CN104946973A - 一种高强度、韧性、塑性的低碳中锰中厚板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是为了采用低碳Mn合金化开发高强度、高韧性、高塑性和厚向组织均匀的中厚板，提供了一种高强度、韧性、塑性的低碳中锰中厚板及其制备方法，属于钢铁材料技术领域。该中厚板钢的化学成分按重量百分比为：C：0.03～0.05％，Si：0.20～0.40％，Mn：3.00～6.00％，P：≤0.005％，S：≤0.003％，Ni：0.5～1.50％，余量为Fe和不可避免的杂质；该中厚板的厚度10mm～40mm。其制备方法为：1)将钢坯加热至1200℃并保温2～3h进行充分的奥氏体化；然后将钢坯进行一阶段或两阶段轧制，轧后将板材水冷至室温；2)将板材置于610℃～640℃的加热炉中，保温2～3h，然后淬火至室温。本发明的中厚板具有厚向组织均匀、低屈强比、高强度、高塑性和高韧性的特征，组织性能优于传统高强中厚板钢；该制备方法简单易操作。

Description

一种高强度、韧性、塑性的低碳中锰中厚板及其制备方法

技术领域

本发明属于钢铁材料技术领域，特别涉及一种高强度、韧性、塑性的低碳中锰中厚板及其制备方法。

背景技术

传统高强度中厚板产品一般采用低碳(0.06～0.2mass％)和低锰(1.0～1.8mass％)，同时添加Cr和Mo等贵金属元素的成分设计思想，采用控制轧制和控制冷却工艺或热处理工艺生产。并且随着钢板厚度的增加，需要大量添加Cr和Mo等提高淬透性的合金元素，使生产成本大大提高，同时还要辅以C含量的增加，严重恶化焊接性能和低温韧性。而且我国是一个少Mo和无Cr资源的国家，大量Cr和Mo等贵金属元素的应用将使原料供给问题凸显。另外，随着大型工程结构对轻量化和安全性的迫切需求，对钢材的强度、塑性、韧性和屈强比等性能提出了越来越高的苛刻要求，但提高强度与改善塑性和韧性具有一定的矛盾性，强度的提高往往导致塑性和韧性的下降，且传统高强中厚板面临屈强比高的问题。虽然可采用晶粒细化和组织均匀化的方法改善低温韧性，但厚规格钢板的晶粒细化和组织均匀化受到限制，使得这种韧化手段在改善厚规格钢板低温韧性方面的能力有限。

早在上世纪70年代，Miller首次进行了Fe-0.1C-5Mn钢的研究，这种钢经冷轧和α+γ两相区处理后，在室温拉伸条件下表现出优异的强塑性和高的加工硬化能力。近年来，5～9mass％Mn钢在国内外引起了新一轮的研发热潮，在强塑性机理和应用方面取得了长足的进步，但这些研究主要集中于Mn稳定奥氏体的特性和组织对拉伸性能的影响。但是，目前还未见采用低碳Mn合金化开发厚向组织均匀的中厚板的报道。

发明内容

本发明的目的是为了采用低碳Mn合金化开发高强度、高韧性、高塑性和厚向组织均匀的中厚板，提供了一种高强度、韧性、塑性的低碳中锰中厚板及其制备方法。该钢具有厚向组织均匀、低屈强比、高强度、高塑性和高韧性的特征，其组织性能优于传统高强中厚板钢；该制备方法简单易操作。

一种高强度、韧性、塑性的低碳中锰中厚板，化学成分按重量百分比为：C：0.03～0.05％，Si：0.20～0.40％，Mn：3.00～6.00％，P：≤0.005％，S：≤0.003％，Ni：0.5～1.50％，余量为Fe和不可避免的杂质；

所述中厚板钢的厚度为10mm～40mm；

所述中厚板钢的组织为回火态马氏体板条和细小铁素体晶粒+亚稳奥氏体组织，亚稳奥氏体组织的体积分数为8％～18％，并且钢板表面与心部的组织相同；

所述中厚板钢的屈服强度为520MPa～700MPa，抗拉强度为620MPa～820MPa，延伸率为28％～32％，-60℃冲击吸收功为200J～245J，-80℃冲击吸收功为160J～225J，屈强比为0.84～0.86。

所述钢板的各化学成分的作用如下：

C：为强烈奥氏体稳定元素和固溶强化元素，但间隙碳原子恶化低温韧性和焊接性能，因此本发明采用低碳成分设计；

Si：具有固溶强化、延迟碳化物析出、提高抗回火脆性的作用，但同时也会降低钢的低温韧性和塑性，因此本发明的Si含量控制在0.2％～0.4％之间；

Mn：能够强烈地稳定奥氏体和提高淬透性，但同时会降低钢的焊接性能和耐腐蚀性能，因此本发明的Mn含量控制在3％～6％之间；

P、S和Al：为不可避免的有害元素，尽量降低；

Ni：能够稳定奥氏体，提高耐腐蚀性能，提高低温韧性，但价格昂贵，因此本发明的Ni含量控制在0.5％～1.5％之间。

一种高强度、韧性、塑性的低碳中锰中厚板及其制备方法，包括如下步骤：

1)将钢坯加热至1200℃并保温2～3h进行充分的奥氏体化，钢坯的化学成分按重量百分比为：C：0.03～0.05％，Si：0.20～0.40％，Mn：3.00～6.00％，P：≤0.005％，S：≤0.003％，Ni：0.5～1.50％，余量为Fe和不可避免的杂质；

然后将钢坯进行一阶段或两阶段轧制，一阶段轧制开轧温度为1100～1180℃，终轧温度为1080～1160℃，轧制至板材厚度t为40mm；二阶段轧制开轧温度为830～850℃，终轧温度为800～830℃，轧制至板材厚度10mm≤t＜40mm；

轧后将板材以15～40℃/s的冷却速度水冷至室温，板材的表面和心部组织为相同的马氏体组织，说明该板材的厚向组织均匀；

2)热处理：将板材置于610℃～640℃的加热炉中，保温2～3h，然后淬火至室温，得到产品；产品的组织为回火态马氏体板条和细小铁素体晶粒+亚稳奥氏体组织，并且钢板表面与心部的组织相同，亚稳奥氏体组织的体积分数为8％～18％；

其中，较好的加热炉为箱式电阻炉。

经检测，上述方法制得的中厚板钢的屈服强度为520MPa～700MPa，抗拉强度为620MPa～820MPa，延伸率为28％～32％，-60℃冲击吸收功为200J～245J，-80℃冲击吸收功为160J～225J，屈强比为0.84～0.86。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、钢板厚向组织均匀。

2、实现了高强度、高韧性、高塑性和低屈强比性能的统一，优于当前高强中厚板钢。

3、利用亚稳奥氏体的TRIP效应延迟颈缩和提高钢材的加工硬化性能，提高钢材的塑性和降低屈强比。

4、利用亚稳奥氏体协同马氏体基体的细化，综合改善钢材的低温韧性。

附图说明

图1为实施例1中轧制后板材的光学显微组织图；

其中图1a为板材表面光学显微组织图，图1b为板材心部光学显微组织图。

图2为实施例1中回火处理后钢板的光学显微组织图。

图3为实施例2中回火处理后钢板的光学显微组织图。

图4为实施例3中回火处理后钢板的光学显微组织图。

具体实施方式

实施例1

厚度为40mm的高强度、韧性、塑性的低碳中锰中厚板，其化学成分按照重量百分比为：C：0.032％，Si：0.36％，Mn：5.8％，P：0.002％，S：0.003％，Ni：1.48％，余量为Fe和不可避免的杂质；其显微组织为回火态马氏体和细小铁素体+亚稳奥氏体组织，并且钢板表面与心部的组织相同；其屈服强度为700MPa，抗拉强度为820MPa，断后延伸率为28％，-60℃夏比V型缺口标准试样的冲击吸收功为200J，-80℃夏比V型缺口标准试样的冲击吸收功为160J，屈强比为0.85。

上述中厚板的制备方法按照以下步骤进行：

将70mm厚的钢坯加热至1200℃并保温3h，化学成分按照重量百分比为：C：0.032％，Si：0.37％，Mn：5.8％，P：0.002％，S：0.003％，Ni：1.48％，余量为Fe和不可避免的杂质；

采用450mm二辊可逆热轧实验轧机对钢坯进行一阶段轧制，压下规程为：70-55-40mm，开轧温度为1100℃，终轧温度为1080℃，得到40mm厚板材；

轧后将板材以15℃/s冷却速度冷却至室温，其光学显微组织如图1所示，板材表面和心部的光学显微组织均为全马氏体组织；

将轧后的板材置于610℃的箱式电阻炉中保温3h，随后淬火至室温，得到中厚钢板产品，其典型光学显微组织如图2所示，为回火处理后钢板的典型形貌特征：回火态马氏体和细小铁素体+亚稳奥氏体组织，亚稳奥氏体组织的体积分数为18％。

经力学性能测试，热处理后，钢板的屈服强度为700MPa，抗拉强度为820MPa，断后延伸率为28％，-60℃夏比V型缺口标准试样的冲击吸收功为200J，-80℃夏比V型缺口标准试样的冲击吸收功为160J，屈强比为0.85。

实施例2

厚度为20mm的高强度、韧性、塑性的低碳中锰中厚板，其化学成分按照重量百分比为：C：0.039％，Si：0.29％，Mn：3.9％，P：0.004％，S：0.002％，Ni：0.98％，余量为Fe和不可避免的杂质；其显微组织为回火态马氏体和细小铁素体+亚稳奥氏体组织，并且钢板表面与心部的组织相同；其屈服强度为570MPa，抗拉强度为665MPa，断后延伸率为29％，-60℃夏比V型缺口标准试样的冲击吸收功为245J，-80℃夏比V型缺口标准试样的冲击吸收功为225J，屈强比为0.86。

上述中厚板的制造方法按照以下步骤进行：

将70mm厚的钢坯加热至1200℃并保温2.5h，钢坯的化学成分按照重量百分比为：C：0.039％，Si：0.29％，Mn：3.9％，P：0.004％，S：0.002％，Ni：0.98％，余量为Fe和不可避免的杂质；

采用450mm二辊可逆热轧实验轧机对钢坯进行两阶段轧制，压下规程为：70-55-40-28-20mm；一阶段开轧温度为1150℃，终轧温度为1130℃，轧为40mm厚板材；然后在空气中待温至二阶段开轧温度850℃，终轧温度830℃，轧为20mm厚板材；

轧后将板材以30℃/s的冷却速度水冷至室温，板材表面和心部的光学显微组织均为全马氏体组织；

再将板材置于630℃的箱式电阻炉中保温2h，随后淬火至室温，得到中厚钢板产品，其典型显微组织如图3所示，其显微组织为回火态马氏体和细小铁素体+亚稳奥氏体组织，亚稳奥氏体组织的体积分数为12％。

经力学性能测试，热处理后，钢板的屈服强度为570MPa，抗拉强度为665MPa，断后延伸率为29％，-60℃夏比V型缺口标准试样的冲击吸收功为245J，-80℃夏比V型缺口标准试样的冲击吸收功为225J，屈强比为0.86。

实施例3

厚度为10mm的高强度、韧性、塑性的低碳中锰中厚板，其化学成分按照重量百分比为：C：0.05％，Si：0.2％，Mn：3.0％，P：0.005％，S：0.001％，Ni：0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质；其显微组织为回火态马氏体和细小铁素体+亚稳奥氏体组织，并且钢板表面与心部的组织相同；其屈服强度为520MPa，抗拉强度为620MPa，断后延伸率为32％，-60℃夏比V型缺口标准试样的冲击吸收功为210J，-80℃夏比V型缺口标准试样的冲击吸收功为195J，屈强比为0.84。

上述中厚板的制备方法按照以下步骤进行：

将70mm厚的钢坯加热至1200℃并保温2h，钢坯的化学成分按照重量百分比为：C：0.05％，Si：0.2％，Mn：3.0％，P：0.005％，S：0.001％，Ni：0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质；

采用450mm二辊可逆热轧实验轧机对钢坯进行两阶段轧制，压下规程为：70-55-40-28-20-14-10mm；一阶段开轧温度为1180℃，终轧温度为1160℃，轧为40mm厚板材；然后在空气中待温至二阶段开轧温度830℃，终轧温度800℃，轧为10mm厚板材；

轧后将板材以40℃/s的冷却速度水冷至室温，板材表面和心部的光学显微组织均为全马氏体组织；

再将板材置于640℃的箱式电阻炉中保温2h，随后淬火至室温，得到中厚钢板产品，其典型显微组织如图4所示，其显微组织为回火态马氏体和细小铁素体+亚稳奥氏体组织，亚稳奥氏体组织的体积分数为8.1％。

经力学性能测试，热处理后，钢板的屈服强度为520MPa，抗拉强度为620MPa，断后延伸率为32％，-60℃夏比V型缺口标准试样的冲击吸收功为210J，-80℃夏比V型缺口标准试样的冲击吸收功为195J，屈强比为0.84。

Claims (7)

1.一种高强度、韧性、塑性的低碳中锰中厚板，其特征在于，化学成分按重量百分比为：C：0.03～0.05％，Si：0.20～0.40％，Mn：3.00～6.00％，P：≤0.005％，S：≤0.003％，Ni：0.5～1.50％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种高强度、韧性、塑性的低碳中锰中厚板，其特征在于，所述中厚板的厚度为10mm～40mm。

3.根据权利要求1所述的一种高强度、韧性、塑性的低碳中锰中厚板，其特征在于，所述中厚板的组织为回火态马氏体板条和细小铁素体晶粒+亚稳奥氏体组织，并且亚稳奥氏体组织的体积分数为8％～18％。

4.根据权利要求1所述的一种高强度、韧性、塑性的低碳中锰中厚板，其特征在于，所述中厚板的屈服强度为520MPa～700MPa，抗拉强度为620MPa～820MPa，延伸率为28％～32％。

5.根据权利要求1所述的一种高强度、韧性、塑性的低碳中锰中厚板，其特征在于，所述中厚板的-60℃冲击吸收功为200J～245J，-80℃冲击吸收功为160J～225J。

6.权利要求1所述的一种高强度、韧性、塑性的低碳中锰中厚板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将钢坯加热至1200℃并保温2～3h进行充分的奥氏体化，钢坯的化学成分按重量百分比为：C：0.03～0.05％，Si：0.20～0.40％，Mn：3.00～6.00％，P：≤0.005％，S：≤0.003％，Ni：0.5～1.50％，余量为Fe和不可避免的杂质；

然后将钢坯进行一阶段或两阶段轧制，一阶段轧制开轧温度为1100～1180℃，终轧温度为1080～1160℃，轧制至板材厚度t为40mm；二阶段轧制开轧温度为830～850℃，终轧温度为800～830℃，轧制至板材厚度10mm≤t＜40mm；

轧后将板材水冷至室温；

2)热处理：将板材置于610℃～640℃的加热炉中，保温2～3h，然后淬火至室温。

7.根据权利要求6所述的一种高强度、韧性、塑性的低碳中锰中厚板的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述水冷的速度为15～40℃/s。