CN108660395A - 一种690MPa级低碳中锰高强度中厚板及淬火-动态配分生产工艺制备方法 - Google Patents

一种690MPa级低碳中锰高强度中厚板及淬火-动态配分生产工艺制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种690MPa级低碳中锰高强度中厚板及淬火‑动态配分生产工艺制备方法，化学组成按重量百分比为：C:0.04～0.09％，Mn:4.97～5.45％,Si:0.19～0.20％，S:0.0012～0.006％，P:0.004～0.009％，Al:0.01～0.023％，Cu:0.12～0.31％，Ni:0.21～0.32％，Mo:0.16～0.23％，Cr:0.39～0.42％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；所述钢板的厚度为20～80mm，金相组织为板条马氏体+薄膜状富碳残余奥氏体；本发明所制备的低碳中锰高强度中厚板性能优良：屈服强度为780～820MPa，抗拉强度为1000～1150MPa，延伸率为15.78～17.36％，‑40℃冲击功≥59J。

Description

一种690MPa级低碳中锰高强度中厚板及淬火-动态配分生产 工艺制备方法
技术领域
本发明属于中厚板制造领域，具体涉及一种690MPa级低碳中锰高强度中厚板淬火-动态配分生产工艺及其制备方法。
背景技术
具有高强度、良好低温冲击韧性及焊接性能的中厚板广泛应用于工程机械、桥梁、建筑等诸多领域。其中，屈服强度在690MPa级别及以上的中厚板通常采用低碳的成分设计，复合添加大量的Ni、Mo、Cr、Cu等昂贵的合金元素，以提高淬透性；此外，为保证厚钢板心部强韧性能，还需采用多级热处理工序，生产周期长、能耗大。另一种方案是采用低碳中锰的成分设计，热轧后在线淬火+高温回火或离线淬火回火等热处理工艺，以期达到所需的强韧性能。后续的热处理工艺可显著提高中锰中厚板的低温冲击韧性，但延长了生产周期，增加了成本。为提高生产效率，降低生产成本，采用在线淬火-动态配分(DQ&P)工艺生产出力学性能满足要求的Q690E高强度中厚板。
淬火配分(Q&P)工艺是一种制备高强钢的新工艺，此工艺处理后钢的组织为板条马氏体及板条间薄膜状分布的残余奥氏体，马氏体相使钢具有较高的强度，残余奥氏体在塑性变形过程中受到应力作用发生TRIP效应，使钢保持较高的塑性，从而得到较好的强度和塑性结合的力学性能。目前，对Q&P工艺的研究主要采用无变形、盐浴、离线热处理等方式。随着热机械控制轧制(TMCP)技术的不断发展，在线生产已经成为一种趋势。因此，在现有Q&P工艺的基础上，结合TMCP技术，提出了一种低碳中锰高强度中厚板新的制备工艺，即DQ&P工艺。
DQ&P工艺利用轧后余热，在缓慢冷却过程中，进行碳配分。不仅克服了等温碳配分的缺点，且流程短，能耗低，是一种更优的碳分配方式。为提高生产效率，降低生产成本，本发明采用DQ&P工艺成功开发出力学性能满足要求的Q690E低碳中锰高强度中厚板，具有极强的理论研究意义及广阔的市场前景。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中690MPa级中厚板合金成本高、需经淬火+高温回火或离线淬火回火等较为复杂的生产工艺情况下，提供了一种低碳中锰钢中厚板DQ&P生产工艺及其制备方法。该钢板为低碳中锰高强度中厚板，其组织为板条马氏体+薄膜状富碳残余奥氏体；该技术生产合金成本低，工艺简单易行，无需回火热处理，易实现工业化批量生产。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种690MPa级低碳中锰高强度中厚板，其特征在于，所述690MPa级低碳中锰高强度中厚板化学组成按重量百分比为：C:0.04～0.09％，Mn:4.97～5.45％,Si:0.19～0.20％，S:0.0012～0.006％，P:0.004～0.009％，Al:0.01～0.023％，Cu:0.12～0.31％，Ni:0.21～0.32％，Mo:0.16～0.23％，Cr:0.39～0.42％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；所述钢板的厚度为20～80mm，金相组织为板条马氏体+薄膜状富碳残余奥氏体。
所述中厚钢板的屈服强度为780～820MPa，抗拉强度为1000～1150MPa，延伸率为15.78～17.36％，-40℃冲击功≥59J。
本发明还公开了一种所述690MPa级低碳中锰高强度中厚板的制备方法，包括以下步骤：
将230～320mm厚的连铸坯随炉加热至1120～1200℃并保温2～3h，连铸坯的化学组成按重量百分比为：
C:0.04～0.09％，Mn:4.97～5.45％,Si:0.19～0.20％，S:0.0012～0.006％，P:0.004～0.009％，Al:0.01～0.023％，Cu:0.12～0.31％，Ni:0.21～0.32％，Mo:0.16～0.23％，Cr:0.39～0.42％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；再将钢坯经一个阶段控制轧制成20～80mm厚的热轧钢板，开轧温度和终轧温度分别为1020～1080℃和880～930℃；终轧后将钢板以15～25℃/s的冷却速度水冷至320～380℃，随后缓冷至室温；在轧制时，采用较大的压下量，单道次压下率控制在10-11％，利用再结晶细化原奥氏体晶粒；在缓慢冷却过程中，C原子将会从临近的过饱和马氏体板条束内向未转变的残余奥氏体内迁移，由于C元素的扩散，致使残余奥氏体中的C含量增加，从而增强了残余奥氏体的热稳定性；发生马氏体相变的同时会产生一定程度的体积膨胀，残余奥氏体会受到马氏体板条的静水压力，抑制了残余奥氏体的转变，进而提高了残余奥氏体的稳定性，使富C的残余奥氏体能够稳定到室温；最终金相组织为板条马氏体+薄膜状富碳残余奥氏体。
所述连铸坯厚度为230～320mm。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
本发明采用DQ&P生产工艺，在高温区轧制时，采用较大的压下量，利用再结晶细化原奥氏体晶粒，终轧后水冷至320～380℃，随后缓慢冷却至室温。由于中锰钢具有较好的淬透性，使其在较低的冷却速率下也可以形成马氏体。在缓慢冷却过程中，C原子将会从临近的过饱和马氏体板条束内向未转变的残余奥氏体内迁移，由于C元素的扩散，致使残余奥氏体中的C含量增加，从而增强了残余奥氏体的热稳定性。此外，在发生马氏体相变的同时会产生一定程度的体积膨胀，残余奥氏体会受到马氏体板条的静水压力，抑制了残余奥氏体的转变，进而提高了残余奥氏体的稳定性，使富C的残余奥氏体能够稳定到室温。
残留奥氏体的稳定性不仅受到化学成分的影响，还受到形态、尺寸等的影响。采用DQ&P工艺，有效地细化原始奥氏体晶粒，有利于后续C配分过程的进行，从而保证了试验钢在较低的碳含量下，仍然能实现C配分过程。在缓冷过程中，冷却速率越低，C配分的时间越长，越有利于C在残余奥氏体中的富集。此外，由于余温作用，中锰中厚板会发生自回火现象，可有效降低马氏体应力，降低钢的脆性。
板条马氏体组织具有较高的强度，从而提高了中锰中厚板的强度；室温组织中，少量稳定性较高的薄膜状奥氏体可有效阻碍裂纹的扩展，有效地提高了裂纹扩展功，改善了中锰中厚板的低温冲击韧性。因此采用DQ&P工艺，在缓慢冷却过程中，利用C元素在马氏体和残余奥氏体中的动态配分作用，提高了中厚板的强韧性能，缩短了生产周期，对钢铁企业降本增效具有重大意义。
本发明中，低C的成分设计可有效改善中锰中厚板的可焊性；Mn是先进高强钢成分设计中重要的合金元素，因为Mn元素可显著提高奥氏体的稳定性，增加钢的淬透性，且价格低廉，利用Mn元素的强奥氏体稳定化作用，结合热处理工艺，使钢在室温下获得奥氏体+铁素体/马氏体的显微组织，当受到拉伸或冲击载荷时，发生TRIP效应，可同时提高材料的强度、塑性和低温冲击韧性，且屈强比可控；Si能溶于奥氏体中产生固溶强化，提高试验钢的强度；Cr可显著提高淬透性，保证淬火钢在回火后具有较好的综合力学性能；Mo可有效防止马氏体回火脆性，改善试验钢的低温冲击韧性；Ni可在不降低钢的韧塑性能的前提下，提高钢强度；Al主要用于脱氧和细化晶粒，抑制渗碳体的析出，改善钢的低温冲击韧性；P、S为钢中的有害元素，含量应控制在较低的范围内。本发明中，Mn、Si、Cr、Mo等元素的含量均是通过大量创造性劳动得出的，其含量的组合能保证形成最终产品的金相组织，否则，如Mn含量过高或过低都形成不了板条马氏体，也就不会产生TRIP效应。
本发明所制备的低碳中锰高强度中厚板性能优良：屈服强度为780～820MPa，抗拉强度为1000～1150MPa，延伸率为15.78～17.36％，-40℃冲击功≥59J。
本发明操作简单，在线淬火后无需回火热处理，提高生产效率的同时，节约了生产成本，易实现工业化批量生产。
附图说明
图1为本发明制备方法的工艺流程示意图；
图2为实施例1制得的中厚钢板的透射电镜照片；
图3为实施例2制得的中厚钢板的金相组织图；
图4为实施例3制得的中厚钢板的冲击载荷曲线。
具体实施方式
本发明中实施例中所采用的热轧机为3500mm热轧机；
实施例中观测金相组织的设备为Leica DMIRM 2500M金相显微镜；
实施例中观测透射形貌的设备为FEI Tecnai G2F20透射电子显微镜；
实施例中测定残余奥氏体体积分数的设备为Lower Detection Limit X射线衍射仪；
实施例中测定拉伸性能的设备为ShimadzuAG-X万能实验机；
实施例中测定冲击性能的设备为Instron Dynatup 9200落锤冲击实验机。
实施例1
一种厚度为20mm的690MPa级低碳中锰高强度中厚钢板，其化学组成按重量百分比为：C:0.09％，Mn:4.97％,Si:0.20％，S:0.006％，P:0.008％，Al:0.022％，Cu:0.15％，Ni:0.26％，Mo:0.16％，Cr:0.40％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；组织为板条马氏体+薄膜状残余奥氏体，残余奥氏体体积分数为4.9％。
其制备方法如下：
将上述组分的厚度为230mm的连铸坯随炉加热至1120℃并保温2h，随后经一阶段轧制，热轧成20mm厚的钢板，开轧温度和终轧温度分别为1050℃和880℃，共轧制11道次，单道次压下率控制在10％，总压下率为91.30％。
终轧后将钢板以25℃/s的冷却速率水冷至320℃，随后将钢板吊入缓冷坑，缓慢冷却至室温，得到DQ&P工艺生产的中锰中厚板，钢板的显微组织为板条马氏体+薄膜状残余奥氏体，如图2所示。
经检测，该中厚钢板的屈服强度为820MPa，抗拉强度为1150MPa，延伸率为15.78％，-40℃冲击功59J，满足Q690E级中厚板要求。
实施例2
一种厚度为80mm的690MPa级低碳中锰高强度中厚钢板，其化学组成按重量百分比为：C:0.04％，Mn:5.45％,Si:0.20％，S:0.0012％，P:0.009％，Al:0.023％，Cu:0.12％，Ni:0.21％，Mo:0.20％，Cr:0.39％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；组织为板条马氏体+薄膜状残余奥氏体，残余奥氏体体积分数为6.8％。
其制备方法如下：
将上述组分的厚度为320mm的连铸坯随炉加热至1150℃并保温3h，随后经一阶段轧制，热轧成80mm厚的钢板，开轧温度和终轧温度分别为1020℃和910℃，共轧制7道次，单道次压下率控制在11％，总压下率为75％。
终轧后将钢板以15℃/s的冷却速率水冷至380℃，随后将钢板吊入缓冷坑，缓冷至室温，得到DQ&P工艺生产的中锰中厚板。钢板室温组织中细小的板条马氏体清晰可见，如图3所示。
经检测，该中厚钢板的屈服强度为780MPa，抗拉强度为1080MPa，延伸率为17.36％，-40℃冲击功86J，满足Q690E级中厚板要求。
实施例3
一种厚度为50mm的690MPa级低碳中锰高强度中厚钢板，其化学组成按重量百分比为：C:0.06％，Mn:5.37％,Si:0.19％，S:0.009％，P:0.004％，Al:0.01％，Cu:0.31％，Ni:0.32％，Mo:0.23％，Cr:0.42％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；组织为板条马氏体+薄膜状富碳残余奥氏体，残余奥氏体体积分数为5.45％。
其制备方法如下：将上述组分的厚度为230mm的连铸坯随炉加热至1200℃并保温2h，随后经一阶段轧制，热轧成50mm厚的钢板，开轧温度和终轧温度分别为1080℃和930℃，共轧制9道次，总压下率为78.26％。
终轧后将钢板以20℃/s的冷却速率水冷至350℃，随后将钢板缓慢冷却至室温，得到DQ&P工艺生产的中锰中厚板。经检测，该中厚钢板的屈服强度为800MPa，抗拉强度为1000MPa，延伸率为16.67％，-40℃冲击功103J，冲击载荷曲线如图4所示，满足Q690E级中厚板的强韧性能要求。

Claims (4)

1.一种690MPa级低碳中锰高强度中厚板，其特征在于，所述690MPa级低碳中锰高强度中厚板化学组成按重量百分比为：C:0.04～0.09％，Mn:4.97～5.45％,Si:0.19～0.20％，S:0.0012～0.006％，P:0.004～0.009％，Al:0.01～0.023％，Cu:0.12～0.31％，Ni:0.21～0.32％，Mo:0.16～0.23％，Cr:0.39～0.42％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；所述钢板的厚度为20～80mm，金相组织为板条马氏体+薄膜状富碳残余奥氏体。
2.根据权利要求1所述的690MPa级低碳中锰高强度中厚板，其特征在于，所述中厚钢板的屈服强度为780～820MPa，抗拉强度为1000～1150MPa，延伸率为15.78～17.36％，-40℃冲击功≥59J。
3.一种权利要求1所述690MPa级低碳中锰高强度中厚板的淬火-动态配分生产工艺制备方法制备方法，其特征在于包括以下步骤：
将230～320mm厚的连铸坯随炉加热至1120～1200℃并保温2～3h，连铸坯的化学组成按重量百分比为：
C:0.04～0.09％，Mn:4.97～5.45％,Si:0.19～0.20％，S:0.0012～0.006％，P:0.004～0.009％，Al:0.01～0.023％，Cu:0.12～0.31％，Ni:0.21～0.32％，Mo:0.16～0.23％，Cr:0.39～0.42％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；再将钢坯经一个阶段控制轧制成20～80mm厚的热轧钢板，开轧温度和终轧温度分别为1020～1080℃和880～930℃；终轧后将钢板以15～25℃/s的冷却速度水冷至320～380℃，随后缓冷至室温，轧制时单道次压下率控制在10-11％；利用再结晶细化原奥氏体晶粒；在缓慢冷却过程中，C原子将会从临近的过饱和马氏体板条束内向未转变的残余奥氏体内迁移，由于C元素的扩散，致使残余奥氏体中的C含量增加，从而增强了残余奥氏体的热稳定性；发生马氏体相变的同时会产生体积膨胀，残余奥氏体会受到马氏体板条的压力，抑制了残余奥氏体的转变，进而提高了残余奥氏体的稳定性，使富C的残余奥氏体能够稳定到室温，最终金相组织为板条马氏体+薄膜状富碳残余奥氏体。
4.根据权利要求3所述的一种690MPa级低碳中锰高强度中厚板淬火-动态配分生产工艺制备方法，其特征在于，所述连铸坯厚度为230～320mm。
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