CN103882330A

CN103882330A - 一种低屈强比超高强度非调质钢板及其生产方法

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Publication number: CN103882330A
Application number: CN201210560447.5A
Authority: CN
Inventors: 张涛; 侯华兴; 刘明; 杨颖�; 张哲�
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: CN103882330B

Abstract

本发明提供了一种低屈强比超高强度非调质钢板及其生产方法，其钢板化学成分重量百分比为：C：0.10%～0.20%、Si：0.1%～0.3%、Mn：1.00%～1.50%、Cr：0.5～0.8%、Mo：0.4～0.7%，Nb：0.01%～0.04%、Ni：0.60～1.0%、Cu：0.40～0.60%，V：0.03～0.06%、B：0.0005～0.0022%、Ti：0.01%～0.03%、Als：0.015%～0.045%、P≤0.015%、S≤0.005%、[N]≤0.0040%、[O]≤0.0020%，且Ti/N≥3.4，8≤Mn/C≤13，Ni/Cu≥1.5，0.05%≤Nb+V≤0.08%，余量为Fe及不可避免的杂质。其生产方法包括冶炼、连铸、铸坯加热、轧制、空冷、矫直，精炼时控制钢水中[N]、[O]、B含量，精炼时加Ti， Ti/N≥3.4；采用两阶段控轧。本发明钢板不需调质，采用控轧工艺充分细化钢板的组织，空冷后获得良好的强韧配合，终轧后钢板可进行多道次矫直。

Description

一种低屈强比超高强度非调质钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种工程机械用抗拉强度1200MPa级别低屈强比非调质钢板及其制造方法。

背景技术

随着我国工程机械行业的快速发展，对超高强度可焊接结构钢板的需求不断增加。超高强度钢板国内普遍采用调质的方法生产，屈强比在0.90以上；但钢铁材料的屈强比越高，从起始塑性变形到最后断裂的形变量越小，机械在使用过程中安全系数越低。对于使用超高强钢的大型工程机械而言，为保证材料使用的安全性，一些特定的构件要求既具有高的强度，又具有较低的屈强比。

抗拉强度1200MPa级别工程机械用低屈强比钢板，主要用于制作混凝土罐车、挖掘机等大型机械，也可用于超高层建筑、大型桥梁等钢结构领域。国内外有关低屈强比高强度钢板的制造已经形成多项专利，例如：

专利《屈服强度1100MPa-1200MPa级超高强钢及其生产方法》（公开号CN102181788A）钢板成分重量百分比为：C：0.15～0.18％；Si：0.20-0.25％；Mn：0.85～1.25％；Cr：0.20～0.60％；Mo：0.45～0.65％；V：0.035～0.060％；Nb：0.015～0.020％；Ni：0～0.55％；Cu：0～0.035％；Al：0.01～0.06％；P：≤0.015％；S：≤0.01％；N：≤0.008％，其余为Fe及不可避免杂质。生产方法为：冶炼、铸造成铸坯；将铸坯加热至1150～1250℃，终轧温度为860～920℃；卷取温度为650～750℃；淬火加热温度为880～930℃，保温时间为20～90min，回火加热温度为100～450℃，保温时间大于90min，缓冷或空冷至室温。按此发明成分和工艺生产出的钢板，屈服强度为1150MPa～1230MPa，抗拉强度为1250MPa～1340MPa，延伸率为11％～13.5％，-40℃冲击功值为21J～34 J；该发明钢板抗拉强度在1200MPa以上，不足之处在于需采用淬火加回火的热处理工艺生产，生产工艺复杂，一般该强度级别的钢板常用厚度在25mm以下，薄规格钢板在进行淬火处理时容易造成板型不良，且该专利实施例中屈强比较高为0.89~0.93，无法满足对高强度和低屈强比的要求，并且该发明钢板中碳含量较高，会直接影响钢板的焊接性能，且钢中未添加钛元素，碳化钒和碳化铌的析出温度较碳化钛和氮化钛低，铌、钒主要与氮化合，易形成尺寸较大的高温析出，影响钢的低温韧性。

专利《一种高强度低屈强比钢板》（公开号CN101676427），其成分为(重量百分比)：C：0.15～0.20wt％、 Si：1.0～2.0wt％、Mn：1.8～2.0wt％、Al≤0.036wt％、V：0.05～0.1wt％、P≤0.01wt％、 S≤0.005wt％、Cr：0.8～1.0wt％，余量为Fe和其它不可避免的杂质。该发明采用低合金化处理并通过传统的TMCP轧制工艺获得一种具有高强度和低屈强比的热轧钢板，其抗拉强度达1200～1500MPa，同时具有较好的低温冲击韧性，屈强比小于等于0.72，适用于要求具有高强度和低屈强比的领域，如机械制造、输油/气管道、建筑、桥梁、钢轨、压力容器等，其不足之处在于此发明合金成分含有较高比例的Si,对连铸生产和钢板的表面质量都会产生不利影响，且该专利要求有轧后进行控冷，需有在线水冷设备，且冷速大于8~10℃/s水冷后必然会形成很大的残余应力，影响钢板的生产和构件的加工。

专利《一种高强度高韧性低屈强比钢、钢板及其制造方法》（公开号CN101649420），其化学成分包含：C：0.05～0.12wt％、 Si：0.15～0.50wt％、Mn：1.0～1.5wt％、P≤0.025wt％、S≤0.015wt％、Cu：0.20-0.50wt％、 Ni≤0.25wt％、Nb：0.015-0.05wt％、V：0.015～0.045wt％、Ti：0.010-0.050wt％、Cr≤0.55 wt％、Mo≤0.30wt％、Al：0.015-0.05wt％、余量为Fe及不可避免的杂质。本发明还提供了以所述低屈强钢制成的钢板及钢板的制造方法。该发明的钢板具有优良的力学性能，其屈服强度≥460Pa，屈强比≤0.80，同时具有良好的低温冲击韧性和焊接性，适用于钢结构高层建筑及其它要求低屈强比的大型钢结构领域。该发明的制造方法包括冶炼、铸坯、加热、轧制和冷却工序，其中在所述轧制工序中，精轧开始温度为850～980℃，终轧温度为820～950℃，轧后水冷终冷温度为350~650℃。其不足之处在于该专利产品屈强比较低，但抗拉强度达不到1200MPa，且轧后需水冷，板型不易控制，并且该专利强碳化物形成元素Nb、V含量总和未做限制，易导致析出过多影响韧性，同时对Ni/Cu未作限制，Ni含量不足会导致铜裂的发生影响钢板质量。

专利《制造具有极高强度、延展性和韧性特征的钢板的方法以及由此生产的板材》（公开号CN101437975），其组成含量以重量表示：0.10％≤C≤0.25％； 1％≤Mn≤3％；Al≥0.015％；Si≤1.985％；Mo≤0.30％；Cr≤1.5％；S≤ 0.015％；P≤0.1％；Co≤1.5％；B≤0.005％；另外，1％≤Si+Al ≤2％；Cr+(3×Mo)≥0.3％，余量由铁和熔炼导致的不可避免的杂质组成；制造方法为钢坯加热到1150℃后进行热轧，轧后在Ar3以上温度以50~90℃/S的冷速冷却到贝氏体转变区域，然后再以0.08~60℃/min的冷速冷却到室温。该专利所述钢的显微组织由至少75％的贝氏体、等于或大于5％的残余奥氏体和等于或大于2％的马氏体组成。该发明涉及制造由称为“多相钢”的钢制得的热轧板材，同时具有允许进行冷成形操作的非常高的抗拉强度和可变形性。此产品抗拉强度大于1200MPa并且具有好的冷成形性、Rel/Rm比例小于0.75、断裂时延伸率大于10％的热轧钢。可用在汽车领域制造结构零件或加强元件。其不足之处在于此发明中Si、Al含量较高对坯料的连铸生产和钢板表面质量有较大影响；且轧后要经过2次冷却过程，需要专门的强制冷却设备，钢板板型不易控制。

专利《PRODUCTION OF HIGH STRENGTH STEEL EXCELLENT INDELAYED FRACTURE RESISTANCE AND MACHINE PARTS USING THE SAME，一种抗延迟断裂性能优异的高强度结构零件用钢板》（公开号为JP4180544(A)），其组成含量以重量表示0.15-0.40% C, <=0.30% Si, <=0.60% Mn, 2.0-14.0% Cr, 0.5-2.0% Mo, 0.05-1.0% V, <=0.020% P ，<=0.010% S， <=4.0% Ni, <=0.20% Nb, <=0.10% Ti, <=0.10% Zr, <=0.010% B ，<=0.010%Ca ，生产方法为热轧后950℃加热30分钟，油淬，400~650℃回火，获得的钢板抗拉强度大于1200MPa，屈强比0.72~0.80，且具有优良的耐延迟破坏能力。此发明中Mn含量大于2.0,给连铸生产带来相当的难度，且碳当量很高，会导致焊接困难，并且采用调质方法生产，生产周期长，且油淬对作业环境有相当的影响。

由以上对比专利可知，目前工程机械用1200MPa级别低屈强比钢板的生产存在以下不足：

①采用热轧后调质的生产方法，工艺复杂；

②抗拉强度低于1200MPa；

③屈强比大于0.75；

④需要轧后有在线或离线水冷设备，板型不易控制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种低屈强比超高强度非调质钢板及其生产方法，本发明钢板不需调质，采用控轧工艺充分细化钢板的组织，空冷后获得良好的强韧配合，终轧后钢板可进行多道次矫直。

本发明钢化学成分以低C、Mn、Cu、Cr，Mo、Ni合金化，复合添加少量Nb、V、Ti及B为基本特征；通过合金优化和控制轧制空冷后得到细小的贝氏体组织。

在本发明中，一种低屈强比超高强度非调质钢板，其化学成分重量百分比为为：C：0.10%～0.15%、Si：0.1%～0.3%、Mn：1.00%～1.50%、Cr：0.5%～0.8%、Mo：0.4%～0.7%、Nb：0.01%～0.04%、Ni：0.60%～1.0%、Cu：0.40%～0.60%、V：0.03%～0.06%、B：0.0005%～0.0022%、Ti：0.01%～0.03%、Als：0.015%～0.045%、P≤0.015%、S≤0.005%、[N]≤0.0040%、[O]≤0.0020%，且Ti/N≥3.4， 8≤Mn/C≤13，Ni/Cu≥1.5，0.05%≤Nb+V≤0.08%，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明成分设计理由如下：

C:为了保证钢的强度和空冷时的淬透性需要相当的碳含量做保证，在一定范围内钢的强度随碳含量的增加而相应的增加，同时一定的碳含量可以和Nb、V、Ti、Cr、Mo等形成碳化物析出，碳含量过高则析出物粗大，塑性韧性降低焊接性能下降，为了保证钢的焊接性能和低温韧性,C的含量不宜超过0.15%，因此本发明C含量控制在0.10%~0.15%。

Si：主要作用是固溶强化和脱氧，是非碳化物形成元素，Si含量较多时会抑制碳化物的析出，但过多时会使焊接性能下降，同时影响韧性，因此本发明中Si含量控制在0.1%~0.3%。

Mn：主要作用是固溶强化，含量大于0.8%时可以提高空冷时贝氏体淬透性，提高贝氏体铁素体中碳的过饱和度，有利于强度的提高，但含量高于1.5时易形成中心偏析和疏松，会使板坯有易发裂纹的倾向；还会造成轧后空冷钢板及焊接后形成马氏体等异常组织，降低钢板低温韧性，因此本发明中Mn含量控制在1.00%～1.50%，且为了保证钢板的焊接性能需控制Mn/C在8~13之间。

Nb和V：是强碳和氮化合物形成元素，主要作用是通过在钢中形成细小碳氮化物抑制加热时晶粒长大，空冷时又具有一定的析出强化的作用；Nb加入钢中，通过抑制奥氏体晶粒界面运动，从而提高钢板的再结晶温度。钢板中加入适量的Nb，高温奥氏体化时，未溶解的NbC起到钉轧奥氏体晶界的作用，从而阻碍奥氏体晶界过分粗化。溶解在奥氏体中的Nb，在两阶段轧制过程中抑制奥氏体再结晶，细化奥氏体晶粒。但Nb含量过高，则会形成粗大的NbC，影响钢板的力学性能。因此，本发明中Nb的加入量为0.0l%~0. 04%。V与C会形成VC析出物，在空冷过程中提高钢板的抗拉强度，而不会使钢板的韧性发生明显的恶化。V含量过高，则会形成粗大的VC，降低钢板的低温冲击性能。因此，本发明中加入0. 03%~0. 06%的V以保证钢板在空冷后有较高的抗拉强度;为保证两种元素既起到细化、强化作用又不过多损害韧性，本发明限定0.05%≤Nb+V≤0.08%。

Ti：可以与氮、碳和硫形成化合物，主要作用是通过在钢中形成细小碳氮化物抑制加热时晶粒长大，钛与氮的化合物形成温度较高，碳化钒和碳化铌的析出温度较碳化钛和氮化钛低，加钛时通过控制钛氮的比例(Ti/N≥3.4)，使铌、钒主要与碳化合，同时可以阻止钢中的游离N与B形成化合物，提高酸溶硼收得率充分发挥空冷时B提高贝氏体淬透性的作用，但含量过高时（≥0.030%）会形成粗大的Ti/N,降低钢板的低温韧性和疲劳性能，因此本发明中Ti的加入量控制在0.01%～0.03%且Ti/N≥3.4。

Mo、Cr：主要作用是提高钢板在空冷时的淬透性，形成完全的细小的贝氏体组织，保证抗拉强度在1200MPa以上，而且屈强比会低于0.75，Mo含量大于0.3%，Cr含量大于0.4%时效果明显，但Mo含量大于0.8%，Cr含量大于0.7%时会使焊接性降低，因此本发明控制Cr：0.5%~0.8%、Mo：0.4%~0.7%；

B：钢中加入微量的硼可极大的提高空冷时淬透性，由于硼的加入量很小，且在钢液中与氧、氮有较强的亲和力，很容易与其发生化合反应，从而失去提高淬透性的作用。因此冶炼时加硼之前应尽量降低钢水中氧和氮的含量，但B含量过多时(≥0.0022)空冷后易在晶界处富集，会降低晶界结合能，使钢板在受到冲击载荷时更倾向于沿晶断，降低钢板的低温冲击吸收功。因此，本发明中B的加入量为0. 0005~0. 0022 % ，且[N]≤0.0040%，[O]≤0.0020%。

Cu:作用是提高钢板的抗拉强度，奥氏体稳定化元素，提高空冷淬透性，但Cu添加量高于0.6%时，容易形成铜脆，低于0.2时强化作用较小，因此本发明中Cu 加入量为0.40%~0.60%。

Ni：主要作用是同时提高钢的强度和低温韧性，Ni会与Fe形成FeNi化合物，同时固溶在钢中的Ni会在相变过程中起到细化最终奥氏体晶粒的作用。钢板在较低温度下受到低温冲击载荷时，固溶的Ni会提高钢板的低温冲击吸收功，但Ni成本较高，因此本发明中加入0.60%~1.0%的Ni能够保证钢板的力学性能尤其是低温韧性，并使其具有市场竞争力。Cu、Ni复合添加可有效降低铜脆现象，因此本发明中限定Ni/ Cu≥1.5。

本发明钢板生产工艺流程：冶炼、连铸、钢坯加热、二阶段控制轧制、空冷、矫直。

进行铁水预处理，采用转炉冶炼，通过顶吹或顶底复合吹炼，进行精炼处理，并进行微合金化，控制钢中杂质含量；有效控制B的含量，精炼时要控制钢水[N]≤0.0040%，[O]≤0.0020%，从而使有效B含量控制在0.0010%～0.0020%；加Ti微合金化，同时要控制钢中的Ti/N大于等于3.4，以保证钢中有效硼的含量；连铸采用电磁搅拌，减少元素偏析。

连铸坯料厚度为成品的厚度的8倍以上，轧前加热温度为1180℃~1220℃，控制加热时间60 ~110 s/cm；采用两阶段控轧，目的在于充分细化相变前的组织,第一阶段轧制在出加热炉后进行开轧温度控制在1050℃~1100℃，粗轧终轧温度980℃~1050℃；第一阶段轧制过程中，最小道次压下率大于10%，奥氏体发生动态再结晶、静态再结晶和动态回复的过程，细化了奥氏体晶粒；第二阶段轧制开始温度控制在920℃~870℃；终轧温度控制在800℃~850℃，第二阶段再结晶区轧制积累变形量大于60%；第二阶段奥氏体进一步细化且中富集了大量的位错，为空冷时发生相变提供了大量的形核位置；轧后空冷时形成完全细小的贝氏体组织。

按上述技术方案生产的高强度钢板具有以下有益效果：

①抗拉强度大于1200MPa；

②屈强比小于0.75；

③控轧后空冷，不需调质，板型容易控制；

④-40℃低温韧性大于27J。

一般超高强度低屈强比钢板采用离线调质或在线淬火加离线回火的工艺生产，本发明钢板的特点是不需调质，采用控轧工艺充分细化钢板的组织，有利于钢板空冷后获得良好的强韧配合；而且终轧后温度较高，钢板可以进行多道次矫直，保证钢板板型良好;热轧后性能即达到超高的强度和良好的韧性。

附图说明

图1为本发明实施例1-1钢板的显微组织。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行冶炼与轧制。本发明实施例钢的冶炼成分见表1。本发明实施例钢的主要轧制工艺参数见表2。本发明实施例钢的力学性能见表3。

表1 本发明实施例钢的冶炼成分，Wt%

表2 本发明实例钢的主要轧制工艺参数

表3本发明实施例钢的力学性能

Claims

1.一种低屈强比超高强度非调质钢板，其特征在于，其化学成分重量百分比为：C：0.10%～0.20%、Si：0.1%～0.3%、Mn：1.00%～1.50%、Cr：0.5%～0.8%、Mo：0.4%～0.7%，Nb：0.01%～0.04%、Ni：0.60～1.0%、Cu：0.40～0.60%，V：0.03～0.06%、B：0.0005～0.0022%、Ti：0.01%～0.03%、Als：0.015%～0.045%、P≤0.015%、S≤0.005%、[N]≤0.0040%、[O]≤0.0020%，且Ti/N≥3.4， 8≤Mn/C≤13，Ni/Cu≥1.5，0.05%≤Nb+V≤0.08%，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.一种权利要求1所述的低屈强比超高强度非调质钢板的生产方法，包括冶炼、连铸、铸坯加热、轧制、空冷、矫直，其特征在于，铁水预处理，转炉冶炼通过顶吹或顶底复合吹炼；之后进行精炼处理，并进行微合金化，精炼时控制钢水[N]≤0.0040%，[O]≤0.0020%，控制B含量在0.0010%～0.0020%范围内，精炼加Ti微合金化，同时控制钢中的Ti/N≥3.4，连铸采用电磁搅拌；连铸坯料厚度为成品的厚度的8倍以上，轧前铸坯加热温度1180℃~1220℃，控制加热时间为60 ~110 s/cm；采用两阶段控轧，第一阶段轧制开轧温度控制在1050~1100℃，终轧温度980~1050℃，最小道次压下率大于10%；第二阶段轧制开轧温度控制在920℃~870℃，终轧温度控制在800℃~850℃，再结晶区轧制累积变形量大于60%。