CN111647803B - 一种含铜高强钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种含铜高强钢及其制备方法，所述高强钢由如下质量分数的化学组分组成：C：0.02～0.06％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.50～2.3％，P≤0.010％，S≤0.0012％，Al：0.01～0.05％，Nb：0.05～0.1％，Ti：0.005～0.02％，Mo：0.30％～0.70％，Ni：3～5％，Cu：1.5～2.5％，余量为Fe和不可避免杂质元素；所述Ni与所述Cu的质量分数比值为1.05～2.3。本申请的高强钢在具备高强度的前提下，还拥有优良的低温韧性，可广泛应用于管线钢、工程机械用钢、海洋平台用钢、容器用钢等多领域。

Description

一种含铜高强钢及其制备方法
技术领域
本发明属于高强钢制备技术领域，尤其涉及一种含铜高强钢及其制备方法
背景技术
高强钢因具备优秀的强度，是重要的工程结构材料之一，而广泛的应用于工程机械、海洋平台钢、容器用钢等多个领域。
传统的高强度钢大多是采用高碳高锰的常规强度元素，配合大量的Nb和Ti等微合金元素进行成分设计，经过冶炼和轧制，获得高强钢。随着钢强度的不断提高，需要添加更多的微合金元素。但是，这种设计思路，在获得高强度的同时，会对钢板的韧性产生十分不利的影响。
发明内容
本发明提供了一种含铜高强钢及其制备方法，以解决现有技术中，为了获得高强度钢板，添加了大量的合金元素，但是钢板的韧性差的问题。
一方面，本发明提供了一种含铜高强钢，所述高强钢由如下质量分数的化学组分组成：C：0.02～0.06％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.50～2.3％，P≤0.010％，S≤0.0012％，Al：0.01～0.05％，Nb：0.055～0.1％，Ti：0.005～0.02％，Mo：0.30％～0.70％，Ni：3～5％，Cu：1.5～2.5％，余量为Fe和不可避免杂质元素；
所述Ni与所述Cu的质量分数比值为1.05～2.3。
进一步地，所述高强钢的显微组织为回火马氏体。
进一步地，在所述回火马氏体基体上，弥散分布纳米沉淀相，所述纳米沉淀相的尺寸为5～20nm。
进一步地，所述高强钢的厚度为10～50mm。
第二方面，本发明实施例提供了上述的一种含铜高强钢的制备方法，所述方法包括，
将板坯进行加热、粗轧、精轧和冷却，获得钢板；所述板坯由如下质量分数的化学组分组成：C：0.02～0.06％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.50～2.3％，P≤0.010％，S≤0.0012％，Al：0.01～0.05％，Nb：0.055～0.1％，Ti：0.005～0.02％，Mo：0.30％～0.70％，Ni：3～5％，Cu：1.5～2.5％，余量为Fe和不可避免杂质元素；所述Ni与所述Cu的质量分数比值为1.05～2.3；
将所述钢板进行淬火和时效处理，获得高强钢；所述时效处理温度为480～580℃，所述时效处理时间为0.5～1h。
进一步地，所述加热温度为1100～1200℃，所述加热时间为60～75min。
进一步地，所述粗轧开始温度为1050～1100℃，所述粗轧结束温度950～1000℃，所述精轧开始温度850～900℃，所述精轧结束温度800～830℃。
进一步地，所述冷却中，冷却开始温度为760～800℃，冷却速率为20～30℃/s。
进一步地，所述淬火中，加热温度为850～930℃，保温时间为50～70min，冷却速率为20～40℃/s。
进一步地，所述时效处理中，时效温度为480～580℃，时效时间为0.5～1h。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供了一种含铜高强钢及其制备方法，所述高强钢由如下质量分数的化学组分组成：C：0.02～0.06％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.50～2.3％，P≤0.010％，S≤0.0012％，Al：0.01～0.05％，Nb：0.05～0.1％，Ti：0.005～0.02％，Mo：0.30％～0.70％，Ni：3～5％，Cu：1.5～2.5％，余量为Fe和不可避免杂质元素；所述Ni与所述Cu的质量分数比值为1.05～2.3。本申请采用锰元素实现固溶强化，添加铌和钛元素实现固溶强化和析出强化，在低碳成分体系中加入特定比例的铜元素和镍元素，在时效处理中，会生成一种以Cu元素为核心的新型纳米析出相，这种析出相起到沉淀强化作用，同时使材料拥有优良的低温韧性，避免了大量添加合金来提高强度，导致的低温韧性差的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例的钢板热处理后的新型纳米析出物形貌；
图2是本发明实施例1高强钢的金相组织；
图3是本发明实施例2高强钢的金相组织；
图4是本发明实施例3高强钢的金相组织；
图5是本发明实施例4高强钢的金相组织；
图6是本发明实施例5高强钢的金相组织。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本发明实施例提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
本发明实施例提高了一种含铜高强钢，所述高强钢由如下质量分数的化学组分组成：C：0.02～0.06％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.50～2.3％，P≤0.010％，S≤0.0012％，Al：0.01～0.05％，Nb：0.055～0.1％，Ti：0.005～0.02％，Mo：0.30％～0.70％，Ni：3～5％，Cu：1.5～2.5％，余量为Fe和不可避免杂质元素；
所述Ni与所述Cu的质量分数比值为1.05～2.3。
本申请中各元素的作用如下：
C元素是提高传统超高强钢的强度的手段之一，但是如果含量过高，会对低温韧性、焊接性能等带来不利的影响。且本发明中主要依靠合金元素和工艺来控制析出物，因此采用超低碳含量，将C含量控制在0.02～0.06％范围内。
Mn元素能够显著提高强度性能，而且Mn的加入可以增强时效初期的析出强化效果，提高时效初期析出相的形核率，可有效缩短时效时间，节省生产成本。因此，将Mn控制在1.50～2.3％范围。
P、S元素是钢中杂质元素，且易偏析，影响连铸坯内部质量。为了获得高强度以及良好的低温韧性，必须严格控制P、S含量。本发明中其含量控制范围为：P：≤0.010％，S：≤0.0012％。
Nb能提高奥氏体的再结晶温度，扩大未再结晶区温度范围，推迟了未再结晶的进行，可以有效地细化晶粒。细化晶粒不仅能提高钢材的强度，也能从一定程度上提高钢材的低温韧性和塑性。微合金元素Nb的C、N化物等弥散的分布在集体上，也能有效的细化晶粒。因此，将Nb元素的含量控制在0.055～0.1％。
Ti是强碳化物形成元素，富集在晶界处，能有效的抑制晶粒长大，起到细化晶粒的作用。同时，在焊接热影响区中能组织奥氏体晶粒的长大，改善焊接性能。为提高钢材的低温韧性和强度，将Ti元素的含量控制在0.005～0.02％。
Mo可以提高钢的淬透性，通过消除或减轻其他合金元素所导致的回火脆性，提高钢的冲击韧性和强度。本发明中其含量控制在0.30～0.70％。
Cu元素为本发明中的核心合金元素，其主要作用是通过控制其含量和生产工艺，来生成一种以Cu元素为核心的新型纳米析出相，如图1所示。这种纳米析出相不仅可以获得高强度，还能兼具优良的低温韧性。因此Cu含量控制在1.5～2.5％范围内。
Ni元素也是本发明中的核心合金元素，由于钢中引入合金元素Cu在冶金过程中易引起热脆，因此加入适量的Ni来消除合金元素Cu引起的热脆。同时，合金元素Ni的加入不仅可以提高钢的强度和低温韧性，还能促进Cu的纳米析出物的析出，将Ni含量控制在3～5％范围内。
进一步地，所述高强钢的显微组织为回火马氏体。高强钢中有100％的回火马氏体组织。
进一步地，在所述回火马氏体基体上，弥散分布纳米沉淀相，所述纳米沉淀相的尺寸为5～20nm。细小的纳米沉淀相能产生良好的沉淀强化作用，使材料既具有良好的强度，同时兼具优秀的低温韧性。
进一步地，所述高强钢的厚度为10～50mm。
另一方面，本发明实施例提供了上述的一种含铜高强钢的制备方法，所述方法包括，
S1，将板坯进行加热、粗轧、精轧和冷却，获得钢板；所述板坯由如下质量分数的化学组分组成：C：0.02～0.06％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.50～2.3％，P≤0.010％，S≤0.0012％，Al：0.01～0.05％，Nb：0.055～0.1％，Ti：0.005～0.02％，Mo：0.30％～0.70％，Ni：3～5％，Cu：1.5～2.5％，余量为Fe和不可避免杂质元素；所述Ni与所述Cu的质量分数比值为1.05～2.3。
进一步地，所述加热温度为1100～1200℃，所述加热时间为60～75min。加热可保证板坯加热均匀，同时控制奥氏体晶粒尺寸。
进一步地，所述粗轧开始温度为1050～1100℃，所述粗轧结束温度950～1000℃，所述精轧开始温度850～900℃，所述精轧结束温度800～830℃。
进一步地，所述冷却中，冷却开始温度为760～800℃，冷却速率为20～30℃/s。经过冷却至室温，获得马氏体组织。
S2，将所述钢板进行淬火和时效处理，获得高强钢；所述时效处理温度为480～580℃，所述时效处理时间为0.5～1h。
进一步地，所述淬火中，加热温度为850～930℃，保温时间为50～70min，冷却速率为20～40℃/s。经过该温度范围保温后，在水中快速冷却，获得更加细小的回火马氏体组织。加热温度太高，原始奥氏体增加，组织粗大，经过时效处理后，材料的强度和韧性都会下降。温度过低，无法使组织奥氏体化。
进一步地，所述时效处理中，时效温度为480～580℃，时效时间为0.5～1h。
经过时效处理，在回火马氏体基体上获得大量细小、均匀和弥散分布的以Cu元素为核心的新型纳米沉淀相，这种新型纳米沉淀相起到沉淀强化作用，同时使材料兼具良好的低温韧性。时效温度过高，会使组织粗大，新型纳米沉淀相长大，使材料强度和韧性下降。时效温度过低，新型纳米沉淀相析出少，材料强度和韧性下降。
本发明采用低碳基础上添加Nb和Ti微合金元素强化，添加Ni+Cu元素，并控制Ni和Cu元素比例的成分设计，配合热处理工艺，在回火马氏体基体上获得大量细小、均匀、弥散分布的以Cu元素为核心新型纳米沉淀相，使厚规格钢板兼具了高强度、高韧性的综合优良性能，应用领域广泛。本发明的高强钢屈服强度达到1000MPa级以上，抗拉强度达到1200MPa级以上，-40℃低温韧性达到200J以上，可用于管线钢、工程机械用钢、海洋平台用钢、容器用钢等多领域。
下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请的一种含铜高强钢及其制备方法进行详细说明。
实施例1到实施例5
实施例1到实施例5中，将如表1化学成分(其余为Fe和不可避免的杂质)的板坯进行加热到1100～1200℃，再经过粗轧、精轧和水冷获得马氏体组织的钢板。将钢板依次进行淬火处理和时效处理，获得回火马氏体组织的厚规格高强钢。
生产过程的加热、粗轧、精轧、冷却、淬火处理和时效处理工序的工艺参数控制情况如表2和表3所示。
对厚规格的高碳钢钢板取样，并进行力学性能检测，检测结果如表4所示。
观察厚规格的高碳钢的显微组织，实施例1到实施例5的显微组织分别如图2到图6所示。
表1
编号 C/％ Si/％ Mn/％ P/％ S/％ Al/％ Nb/％ Ti/％ Mo/％ Ni/％ Cu/％
实施例1 0.043 0.18 1.8 0.001 0.009 0.03 0.05 0.007 0.3 3.5 1.5
实施例2 0.053 0.2 1.9 0.001 0.008 0.03 0.055 0.006 0.3 2 1.9
实施例3 0.058 0.24 1.7 0.0011 0.009 0.02 0.055 0.005 0.4 3.5 2
实施例4 0.042 0.19 2 0.0011 0.008 0.03 0.06 0.006 0.5 3 1.8
实施例5 0.065 0.27 1.9 0.0012 0.008 0.04 0.08 0.008 0.6 4 1.9
对比例1 0.12 0.5 1.7 0.008 0.002 0.035 0.007 0.08 - - -
表2
Figure BDA0002488381150000061
表3
Figure BDA0002488381150000062
对比例1
将入表1化学成分(其余为Fe和不可避免的杂质)的板坯在加热炉中进行加热，经过粗轧和精轧后，得到厚度为30mm的钢板。将钢板在880℃的温度下进行淬火处理，后在580℃温度下进行时效处理。将时效处理后的钢板取样，进行力学性能检测，检测结果如表4所示。
表4
编号 钢板厚度/mm 沉淀相尺寸/nm 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa -40℃夏比冲击功/J
实施例1 10 6～15 1015 1210 215
实施例2 20 10～20 1023 1230 220
实施例3 30 5～15 1025 1207 200
实施例4 40 8～16 1014 1208 203
实施例5 50 10～20 1008 1215 216
对比例1 30 - 930 1090 30
根据表4可知，本申请通过添加Cu元素，并配以适当的Ni元素，使厚规格钢板获得了1000MPa级以上的屈服强度，1200MPa级以上的抗拉强度，-40℃夏比冲击功不低于200J。
图2～图6分别对应实施例1到实施例6的高强钢的金相组织，从金相组织可以看出，材料中为回火马氏体，再根据图1可知，在回火马氏体基体上弥散分布有Cu元素的纳米析出物，这些纳米析出物可以在保证强度的前提下，提高材料的低温韧性，这与表4中的检测结果也是相统一的。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种含铜高强钢，其特征在于，所述高强钢由如下质量分数的化学组分组成：C：0.02～0.06％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.50～2.3％，P≤0.010％，S≤0.0012％，Al：0.01～0.05％，Nb：0.055～0.1％，Ti：0.005～0.02％，Mo：0.30％～0.70％，Ni：3～5％，Cu：1.5～2.5％，余量为Fe和不可避免杂质元素；
所述Ni与所述Cu的质量分数比值为1.05～2.3，所述高强钢的显微组织为回火马氏体，在所述回火马氏体基体上，弥散分布纳米沉淀相，所述纳米沉淀相的尺寸为5～20nm，所述高强钢的厚度为10～50mm，所述含铜高强钢的屈服强度大于1000MPa，抗拉强度大于1200MPa，-40℃低温韧性大于200J。
2.根据权利要求1所述的一种含铜高强钢的制备方法，其特征在于，所述方法包括，
将板坯进行加热、粗轧、精轧和冷却，获得钢板；所述板坯由如下质量分数的化学组分组成：C：0.02～0.06％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.50～2.3％，P≤0.010％，S≤0.0012％，Al：0.01～0.05％，Nb：0.055～0.1％，Ti：0.005～0.02％，Mo：0.30％～0.70％，Ni：3～5％，Cu：1.5～2.5％，余量为Fe和不可避免杂质元素；所述Ni与所述Cu的质量分数比值为1.05～2.3；
将所述钢板进行淬火和时效处理，获得高强钢；所述时效处理温度为480～580℃，所述时效处理时间为0.5～1h。
3.根据权利要求2所述的一种含铜高强钢的制备方法，其特征在于，所述加热温度为1100～1200℃，所述加热时间为60～75min。
4.根据权利要求2所述的一种含铜高强钢的制备方法，其特征在于，所述粗轧开始温度为1050～1100℃，所述粗轧结束温度950～1000℃，所述精轧开始温度850～900℃，所述精轧结束温度800～830℃。
5.根据权利要求2所述的一种含铜高强钢的制备方法，其特征在于，所述冷却中，冷却开始温度为760～800℃，冷却速率为20～30℃/s。
6.根据权利要求2所述的一种含铜高强钢的制备方法，其特征在于，所述淬火中，加热温度为850～930℃，保温时间为50～70min，冷却速率为20～40℃/s。
7.根据权利要求2所述的一种含铜高强钢的制备方法，其特征在于，所述时效处理中，时效温度为480～580℃，时效时间为0.5～1h。
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