素体组织的比例少于20％，下贝氏体组织所占的体积比大于80％，该结构钢的屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥650MPa，延伸率≥16％，-20℃冲击功≥100J。

2.如权利要求1所述的600MPa级高强度热连轧结构钢，其特征在于，所述高强度热连轧结构钢的化学成分中Mn：0.6～1.2％，Ti：0.04-0.10％，以重量百分比计。

3.如权利要求1或2所述的600MPa级高强度热连轧结构钢，其特征在于，所述化学成分还包括：Cu≤0.20％，Cr≤0.20％，Ni≤0.20％，Mo≤0.20％，Nb≤0.050％，V≤0.050％，Ca≤0.005％中的一种或多种，以重量百分比计。

4.如权利要求1或2或3所述的600MPa级高强度热连轧结构钢的制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、精炼、连铸：

按上述化学成分采用铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、连铸形成板坯；

2)再加热、轧制

将步骤1)得到的板坯再加热到1200℃以上，保温3小时以上，再通过粗轧和精轧，其中粗轧结束温度1000～1050℃，精轧结束温度820～920℃；

3)层流冷却、卷取

轧制后的轧件采用层流冷却，以10～50℃/s的冷却速度冷却至400～550℃，在该温度下卷取，获得所述600MPa级高强度热连轧结构钢。

5.如权利要求4所述的600MPa级高强度热连轧结构钢的制造方法，其特征在于，所述高强度热连轧结构钢的微观金相组织为少量的铁素体+下贝氏体，其中铁素体组织的比例少于20％，下贝氏体组织所占的体积比大于80％，该结构钢的屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥650MPa，延伸率≥16％，-20℃冲击功≥100J。

Images