CN105385939A - 一种高强度高韧性合金钢的制造方法 - Google Patents

一种高强度高韧性合金钢的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度高韧性合金钢的制造方法，包括由以下重量百分比的化学成分制备而成：碳0.3～0.58%、硅0.25～1.38%、锰0.55～1.55%、磷≤0.025%、硫0.02～0.025%、铬0.09～1.32%、镍0.28～0.62%、钼0.02～0.035%、钛0.18～0.20%、钒0.2～0.5%、钨0.4～0.9%、铌0.3～0.6%、钴0.11～0.15%、铜0.2～0.8%、铝≤0.2%、硼≤0.15%、氮≤0.3%和不可避免的杂质。本发明采用中碳钢生产，生产成本较低，抗拉强度、屈服强度、硬度均较高，具有广阔的应用前景。

Description

一种高强度高韧性合金钢的制造方法
技术领域
本发明涉及钢合金技术领域，具体涉及一种高强度高韧性合金钢的制造方法。
背景技术
在现有技术中，合金钢的碳含量都较高，例如美国材料与试验协会标准ASTMA709/A709M-01b中的100、100W钢，其碳含量大于0.10％，这种合金钢虽然具有高强度，但其韧性、焊接性能都较差。专利申请号为2004100967957公开了一种合金钢。该合金钢的采用TMCP+RPC+SQ方法进行生产，得到的是抗拉强度级别为800MPa级别的高强度钢，并且该钢以淬火状态交货，但该合金钢的残余应力较大，另外该合金钢中不含Cr，因而耐候性能较差。专利申请号为200410061112.4也公开了一种合金钢，但该合金钢并未添加微量元素硼，因此该合金钢的抗拉强度仅为590～650MPa。
高强度、高韧性材料广泛应用于医疗器械、电动工具、矿山机械、模具等领域，以提高产品使用寿命。国内外对高强度、高韧性材料的研究主要集中在高强度、高韧性合金钢的研究；
如：董瀚.合金钢的现状与发展趋势.《特殊钢》.2000，21(5)，-1-10，该文章介绍了Carpenter公司在Aermet100钢的基础上开发的高强度高韧性Aermet310钢，其成分为：C0.256，Cr2.4，Ni11.0，Co15，Mo1.4，合金钢的抗拉强度为2172Mpa，屈服强度为1895Mpa，延伸率为14％，断面缩Ψ为60％。
上述的高强度、高韧性合金钢为低碳钢，且合金元素含量较高，为高合金钢，生产成本较高。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种高强度高韧性合金钢的制造方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种高强度高韧性合金钢的制造方法，包括由以下重量百分比的化学成分制备而成：
碳0.3～0.58%、硅0.25～1.38%、锰0.55～1.55%、磷≤0.025%、硫0.02～0.025%、铬0.09～1.32%、镍0.28～0.62%、钼0.02～0.035%、钛0.18～0.20%、钒0.2～0.5%、钨0.4～0.9%、铌0.3～0.6%、钴0.11～0.15%、铜0.2～0.8%、铝≤0.2%、硼≤0.15%、氮≤0.3%和不可避免的杂质。
进一步地，包括如下步骤：
S1:称取化学成分为碳0.3～0.58%、硅0.25～1.38%、锰0.55～1.55%、磷≤0.025%、硫0.02～0.025%、铬0.09～1.32%、镍0.28～0.62%、钼0.02～0.035%、钛0.18～0.20%、钒0.2～0.5%、钨0.4～0.9%、铌0.3～0.6%、钴0.11～0.15%、铜0.2～0.8%、铝≤0.2%、硼≤0.15%、氮≤0.3%和不可避免的杂质,进行混合投入冶炼炉中进行冶炼，得到合金钢坯料；
S2:将步骤S1中得到的合金钢坯料经过退火之后，放置锻造机上进行高温锻造，得到合金钢粗品；
S3、将步骤S2所得的合金钢粗品经过热处理之后，依次进行初热轧和精细热轧操作，得到高强度高韧性合金钢成品；
S4、将步骤S3所得的高强度高韧性合金钢成品经过退火热处理之后，冷却至室温，通过检验、包装入库。
进一步地，所述步骤S1中冶炼温度加热到380℃，然后以≤100℃/h的速度升温至830～900℃，熔炼时间为2～4小时，然后以≤50℃/h的速度降温至100℃～150℃，然后空气冷却至室温。
进一步地，所述步骤S2中退火以≤50℃/h的速度降温至100℃～150℃，然后空气冷却至室温，退火时间1小时。
进一步地，所述步骤S2中锻造温度先加热升温至640℃～660℃，保持此温度1～2h，然后升温至900℃～980℃并保持此温度0.75～1h，然后升温至1066℃～1450℃。
进一步地，所述步骤S3中初热轧温度为1150℃～1800℃，时间为1～2h，精细热轧温度为800℃～900℃，时间为0.5～1h。
进一步地，所述步骤S4退火热处理温度为500～650℃。
高强度高韧性合金钢中各重量百分比的化学成分作用：
碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳含量超过0.23%时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。
硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。
锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。
磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。
硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。
铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。
镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。
钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于淬火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。
钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。
钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。
钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。
铌(Nb)：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。
钴(Co)：钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。
铜(Cu)：武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。
铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。
硼(B)：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。
氮(N):氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。
本发明通过该方法制得的合金钢不仅具有高强度，而且还具有优异的韧性，钢板沿板厚方向上的微观组织和力学性能均匀的抗拉强度为700MPa级的高强度高韧性合金钢，钢的成分设计简单，与传统调质高强度钢相比，钢的碳含量极低，因而其组织均匀性和力学均匀性较好，钢板的韧性、耐候性能优异。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明包括由以下重量份的原料制备而成：由以下重量百分比的化学成分制备而成：
碳0.3～0.58%、硅0.25～1.38%、锰0.55～1.55%、磷≤0.025%、硫0.02～0.025%、铬0.09～1.32%、镍0.28～0.62%、钼0.02～0.035%、钛0.18～0.20%、钒0.2～0.5%、钨0.4～0.9%、铌0.3～0.6%、钴0.11～0.15%、铜0.2～0.8%、铝≤0.2%、硼≤0.15%、氮≤0.3%和不可避免的杂质。
包括如下步骤：
S1:称取化学成分为碳0.3～0.58%、硅0.25～1.38%、锰0.55～1.55%、磷≤0.025%、硫0.02～0.025%、铬0.09～1.32%、镍0.28～0.62%、钼0.02～0.035%、钛0.18～0.20%、钒0.2～0.5%、钨0.4～0.9%、铌0.3～0.6%、钴0.11～0.15%、铜0.2～0.8%、铝≤0.2%、硼≤0.15%、氮≤0.3%和不可避免的杂质,进行混合投入冶炼炉中进行冶炼，得到合金钢坯料；
S2:将步骤S1中得到的合金钢坯料经过退火之后，放置锻造机上进行高温锻造，得到合金钢粗品；
S3、将步骤S2所得的合金钢粗品经过热处理之后，依次进行初热轧和精细热轧操作，得到高强度高韧性合金钢成品；
S4、将步骤S3所得的高强度高韧性合金钢成品经过退火热处理之后，冷却至室温，通过检验、包装入库。
所述步骤S1中冶炼温度加热到380℃，然后以≤100℃/h的速度升温至830～900℃，熔炼时间为2～4小时，然后以≤50℃/h的速度降温至100℃～150℃，然后空气冷却至室温。
所述步骤S2中退火以≤50℃/h的速度降温至100℃～150℃，然后空气冷却至室温，退火时间1小时。
所述步骤S2中锻造温度先加热升温至640℃～660℃，保持此温度1～2h，然后升温至900℃～980℃并保持此温度0.75～1h，然后升温至1066℃～1450℃。
所述步骤S3中初热轧温度为1150℃～1800℃，时间为1～2h，精细热轧温度为800℃～900℃，时间为0.5～1h。
所述步骤S4退火热处理温度为500～650℃。
实施例1：
S1:称取化学成分为碳0.3%、硅0.25%、锰0.55%、磷≤0.025%、硫0.02%、铬0.09%、镍0.28%、钼0.02%、钛0.18%、钒0.2%、钨0.4%、铌0.3%、钴0.11%、铜0.2%、铝≤0.2%、硼≤0.15%、氮≤0.3%和不可避免的杂质,进行混合投入冶炼炉中进行冶炼，得到合金钢坯料；
S2:将步骤S1中得到的合金钢坯料经过退火之后，放置锻造机上进行高温锻造，得到合金钢粗品；
S3、将步骤S2所得的合金钢粗品经过热处理之后，依次进行初热轧和精细热轧操作，得到高强度高韧性合金钢成品；
S4、将步骤S3所得的高强度高韧性合金钢成品经过退火热处理之后，冷却至室温，通过检验、包装入库。
所述步骤S1中冶炼温度加热到380℃，然后以≤100℃/h的速度升温至830℃，熔炼时间为2小时，然后以≤50℃/h的速度降温至100℃℃，然后空气冷却至室温。
所述步骤S2中退火以≤50℃/h的速度降温至100℃℃，然后空气冷却至室温，退火时间1小时。
所述步骤S2中锻造温度先加热升温至640℃℃，保持此温度1h，然后升温至900℃℃并保持此温度0.75h，然后升温至1066℃℃。
所述步骤S3中初热轧温度为1150℃℃，时间为1h，精细热轧温度为800℃℃，时间为0.5h。
所述步骤S4退火热处理温度为500℃。
实施例2：
S1:称取化学成分为碳0.58%、硅1.38%、锰1.55%、磷≤0.025%、硫0.025%、铬1.32%、镍0.62%、钼0.035%、钛0.20%、钒0.5%、钨0.9%、铌0.3～0.6%、钴0.15%、铜0.8%、铝≤0.2%、硼≤0.15%、氮≤0.3%和不可避免的杂质,进行混合投入冶炼炉中进行冶炼，得到合金钢坯料；
S2:将步骤S1中得到的合金钢坯料经过退火之后，放置锻造机上进行高温锻造，得到合金钢粗品；
S3、将步骤S2所得的合金钢粗品经过热处理之后，依次进行初热轧和精细热轧操作，得到高强度高韧性合金钢成品；
S4、将步骤S3所得的高强度高韧性合金钢成品经过退火热处理之后，冷却至室温，通过检验、包装入库。
所述步骤S1中冶炼温度加热到380℃，然后以≤100℃/h的速度升温至900℃，熔炼时间为4小时，然后以≤50℃/h的速度降温至150℃，然后空气冷却至室温。
所述步骤S2中退火以≤50℃/h的速度降温至150℃，然后空气冷却至室温，退火时间1小时。
所述步骤S2中锻造温度先加热升温至660℃，保持此温度2h，然后升温至980℃并保持此温度1h，然后升温至1450℃。
所述步骤S3中初热轧温度为1800℃，时间为2h，精细热轧温度为900℃，时间为1h。
所述步骤S4退火热处理温度为650℃。
实施例3：
S1:称取化学成分为碳0.4%、硅0.28%、锰0.65%、磷≤0.025%、硫0.025%、铬0.8%、镍0.62%、钼0.03%、钛0.19%、钒0.3%、钨0.6%、铌0.6%、钴0.14%、铜0.5%、铝≤0.2%、硼≤0.15%、氮≤0.3%和不可避免的杂质,进行混合投入冶炼炉中进行冶炼，得到合金钢坯料；
S2:将步骤S1中得到的合金钢坯料经过退火之后，放置锻造机上进行高温锻造，得到合金钢粗品；
S3、将步骤S2所得的合金钢粗品经过热处理之后，依次进行初热轧和精细热轧操作，得到高强度高韧性合金钢成品；
S4、将步骤S3所得的高强度高韧性合金钢成品经过退火热处理之后，冷却至室温，通过检验、包装入库。
所述步骤S1中冶炼温度加热到380℃，然后以≤100℃/h的速度升温至830℃，熔炼时间为3小时，然后以≤50℃/h的速度降温至150℃，然后空气冷却至室温。
所述步骤S2中退火以≤50℃/h的速度降温至100℃℃，然后空气冷却至室温，退火时间1小时。
所述步骤S2中锻造温度先加热升温至660℃，保持此温度1.5h，然后升温至900℃℃并保持此温度0.9h，然后升温至1450℃。
所述步骤S3中初热轧温度为1150℃℃，时间为1h，精细热轧温度为900℃，时间为0.5h。
所述步骤S4退火热处理温度为650℃。
本发明通过该方法制得的合金钢不仅具有高强度，而且还具有优异的韧性，钢板沿板厚方向上的微观组织和力学性能均匀的抗拉强度为700MPa级的高强度高韧性合金钢，钢的成分设计简单，与传统调质高强度钢相比，钢的碳含量极低，因而其组织均匀性和力学均匀性较好，钢板的韧性、耐候性能优异。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高强度高韧性合金钢的制造方法，其特征在于，包括由以下重量百分比的化学成分制备而成：
碳0.3～0.58%、硅0.25～1.38%、锰0.55～1.55%、磷≤0.025%、硫0.02～0.025%、铬0.09～1.32%、镍0.28～0.62%、钼0.02～0.035%、钛0.18～0.20%、钒0.2～0.5%、钨0.4～0.9%、铌0.3～0.6%、钴0.11～0.15%、铜0.2～0.8%、铝≤0.2%、硼≤0.15%、氮≤0.3%和不可避免的杂质。
2.一种高强度高韧性合金钢的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:称取化学成分为碳0.3～0.58%、硅0.25～1.38%、锰0.55～1.55%、磷≤0.025%、硫0.02～0.025%、铬0.09～1.32%、镍0.28～0.62%、钼0.02～0.035%、钛0.18～0.20%、钒0.2～0.5%、钨0.4～0.9%、铌0.3～0.6%、钴0.11～0.15%、铜0.2～0.8%、铝≤0.2%、硼≤0.15%、氮≤0.3%和不可避免的杂质,进行混合投入冶炼炉中进行冶炼，得到合金钢坯料；
S2:将步骤S1中得到的合金钢坯料经过退火之后，放置锻造机上进行高温锻造，得到合金钢粗品；
S3、将步骤S2所得的合金钢粗品经过热处理之后，依次进行初热轧和精细热轧操作，得到高强度高韧性合金钢成品；
S4、将步骤S3所得的高强度高韧性合金钢成品经过退火热处理之后，冷却至室温，通过检验、包装入库。
3.根据权利要求2所述的一种高强度高韧性合金钢的制造方法，其特征在于，所述步骤S1中冶炼温度加热到380℃，然后以≤100℃/h的速度升温至830～900℃，熔炼时间为2～4小时，然后以≤50℃/h的速度降温至100℃～150℃，然后空气冷却至室温。
4.根据权利要求2所述的一种高强度高韧性合金钢的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中退火以≤50℃/h的速度降温至100℃～150℃，然后空气冷却至室温，退火时间1小时。
5.根据权利要求2所述的一种高强度高韧性合金钢的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中锻造温度先加热升温至640℃～660℃，保持此温度1～2h，然后升温至900℃～980℃并保持此温度0.75～1h，然后升温至1066℃～1450℃。
6.根据权利要求2所述的一种高强度高韧性合金钢的制造方法，其特征在于，所述步骤S3中初热轧温度为1150℃～1800℃，时间为1～2h，精细热轧温度为800℃～900℃，时间为0.5～1h。
7.根据权利要求2所述的一种高强度高韧性合金钢的制造方法，其特征在于，所述步骤S4退火热处理温度为500～650℃。
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