CN110747385B

CN110747385B - 一种高韧性耐疲劳的q1100超高强钢的生产方法

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Publication number: CN110747385B
Application number: CN201911074737.7A
Authority: CN
Inventors: 刘丹; 张青学; 罗登; 汤伟; 彭宁琦; 汪贺模; 周文浩; 张成元; 王双双; 李红英; 吴光亮
Original assignee: Central South University; Hunan Valin Xiangtan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Central South University; Hunan Valin Xiangtan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2019-11-06
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2021-03-30
Anticipated expiration: 2039-11-06
Also published as: CN110747385A

Abstract

本发明为一种高韧性耐疲劳的Q1100超高强钢的生产方法，钢的化学成分质量百分比为C=0.16~0.20，Si=0.15～0.35，Mn=1.0～1.50，P≤0.010，S≤0.003，Nb=0.015~0.035，V=0.030~0.060%，Ti≤0.005，Als=0.050～0.080，Cr=0.40～0.70，Mo=0.40～0.70，Ni=0.20~0.50，B=0.0015~0.0025，N≤0.003，O≤0.0008，CEV≤0.68，余量为Fe和其它微量元素。其工艺步骤包括铁水预处理→转炉冶炼→LF炉外精炼→VD真空处理→连铸→加热→轧制→矫直→淬火→回火→精整→性能检验→探伤。通过合理化学成分和冶炼工艺控制，冶炼过程吸氮少，钢水纯净度高；热处理采用低温淬火工艺，钢材晶粒尺寸细小，韧性和疲劳性能优异。

Description

一种高韧性耐疲劳的Q1100超高强钢的生产方法

技术领域

本发明属于炼钢技术领域，特别涉及一种高韧性耐疲劳的Q1100超高强钢的生产方法。

背景技术

面对日益严峻的环境问题，大量老排放标准的工程机械车辆需要更新，新的行业标准对装备重量也作出了严格的限制。为实现装备轻量化和节能减排，屈服强度1100MPa级超高强钢逐渐在高端工程机械装备上得到应用。1100MPa级超高强钢大多用于关键结构件，服役环境恶劣，对钢材的强韧性和疲劳性能提出了更高的要求。

中国专利201210223610.9公开了 “一种屈服强度1100MPa级高强度钢板及其制造方法”，该方法采用离线淬火+低温回火工艺生产出回火马氏体钢，屈服强度≥1100MPa、抗拉强度≥1250MPa、夏氏冲击功Akv(-40℃≥50J。中国专利201410810279.X公开了“一种屈服强度1100MPa级调质高强钢及其生产方法”，采用控轧控冷和离线淬火+回火工艺，屈服强度为1100-1200MPa，抗拉强度为≥1250MPa，延伸率>8%，-40℃冲击功在40J以上。中国专利201310119753.X公开了“一种1000MPa超级铁素体钢及其制备方法”为板卷生产工艺，抗拉强度为1000MPa的铁素体钢。中国专利201210223610.9和中国专利201410810279.X为提高钢材高韧性的生产方法。但是上述专利均未涉及解决钢材使用的疲劳寿命问题。

发明内容

本发明旨在提供一种高韧性耐疲劳的Q1100超高强钢的生产方法，所生产钢板具有良好的强韧性和抗疲劳性能。

本发明的技术方案：

一种高韧性耐疲劳的Q1100超高强钢的生产方法，生产工艺路线为铁水预处理→转炉冶炼→LF炉外精炼→VD真空处理→连铸→加热→轧制→矫直→淬火→回火→精整→性能检验→探伤。钢的化学组成质量百分含量为C=0.16~0.20，Si=0.15～0.35，Mn=1.0～1.50，P≤0.010，S≤0.003，Nb=0.015~0.035，V=0.030~0.060%，Ti≤0.005，Als=0.050～0.080， Cr=0.40～0.70，Mo=0.40～0.70，Ni=0.20~0.50，B=0.0015~0.0025，N≤0.003，O≤0.0008，CEV≤0.68，余量为Fe和其它微量元素；关键工艺步骤包括：

(1)转炉冶炼：转炉按照低P钢模式冶炼，出钢过程只加硅锰脱氧，钢水中氧含量0.0030～0.0050；出钢加完所有合金和渣料后，喂入300m铝线进行脱氧；

(2) 炉外精炼：LF冶炼分批次加入渣料，总渣量控制10～13kg/t钢，终渣四元碱度控制为2.1～2.3，化学组成质量百分含量为SiO₂≤10，50≤CaO≤60，MgO≤6，20≤Al₂O₃≤25；冶炼过程全程吹氩，不允许钢水裸露；钢水冶炼结束前10 min喂入钙线200m，喂钙线后保持小氩气80~250NL/min，压力0.4～0.6MPa；VD真空处理50Pa以下真空度保持18min以上，破空后分两次喂入钙线200m，氩气流量50～100NL/min，时间间隔1～2min；软吹18～25min，氩气流量80～150NL/min；

(3) 连铸：按照正常保护浇注工艺组织生产，使用专用中包覆盖剂，化学成分百分含量：40≤CaO≤50，30≤Al₂O₃≤45， SiO₂≤5.0， H₂O≤0.10；

(4) 热处理工艺：淬火温度860～900℃，加热时间为板厚×3min，炉内氮气保护；回火250～450℃，回火时间为板厚×6min，回火后空冷至室温。

最终获得以回火马氏体为主的钢板，屈服强度大于1100Mpa，抗拉强度1250~1450MPa，延伸率大于13%，焊接接头疲劳寿命≥14万周次（加载应力500MPa，应力比-1，频率20~40Hz）。

本发明的原理：

（1）化学成分设计：C元素可显著提高钢的淬透性和强度，Q1100级超高强钢抗拉强度设计为1280～1400MPa，根据公式UTS(MPa)=710+3560[pct C]计算得出C元素的含量控制为0.16%~0.20%。Mn元素可提高钢的强度、硬度和淬透性，但钢中Mn含量过高，冷却时偏析位置易产生脆性组织和微裂纹，影响冲击韧性和内部质量，本发明设计Mn含量为1.0～1.50。为满足钢材性能指标对淬透性的要求，设计添加Cr、Mo、Ni来提高淬透性和强度，但加入量过高会导致碳当量高，影响可焊性，为避免这一不利影响，需要添加微量的B来提高淬透性，B含量随着Mo含量的增加而增加，当B含量超过最佳B含量，淬透性开始降低或保持不变，根据本发明设计的Mo含量，得到最佳有效B含量为0.0008~0.0018，考虑到钢中的N会消耗部分B，导致有效B降低，需适当提高B合金的加入量。钢中的氮与硼反应生成的BN会偏聚在晶界，促进铁素体生成，对淬透性造成不利的影响，一般情况利用Ti固氮，但由于Ti的氮化物和碳氮化物为带尖角的角状或块状，损伤钢材基体，破坏其连续性，成为疲劳源，本发明要求尽量低的Ti和N。Al加入到钢中进行脱氧，铝与钢液中溶解氧反应，为了达到最低的氧含量，钢中铝的含量有一个合理范围，同时因本发明限制了Ti的含量，利用Al细化晶粒，故控制为Al=0.050～0.080。由于本发明主要通过热处理工艺控制组织和性能，轧制不需采用控制轧制，不需要加入太多的Nb和V。

（2）冶炼工艺：转炉出钢过程，由于钢水冲击钢包，钢水翻腾易吸氮，为了抑制出钢过程吸氮，利用氧和硫的表面张力作用，需确保钢中一定的氧含量，出钢时不用铝强脱氧。LF冶炼全程吹氩，加快熔池反应，为避免大氩气搅拌脱硫造成钢水裸露，采用10～13kg/吨钢大渣量冶炼，小氩气搅拌。为保证小氩气搅拌情况下冶炼的脱硫效果，要求精炼渣具有良好的流动性和合理的碱度，高碱度利于脱硫，但会影响熔渣的流动性。本发明中精炼渣的碱度控制为2.1~2.3，确保脱硫效果。LF冶炼结束前进行钙处理使夹杂物改性，并利用小氩气搅拌，夹杂物碰撞长大和上浮去除。VD处理最大程度进行脱气，同时进一步的脱氧和脱硫，因钢中的钙在真空处理时易挥发，真空处理后需补充钙线对VD处理过程中产生的夹杂物进行改性，为提高钙的收得率，钙线分两次加入，且并保持小氩气搅拌，促进钙在钢水中的均匀分布，同时避免因喂钙线反应剧烈导致钢水裸露，氩气控制为50～100NL/min，钙处理结束后，氩气流量调整为80～150NL/min ，保持18~25min，使夹杂物充分上浮去除。连铸过程除正常保护浇注外，中包使用合理成分的专用覆盖剂，利于钢水夹杂物在中包上浮后的吸收去除。

（3）热处理工艺：奥氏体化温度和保温时间影响材料中的合金元素固溶，影响淬透性及晶粒大小。根据理论计算和CCT曲线测定，得出其奥氏体化温度为850℃，实际工业生产的淬火加热温度为860~900℃，加热时间为板厚×3min，确保合金固溶，同时得到细小的晶粒尺寸，提高钢材的韧性和耐疲劳性。钢材淬火处理发生马氏体转变，为保证得到需要的力学性能，本发明的回火温度为250～450℃，为最大程度去除应力，回火时间控制为板厚×6min。

本发明通过合理的化学成分、冶炼工艺和热处理工艺设计，冶炼出高纯净度钢水，钢材晶粒尺寸细小，韧性和疲劳性能优异。本发明优点：（1）低钛成分设计，减少氮化钛和碳氮化钛的产生，提高韧性和疲劳寿命。（2）冶炼过程吸氮少，氧含量低，钢水纯净度高，氮可控制在0.003以下，氧控制0.0008以下；氧化物夹杂尺寸小，数量少，且进一步减少氮化钛和碳氮化钛的产生，夹杂物评级为D类、DS类1.0级以下。（3）钢材晶粒细小，晶粒尺寸7~8μm，-40℃纵向冲击功≥55J，横向冲击功≥50J，焊接接头疲劳寿命≥14万次（加载应力500MPa，应力比-1，频率20~40Hz）。

附图说明

图1 为实施例1中10mmQ1100晶粒度。

图2 为实施例2中15mmQ1100晶粒度。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明的内容。

实施例1：10mmQ1100钢板的生产

钢的化学组成质量百分含量为C=0.17，Si=0.25，Mn=1.12，P=0.008，S=0.002，Nb=0.025，V=0.045%，Ti=0.004，Als=0.059，Cr=0.52，Mo=0.55，Ni=0.35，B=0.0017，N=0.0026，O=0.0007，CEV=0.62，余量为Fe和其它微量元素；关键工艺步骤包括：

(1)转炉冶炼：转炉按照低P钢模式冶炼，出钢过程不加铝铁脱氧，只加硅锰脱氧，钢水中氧含量0.0045%；出钢加完所有合金和渣料后，喂入300m铝线进行脱氧。

(2) 炉外精炼：LF冶炼分批次加入渣料，总渣量12.2kg/吨钢，终渣四元碱度2.15，化学组成质量百分含量SiO₂=4.67，CaO=57.11，MgO= 4.74，Al₂O₃=24.1。冶炼过程全程吹氩，钢水冶炼结束前10分钟喂入钙线200m，喂钙线后保持小氩气120~180NL/min，压力0.45MPa。VD真空处理50Pa以下真空度保持18min，破空后分两次喂入钙线200m，氩气流量52～81NL/min，时间间隔1.2min。软吹20min，氩气流量83～112NL/min。

(3) 连铸：按照正常保护浇注工艺组织生产，使用专用中包覆盖剂，化学成分百分含量：CaO=46.3，Al₂O₃=39.2，SiO₂=3.3，H₂O=0.05。

(4) 热处理工艺：淬火温度870℃，加热时间为30min，炉内氮气保护；回火320℃，回火时间为60min，回火后空冷至室温。

钢的样品力学性能检测结果、夹杂物和疲劳性能检测结果如表1和表2。

实施例2：15mm Q1100钢板的生产

钢的化学组成质量百分含量为C=0.18，Si=0.27，Mn=1.16，P=0.007，S=0.002，Nb=0.022，V=0.051%，Ti=0.003，Als=0.062， Cr=0.55，Mo=0.58，Ni=0.36，B=0.0019，N=0.0028，O=0.0006，CEV=0.64，余量为Fe和其它微量元素；关键工艺步骤包括：

(1)转炉冶炼：转炉按照低P钢模式冶炼，出钢过程不加铝铁脱氧，只加硅锰脱氧，钢水中氧含量0.0037%；出钢加完所有合金和渣料后，喂入300m铝线进行脱氧。

(2) 炉外精炼：LF冶炼分批次加入渣料，总渣量控制11.8kg/吨钢，终渣四元碱度2.24，化学组成质量百分含量SiO₂=5.21， CaO=58.8，MgO= 5.87，Al₂O₃=23.7。冶炼过程全程吹氩，钢水冶炼结束前10分钟喂入钙线200m，喂钙线后保持小氩气126~201NL/min，压力0.51MPa。VD真空处理50Pa以下真空度保持20min以上，破空后分两次喂入钙线200m，氩气流量63～96NL/min，时间间隔1.5min。软吹23min，氩气流量91～118NL/min。

(3) 连铸：按照正常保护浇注工艺组织生产，使用专用中包覆盖剂，化学成分百分含量：CaO=48.2， Al₂O₃=35.6，SiO₂=4.1，H₂O=0.04。

(4) 热处理工艺：淬火温度880℃，加热时间为45min，炉内氮气保护；回火320℃，回火时间为板90min，回火后空冷至室温。

表1 实施例钢的样品力学性能检测结果

。

表2实施例钢的样品夹杂物、疲劳性能检测结果

。

Claims

1.一种高韧性耐疲劳的Q1100超高强钢的生产方法，工艺路线为铁水预处理→转炉冶炼→LF炉外精炼→VD真空处理→连铸→加热→轧制→矫直→淬火→回火→精整→性能检验→探伤，其特征在于：钢的化学组成质量百分含量为C=0.16~0.20，Si=0.15～0.35，Mn=1.0～1.50，P≤0.010，S≤0.003，Nb=0.015~0.035，V=0.030~0.060%，Ti≤0.005，Als=0.050～0.080， Cr=0.40～0.70，Mo=0.40～0.70，Ni=0.20~0.50，B=0.0015~0.0025，N≤0.003，O≤0.0008，CEV≤0.68，余量为Fe和其它微量元素；关键工艺步骤包括：

(1) 转炉冶炼：转炉按照低P钢模式冶炼，出钢过程只加硅锰脱氧，钢水中氧含量0.0030～0.0050；出钢加完所有合金和渣料后，喂入300m铝线进行脱氧；

(2) 炉外精炼：LF冶炼分批次加入渣料，总渣量控制10～13kg/t钢，终渣四元碱度控制为2.1～2.3，化学组成质量百分含量为SiO₂≤10，50≤CaO≤60，MgO≤6，20≤Al₂O₃≤25，各组分含量百分数之和为百分之百；冶炼过程全程吹氩，不允许钢水裸露；钢水冶炼结束前10min喂入钙线200m，喂钙线后保持小氩气80~250NL/min，压力0.4～0.6MPa；VD真空处理50Pa以下真空度保持18min以上，破空后分两次喂入钙线200m，氩气流量50～100NL/min，时间间隔1～2min；软吹18～25min，氩气流量80～150NL/min；

(3) 连铸：按照正常保护浇注工艺组织生产，使用专用中包覆盖剂，化学成分百分含量为40≤CaO≤50，30≤Al₂O₃≤45，SiO₂≤5.0，H₂O≤0.10，各组分含量百分数之和为百分之百；

(4) 热处理工艺：淬火温度860～900℃，加热时间为板厚×3min，炉内氮气保护；回火250～450℃，回火时间为板厚mm×6min，回火后空冷至室温。