CN106086657B - 一种屈服强度大于1300MPa的超高强度结构钢板及其制备方法 - Google Patents

一种屈服强度大于1300MPa的超高强度结构钢板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种屈服强度大于1300MPa的超高强度结构钢板，所述钢板的成分包括按质量百分比计的以下组分：C：0.18‑0.23％、Si：0.05‑0.25％、Mn：0.60‑1.00％、P≤0.013％、S≤0.003％、Nb：0.010‑0.060％、V：0.010‑0.060％、Mo：0.20‑0.70％、B：0.0008‑0.0025％，Ti：0.000‑0.015％、Cr：0.00‑0.70％、Ni：0.51‑2.00％。本发明还提供了所述钢材制备的钢板，所述钢板中马氏体的含量大于90％，优选地，所述钢板的屈服强度大于1300MPa，抗拉强度大于1500MPa，延伸率大于10.0％，‑40℃冲击功大于40J。本发明还提供了所述钢板的制备工艺。本发明的钢板具有高强度、高韧塑性、良好的成型性和焊接性等特点，适用于大型起重机吊臂、混凝土泵车臂架、港口龙门吊、军用坦克等装备关键结构件制造。

Description

一种屈服强度大于1300MPa的超高强度结构钢板及其制备 方法
技术领域
本发明涉及超高强钢领域，具体而言，涉及一种屈服强度大于1300MPa的超高强度结构钢板及其制备方法。
背景技术
超高强度结构用钢板被广泛工程机械、港口机械、矿山机械和军工产品等装备的制造，如超大型起重机、混凝土输送泵车、军用坦克等关键装备零部件，该类钢板不但要求具有极高的强度，还要求良好的韧塑性、焊接性能和抗疲劳性能。
随着我国机械制造工业的飞速发展，工程结构日益向大型化、轻量化和长寿化，高强度结构钢应用越来越广泛，受到了科技界和工程界的高度重视，对钢材的强度及高强度条件下的韧性要求越来越高。由于该类钢材的强度极高，韧塑性尤其难以保证；同时，该类钢板制造的结构件大部分以焊接的方式连接，且需要承受复杂多变的周期载荷，因此该类钢材还要求具良好的焊接性能、较高疲劳极限和一定的冷成形性。机械制造工业为了提高效率，减轻自重，减少能耗的需要，屈服强度1000MPa的高强度钢板已不能满足需求，研制与开发屈服强度1300MPa高级别的结构用钢板对于相关装备的减重及提高使用寿命、降低原材料消耗等均具有重要意义。
目前，已有不少关于高强度钢的专利报道，但大部分均是作为非结构件使用，无需同时保证超高的强硬度、良好的韧塑性和优异的焊接性能。作为结构件使用时，已有专利的屈服强度均在1100MPa级及以下级别。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种钢材，所述钢材的成分中合金元素Mn、Cr、Ni、Mo的加入量严格控制，可以在保证超高强度和良好韧塑性的同时，满足良好焊接性能的要求。
本发明的第二目的在于提供使用所述钢材制备的钢板，所述钢板的屈服强度高，同时具有良好的人塑性和优异的焊接性能，可以作为结构件使用。
本发明的第三目的在于提供所述钢板的制备工艺，所述工艺采用特殊的工序，严格控制条件，可以将刚才加工制成超高强度的结构用钢板。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明的一个方面涉及一种钢材，所述钢的成分包括按重量百分比计的以下组分：C：0.18-0.23％、Si：0.05-0.25％、Mn：0.60-1.00％、P≤0.013％、S≤0.003％、Nb：0.010-0.060％、V：0.010-0.060％、Mo 0.20-0.70％、B：0.0008-0.0025％，Ti：0.000-0.015％、Cr：0.00-0.70％、Ni：0.51-2.00％。
本发明的主要化学成分的选择和控制理由如下：
碳：钢板获得高的强度和硬度的关键元素。对于要获得组织为90％及以上马氏体组织的钢板而言，碳是最重要的元素，碳元素可以显著提高钢板的淬透性。但由于碳元素的增加，会降低钢板的塑性和焊接性能。本发明通过控制碳元素含量为0.18-0.23％，既保证获得超高的强度，又使得钢板具备良好的韧塑性和焊接性能。
硅：钢中加入硅元素能够提高钢质纯净度和脱氧。硅在钢中起固溶强化作用，其在奥氏体中的溶解度较大，提高硅含量有利于提高钢的强度和硬度，且能提高奥氏体的稳定性。但硅元素含量过高会导致钢的韧性下降，且高硅含量的钢板加热时的氧化皮粘度较大，出炉后除鳞困难，导致轧后钢板表面红色氧化皮严重、表面质量较差。综合考虑硅元素各方面的影响，本发明硅元素的含量为0.05-0.25％。
锰：锰元素能够扩到奥氏体区，稳定奥氏体组织，其能力仅次于合金元素镍，是廉价的稳定奥氏体和强化合金元素，同时锰元素能够增加钢的淬透性，降低马氏体形成的临界冷速。然而，当锰元素添加量过多时，极易与钢中的硫元素相结合形成硫化锰夹杂，从而降低了材料的韧塑性，尤其是降低了抗疲劳性能。本发明中锰元素的含量应控制在0.60-1.00％。锰在钢中还和铝一起共同起到脱氧的作用。
硫和磷：硫在钢中与锰等化合形成塑性夹杂物硫化锰，尤其对钢的抗疲劳性能及横向塑性和韧性不利，因此硫的含量应尽可能地低。磷也是钢中的有害元素，严重损害钢板的塑性和韧性。对于本发明而言，硫和磷均是不可避免的杂质元素，应该越低越好，考虑到钢厂实际的炼钢水平，本发明要求P≤0.013％、S≤0.003％。
镍：稳定奥氏体的元素，对提高强度没有明显的作用。在调质钢中加入镍元素能够大幅提高钢的韧性尤其是低温韧性，但由于镍属于贵重合金元素，所以本发明可添加不超过2.00％的镍元素。
钼：钼元素能显著地细化晶粒，提高强度和韧性。钼元素能减少钢的回火脆性，同时回火时还能析出非常细小的碳化物，显著强化钢的基体。由于钼元素是非常昂贵的战略合金元素，所以本发明中可添加不超过0.70％的钼。
硼：淬透性元素，对提高钢板淬透性尤其是厚规格钢板的淬透性有着重要作用。钢中添加少量的硼元素即可起到较大的增加钢板的淬透性，且硼元素资源富有，价格便宜，添加少量的硼可以显著的节省锰、镍、铬、钼等贵重的合金元素添加，但过多的硼元素会增加晶界的偏聚，从而降低钢铁材料的韧塑性。在本发明中，硼元素的含量为：0.0008-0.0025％，既可以保证良好的淬透性，还可以避免在晶界周围偏聚影响韧塑性能。
优选地，所述钢板的成分包括按重量百分比计的以下组分：C：0.19-0.22％、Si：0.10-0.20％、Mn：0.60-0.90％、P≤0.010％、S≤0.002％、Nb：0.010-0.060％、V：0.010-0.060％、Mo 0.20-0.70％、B：0.0008-0.0025％，Ti：0.000-0.015％、Cr：0.00-0.45％、Ni：0.70-1.40％。
本发明的另一个方面涉及使用所述钢材制备的钢板，所述钢板中马氏体的含量大于90％，优选地，所述钢板的屈服强度大于1300MPa，抗拉强度大于1500MPa，延伸率大于10.0％，-40℃冲击功≥40J。
本发明的钢材制造的钢板，在具有超高屈服强度的同时具有良好的韧塑性和焊接性能，优选地，所述钢板的屈服强度大于1380MPa
本发明的另一个方面涉及所述钢板的制备工艺，所述工艺包括以下工序：
1)按元素比例取原料进行洁净钢冶炼，对钢水进行连铸或模铸得到钢坯或钢锭；
2)加热，热轧；
3)冷却并进行热处理；
其中，所述步骤2)中的轧制为在奥氏体再结晶区和未再结晶区分别进行的两阶段轧制。
本发明的工艺条件明确、便于重现，在冶炼步骤中优选采用转炉吹炼和真空处理，其目的在于确保钢液的基本成分要求，去除钢中的氧、氮、氢等有害气体。
优选地，所述加热温度为1150-1230℃。
优选地，所述轧制的轧制道次大于三次，在所述奥氏体再结晶区的终轧温度为1000-1100℃，在所述奥氏体未再结晶区的轧制的终轧温度为800-950℃。
优选地，所述轧制在900℃以下的累积压下率大于60％。
优选地，所述步骤3)中的冷却为控制冷却，冷却速度要求为≥8℃/s，终冷温度≤100℃。
优选地，所述热处理为回火处理，回火温度为100-300℃。
优选地，所述冷却为空冷，冷却至室温后进行热处理，优选地，所述热处理是离线热处理，其中，所述离线热处理的淬火温度为810-950℃，回火温度为100-300℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明得到的超高强度结构用钢板屈服强度大于1300MPa，延伸率大于10.0％，-40℃冲击功大于40J，180°冷弯不开裂，具有超高的屈服强度和抗拉强度的同时，还具有优异韧塑性和成型性。
2.本发明中严格控制合金元素Mn、Cr、Ni、Mo的加入量，在保证超高强度和良好韧塑性的同时，满足了良好焊接性能的要求，并降低了生产成本。
3.本发明在工艺上采用控制冷却或离线热处理的方式生产，其中控冷或离线淬火时只需较小的冷速即可得到本发明需要的组织。
4.本发明得到的组织主要为马氏体组织，主要通过细化的板条马氏体组织的高硬度和良好的韧性来提高强度和保证良好的韧塑性。
本发明具有以上显著的优点，因此更适合工程机械、港口机械、矿山机械和军工产品等装备的制造，替代低级别的产品可以增加装备使用寿命、降低装备重量。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细阐述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用仪器或设备未注明生产商者，均为常规钢厂所拥有或可以通过市集购买获得的常规产品。
一种本发明所述的适用于屈服强度大于1300MPa的超高强度结构钢及其制造方法，连铸坯选择的厚度为150～400mm。
按本发明钢种的化学成分要求，并结合所述的制造工艺，以制造不同规格的超高强度钢板。具体的成分如下：
表1本发明各实施例的化学成分(wt％)
所冶炼的钢坯按所述的方法，采用控轧控冷或控轧空冷+离线热处理的方法进行超高强度钢板的生产，具体实施如下：
实施例1
将按表1配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度200mm，将钢坯加热至1210℃的炉温，保温180min后出炉进行奥氏体再结晶轧制和未再结晶区轧制，其中再结晶区终轧温度为1000℃，未再结晶区终轧温度为820℃，钢板的最终轧制厚度为16mm。轧后以约8℃/s的冷速冷却至室温，然后进行回火处理，回火温度为280℃。
实施例2
将按表1配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度220mm，将钢坯加热至1200℃的炉温，保温200min后出炉进行奥氏体再结晶轧制和未再结晶区轧制，其中再结晶区终轧温度为1100℃，未再结晶区终轧温度为800℃，钢板的最终轧制厚度为12mm。轧后以约25℃/s的冷速冷却至室温，然后进行回火处理，回火温度为220℃。
实施例3
将按表1配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度150mm，将钢坯加热至1180℃的炉温，保温180min后出炉进行奥氏体再结晶轧制和未再结晶区轧制，其中再结晶区终轧温度为1010℃，未再结晶区终轧温度为950℃，钢板的最终轧制厚度为8mm。轧后空冷至室温，然后进行离线热处理，其中，淬火温度为810℃，回火处理的回火温度为100℃。
实施例4
将按表1配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度150mm，将钢坯加热至1150℃的炉温，保温170min后出炉进行奥氏体再结晶轧制和未再结晶区轧制，其中再结晶区终轧温度为1020℃，未再结晶区终轧温度为810℃，钢板的最终轧制厚度为10mm，轧后空冷至室温，然后进行离线淬火处理，离线热处理时淬火温度为940℃，回火温度为230℃。
实施例5
将按表1配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸，连铸坯厚度150mm，将钢坯加热至1230℃的炉温，保温180min后出炉进行奥氏体再结晶轧制和未再结晶区轧制，其中再结晶区终轧温度为1000℃，未再结晶区终轧温度为808℃，钢板的最终轧制厚度为7mm，轧后空冷至室温，然后进行离线淬火处理，离线热处理时淬火温度为860℃，回火温度为210℃。
对实施例中的钢板的力学性能进行测试，其中强度按照GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法进行，低温冲击韧性按GB/T 229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法测定，硬度按照GB/T231.1-2009方法测定，得到的结果见表2所示。
表2本发明钢板的力学性能
由上表可以看出，本发明的得到的超高强度钢的力学性能为：屈服强度大于1300MPa，抗拉强度大于1500MPa，延伸率大于10.0％，-40℃冲击功大于40J。
可见本发明涉及的超高强度钢具有良好的力学性能和优异的成型性能。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (3)

1.一种钢板的制备工艺，其特征在于，所述钢板是屈服强度大于1300MPa级超高强度结构钢材制备的钢板，
所述钢材的成分包括按质量百分比计的以下组分：C：0.18%、Si：0.05-0.25%、Mn：0.60-1.00%、P≤0.013%、S≤0.003%、Nb：0.010-0.060%、V：0.010-0.060%、Mo：0.20-0.70%、B：0.0008-0.0025%，Ti：0.000-0.015%、Cr：0.00-0.70%、Ni：0.51-2.00%；所述钢板中马氏体组织的含量大于90%，所述钢板的屈服强度大于1300MPa，抗拉强度大于1500MPa，延伸率大于10.0%，-40℃冲击功≥40J；
所述工艺包括以下工序：
1）按元素比例取原料进行洁净钢冶炼，对钢水进行连铸或模铸得到钢坯或钢锭；
2）加热，热轧，其中，所述加热的温度为1150-1230℃，所述热轧为在奥氏体再结晶区和未再结晶区分别进行的两阶段轧制，所述轧制的轧制道次大于三道次，所述轧制在900℃以下的累积压下率大于60%，所述奥氏体再结晶区的终轧温度为1000-1100℃，在所述奥氏体未再结晶区的轧制的终轧温度为800-950℃；
3）冷却并进行热处理，所述冷却为控制冷却或空冷，其中控制冷却的冷却速度要求≥8℃/s，终冷温度≤100℃，所述热处理为回火处理，回火温度为100-300℃；空冷终冷温度为室温，然后进行离线热处理，离线热处理淬火温度为810-950℃，回火温度为100-300℃。
2.根据权利要求1所述方法制备而成的钢板。
3.根据权利要求2所述的钢板，其特征在于，所述钢材的成分包括按重量百分比计的以下组分：C：0.19%、Si：0.10-0.20%、Mn：0.60-0.90%、P≤0.010%、S≤0.002%、Nb：0.010-0.060%、V：0.010-0.060%、Mo 0.20-0.70%、B：0.0008-0.0025%，Ti：0.000-0.015%、Cr：0.00-0.45%、Ni：0.70-1.40%。
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