CN103320717A

CN103320717A - 屈服强度960MPa级超高强度高钛钢板及其制造方法

Info

Publication number: CN103320717A
Application number: CN2013102181524A
Authority: CN
Inventors: 车马俊; 李昭东; 崔强; 孙新军; 吴年春; 雍岐龙
Original assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: General Institute of iron and Steel Research; Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2013-06-04
Filing date: 2013-06-04
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-06-04
Also published as: CN103320717B

Abstract

本发明涉及一种屈服强度960MPa级超高强度高钛钢板及其制造方法。该钢板由以下组分按重量百分比组成：C：0.06～0.09%，Si：0.10～0.50%，Mn：1.00～1.60%，P：<0.015%，S：<0.005%，Cr：0.20～0.50%，Mo：0.15～0.30%，Nb：0.02～0.05%，Ti：0.06～0.20%，B：0.0005～0.003%，Cu：≤0.10%，Al：0.01-0.05%，N：<0.005%，O：<0.003%，Ni：0～0.30%，其余为Fe和不可避免的杂质。制造方法包括冶炼和铸造；连铸坯加热；两阶段轧制；回火处理。本发明钢板具有良好的韧性和冷弯性能。

Description

屈服强度960MPa级超高强度高钛钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种屈服强度960MPa级超高强度高钛钢板及其制造方法，属于合金钢制造技术领域。

背景技术

屈服强度960MPa级超高强度钢板已广泛应用于工程机械结构件，对于提高设备效率、降低能耗和减少自重起到了重要作用，适应了工程机械不断向高参数化、大型化和轻型化方向发展的要求。

目前960MPa级钢板的主流生产工艺为离线调质处理，即热轧后进行离线淬火和回火，主要利用马氏体中析出碳化物来调整强度、韧性和延伸率等综合力学性能指标。常采用的微合金元素包括Ti、Nb、V、Mo等，其中通常只作微Ti处理，例如，专利号200510024775.3的中国发明专利（名称：屈服强度960MPa以上超高强度钢板及其制造方法）采用Ti：0.01-0.03%；申请号200810197585.5的中国发明专利申请（名称：屈服强度960MPa级焊接结构钢）采用Ti：0.01-0.05%；专利号201010246776.3的中国发明专利（名称：屈服强度960MPa以上低成本工艺操作窗口宽的超高强度钢板制造方法）采用Ti：0.015-0.025%；申请号201110288882.2的中国发明专利申请（名称：一种屈服强度960MPa级高强度钢板及其制造方法）采用Ti：0.01-0.03%；申请号的中国发明专利申请（名称：一种屈服强度960MPa级钢板及其制造方法）采用Ti：0.003-0.04%。之所以做微Ti处理，是因为Ti含量过高会造成TiN粗大夹杂，恶化钢的性能。

此外，离线调质工艺流程长，生产效率低、能耗高，这导致钢板成本提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种屈服强度960MPa级超高强度高钛钢板及其制造方法，一方面在化学成分上采用高Ti、低C以及多元少量合金的设计，可以降低钢板合金化成本并提高钢板性能，另一方面在制造方法上采用控制轧制和在线淬火工艺，克服传统调质工艺流程长、能耗高等不足，以简化易控的工艺流程即可生产出具有良好韧性和冷弯性能的高强度钢板。

本发明的技术构思如下：申请人认为，采用含高Ti的化学组分，并充分利用控轧轧制对奥氏体状态的调节作用，获得具有高缺陷密度的扁平奥氏体，进而在后续直接淬火及回火的工艺中即可获得纳米级含Ti第二相强化的细晶回火马氏体或下贝氏体组织。

其中，控制轧制和在线淬火、离线回火的工艺控制原理如下：

在铸坯加热阶段，控制奥氏体化温度，高于微合金元素Nb、V的全固溶温度但低于奥氏体发生反常晶粒长大温度，获得细小均匀的原始奥氏体组织。

采用两阶段控轧工艺，在粗轧阶段，适当降低粗轧温度、提高道次压下量，实施再结晶控轧，通过反复再结晶细化奥氏体；精轧阶段在奥氏体未再结晶温度（Tnr）以下变形，获得薄饼状奥氏体，该薄饼状奥氏体内含有大量缺陷，增加了后续马氏体相变阻力，有助于马氏体亚结构的细化。

在线淬火阶段，冷却速度要高于形成板条马氏体或板条贝氏体(下贝氏体)临界冷却速度，终冷温度低于钢的板条马氏体或板条贝氏体（下贝氏体）转变开始温度（Ms或Bs）,以获得细小、高位错密度的板条马氏体或板条贝氏体（下贝氏体）组织。

对轧后钢板在热处理炉中进行回火，回火过程中以纳米级TiC为主的微合金碳氮化物在马氏体或贝氏体基体中的沉淀析出，其尺寸具有高的回火稳定性。这些纳米级的析出相一方面阻碍位错回复，使基体中位错密度保持在较高水平，另一方面起到沉淀强化作用，因此可以提高钢板的屈服强度和改善韧性、延伸率等综合力学性能指标。

本发明解决其技术问题的技术方案如下：

一种屈服强度960MPa级超高强度高钛钢板，其特征是，由以下组分按重量百分比组成：C：0.06～0.09%，Si：0.10～0.50%，Mn：1.00～1.60%，P：<0.015%，S：<0.005%，Cr：0.20～0.50%，Mo：0.15～0.30%，Nb：0.02～0.05%，Ti：0.06～0.20%，B：0.0005～0.003%，Cu：≤0.10%，Al：0.01-0.05%，N：<0.005%，O：<0.003%，Ni：0～0.30%，其余为Fe和不可避免的杂质。

优选地，所述钢板的屈服强度在980MPa以上，抗拉强度在1025MPa以上，延伸率在16%以上，-40℃冲击功在60J以上。

本发明各元素的作用及配比依据如下：

碳：具有显著的固溶强化作用，提高钢的淬透性。但碳对钢的冲击韧性尤其是上平台冲击功非常不利，还明显损害焊接性能。因此，本发明涉及的钢板采用低碳成分设计，碳含量范围为0.06～0.09wt.%。

硅：钢中脱氧元素之一，同时具有较强的固溶强化作用，但过量的Si将恶化钢的韧性及焊接性能。综合上述考虑，本发明钢硅含量范围为0.10～0.50wt.%。

锰：明显提高钢的淬透性，具有一定的固溶强化作用，扩大TiC在奥氏体中的固溶度积，可以避免过多的TiC在轧制过程中形变诱导析出。但Mn含量过高时，其在铸坯中的偏析倾向增加，另外对焊接性能不利。基于上述原因，本发明钢Mn含量范围为:1.00-1.60wt.%。

钼：显著提高钢的淬透性，抑制P、S等杂质元素在晶界的偏聚而降低回火脆性；回火过程中Mo还可与Ti等微合金元素共同析出形成复合微合金碳氮化物，能够提高析出物的热稳定性，细化其尺寸，从而提高沉淀强化作用。Mo含量低于0.15wt.%时，上述作用效果不明显，超过0.30wt.%时，成本较高。因此，本发明钢Mo含量范围为0.15-0.30wt.%。

铌：轧制过程中固溶于奥氏体中的Nb和形变诱导析出碳氮化铌粒子显著提高奥氏体未再结晶温度，Nb是获得薄饼状未再结晶奥氏体的最有效元素。固溶于奥氏体的Nb还能够提高淬透性，回火过程中沉淀析出的碳氮化铌粒子具有沉淀强化作用。Nb含量应控制在0.02-0.05wt.%以内，低于0.02wt.%则上述作用不明显，高于0.05wt.%则上述作用达到饱和。

铬：提高钢的淬透性和耐大气腐蚀性能，但较高的Cr将降低焊接性能，应控制在0.20～0.50wt.%范围内。

镍：提高钢的淬透性，改善低温韧性，提高钢的抗大气腐蚀性能。但其价格价高，可以选择添加，其含量控制在0.30wt.%以内。

硼：偏聚于奥氏体晶界及其它晶体缺陷处，加入微量B即可显著提高淬透性，但硼含量超过0.003%后上述作用饱和，而且还可能形成各种对铸坯质量、热加工性能和韧性不利的含B析出相，因此硼含量应控制在0.0005-0.003wt.%范围内。

铝：Al是强脱氧元素，还可与N结合形成AlN，能够起到细化晶粒和固定N的作用，其含量应控制在0.01-0.05wt.%内。

氧：O极易与Ti形成氧化物，影响冶炼时Ti的收得率，同时可能增加钢中的粗大夹杂物，其含量控制在0.003wt.%以内。

氮：N也易与Ti形成TiN，特别是在高Ti微合金化时控制其含量在0.005wt.%以内，避免形成大量的微米级的液析TiN以保证韧性，同时保证回火过程中的有效Ti含量以提高强度。

磷和硫：钢中杂质元素，显著降低塑韧性和焊接性能；另外S还易与Ti结合，形成较大尺寸的第二相，减少回火过程中的有效Ti含量。其含量应分别控制在0.015wt.%和0.005wt.%以内。

钛：本发明钢板中加入高于0.06wt.%Ti主要是为了形成纳米级的TiC粒子，可以起到显著的析出强化第二相效果，可使第二相颗粒均匀细小，对钢板起到强化作用，提升钢板的屈服强度和抗拉强度。Ti含量低于0.06wt.%时，析出强化效应不显著；Ti含量高于0.20wt.%时，易与O、N、S等形成大量的粗大的含Ti夹杂物，对钢板韧性有害，从而要求O、N、S等杂质元素的含量极低，目前的冶炼水平很难达到。因此，Ti含量控制在0.06-0.20wt.%。

本发明还提供：

一种屈服强度960MPa级超高强度高钛钢板的制造方法，其特征是，

所述钢板由以下组分按重量百分比组成：C：0.06～0.09%，Si：0.10～0.50%，Mn：1.00～1.60%，P：<0.015%，S：<0.005%，Cr：0.20～0.50%，Mo：0.15～0.30%，Nb：0.02～0.05%，Ti：0.06～0.20%，B：0.0005～0.003%，Cu：≤0.10%，Al：0.01-0.05%，N：<0.005%，O：<0.003%，Ni：0～0.30%，其余为Fe和不可避免的杂质；

制造方法包括以下步骤：

第一步、冶炼和铸造：采用转炉或电炉冶炼，并炉外精炼，将钢水浇注成连铸坯；

第二步、连铸坯加热：将连铸坯放入加热炉中加热，加热温度为1150-1280℃，时间为1-5小时；

第三步、在中厚板轧机上进行轧制，采用两阶段轧制工艺：粗轧终轧温度为1050-1150℃；精轧轧制5-10道次，精轧开轧温度880-980℃，终轧温度为750-880℃；轧后直接淬火冷却，冷却速度不小于15℃/s，终冷温度≤350℃；淬火冷却后对钢板进行矫直；

第四步、对轧后钢板进行回火处理：回火加热温度为450-650℃，保温时间10-120min。

优选地，所述钢板由以下组分按重量百分比组成：C：0.09%，Si：0.20%，Mn：1.00%，P：0.009%，S：0.004%，Cr：0.25%，Mo：0.15%，Nb：0.05%，Ti：0.08%，B：0.0008%，Cu：0.08%，Al：0.014%，N：0.0040%，O：0.0018%，Ni：0.28%，其余为Fe和不可避免的杂质；

第二步中，加热温度为1150℃；

第三步中，粗轧终轧温度为1060℃；精轧开轧温度910℃，终轧温度为835℃；冷却速度为22℃/s，终冷温度为140℃；

第四步中，回火加热温度为650℃，保温时间40min。

更优选地，所述钢板的屈服强度为1000MPa，抗拉强度1035MPa，延伸率为16.5%，-40℃冲击功为60J。

优选地，所述钢板由以下组分按重量百分比组成：C：0.07%，Si：0.30%，Mn：1.30%，P：0.012%，S：0.003%，Cr：0.40%，Mo：0.20%，Nb：0.02%，Ti：0.19%，B：0.0016%，Cu：0.06%，Al：0.035%，N：0.0043%，O：0.0020%，Ni：0.15%，其余为Fe和不可避免的杂质；

第二步中，加热温度为1200℃；

第三步中，粗轧终轧温度为1100℃；精轧开轧温度945℃，终轧温度为850℃；冷却速度为20℃/s，终冷温度为240℃；

第四步中，回火加热温度为550℃，保温时间60min。

更优选地，所述钢板的屈服强度为990MPa，抗拉强度1030MPa，延伸率为16%，-40℃冲击功为70J。

优选地，所述钢板由以下组分按重量百分比组成：C：0.06%，Si：0.40%，Mn：1.55%，P：0.014%，S：0.003%，Cr：0.35%，Mo：0.28%，Nb：0.03%，Ti：0.17%，B：0.0020%，Cu：0.03%，Al：0.025%，N：0.0036%，O：0.0020%，Ni：0%，其余为Fe和不可避免的杂质；

第二步中，加热温度为1280℃；

第三步中，粗轧终轧温度为1140℃；精轧开轧温度958℃，终轧温度为870℃；冷却速度为19℃/s，终冷温度为340℃；

第四步中，回火加热温度为450℃，保温时间100min。

更优选地，所述钢板的屈服强度为980MPa，抗拉强度1025MPa，延伸率为17%，-40℃冲击功为83J。

申请人在实践中发现采用本发明制造方法可以顺利地克服高Ti可能带来的不利影响，进一步保证高Ti强化第二相效果的实现。

与现有技术相比，本发明优点在于：

采用高Ti微合金化、低碳和多元少量合金成分设计，通过控轧轧制和在线淬火工艺生产960MPa级超高强度钢板，克服了传统调质工艺流程长、能耗高、合金加入量大等不足，而且所生产钢板具有良好的韧性和冷弯性能。

附图说明

图1为本发明具体实施方式钢的原扁平奥氏体照片（光学显微镜照片）。

图2为本发明具体实施方式钢的微观组织照片（光学显微镜照片）。

图3为本发明具体实施方式钢的纳米级TiC析出照片（透射电子显微镜照片）。

图4为与图3对应的析出粒子典型能谱，主要含Ti，还含有复合微合金元素Mo、Nb。

由图1至图4可见，奥氏体晶粒发生了显著的扁平化和超薄化，钢板组织为细晶回火马氏体，在基体内弥散分布着细小的TiC粒子。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

实施例1-3

各实施例的组成成分如表1所示，余量为Fe和不可避免的杂质。

表1各实施例的组成成分（wt.%）

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Nb	Mo	Ti	B	Als	Cu	O	N
																1	0.09	0.20	1.00	0.009	0.004	0.25	0.28	0.05	0.15	0.08	0.0008	0.014	0.08	0.0018	0.0040
2	0.07	0.30	1.30	0.012	0.003	0.40	0.15	0.02	0.20	0.19	0.0016	0.035	0.06	0.0020	0.0043
																3	0.06	0.40	1.55	0.014	0.003	0.35	0	0.03	0.28	0.17	0.0020	0.025	0.03	0.0020	0.0036

制造方法包括以下步骤：

各实施例的具体工艺参数见表2。

表2各实施例的工艺参数

各实施例的力学性能数据见表3。

表3各实施例的力学性能参数

由此可见，各实施例的力学性能远远优于标准对性能的要求，屈服强度≥980MPa，抗拉强度≥1025MPa，延伸率≥16%，-40℃冲击功≥60J，冷弯性能合格，具有生产工艺稳定、综合性能优良等特点。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种屈服强度960MPa级超高强度高钛钢板，其特征是，由以下组分按重量百分比组成：C：0.06～0.09%，Si：0.10～0.50%，Mn：1.00～1.60%，P：<0.015%，S：<0.005%，Cr：0.20～0.50%，Mo：0.15～0.30%，Nb：0.02～0.05%，Ti：0.06～0.20%，B：0.0005～0.003%，Cu：≤0.10%，Al：0.01-0.05%，N：<0.005%，O：<0.003%，Ni：0～0.30%，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述屈服强度960MPa级超高强度高钛钢板，其特征是，所述钢板的屈服强度在980MPa以上，抗拉强度在1025MPa以上，延伸率在16%以上，-40℃冲击功在60J以上。

3.一种屈服强度960MPa级超高强度高钛钢板的制造方法，其特征是，

制造方法包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述屈服强度960MPa级超高强度高钛钢板制造方法，其特征是，所述钢板的屈服强度在980MPa以上，抗拉强度在1025MPa以上，延伸率在16%以上，-40℃冲击功在60J以上。

5.根据权利要求3或4所述屈服强度960MPa级超高强度高钛钢板制造方法，其特征是，所述钢板由以下组分按重量百分比组成：C：0.09%，Si：0.20%，Mn：1.00%，P：0.009%，S：0.004%，Cr：0.25%，Mo：0.15%，Nb：0.05%，Ti：0.08%，B：0.0008%，Cu：0.08%，Al：0.014%，N：0.0040%，O：0.0018%，Ni：0.28%，其余为Fe和不可避免的杂质；

第二步中，加热温度为1150℃；

第四步中，回火加热温度为650℃，保温时间40min。

6.根据权利要求5所述屈服强度960MPa级超高强度高钛钢板制造方法，其特征是，所述钢板的屈服强度为1000MPa，抗拉强度1035MPa，延伸率为16.5%，-40℃冲击功为60J。

7.根据权利要求3或4所述屈服强度960MPa级超高强度高钛钢板制造方法，其特征是，所述钢板由以下组分按重量百分比组成：C：0.07%，Si：0.30%，Mn：1.30%，P：0.012%，S：0.003%，Cr：0.40%，Mo：0.20%，Nb：0.02%，Ti：0.19%，B：0.0016%，Cu：0.06%，Al：0.035%，N：0.0043%，O：0.0020%，Ni：0.15%，其余为Fe和不可避免的杂质；

第二步中，加热温度为1200℃；

第四步中，回火加热温度为550℃，保温时间60min。

8.根据权利要求7所述屈服强度960MPa级超高强度高钛钢板制造方法，其特征是，所述钢板的屈服强度为990MPa，抗拉强度1030MPa，延伸率为16%，-40℃冲击功为70J。

9.根据权利要求3或4所述屈服强度960MPa级超高强度高钛钢板制造方法，其特征是，所述钢板由以下组分按重量百分比组成：C：0.06%，Si：0.40%，Mn：1.55%，P：0.014%，S：0.003%，Cr：0.35%，Mo：0.28%，Nb：0.03%，Ti：0.17%，B：0.0020%，Cu：0.03%，Al：0.025%，N：0.0036%，O：0.0020%，Ni：0%，其余为Fe和不可避免的杂质；

第二步中，加热温度为1280℃；

第四步中，回火加热温度为450℃，保温时间100min。

10.根据权利要求9所述屈服强度960MPa级超高强度高钛钢板制造方法，其特征是，所述钢板的屈服强度为980MPa，抗拉强度1025MPa，延伸率为17%，-40℃冲击功为83J。