CN105950997A - 一种高韧性高强度厚钢板及其生产方法 - Google Patents

一种高韧性高强度厚钢板及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高韧性高强度厚钢板及其生产方法，钢板的化学组成以重量百分比计包括：C：0.20～0.24％、Si：0.25～0.36％、Mn：0.50～0.75％、Cr：1.00～1.20％、Ni：1.65～2.4％、Mo：0.28～0.42％、Nb：0.006～0.018％、Ti：0.005～0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明采用不含B成分体系，对Mn、Ni、Cr、Mo合金元素进行合理设计，满足Mn+Cr＜Ni，3.8％＜Si+Mn+Cr+Ni+Mo＜5％，通过淬火+亚温淬火+回火工艺，制得的钢板厚度≥80mm，屈服强度Rp0.2≥1200MPa，抗拉强度Rm≥1450MPa，断后伸长率≥12％，屈强比≤0.85，‑40℃冲击功≥65J，整个厚度方向组织性能均匀，硬度波动较小，截面布氏硬度值波动幅度在10HB以内。可广泛用于各类重型工程机械、矿山机械、煤矿机械、大型建筑、桥梁、水电、海洋平台等高强高韧特厚钢板应用领域。

Description

一种高韧性高强度厚钢板及其生产方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种高韧性高强度厚钢板及其生产方法。
背景技术
随着我国重型装备大型化、建筑结构高层化、铁路桥梁大跨度化，核电、军工、船舶、海工、能源、交通、建筑、机械制造等行业得到了快速发展。钢结构不断向着大型化、高强化、轻量化发展，一些结构件的约束力越来越大，普通强度级别、韧性级别、厚度规格的钢板已不能满足钢结构的设计需求，对高强度(≥690MPa)、大厚度(≥80mm)钢板的需求越来越大。如矿山用的特大重型挖掘机，钢板强度最高达800MPa，厚度最大达250mm；深海采油平台用的齿条钢，厚度达220mm，强度达690MPa；水电站发电机组用钢，强度最高达800MPa，最大厚度达300mm。上述装备的结构件用钢不但实现了强度和厚度的提高，同时还要求钢板具有良好的低温韧性、厚度方向均匀性等性能。
目前，有不少高强钢的专利，如专利CN104513936A、CN104561827A，分别介绍了一种屈服强度1100MPa和900～1000MPa高强钢及其生产方法，该两个专利均采用含B、V成分体系，分别通过离线淬火+回火和在线淬火+回火工艺生产，其屈服强度较低，板厚较薄，且均为卷板；如专利CN102181788A，介绍了一种屈服强度1100～1200MPa级超高强钢，采用含V成分体系，通过离线淬火+回火工艺生产，其强度较低，板厚较薄，为卷板；如专利CN103194684A，介绍了一种耐磨钢板，该专利采用含B、Ti成分体系，通过在线淬火+回火工艺生产，抗拉强度大于1200MPa，-40℃冲击功大于50J，钢板厚度最厚仅为50mm；如专利CN102828126A，介绍了一种屈服强度1200MPa级高强韧厚板，该专利采用低碳高Mn含B、V成分体系，通过直接淬火工艺生产，屈服强度达1200MPa，但其可生产的厚度范围仅为12～50mm，规格较薄；如专利CN103194676A，介绍了一种1000MPa超级铁素体钢，该专利采用高Ti成分体系，通过热轧工艺生产，强度较低，且其为卷板，规格较薄。
上述介绍的诸多专利中，从成分上看，专利CN104513936A、CN104561827A、CN102181788A、CN103194684A、CN102828126A、CN103194676A等基本上采用含B或B+V或B+高Ti成分体系，B易在晶界偏聚，V、Ti易形成大尺寸析出相，对韧性不利，尤其在超高速冲击载荷作用下，易在析出硬质点上产生裂纹，从而导致断裂；从工艺上看，专利CN102134680A、CN102560274A、CN102691010B、CN104046908A等基本上都是采用离线淬火+回火、在线淬火+回火、在线淬火等，组织为全马氏体组织，组织中无软相存在；从厚度规格上来看，现有发明基本都是卷板，少量为厚板，且其厚度最大仅为50mm(专利CN102828126A)；从性能上看，现有发明钢板的屈服强度普遍不足1200MPa，强度较低，同时，随着强度增加其冲击韧性均较差。从强化方式来看，现有高强钢发明专利普遍采用固溶强化+相变强化+析出强化等复合强化的方式，即钢中含有V等析出强化元素，而析出相在超高速冲击载荷下易成为裂纹源。
高强钢板随着强度的提高，其韧性将会恶化；同时，随着厚度的增加，其强度和韧性均会不同程度降低，且会出现厚度方向组织性能不均的现象。因此，现有钢板的生产技术均很难达到同时拥有超高强(屈服强度≥1200MPa)、高韧性(-40℃冲击功≥65J)和大厚度(厚度≥80mm)。
发明内容
针对现有技术存在的诸多问题，本发明的目的在于提出一种高韧性高强度厚钢板及其生产方法，该发明采用不含B成分体系，对Mn、Ni、Cr、Mo合金成分的合理设计，通过淬火+亚温淬火+回火工艺，利用固溶强化、相变强化，制得的钢板厚度≥80mm，屈服强度Rp0.2≥1200MPa，抗拉强度Rm≥1450MPa。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种高韧性高强度厚钢板，化学成分以重量百分比计包括：C：0.20～0.24％、Si：0.25～0.36％、Mn：0.50～0.75％、Cr：1.00～1.20％、Ni：1.65～2.4％、Mo：0.28～0.42％、Nb：0.006～0.018％、Ti：0.005～0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质，同时需满足Mn+Cr＜Ni，3.8％＜Si+Mn+Cr+Ni+Mo＜5％。
以下对本发明的高强度厚钢板中所含组分的作用及其用量的选择具体分析说明：
C：C对钢板的强度和韧性有着重要的作用。当C含量较高时，对韧性不利，当C含量较低时，对强度不利。本发明中，综合考虑钢板的强韧性匹配，C含量选择在0.20～0.24％。
Si：Si可提高钢的强度并起到脱氧的作用，在本发明中主要是脱氧，同时Si可显著的减慢马氏体在低温回火时的分解速度。本发明中，Si的含量控制在0.25～0.36％。
Mn：Mn是不能降低奥氏体晶粒长大倾向的元素，易引起粗晶，同时增强回火脆性，易形成带状和纤维组织。本发明中，Mn的含量控制得很低，为0.50～0.75％。
Cr：Cr在钢中的主要作用是提高淬透性，降低淬火时的临界冷却速度。Cr增加钢的回火脆性倾向，提高钢的韧脆转变温度。Cr是中等碳化物形成元素，在各种碳化物中，Cr碳化物是最细小的一种，可均匀的分布在钢中，使组织细化又均匀分布，提高钢的塑性韧性。本发明中，Cr的含量控制在1.00～1.20％。
Ni：Ni的晶格常数与γ-Fe相近，可形成连续固溶体，有利于提高钢的淬透性。Ni可阻止高温时晶粒的长大，保持细晶粒组织。Ni既提高强度，又不降低韧性。Ni能显著改善淬火低温回火钢的韧性，随着Ni含量的增加，ak值不断提高，韧脆转变温度不断下降，但Ni元素较昂贵，因此钢中Ni的含量控制在1.65～2.4％。
Mo：Mo降低钢的马氏体相变临界冷却速度，提高钢的淬透性。Mo与杂质元素发生交互作用，抑制杂质元素向晶界偏聚，减弱回火脆性。与Cr、Mn等并存时，Mo可降低或抑止因其他元素所导致的回火脆性。Mo可细化晶粒，提高韧性。本发明中，Mo的含量控制在0.28～0.42％。
Nb、Ti：Nb可生成高度分散的碳化物，细化晶粒而提高钢的韧性，本发明主要是利用其来细化晶粒。Ti在钢中可起析出强化和固N的作用，本发明主要是利用Ti的固N作用。考虑到析出物会影响钢在高速冲击载荷下的断裂韧性，因此，钢中Nb和Ti的含量控制得非常少，分别为Nb 0.006～0.018％、Ti0.005～0.015％。
Si、Mn是除P外在钢中固溶强化作用最大的元素，Ni次之，Mo、Cr的强化作用较小，Cr，Mn的含量小于1％时，塑性有所增加，Ni在小于5％范围内均使塑性增加，超过以上含量则钢的ak值有不同程度的降低，其中Mn使ak值急剧降低，Cr使ak值下降较慢，而Ni使ak值下降得最慢。Ni既提高强度，又不降低韧性。因此，钢中合金元素含量Mn＜Cr＜Ni。
Cr与Mo结合，能使淬火钢中残余奥氏体增加，Cr与Ni结合，能大大提高钢的强度和塑性，Mo与Cr、Ni结合可大大提高淬透性。
所述高韧性高强度厚钢板的生产方法包括以下步骤：
(1)按上述的化学成分，冶炼、浇铸、轧制成钢板；
(2)热处理采用淬火+亚温淬火+回火工艺，淬火温度为Ac3+60℃～Ac3+100℃，亚温淬火温度为Ac3-40℃～Ac3-5℃；回火温度为170～310℃。
以下对热处理工艺进行详细说明：
淬火工艺：钢中合金元素Si+Mn+Cr+Ni+Mo含量较高，为3.8％～5％，淬火温度选取Ac3+60℃～Ac3+100℃，一方面确保Si+Mn+Cr+Ni+Mo元素充分固溶，另一方面在此温度范围内，Nb和Ti的碳化物部分析出可阻止奥氏体晶粒长大，淬火后得到均匀细小的马氏体前驱组织，为后续亚温淬火做准备。亚温淬火工艺：亚温淬火是为了在马氏体组织中引入铁素体软相，通过控制亚温淬火温度为Ac3-40℃～Ac3-5℃，使得软相的量为1％～6％，利用马氏体板条来限制铁素体的形态，使之为短针状；同时，亚温淬火可将P等杂质元素溶入残留的铁素体中，减轻P等杂质元素在原奥氏体晶界上的偏聚，减小回火脆性倾向。回火工艺：在亚温淬火过程中，奥氏体向马氏体转变，体积膨胀，钢板中会存在较大的组织应力，通过170～310℃的低温回火，可消除。
进一步，所述生产方法制得的钢板的组织为回火马氏体+针状铁素体。
进一步，所述生产方法制得的钢板厚度≥80mm，屈服强度Rp0.2≥1200MPa，抗拉强度Rm≥1450MPa，断后伸长率≥12％，屈强比≤0.85，-40℃冲击功≥65J，整个厚度方向组织性能均匀，硬度波动较小，截面布氏硬度值波动幅度在10HB以内。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、采用不含B、V成分体系，对Mn、Ni、Cr、Mo合金成分的合理设计，利用固溶强化、相变强化机制，制得的钢板厚度≥80mm，屈服强度Rp0.2≥1200MPa，抗拉强度Rm≥1450MPa，断后伸长率≥12％。该发明制得的钢板厚度大，强度超高，塑性优良。
2、本发明采用淬火+亚温淬火+回火工艺生产，在钢中引入铁素体相来提高韧性和降低屈强比，制得的钢板屈强比≤0.85，-40℃冲击功≥65J。
3、通过本发明的成分和工艺制得的钢板，其组织为回火马氏体+针状铁素体，整个厚度方向组织性能均匀，硬度波动较小，截面布氏硬度值波动幅度在10HB以内。
附图说明
图1为实施例1中钢板纵截面1/4处的显微组织照片；
图2为对比实施例1中钢板纵截面1/4处的显微组织照片；
图3为实施例2中钢板纵截面1/4处的显微组织照片；
图4为对比实施例2中钢板纵截面1/4处的显微组织照片；
图5为实施例3中钢板纵截面1/4处的显微组织照片；
图6为对比实施例3中钢板纵截面1/4处的显微组织照片；
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，但不限于此。
实施例1
钢板由以下组分组成(wt％)：C：0.22％、Si：0.31％、Mn：0.62％、Cr：1.01％、Ni：1.99％、Mo：0.38％、Nb：0.014％、Ti：0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质。Mn＜Cr＜Ni，Mn+Cr(1.63％)＜Ni(1.99％)，3.8％＜Si+Mn+Cr+Ni+Mo(4.31％)＜5％。
(1)按照上述的化学成分重量百分比冶炼、浇铸、轧制成钢板，钢板厚80mm；
(2)在热处理工序中，淬火温度为Ac3+60℃～Ac3+100℃，其中Ac3＝910-203×C1/2-15.2×Ni+44.7×Si+104×V+31.5×Mo+13.1×W＝810℃，即淬火温度为870～910℃，选取为900℃；亚温淬火温度为Ac3-40℃～Ac3-5℃，即为770～805℃，选取为800℃；回火温度为220℃。得到钢板的力学性能见表1，钢板纵截面1/4处的显微组织照片如图1所示。
对比实施例1
钢板由以下组分组成(wt％)：C：0.22％、Si：0.31％、Mn：0.62％、Cr：1.01％、Ni：1.99％、Mo：0.38％、Nb：0.014％、Ti：0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质。Mn＜Cr＜Ni，Mn+Cr(1.63％)＜Ni(1.99％)，3.8％＜Si+Mn+Cr+Ni+Mo(4.31％)＜5％。
(1)按照上述的化学成分重量百分比冶炼、浇铸、轧制成钢板，钢板厚80mm；
(2)在热处理工序中，淬火温度选取为900℃；亚温淬火温度选取在Ac3-40℃～Ac3-5℃范围之外，即在770～805℃之外，选取为760℃；回火温度为220℃。得到钢板的力学性能见表1。
实施例2
钢板由以下组分组成(wt％)：C：0.21％、Si：0.29％、Mn：0.59％、Cr：1.17％、Ni：2.21％、Mo：0.40％、Nb：0.013％、Ti：0.011％，其余为Fe和不可避免的杂质。Mn＜Cr＜Ni，Mn+Cr(1.76％)＜Ni(2.21％)，3.8％＜Si+Mn+Cr+Ni+Mo(4.66％)＜5％。
(1)按照上述的化学成分重量百分比冶炼、浇铸、轧制成钢板，钢板厚80mm；
(2)在热处理工序中，淬火温度为Ac3+60℃～Ac3+100℃，其中Ac3＝910-203×C1/2-15.2×Ni+44.7×Si+104×V+31.5×Mo+13.1×W＝808℃，即淬火温度为868～908℃，选取为900℃；亚温淬火温度为Ac3-40℃～Ac3-5℃，即为760～803℃，选取为800℃；回火温度为250℃。得到钢板的力学性能见表1。
对比实施例2
钢板由以下组分组成(wt％)：C：0.21％、Si：0.29％、Mn：0.59％、Cr：1.17％、Ni：2.21％、Mo：0.40％、Nb：0.013％、Ti：0.011％，其余为Fe和不可避免的杂质。Mn＜Cr＜Ni，Mn+Cr(1.76％)＜Ni(2.21％)，3.8％＜Si+Mn+Cr+Ni+Mo(4.66％)＜5％。
(1)按照上述的化学成分重量百分比冶炼、浇铸、轧制成钢板，钢板厚80mm；
(2)在热处理工序中，淬火温度选取为900℃；回火温度为250℃。得到钢板的力学性能见表1。
实施例3
钢板由以下组分组成(wt％)：C：0.23％、Si：0.27％、Mn：0.65％、Cr：1.11％、Ni：1.81％、Mo：0.30％、Nb：0.010％、Ti：0.009％，其余为Fe和不可避免的杂质。Mn＜Cr＜Ni，Mn+Cr(1.76％)＜Ni(1.81％)，3.8％＜Si+Mn+Cr+Ni+Mo(4.14％)＜5％。
(1)按照上述的化学成分重量百分比冶炼、浇铸、轧制成钢板，钢板厚80mm；
(2)在热处理工序中，淬火温度为Ac3+60℃～Ac3+100℃，其中Ac3＝910-203×C1/2-15.2×Ni+44.7×Si+104×V+31.5×Mo+13.1×W＝808℃，即淬火温度为868～908℃，选取为900℃；亚温淬火温度为Ac3-40℃～Ac3-5℃，即为760～803℃，选取为800℃；回火温度为280℃。得到钢板的力学性能见表1。
对比实施例3
钢板由以下组分组成(wt％)：C：0.23％、Si：0.27％、Mn：0.65％、Cr：1.11％、Ni：1.81％、Mo：0.30％、Nb：0.010％、Ti：0.009％，其余为Fe和不可避免的杂质。Mn＜Cr＜Ni，Mn+Cr(1.76％)＜Ni(1.81％)，3.8％＜Si+Mn+Cr+Ni+Mo(4.14％)＜5％。
(1)按照上述的化学成分重量百分比冶炼、浇铸、轧制成钢板，钢板厚80mm；
(2)在热处理工序中，淬火温度选取为900℃；回火温度为280℃。得到钢板的力学性能见表1。
表1本发明实施例涉及的高韧性超高强度特厚钢板力学性能
注：拉伸试样采用标距为φ8×40mm的棒状试样，取样位置为横向取样，板厚1/4处；夏比冲击试样尺寸为10×10×55mm，取样位置为纵向取样，板厚1/4处；HBW为钢板纵截面硬度，测试位置分别为板厚1/8、1/4、1/2处，合金钢球直径10mm，试验力3000kgf，试验力保持时间10s。
可见，通过本发明成分和工艺制得的钢板，其性能同时达到超高强(屈服强度≥1200MPa)、高韧性(-40℃冲击功≥65J)和大厚度(厚度≥80mm)，即屈服强度Rp0.2≥1200MPa，抗拉强度Rm≥1450MPa，断后伸长率≥12％，屈强比≤0.85，-40℃冲击功≥65J，整个厚度方向组织性能均匀，硬度波动较小，截面布氏硬度值波动幅度在10HB以内。而成分工艺参数不在本发明范围内制得的钢板，其强度或冲击较低、或屈强比较高、或硬度波动幅度较大，达不到本发明的要求。

Claims (4)

1.一种高韧性高强度厚钢板，其特征在于，所述的钢板化学成分以重量百分比计包括：C：0.20～0.24％、Si：0.25～0.36％、Mn：0.50～0.75％、Cr：1.00～1.20％、Ni：1.65～2.4％、Mo：0.28～0.42％、Nb：0.006～0.018％、Ti：0.005～0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质，同时需满足Mn+Cr＜Ni，3.8％＜Si+Mn+Cr+Ni+Mo＜5％。
2.一种高韧性高强度厚钢板的生产方法，其特征在于，所述钢板的生产方法包括以下步骤：
(1)按照权利要求1所述的化学成分，采用高炉→铁水喷粉脱硫→顶底复吹转炉→LF钢包精炼→RH真空脱气→钙处理→氩气软搅拌→板坯连铸的工艺连铸成320mm的坯料，之后在5m宽厚板轧机上轧制成钢板；
(2)热处理采用淬火+亚温淬火+回火工艺，淬火温度为Ac3+60℃～Ac3+100℃，亚温淬火温度为Ac3-40℃～Ac3-5℃；回火温度为170～310℃。
3.根据权利要求2所述的高韧性高强度厚钢板的生产方法，其特征在于，所述生产方法制得的钢板的组织为回火马氏体+针状铁素体。
4.根据权利要求2或3所述的高韧性超高强度厚钢板的生产方法，其特征在于，所述生产方法制得的钢板的厚度≥80mm，屈服强度Rp0.2≥1200MPa，抗拉强度Rm≥1450MPa，断后伸长率≥12％，屈强比≤0.85，-40℃冲击功≥65J，整个厚度方向截面布氏硬度值波动幅度在10HB以内。
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