CN104328350A - 一种屈服强度960MPa级调质钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种屈服强度960MPa级调质钢及其制造方法，控制好此调质钢的碳、硅、锰、磷、硫、铬、钼、铌、钒、钛、铝及硼的质量百分含量和碳当量。经预处理的高炉脱硫铁水入转炉冶炼，冶炼合格钢水经LF+HR+钙处理后连铸成钢坯，钢坯在均/加热炉中加热到1100～1250℃后轧成钢板，终轧温度为820～880℃，终轧后使用50～100℃/S超快冷却和10～25℃/S层流冷却，将卷取温度控制在500～700℃卷成钢卷，对温度低于80℃钢卷横切矫直成钢板，矫直的定尺或非定尺钢板在850～880℃/20～60min淬火及在500～700℃/90～180min回火。经如上制造方法获得的钢板其抗拉强度（Rel）≥980Mpa、夏氏冲击功AKv(-40℃)≥47J，其实用与推广价值显而易见。

Description

一种屈服强度960MPa级调质钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种调质钢及其制造方法，尤其涉及一种应用于工程机械（如履带式起重机、工程起重机和/或混凝土泵车等）用的其屈服强度为960MPa级调质钢及其制造方法。

背景技术

高强度钢板应用于工程机械如履带式起重机、工程起重机和混凝土泵车等结构件。工程机械的大型化对高强度钢板提出了增强减重的需求。屈服强度960MPa级高强度钢板已广泛应用于大型工程机械的结构件。欧标10025-6：2004和国标GB/T16270-2009中规定了屈服强度≥960MPa级高强钢的力学性能和碳当量标准。其中，欧标中规定的S960Q和S960QL其屈服强度≥960MPa、抗拉强度980～1150MPa及延伸率≥10%，其中S960Q满足-20℃纵向冲击功＞30J，S960QL满足-40℃纵向冲击功＞30J。此外，S960Q和S960QL的碳当量满足CEV=0.82%（其计算公式为CEV=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+(Ni+Cu/15）。国标GB/T16270-2009规定Q960E的屈服强度≥960MPa，抗拉强度980～1150MPa，延伸率≥10%，-40℃纵向冲击功≥27J，碳当量满足CEV=0.82%。

高强韧钢板的制造技术主要是控轧控冷+回火（TMCP+T）和调质（Q+T）。TMCP（Thermo-Mechanical Control Process）通过控制钢板的两阶段轧制温度、压下量和冷却工艺，形成特定的微观组织，以获得良好的机械性能。TMCP工艺的第一阶段轧制变形时，奥氏体发生动态再结晶、静态再结晶和动态回复等过程，细化了奥氏体晶粒；第二阶段变形时在奥氏体中累积了大量的位错，轧制后采用优化的冷却工艺，形成了细小的贝氏体或贝氏体+马氏体组织。TMCP后的钢板经过再加热回火，回火过程中碳氮化物析出，异号位错湮灭，改善钢板的内应力分布，形成具有很好强韧性匹配的微观组织。调质工艺是钢板在加热奥氏体均匀化后进入轧制工艺，轧制到指定厚度后空冷。空冷到室温后的钢板进入加热炉，在指定温度奥氏体化后淬火水冷到室温，淬火后的钢板再进入回火炉重新加热到指定温度，保温一定时间后出炉空冷。调质工艺生产高强度钢板是通过奥氏体化后的淬火过程细化，最终为马氏体组织，再经过回火工艺使碳从过饱和铁素体中排出，同时形成细小的碳化物，改善钢板的内应力和低温冲击韧性。

TMCP+T和Q+T工艺生产高强度钢板均有其各自优势，其中TMCP+T工艺流程短，可充分应用合金元素对相变的影响；Q+T工艺简单可控，钢板的纵横向性能差异较小。为缩短工艺流程，近期开发了直接淬火(DQ：direct quenching)和在线热处理(HOP:heat treatment online process) 工艺。直接淬火工艺是控制轧制结束后直接进入层流冷却装置冷却至室温，在线热处理工艺是把直接淬火后的钢板进入感应加热炉，以2～20℃/S的加热速度升温至指定回火温度，保温一段时间后出炉空冷。

相对传统的冷却工艺，直接淬火工艺停冷温度较低，冷却速度较快，能够形成细化的微观组织，传统回火工艺升温速率较慢，保温时间较长，形成的碳化物颗粒粗大；在线热处理工艺以较快的速度升温，形成细化的碳化物析出，提高钢板的低温冲击韧性。钢板在直接淬火过程中形成的残余奥氏体组织在HOP过程中会部分分解，最终形成弥散均匀分布的残余奥氏体。采用DQ+HOP工艺生产的高强度钢板具有良好的强韧性。

工程机械用高强度钢板还须具有良好的焊接性能。碳当量是衡量钢板焊接性能的重要指标。碳当量越低，钢板的焊接性能越好。欧标10025-6和国标GB/T16270中规定屈服强度960MPa级钢板的碳当量（CEV）均不大于0.82%。

公开号为W02000040764（公开日为2000年7月13日）的“ULTRA-HIGH STRENGTH AUSAGED STEELS WITH EXCELLENT CRYOGENIC TEMPERATURE TOUGHNESS”的专利公开了一种超高强度钢板，抗拉强度为830MPa，且含有较多的贵重合金元素Ni。

公开号为W01999005335（公开日为1999年2月4日）的“ULTRA-HIGH STRENGTH，WELDABLE STEELS WITH EXCELLENT ULTRA-LOW TEMPERATURE TOUGHNESS”的专利公开了一种超高强度钢板，它采用两阶段轧制和控制冷却的方法，并含有Ni、Cu等贵重元素，钢板抗拉强度≥930MPa。

以上公开的专利，它们均存在以下一个或多个不足：①加入较高含量的昂贵合金元素，钢材成本高。如JP60121219和JP89025371中加入镍为1.00%～3.50%，铬含量0.40%～1.20%；WO200039352中镍含量不小于1.0%；②工艺复杂，工序成本高。如专利WO9905335中碳含量为0.05～0.10%（较低），专利GB2132225中碳含量为0.04%～0.16%，专利98802878.6中碳含量为0.02%～0.10%。过低的碳含量造成炼钢过程脱碳时间长，炼钢炉劳动生产率低；瑞典SSAB公司生产的Weldox960系列和德国迪林根生产的Dillimax系列高强钢中，均采用高铝含量（不小于0.018%）。它们有以下若干缺点：在高铝钢钢水浇注时水口容易结瘤，容易将钢包水口耐材带入钢水；过多的铝会造成钢中氧化铝夹杂显著增多，需要较长的吹氩时间促使夹杂物上浮；铝细化晶粒的氮化铝细小析出物在钢板焊接时完全溶解，从而使焊接热影响区晶粒粗大。③钢板强度级别低。如专利WO200039352和专利98812446.7，抗拉强度只能达到830MPa以上，专利98802878.6抗拉强度只能达到900MPa以上。

由于重载卡车、工程机械等产业的发展，对车辆的载重和机械强度的要求不断提高，同时也要求减轻自重，因此要求采用成本更低、强度级别更高、低温冲击韧性好的超高强度钢板。

发明内容

本发明的目的在于提供一种屈服强度（Rel）960MPa级和有优良焊接性能及较高抗拉强度（Rm）的调质钢（板）及其制造方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述的一种屈服强度960MPa级调质钢，它的化学成分设计为（以wt%计）C=0.10～0.20、Si=0.10～0.50、Mn=1.00～1.60、P≤0.015、S≤0.005、Cr=0.10～0.50、Mo=0.20～0.60、Nb=0.015～0.055、V=0.020～0.060、Ti=0.003～0.04、Al=0.02～0.07、B=0.0006～0.0025，余量为Fe及其它不可避免的杂质，CEV≤0.61%；所述CEV为钢的碳当量。

所述的一种屈服强度960MPa级调质钢的制造方法包括如下程序：把经脱硫预处理的高炉铁水倒入氧气顶底复合吹炼转炉进行冶炼，将合格的冶炼钢水经吹氩、真空及加钙处理后由连铸机连铸成钢坯。将连铸钢坯送入均热炉或加热炉中加热，当钢坯加热至1100℃～1250℃后使其保温时间≥15min。

把加热后的钢坯进行轧制：在奥氏体可发生再结晶温度范围内钢坯的压下率≥60%，在700℃±10℃Ar3转变点的温度至奥氏体发生再结晶温度范围内，钢板的压下率≥50%；

 钢坯的终轧温度控制在820℃～880℃，钢坯经终轧后的钢板厚度为4.0mm～25.0mm;把终轧后的钢板以冷却速度为50℃/S～100℃/S进行（超快）冷却和以10℃/S～25℃/S层流冷却方式冷却到500℃～700℃，终冷后的钢板经卷取机卷取成钢卷，钢板卷取温度控制在500℃～700℃；

对温度低于80℃的钢卷进行定尺或非定尺横切，其后再矫直成钢板。

把矫直的钢板进行调质处理：淬火加热温度为850℃～880℃、保温时间为20mim～60min，回火加热温度为500℃～700℃、保温时间为90min～180min。

采用如上技术方案提供的一种屈服强度960MPa级调质钢及其制造方法与现有技术相比，其技术效果在于：

①本发明提供的一种屈服强度960MPa级调质钢（板）不仅具有较高的抗拉强度，还具有优良的焊接性能。

②本发明设计的整体思路是采用低C+高Mn的成分体系，以及控轧控冷和调质热处理的工艺体系，通过合金元素配比之间的优化，充分利用工艺对钢板强韧性的提高作用，制造具有较低碳当量（CEV≤0.58%）的高强韧钢板。合金元素C和Mn均为奥氏体化元素，加入钢中可提高钢板的强度。但C+Mn的含量与其它元素含量之间存在最佳配比关系，为优化C、Mn和其它元素含量，本发明设定了C+Mn与其它元素之间的关系以保证采用合适的成分配比获得优异的性能。合金化当量AEQ考虑了在适当碳当量CEV的条件下，不同合金元素及其相互作用对强韧性的影响。合金元素前的常数项与该合金元素对强韧性的影响相关，合金化当量同时考虑了Cr和Mo、Nb和V复合添加对钢板力学性能的影响，合金化当量过低则无法生产满足力学性能要求的钢板，过高则会导致碳当量提高，焊接性能恶化。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

本发明所述的一种屈服强度960MPa级调质钢（板）的化学成分配比（wt%）为C=0.10～0.20、Si=0.10～0.50、Mn=1.00～1.60、P≤0.015、S≤0.005、Cr=0.10～0.50、Mo=0.20～0.60、Nb=0.015～0.055、V=0.02～0.06、Ti=0.003～0.04、Al=0.02～0.07、B=0.006～0.0025，余量为Fe和其他不可避免的杂质；碳当量（CEV）≤0.61%。其中碳当量CEV的计算公式为CEV（%）=C+Mn/6+(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15，其中Cu可随机检测。

本发明中化学元素的添加原理如下：

C：C含量不同对钢板在冷却过程的相变有着重要的影响。C含量较高的钢种，在同样的冷却条件下，冷却过程中容易形成贝氏体或马氏体等强度较高的组织；但C含量太高，则会形成较脆的组织，降低钢板的低温冲击韧性，在回火过程中，C含量较高的钢板会形成较粗大的碳化物，从而恶化钢板的冲击性能；另一方面，C含量太低，容易形成铁素体等强度较低的组织。为达到屈服强度960MPa、抗拉强度980MPa及综合几方面因素考虑，本发明将C含量控制在0.10～0.20wt%范围内。

Si:Si元素固溶在钢中，提高钢板的强度。Si含量过高，会抑制渗碳体的形成，同时较高的Si含量会恶化钢板的焊接性能。因此，本发明中的Si含量为0.10～0.50wt%。

Mn:Mn是弱碳化物形成元素，通常固溶在钢中，起到固溶强化的效果。采用控轧控冷方式生产的高强度钢板，Mn元素通过跨越扩散界面耗散自由能，抑制片状相端面的扩散控制长大，形成细化的片层状贝氏体板条，从而提高钢板的强度和韧性等综合性能。Mn含量过高会导致板坯开裂倾向加大，容易在板坯生产过程中形成纵裂等缺陷；Mn含量较低则对强度的贡献较小，因此须添加C元素或者其它贵重合金元素如Mo元素等以保证钢板的强度。添加C元素会恶化钢板的焊接性能，添加其它贵重元素会提高钢板成本。因此，本发明中加入1.00～1.60wt%Mn元素，从而有利于形成细化的贝氏体组织，使钢板具有良好的强韧性。

Cr:Cr元素和Fe元素形成连续固溶体，并与C元素形成多种碳化物。Cr元素可取代渗碳体中的Fe元素形成M3C，并可形成M7C3和M23C6。固溶在钢中的Cr元素和Cr的碳化物会提高钢板的强度。但Cr含量增加会形成较粗大的碳化物，从恶化钢板的冲击性能。本发明中加入0.10～0.50wt%的Cr，以保证钢板的强度和冲击功。

Mo:Mo元素在奥氏体化时固溶在钢中，冷却过程中通过抑制扩散界面运动实现细化最终组织。Mo元素对扩散界面拖曳作用耗散的自由能约是Mn元素的3倍，因此添加Mo元素会抑制片状相端面长大，形成细化的贝氏体或贝氏体+马氏体组织。同时Mo元素是贵重合金元素，为保证钢板性能和成本，本发明中加入0.20～0.60wt%的Mo。

Nb：钢板在轧制过程中会形成大量的位错等缺陷。奥氏体在缺陷能的作用下发生再结晶，再结晶过程包括奥氏体新晶粒的形核和长大，Nb元素通过抑制奥氏体界面运动提高钢板的再结晶温度。加入一定量的Nb可实现两阶段轧制，非再结晶区较低温度轧制以提高奥氏体内部位错密度，在随后的冷却过程中形成细化的组织。Nb含量较高会在回火过程中形成较粗大的NbC析出，从而降低钢板的低温冲击功。因此，本发明中加入0.015～0.055wt%的Nb以控制钢板微观组织和力学性能。

V：V是铁素体化元素，强烈缩小奥氏体区。高温溶入奥氏体中的V元素能够增加钢的淬透性。钢中V元素的碳化物V4C3比较稳定，可以抑制晶界移动和晶粒长大。V元素和Cu元素在钢中都是起沉淀强化作用，但是相对Cu元素来说，只需加入极少量的V元素，即可达到同等的沉淀强化效果。此外，Cu元素在钢中容易引起晶界裂纹，因而必须加入至少达到其一半含量的Ni元素，才能避免裂纹，而Ni元素同样是十分昂贵的合金元素，因此，以V元素代替Cu元素可以大幅度降低钢的制造成本。因此，本发明中加入0.02～0.06wt%的V元素以保证钢板在回火后有较高的屈服强度。

B：B元素添加在钢中会提高钢板的淬透性，形成贝氏体或马氏体组织。B含量较高时，B原子会在晶界富集，降低晶界结合能，从而在受到冲击作用时会发生沿晶解离断裂。因此，本发明中B元素的加入量为0.0006～0.0025wt%。

Al：Al元素在高温时形成细小的AlN析出，在板坯加热奥氏体化时抑制奥氏体晶粒长大，达到奥氏体细化晶粒、提高钢在低温下的韧性的目的。Al含量过高会导致较大的Al的氧化物形成，降低钢板的低温冲击性能和探伤性能。因此，本发明中加入0.02～0.07wt%的Al，细化晶粒，以提高钢板的韧性并保证其焊接性能。

Ti：Ti与N在高温时形成TiN，板坯加热奥氏体化时，TiN会抑制奥氏体晶粒长大。Ti与C在较低温度区间形成TiC，细小的TiC颗粒有利于提高钢板的低温冲击性能。Ti含量过高，则会形成粗大的方形TiN析出，钢板在受力时应力会集中在TiN颗粒附近，成为微裂纹的形核长大源，降低钢板的疲劳性能。综合Ti元素对力学性能和疲劳性能的影响，本发明中的Ti含量控制在0.003～0.04wt%范围内。

为优化C、Mn和其它元素含量，本发明设定了C+Mn与其它元素之间的关系以保证采用合适的成分配比获得优异的性能。合金化当量（AEQ）考虑了在适当碳当量（CEV）的条件下，不同合金元素及其相互作用对强韧性的影响。合金元素前的常数项与该合金元素对强韧性的影响相关，合金化当量同时考虑了Cr和Mo、Nb和V复合添加对钢板力学性能的影响。同时，合金化当量过低则无法生产满足力学性能要求的钢板，过高则会导致碳当量提高，焊接性能恶化。

可知本发明采用相对其它专利更为适中的碳含量（0.10%～0.20wt%），此碳含量既不是很低也不是很高，既可满足炼钢工序的要求，也可保证钢板后续对焊接性能的要求。其中C含量与钢板中加入的Nb含量尽可能保证按溶度积公式Lg[Nb][C]=2.96～7510/T，计算的T小于1523K（1250℃）；加入V，也要保证按类似公式计算的T小于1523K，这是要以便在后续的轧制和冷却过程中析出强化，充分发挥各元素的作用。加入的元素Ti与N含量保证Ti/N≥3.42，让Ti完全固定N，使Nb能形成足够的NbC强化；加入的Ca与S含量保证Ca/S=0.5～2.0，使硫化物完全球化成近似纺锤形，提高钢板的横向冲击性能和冷弯性能。钢中的Cu、Ni、Cr、Mo同时加入时，不可同时接近上限或者下限，这样做的目的是保证强度和碳当量。对以上所述元素的适当控制，目的在于用较低的合金成本、精确的成分配比、简单的炼钢、轧制与冷却工艺获得钢板（材）较好的力学、焊接等综合性能。

如上所述成分质量百分含量及其屈限强度为960MPa的调质钢（板）的制造方法包括：

冶炼：对高炉铁水进行脱硫预处理，经预处理的高炉铁水入氧气顶底复合吹炼转炉（如210t级）冶炼，冶炼钢水经吹氩、真空及加钙热处理后，钢水化学成分（即合格钢水中各冶金元素的质量百分含量）相同于成品材的化学成分。钢水经LF+RH+钙处理后的钢水送连铸机连铸成所需断面的钢坯。

将钢坯送入均热炉（或加热炉）加热，当钢坯加热至1100℃～1250℃后使保温时间≥15min，这样的加热温度与保温时间可以使钢坯的奥氏体组织均匀化，还可使钢坯中的Nb、V和Ti等的碳化物充分溶解，而氮化钛也会有部分熔解以阻止原始奥氏体晶粒的长大。

把加热后的钢坯进行轧制：在奥氏体可发生再结晶温度范围内，采用一个或多个道次轧制钢坯，期间允许采用一次或多次转钢以提高成品钢板的横向塑性和韧性，此温度区间的压下率不小于60%。这样固溶于钢中的微合金元素起着阻滞奥氏体动态再结晶的作用，形变的奥氏体发生再结晶并达到细化的目的。在低于奥氏体发生再结晶但高于700℃±10℃Ar3转变点的温度范围内，采用一个或多个道次并允许采用一次或多次转钢，将上述钢板轧制成最终厚度的钢板，此温度区间钢板的压下率不小于50%。

在轧制的第二阶段钢坯的终轧温度控制在820℃～880℃之间。在此轧制过程中，奥氏体不发生再结晶，而形成拉长的奥氏体，在拉长的奥氏体晶内存在大量的形变带，铌、钒和钛等固溶原子由于形变诱导而析出为碳化物和碳氮化物。经未再结晶区终轧后，钢的组织由变形的奥氏体组织。终轧后钢板厚度控制在4.0mm～25.0mm。

钢坯经终轧后的钢板以冷却速度为50℃/s～100℃/s（称之为超快速冷却）和以10℃～25℃/s层流冷却的方法将钢板冷却到500℃～700℃。在轧制变形的钢板中含有大量位错的奥氏体，快速冷却时在较低温度发生贝氏体转变。较快的冷却速度体奥氏体具有较大的过冷度，即使贝氏体转变具有较大的形核驱动力，提高了贝氏体转变的形核率。本发明的终冷温度较低，在较快的冷却速度和较低的终冷温度条件下，贝氏体以很高的形核速率和较慢的长大速度形成，未转变的奥氏体形成细小弥散的MA组元分布在贝氏体基体上，从而提高了钢板的强度和韧性。

终冷后的钢板经卷取机卷成钢卷，钢板卷取温度控制在500℃～700℃。对温度低于80℃的钢卷进行定尺或非定尺横切，其后矫直成钢板。

把矫直的钢板进行调质处理：淬火加热温度为850℃～880℃，保温时间为20min～60min；回火加热温度为500℃～700℃，保温时间为90min～180min。

[0044]经如上方法获得的钢板的抗拉强度（Rm）≥980MPa，夏氏冲击功AKv（-40℃）≥47J，并具有优良的焊接性能。

Claims (2)

1.一种屈服强度960MPa级调质钢，其特征在于：化学成分以质量百分含量计：C=0.10～0.20、Si=0.10～0.50、Mn=1.00～1.60、P≤0.015、S≤0.005、Cr=0.10～0.50、Mo=0.20～0.60、Nb=0.015～0.055、V=0.020～0.060、Ti=0.003～0.04、Al=0.02～0.07、B=0.0006～0.0025，余量为Fe及其它不可避免的杂质；CEV≤0.61%；

所述CEV为钢的碳当量。

2.实施权利要求1所述的一种屈服强度960MPa级调质钢的制造方法，把经脱硫预处理的高炉铁水倒入氧气顶底复合吹炼转炉进行冶炼，将合格的冶炼钢水经吹氩、真空及加钙处理后由连铸机连铸成钢坯；其特征在于：将连铸钢坯送入加/均热炉中加热，当钢坯加热至1100℃～1250℃后使保温时间≥15min；

把加热后的钢坯进行轧制：在奥氏体可发生再结晶温度范围内，钢坯的压下率≥60%，在700℃±10℃Ar3转变点的温度至奥氏体发生再结晶温度范围内，钢板的压下率≥50%；

钢坯的终轧温度控制在820℃～880℃，钢坯经终轧后的钢板厚度为4.0mm～25.0mm;把终轧后的钢板以冷却速度为50℃/S～100℃/S进行冷却和以10℃/S～25℃/S层流冷却方式冷却到500℃～700℃，终冷后的钢板经卷取机卷取成钢卷，钢板卷取温度控制在500℃～700℃；

对温度低于80℃的钢卷进行定尺或非定尺横切后矫正成钢板；把矫直的钢板进行调质处理：淬火加热温度为850℃～880℃、保温时间为20mim～60min，回火加热温度为500℃～700℃、保温时间为90min～180min。