CN113227425B - 具有优异的冷弯性的高强度结构钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一个实施方案的具有优异的冷弯性的高强度结构钢，按重量％计包含：0.02％至0.1％的C、0.01％至0.6％的Si、1.7％至2.5％的Mn、0.005％至0.5％的Al、0.02％或更小的P、0.01％或更小的S、0.0015％至0.015％的N、余量的Fe和其他不可避免的杂质，其中所述钢的外部的表面层部分和内部的中心部分在厚度方向上在显微组织上区分开，所述表面层部分可以包含回火奥氏体作为基体组织，以及所述中心部分可以包含贝氏体铁素体作为基体组织。

Description

具有优异的冷弯性的高强度结构钢及其制造方法
技术领域
本公开内容涉及高强度结构钢及其制造方法，更特别地，涉及通过优化钢组成、显微组织和制造方法而特别适合用于冷弯加工的高强度结构钢及其制造方法。
背景技术
与近来增加建筑结构、运输用钢管、桥梁等的尺寸的趋势一致，对于开发抗拉强度为800MPa或更大的高强度结构钢的需求增加。在相关技术中，为了满足这样的高强度特性，通过应用热处理方法例如淬火-回火来生产钢，但是近来，出于降低生产成本、确保可焊性等的原因，通过在轧制后进行冷却而生产的钢已经取代了现有的热处理钢。
在通过在轧制后进行冷却而生产的钢的情况下，由于较细的组织而提高了冲击韧性，但是由于过度冷却，在从钢板的表面层起的厚度方向上形成延伸性能较差的组织例如贝氏体或马氏体，因此整个钢的延伸率显著降低。钢的延伸率的这种降低在钢的加工中起到技术限制的作用。详细地，如图1所示，在对通过轧制后进行冷却而生产的钢进行冷弯的情况下，相对最大塑性出现在钢的加工部分的表面上，裂纹(C)从钢的表面起沿着厚度方向上出现在钢的加工部分的表面中。因此，迫切需要开发具有高强度特性并且即使通过例如冷弯等的加工也可以积极地抑制加工部分的表面中裂纹的出现的结构钢。
专利文献1提出用于使钢材的表面层晶粒细化的技术，但表面层主要由等轴铁素体晶粒和细长的铁素体晶粒构成，存在的问题是该技术不能应用于抗拉强度为800MPa或更大的高强度钢。此外，在专利文献1中，为了使表面层细化，轧制过程应实质上在表面层的热回收处理中途进行，这导致难以控制轧制过程。
(现有技术文献)
(专利文献1)日本专利特许公开第2002-020835号(2002年1月23日公开)
发明内容
技术问题
根据本公开内容的一个方面，可以提供具有优异的冷弯性的高强度结构钢及其制造方法。
本公开内容的主题不限于以上描述。本领域技术人员从本说明书的一般内容中将不难理解本公开内容的另外的主题。
技术方案
根据本公开内容的一个方面，具有优异的冷弯性的高强度结构钢按重量％计包含：0.02％至0.1％的C、0.01％至0.6％的Si、1.7％至2.5％的Mn、0.005％至0.5％的Al、0.02％或更小的P、0.01％或更小的S、0.0015％至0.015％的N、余量的Fe和其他不可避免的杂质，其中高强度结构钢在厚度方向上在显微组织上分成外部的表面层部分和内部的中心部分，其中表面层部分包含回火贝氏体作为基体组织，以及中心部分包含贝氏体铁素体作为基体组织。
表面层部分可以包括在钢的上侧上的上表面层部分和在钢的下侧上的下表面层部分，上表面层部分和下表面层部分各自的厚度可以为钢的厚度的3％至10％。
表面层部分还可以包含新鲜马氏体作为第二组织，回火贝氏体和新鲜马氏体可以以95面积％或更大的分数包含在表面层部分中。
表面层部分还可以包含奥氏体作为残余组织，奥氏体可以以5面积％或更小的分数包含在表面层部分中。
贝氏体铁素体可以以95面积％或更大的分数包含在中心部分中。
表面层部分的显微组织的平均晶粒尺寸可以为3μm或更小(不包括0μm)。
中心部分的显微组织的平均晶粒尺寸可以为5μm至20μm。
具有优异的冷弯性的高强度结构钢按重量％计还可以包含以下中的一者或两者或更多者：Ni：0.01％至2.0％、Cu：0.01％至1.0％、Cr：0.05％至1.0％、Mo：0.01％至1.0％、Ti：0.005％至0.1％、Nb：0.005％至0.1％、V：0.005％至0.3％、B：0.0005％至0.004％、和Ca：0.006％或更小。
所述钢的抗拉强度可以为800MPa或更大，以及表面层部分的高角度晶界(即大角度晶界)分数可以为45％或更大。
在冷弯测试中，其中应用复数个具有不同尖端曲率半径(r)的冷弯夹具以将所述钢冷弯180°，然后观察所述钢的表面层部分中是否出现裂纹，以及应用冷弯夹具使得尖端曲率半径(r)顺序减小，临界曲率比(r/t)可以为1.0或更小，临界曲率比(r/t)是在所述钢的表面层部分中出现裂纹时冷弯夹具的尖端曲率半径(r)相对于所述钢的厚度(t)的比率。
根据本公开内容的一个方面，制造具有优异的冷弯性的高强度结构钢的方法包括：在1050℃至1250℃范围内的温度下将板坯再加热，板坯按重量％计包含：0.02％至0.1％的C、0.01％至0.6％的Si、1.7％至2.5％的Mn、0.005％至0.5％的Al、0.02％或更小的P、0.01％或更小的S、0.0015％至0.015％的N、余量的Fe和其他不可避免的杂质，将板坯在Tnr℃至1150℃的温度范围内粗轧以提供经粗轧的棒材，将经粗轧的棒材以5℃/秒或更大的冷却速率一次冷却至Ms℃至Bs℃范围内的温度，将经一次冷却的经粗轧的棒材的表面层部分保持为通过热回收再加热至(Ac1+40℃)至(Ac3-5℃)范围内的温度，对经受了热回收处理的经粗轧的棒材进行精轧，以及将精轧钢以5℃/秒或更大的冷却速率二次冷却至Bf℃或更低的温度。
板坯按重量％计还可以包含以下中的一者或两者或更多者：Ni：0.01％至2.0％、Cu：0.01％至1.0％、Cr：0.05％至1.0％、Mo：0.01％至1.0％、Ti：0.005％至0.1％、Nb：0.005％至0.1％、V：0.005％至0.3％、B：0.0005％至0.004％、和Ca：0.006％或更小。
可以通过在粗轧后立即水冷却将经粗轧的棒材一次冷却。
基于经粗轧的棒材的表面层部分的温度，一次冷却可以在Ae3+100℃或更低的温度下开始。
可以将经粗轧的棒材在Bs℃至Tnr℃的温度范围内精轧。
解决以上问题的手段并非本公开内容的所有特征，参照以下的具体实施方案，将更详细地理解本公开内容的各种特征及其优点和效果。
有益效果
根据一个示例性实施方案，可以提供具有优异的冷弯性同时具有800MPa或更大的抗拉强度的高强度特性的结构钢及其制造方法。
附图说明
图1是相关技术材料的图像，其中通过冷弯在加工部分的表面中产生裂纹。
图2是根据本公开内容的一个示例性实施方案的钢样品的截面的图像。
图3是观察图2的样品的上表面层部分(A)和中心部分(B)的显微组织的图像。
图4是示意性地示出冷弯测试的一个实例的图。
图5是示意性地示出用于实施根据本公开内容的一个示例性实施方案的制造方法的设备的一个实例的图。
图6提供了示意性地示出根据本公开内容的一个示例性实施方案的通过热回收处理的表面层部分的显微组织的变化的概念图。
图7是通过实验测量表面层部分的达到热回收处理的温度、高角度晶界分数和临界弯曲比(r/t)之间的关系而提供的图。
图8是样品B-1和样品B-4在弯曲比(r/t)为0.3的条件下在其上进行冷弯之后的截面观察图像。
具体实施方式
本公开内容涉及具有优异的冷弯性的高强度结构钢及其制造方法，在下文中，将描述本公开内容的示例性实施方案。本公开内容的实施方案可以以各种形式修改，并且本公开内容的范围不应被解释为限于以下描述的实施方案。提供实施方案是为了向本公开内容所属领域的普通技术人员进一步详述本公开内容。
在下文中，将更详细地描述根据本公开内容的一个示例性实施方案的钢组成。在下文中，除非另有说明，否则％和ppm表示各元素的含量基于重量。
根据本公开内容的一个示例性实施方案的具有优异的冷弯性的高强度结构钢按重量％计可以包含：0.02％至0.1％的C、0.01％至0.6％的Si、1.7％至2.5％的Mn、0.005％至0.5％的Al、0.02％或更小的P、0.01％或更小的S、0.0015％至0.015％的N、余量的Fe和其他不可避免的杂质。此外，根据本公开内容的一个示例性实施方案的具有优异的冷弯性的高强度结构钢按重量％计还可以包含以下中的一者或两者或更多者：Ni：0.01％至2.0％、Cu：0.01％至1.0％、Cr：0.05％至1.0％、Mo：0.01％至1.0％、Ti：0.005％至0.1％、Nb：0.005％至0.1％、V：0.005％至0.3％、B：0.0005％至0.004％、和Ca：0.006％或更小。
碳(C)：0.02％至0.10％
在本公开内容中，碳(C)是用于确保淬透性的重要元素。此外，在本发明中，碳(C)也是显著影响贝氏体铁素体组织形成的元素。因此，为了获得该效果，碳(C)需要在适当的范围内包含在钢中，并且在本公开内容中，可以将碳(C)含量的下限限制为0.02％。然而，如果碳(C)含量超过预定范围，则钢材的低温韧性降低，因此，在本公开内容中，碳(C)含量的上限可以限制为0.10％。因此，本公开内容中的碳(C)含量可以为0.02％至0.10％。此外，在为焊接结构提供的钢材的情况下，在确保可焊性方面，可以更优选将碳(C)含量的范围限制为0.03％至0.08％。
硅(Si)：0.01％至0.6％
硅(Si)是用作脱氧剂的元素，并且是有助于提高强度并提高韧性的元素。因此，在本公开内容的一个示例性实施方案中，为了获得这样的效果，可以将硅(Si)含量的下限限制为0.01％。硅(Si)含量的优选的下限可以为0.05％，以及硅(Si)含量的更优选的下限可以为0.1％。然而，如果硅(Si)的含量过度添加，则低温韧性和可焊性可能劣化，因此，在本公开内容中，可以将硅(Si)含量的上限限制为0.6％。硅(Si)含量的优选的上限可以为0.5％，更优选地，硅(Si)含量的上限可以为0.45％。
锰(Mn)：1.7％至2.5％
锰(Mn)是通过固溶强化有用于提高强度的元素，也是可以经济地提高淬透性的元素。因此，在本公开内容的一个示例性实施方案中，为了获得这样的效果，可以将锰(Mn)含量的下限限制为1.7％。锰(Mn)含量的优选的下限可以为1.72％，并且锰(Mn)含量的更优选的下限可以为1.75％。然而，如果锰(Mn)过量添加，则焊缝的韧性可能由于淬透性的过度增加而大大降低。因此，在本公开内容中，锰(Mn)含量的上限可以限制为2.5％。锰(Mn)含量的优选的上限可以为2.4％，更优选地，锰(Mn)含量的上限可以为2.35％。
铝(Al)：0.005％至0.5％
铝(Al)是可以经济地将钢水脱氧的代表性脱氧剂，并且是有助于提高钢材强度的元素。因此，在本公开内容的一个示例性实施方案中，为了获得该效果，可以将铝(Al)含量的下限限制为0.005％。铝(Al)含量的下限可以优选为0.01％，更优选地，铝(Al)含量的下限可以限制为0.015％。然而，如果铝(Al)过量添加，则在连续铸造期间可能导致连续铸造水口的堵塞，因此，在本公开内容的一个示例性实施方案中，可以将铝(Al)含量的上限限制为0.5％。优选地，铝(Al)含量的上限可以为0.3％，更优选地，铝(Al)含量的上限可以为0.1％。
磷(P)：0.02％或更小
磷(P)是有助于提高强度并提高耐腐蚀性的元素，但可以优选将其含量保持尽可能低，因为磷可能极大地损害冲击韧性。因此，在本公开内容的一个示例性实施方案中的磷(P)含量可以为0.02％或更小，并且更优选地，磷(P)含量可以为0.15％或更小。
硫(S)：0.01％或更小
硫(S)是通过形成例如MnS等的非金属夹杂物而极大地抑制冲击韧性的元素，因此，可以优选保持含量尽可能低。因此，在本公开内容中，可以将硫(S)含量的上限限制为0.01％，并且硫(S)含量的上限可以更优选为0.005％。然而，硫(S)是在炼钢过程中不可避免地引入的杂质，从经济的观点出发，将其量控制为低于0.001％的水平是不期望的。
氮(N)：0.0015％至0.015％
氮(N)是有助于提高钢材强度的元素。然而，如果添加量过多，则钢材的韧性大大降低，因此，在本公开内容的一个示例性实施方案中，氮(N)含量的上限可以限制为0.015％。氮(N)含量的上限可以优选为0.012％。然而，氮(N)是在炼钢过程中不可避免地引入的杂质，从经济的观点出发，将氮(N)含量控制为低于0.0015％的水平是不期望的。
镍(Ni)：0.01％至2.0％
镍(Ni)是几乎唯一能够同时提高基材的强度和韧性的元素，在本公开内容的一个示例性实施方案中，为了获得该效果，可以将镍(Ni)含量的下限限制为0.01％。镍(Ni)含量的优选的下限可以为0.03％，并且镍(Ni)含量的更优选的下限可以为0.05％。然而，镍(Ni)是昂贵的元素，过量添加在经济效率方面不是优选的，如果镍(Ni)的量过多，则可焊性可能劣化。因此，在本公开内容的一个示例性实施方案中，可以将镍(Ni)含量的上限限制为2.0％。镍(Ni)含量的上限可以优选为1.5％，镍(Ni)含量的上限可以更优选为1.2％。
铜(Cu)：0.01％至1.0％
铜(Cu)是有助于强度提高同时显著减少基材韧性的下降的元素。因此，在本公开内容的一个示例性实施方案中，为了获得该效果，可以将铜(Cu)含量的下限限制为0.01％。铜(Cu)含量的优选的下限可以为0.02％，并且铜(Cu)含量的更优选的下限可以为0.03％。然而，如果铜(Cu)的量过多，则可能损害最终产品表面的品质。在本公开内容中，可以将铜(Cu)含量的上限限制为1.0％。铜(Cu)含量的上限可以优选为0.8％，并且铜(Cu)含量的上限可以更优选为0.6％。
铬(Cr)：0.05％至1.0％
由于铬(Cr)是通过提高淬透性而有效地有助于提高强度的元素，因此在本公开内容的一个示例性实施方案中，为了获得该效果，可以将铬(Cr)含量的下限限制为0.05％。铬(Cr)含量的下限可以优选为0.06％。然而，如果铬(Cr)的含量过多，则可焊性可能大大劣化，因此，在本公开内容的一个示例性实施方案中，铬(Cr)含量的上限可以限制为1.0％。铬(Cr)含量的上限可以优选为0.8％，并且铬(Cr)含量的上限可以更优选为0.6％。
钼(Mo)：0.01％至1.0％
钼(Mo)是在仅少量添加的情况下极大提高淬透性的元素，并且钼抑制铁素体的生成，从而大大提高钢材的强度。因此，在本公开内容的一个示例性实施方案中，为了获得该效果，可以将钼(Mo)含量的下限限制为0.01％。钼(Mo)含量的优选的下限可以为0.012％，并且钼(Mo)含量的更优选的下限可以为0.014％。然而，如果钼(Mo)的含量过多，则焊缝的硬度可能过度增加，因此，在本公开内容的一个示例性实施方案中，钼(Mo)含量的上限可以限制为1.0％。钼(Mo)含量的上限可以优选为0.7％，并且钼(Mo)含量的上限可以更优选为0.5％。
钛(Ti)：0.005％至0.1％
钛(Ti)是通过在再加热期间抑制晶粒的生长而大大提高低温韧性的元素。因此，在本公开内容的一个示例性实施方案中，为了获得该效果，可以将钛(Ti)含量的下限限制为0.005％。钛(Ti)含量的优选的下限可以为0.007％，并且钛(Ti)含量的更优选的下限可以为0.009％。然而，如果钛(Ti)的含量过度添加，则可能出现例如由于中心部分中的结晶导致低温韧性降低或者连续铸造水口堵塞的问题。因此，在本公开内容的一个示例性实施方案中，可以将钛(Ti)含量的上限限制为0.1％。钛(Ti)含量的优选的上限可以为0.08％，并且钛(Ti)含量的更优选的上限可以为0.06％。
铌(Nb)：0.005％至0.1％
铌(Nb)是TMCP钢的制造中的一种重要元素，也是通过以碳化物或氮化物的形式析出而极大地有助于提高基材和焊缝的强度的元素。此外，在板坯再加热期间溶解的铌(Nb)抑制了奥氏体的再结晶，并抑制了铁素体和贝氏体的转变以使组织细化，在本公开内容的一个示例性实施方案中，铌(Nb)含量的下限可以为0.005％。铌(Nb)含量的优选的下限可以为0.01％，铌(Nb)含量的更优选的下限可以为0.015％。然而，如果铌(Nb)的含量过多，则产生粗大的析出物，从而在钢材的角产生脆性裂纹，因此，可以将铌(Nb)含量的上限限制为0.1％。铌(Nb)含量的上限可以优选为0.08％，并且铌(Nb)含量的上限可以更优选为0.06％。
钒(V)：0.005％至0.3％
钒(V)具有比其他合金组成更低的固溶温度，并且其为能够通过在焊接热影响区中析出而防止焊缝强度降低的元素。因此，在本公开内容的一个示例性实施方案中，为了获得该效果，可以将钒(V)含量的下限限制为0.005％。钒(V)含量的优选的下限可以为0.008％，并且钒(V)含量的更优选的下限可以为0.01％。然而，如果钒(V)过量添加，则存在钢材的韧性劣化的问题，因此，在本公开内容的一个示例性实施方案中，可以将钒(V)含量的上限限制为0.3％。钒(V)含量的优选的上限可以为0.28％，并且钒(V)含量的更优选的上限可以为0.25％。
硼(B)：0.0005％至0.004％
硼(B)是廉价的添加元素，但是其为即使在少量添加的情况下也可以有效提高淬透性的有益元素。此外，在本公开内容中，由于硼(B)是即使在粗轧后进行冷却时的低速冷却条件下也大大有助于贝氏体的形成的元素，因此在本公开内容的一个示例性实施方案中，可以将硼(B)含量的下限限制为0.0005％。硼(B)含量的优选的下限可以为0.0008％，并且硼(B)含量的更优选的下限可以为0.001％。然而，如果硼(B)过量添加，则形成Fe23(CB)6，这反而降低了淬透性，并且显著降低低温韧性，因此，在本公开内容的一个示例性实施方案中，可以将硼(B)含量的上限限制为0.004％。硼(B)含量的上限可以优选为0.0035％，并且硼(B)含量的上限可以更优选为0.003％。
钙(Ca)：0.006％或更小
钙(Ca)主要用作控制非金属夹杂物例如MnS等的形状并提高低温韧性的元素。然而，过量添加钙(Ca)导致大量的CaO-CaS形成，并由于合并而形成粗大的夹杂物，因此可能出现例如钢的清洁度降低、现场可焊性降低的问题。因此，在本公开内容的一个示例性实施方案中，可以将钙(Ca)含量的上限限制为0.006％，更优选地，钙(Ca)含量的上限可以为0.004％。
在本公开内容的一个示例性实施方案中，除了上述钢组成之外，剩余部分可以包含Fe和不可避免的杂质。不可避免的杂质可能在通常的钢制造过程中无意地并入，并且无法完全排除其混入，普通的钢制造领域中的技术人员可以容易地理解该含义。此外，本公开内容不完全排除添加除上述钢组成以外的组成。
根据本公开内容的一个示例性实施方案的具有优异的冷弯性的高强度结构钢在厚度方面没有特别限制，但是可以优选为厚度为10mm或更大的结构厚钢，并且可以更优选为厚度为20mm至100mm的结构厚钢。
在下文中，将更详细地描述根据本公开内容的一个示例性实施方案的显微组织。
根据本公开内容的一个示例性实施方案的具有优异的冷弯性的高强度结构钢可以分为在钢材表面上的表面层部分和位于表面层部分之间的中心部分，其在钢材的厚度方向上在显微组织上进行区分。表面层部分可以分为钢材的上侧中的上表面层部分和钢材的下侧中的下表面层部分。上表面层部分和下表面层部分各自的厚度可以为钢材的厚度t的3％至10％的水平。
表面层部分可以包含回火贝氏体作为基体组织、以及分别包含新鲜马氏体和奥氏体作为第二组织和余量组织。由表面层部分内的回火贝氏体和新鲜马氏体所占的分数可以为95面积％或更大，由表面层部分内的奥氏体组织所占的分数可以为5面积％或更小。由表面层部分中的奥氏体组织所占的分数也可以为0面积％。
中心部分可以包含贝氏体铁素体作为基体组织，由中心部分中的贝氏体铁素体所占的分数可以为95面积％或更大。在确保所需的强度方面，贝氏体铁素体的更优选的分数可以为98面积％或更大。
表面层部分的显微组织的平均晶粒尺寸可以为3μm或更小(不包括0μm)，以及中心部分的显微组织的平均晶粒尺寸可以为5μm至20μm。在这种情况下，表面层部分的显微组织的平均晶粒尺寸可以表明其中回火贝氏体、新鲜马氏体和奥氏体各自的平均晶粒尺寸为3μm或更小(不包括0μm)的情况，中心部分的显微组织的平均晶粒尺寸可以表明其中贝氏体铁素体的平均晶粒尺寸为5μm至20μm的情况。更详细地，中心部分的显微组织的平均晶粒尺寸可以为10μm至20μm。
图2是根据本公开内容的一个实施方案的钢样品的截面的图像。如图2所示，根据本公开内容的一个实施方案的钢样品分成在其上表面侧和下表面侧上的上表面层部分和下表面层部分(A，A')，以及在上表面层部分与下表面层部分(A，A')之间的中心部分(B)，可以看出，上表面层部分和下表面层部分(A，A')与中心部分(B)之间的边界清晰地形成，足以用肉眼看到。例如，可以看出，根据本公开内容的一个示例性实施方案的钢材的上表面层部分和下表面层部分(A，A')与中心部分(B)在显微组织上是有明显区别的。
图3是观察图2的样品的上表面层部分(A)和中心部分(B)的显微组织的图像。图3(a)和3(b)是用扫描电子显微镜(SEM)观察样品的上表面层部分(A)的图像，以及对于样品的上表面层部分(A)使用EBSD成像的高角度晶界图。图3(c)和3(d)是用扫描电子显微镜(SEM)观察样品的中心部分(B)的图像，以及对于样品的上表面层部分(A)使用EBSD成像的高角度晶界图。如图3(a)至3(d)所示，可以看出上表面层部分(A)包含平均晶粒尺寸为约3μm或更小的回火贝氏体和新鲜马氏体，而中心部分(B)包含平均晶粒尺寸为约15μm的贝氏体铁素体。
根据本公开内容的一个示例性实施方案的具有优异的冷弯性的高强度结构钢具有在显微组织上有区别的表面层部分和中心部分，在这种情况下，中心部分包含贝氏体铁素体作为基体组织，并且因此，可以以800MPa或更大的抗拉强度有效地确保高强度特性。
此外，根据本公开内容的一个示例性实施方案的具有优异的冷弯性的高强度结构钢包括以显微组织区分的表面层部分和中心部分，在这种情况下，晶粒相对细粒化的表面层部分包含回火贝氏体作为基体组织，并包含新鲜马氏体作为第二组织，并且可以确保45％或更大的高角度晶界分数，从而确保优异的冷弯性。
冷弯性的评估可以通过以下冷弯测试获得。图4是示意性地示出冷弯测试的一个实例的图。如图4所示，提供了冷弯夹具100的尖端以便压缩到钢材110的表面以将钢材110冷弯180°，钢材110的冷弯性可以基于钢材110的经冷弯加工的部分侧的表面上是否出现裂纹来评估。例如，通过使用具有不同尖端曲率半径(r)的冷弯夹具100，可以对用相同组成和制造方法制造的复数个样品进行180°冷弯，在这种情况下，冷弯可以以尖端部分的曲率半径(r)顺序减小的方式进行。因此，冷弯性可以基于在样品的经加工的部分侧的表面上是否出现裂纹来评估。此时，在出现裂纹的时间点，计算临界曲率比(r/t)，其为冷弯夹具的尖端曲率半径(r)相对于样品的厚度(t)的比率。可以理解，计算出的临界曲率比(r/t)越低，则即使在严苛的冷弯条件下也更积极地抑制钢材的表面裂纹的出现。因此，根据本公开内容的一个示例性实施方案的具有优异的冷弯性的高强度结构钢的临界曲率比(r/t)为1.0或更小，从而确保了优异的冷弯性。优选的临界曲率比(r/t)可以为0.5或更小，更优选的临界曲率比(r/t)可以为0.4或更小。
在下文中，将更详细地描述根据一个示例性实施方案的制造高强度结构钢的方法。
板坯的再加热
由于本公开内容的制造方法中提供的板坯具有对应于上述钢材的钢组成的钢组成，因此通过上述钢材的钢组成的描述来替代板坯的钢组成的描述。
可以将用上述钢组成制造的板坯在1050℃至1250℃范围内的温度下再加热。为了使在铸造期间形成的Ti和Nb的碳氮化物充分固溶，可以将板坯的再加热温度的下限限制为1050℃。然而，如果再加热温度过高，则存在奥氏体可能变得粗大的问题，并且在粗轧后花费过多的时间使经粗轧的棒材的表面层温度达到一次冷却起始温度，因此再加热温度的上限可以限制为1250℃。
粗轧
再加热后可以进行粗轧以调节板坯形状并破坏例如枝晶的铸造组织。为了控制显微组织，粗轧可以优选在奥氏体的再结晶停止的温度(Tnr，℃)或更高下进行，考虑到一次冷却的冷却起始温度，粗轧温度的上限可以优选限制为1150℃。因此，本公开内容中的粗轧温度可以在Tnr℃至1150℃的范围内。此外，本公开内容中的粗轧可以在20％至70％的累积压下率的条件下进行。
一次冷却
在粗轧结束后，可以进行一次冷却以在经粗轧的棒材的表面层部分上形成板条贝氏体。一次冷却的优选冷却速率可以为5℃/秒或更大，并且一次冷却的优选冷却到达温度可以在Ms℃至Bs℃的温度范围内。如果一次冷却的冷却速率低于某一水平，则在表面层部分上形成多边形铁素体或粒状贝氏体组织而不是板条贝氏体组织。因此，在本公开内容中，一次冷却的冷却速率可以限制为5℃/秒或更大。此外，一次冷却的冷却方法没有特别限制，但是在冷却效率方面，可以更优选水冷却。另一方面，如果一次冷却的冷却起始温度过高，则存在通过一次冷却形成在表面层部分上的板条贝氏体组织可能变得粗大的可能性。因此，一次冷却的起始温度可以限制为Ae3+100℃或更低。
为了显著提高热回收处理的效果，本公开内容中的一次冷却可以优选在粗轧后立即进行。图5是示意性地示出用于实施本公开内容中的制造方法的设备1的一个实例的图。沿板坯5的移动路径顺序设置有粗轧机10、冷却装置20、热回收处理台30和精轧机40，粗轧机10和精轧机40分别提供有粗轧辊12a和12b以及精轧辊42a和42b，以进行板坯5和经粗轧的棒材5'的轧制。冷却装置20可以包括能够喷洒冷却水的棒状冷却器25和引导经粗轧的棒材5'移动的辅助辊22。在显著提高再加热处理效果方面，可以更优选在粗轧机10之后立即设置棒状冷却器25。热回收处理台30设置在冷却装置20的后方，可以使经粗轧的棒材5'在沿着辅助辊32移动的同时被热回收处理。在热回收处理后可以将经粗轧的棒材5'移动到精轧机40进行精轧。以上，基于图5描述了根据本公开内容的一个示例性实施方案的用于制造具有优异的冷弯性的高强度结构钢的设备，但上述设备1仅是用于实施本公开内容的设备的一个实例。因此，本公开内容中的钢不必解释为通过图5中示出的设备1制造。
热回收处理
在一次冷却之后，可以进行这样的热回收处理：其中经粗轧的棒材的表面层侧通过在经粗轧的棒材的中心部分侧的高热量被再加热。可以进行热回收处理直到经粗轧的棒材的表面层部分的温度达到(Ac1+40℃)至(Ac3-5℃)的温度范围。通过热回收处理，可以使表面层部分中的板条贝氏体转变为细的回火贝氏体和新鲜马氏体组织，以及表面层部分中的一部分板条贝氏体可能逆转变为奥氏体。
图6是示意性地示出在本公开内容中通过热回收处理的表面层部分的显微组织的变化的概念图。
如图6(a)所示，紧接在一次冷却之后的表面层部分的显微组织可以由板条贝氏体组织形成。如图6(b)所示，随着热回收处理进行，表面层部分中的板条贝氏体转变为回火贝氏体组织，在表面层部分中的一部分板条贝氏体可以逆转变为奥氏体。通过在热回收处理后进行精轧和二次冷却，如图6(c)所示，可以形成回火贝氏体和新鲜马氏体的两相混合组织，并且可以保留一些奥氏体组织。
图7是通过实验测量达到热回收处理的温度、表面层部分的高角度晶界分数和临界弯曲比(r/t)之间的关系而提供的图。在图7的测试中，在满足本公开内容的合金组成和制造方法的条件下制造样品，但是通过改变再加热处理期间的再加热处理到达的温度来进行实验。在这种情况下，通过使用EBSD测量具有15度或更大的方位角差的高角度晶界的分数来评估高角度晶界分数，以及根据上述方法评估临界弯曲比(r/t)。如图7所示，如果表面层部分上的到达温度低于(Ac1+40℃)，则可以看出15度或更大的高角度晶界没有充分形成，以及临界弯曲比(r/t)超过1.0。此外，如果表面层部分上的到达温度超过(Ac3-5℃)，则可以确认15度或更大的高角度晶界没有充分形成，因此临界弯曲比(r/t)超过1.0。因此，在本公开内容中，在热回收处理期间表面层部分上的到达温度可以优选限制为(Ac1+40℃)至(Ac3-5℃)的温度范围内，使得表面层组织细化，以及15°或更大的高角度晶界分数为45％或更大，临界弯曲比(r/t)为1.0或更小。
精轧
进行精轧以将不均匀的显微组织引入到经粗轧的棒材的奥氏体组织中。精轧可以在贝氏体转变起始温度(Bs)或更高且奥氏体再结晶温度(Tnr)或更低的温度范围内进行。
二次冷却
精轧后，可以进行二次冷却以在钢材的中心部分形成贝氏体铁素体。二次冷却的优选冷却速率可以为5℃/秒或更大，并且二次冷却的优选冷却到达温度可以为Bf℃或更低。二次冷却的冷却方法也没有特别限制，但在冷却效率方面，可以优选水冷却。如果二次冷却的冷却到达温度超过预定范围或冷却速率未达到一定水平，则在钢材的中心部分形成粒状铁素体，从而导致强度降低。因此，本公开内容中的二次冷却的冷却到达温度可以限制为Bf℃或更低，冷却速率可以限制为5℃/秒或更大。
(附图标记说明)
1：钢制造设备，10：粗轧机，12a、12b：粗轧辊
20：冷却装置，22：辅助辊，25：棒状冷却器
30：热回收处理台，32：辅助辊，40：精轧机
42a、42b：精轧辊，100：冷弯夹具，110：钢材
发明实施方式
在下文中，将通过具体实施例更详细地描述本公开内容的示例性实施方案。
(实施例)
制备具有表1的钢组成的板坯，基于表1的钢组成计算转变温度并在表2中示出。在下表1中，硼(B)、氮(N)和钙(Ca)的含量基于ppm。
表1
Figure BDA0003121369760000161
表2
Figure BDA0003121369760000171
具有表1的组成的板坯在下表3的条件下经受粗轧、一次冷却和热回收处理，并在表4的条件下进行精轧和二次冷却。在表3和表4的条件下制造的钢的评估结果在下表中5示出。
对于每种钢，测量了表面层部分的平均晶粒尺寸、表面层部分的高角度晶界分数、机械特性和临界弯曲比(r/t)。其中，晶粒尺寸和高角度晶界分数通过电子背散射衍射(EBSD)法用0.5m的步长测量500m*500m的区域来测量，并基于此，产生了与相邻颗粒的晶体取向差为15度或更大的晶界图，并基于此评估平均晶粒尺寸和高角度晶界分数。通过在板的宽度方向上对三个测试件进行拉伸测试来获得平均值，从而评估屈服强度(YS)和抗拉强度(TS)，临界弯曲比(r/t)通过上述冷弯测试来评估。
表3
Figure BDA0003121369760000181
表4
Figure BDA0003121369760000191
表5
Figure BDA0003121369760000201
钢种A、B、C、D和E是满足本公开内容的合金组成的钢。其中，在满足本公开内容的加工条件的A-1、A-2、A-3、B-1、B-2、B-3、C-1、C-2、D-1、D-2、E-1和E-2中，可以确认表面层部分的高角度晶界分数满足45％或更大，表面层部分的平均晶粒尺寸满足3μm或更小，抗拉强度满足800MPa或更大，以及临界弯曲比(r/t)满足1.0或更小。
在其中本公开内容的合金组成得到满足但热回收处理温度超过本公开内容的范围的A-4、B-4、C-3和D-3的情况下，可以看出表面层部分的高角度晶界分数小于45％，表面层部分的平均晶粒尺寸超过3μm，临界弯曲比(r/t)超过1.0。这是因为钢的表面层部分被加热到高于两相区温度的温度，使得表面层部分的组织全部逆转变为奥氏体，因此表面层部分的最终组织由板条贝氏体形成。
图8(a)和8(b)是对B-1在弯曲比(r/t)为0.3的条件下进行冷弯后的表面层部分的截面图像和放大光学图像，图8(c)和8(d)是对B-4在弯曲比(r/t)为0.3的条件下进行冷弯后的表面层部分的截面图像和放大光学图像。如图8(a)至图8(d)所示，在满足本公开内容的合金组成和加工条件的B-1的情况下，在加工部分的表面上未出现裂纹，而在不满足本公开内容的加工条件的B-3的情况下，可以确认在加工部分的表面上出现了裂纹(C)。
在其中本公开内容的合金组成得到满足但热回收处理温度未达到本公开内容的范围的A-5、B-5、C-4、和D-4的情况下，可以看出表面层部分的高角度晶界分数小于45％，表面层部分的平均晶粒尺寸超过3μm，以及临界弯曲比(r/t)超过1.0。这是因为钢的表面层部分在一次冷却期间过度冷却，以及表面层部分中的逆转变奥氏体未充分形成。
在其中本公开内容的合金组成得到满足，但二次冷却的冷却结束温度超出本公开内容的范围的A-6、B-5、和C-5的情况下，或者在其中二次冷却的冷却速率没有达到本公开内容的范围的E-3的情况下，可以看出抗拉强度降低到小于800MPa的水平，无法确保所需的高强度特性。此外，在其中满足本公开内容的合金组成和加工条件的A-1、A-2、A-3、B-1、B-2、B-3、C-1、C-2、D-1、D-2、E-1和E-2的情况下，作为观察各样品的中心显微组织的结果，在中心部分形成贝氏体铁素体，而在不满足本公开内容的二次冷却条件的A-6、B-5、C-5和E-3的情况下，确认粒状铁素体形成为基体组织。例如，可以看出，为了确保本公开内容所需的高强度特性，中心部分的基体组织由贝氏体铁素体形成是有效的。
在不满足本公开内容的合金组成的F-1、G-1、H-1和I-1的情况下，可以看出本公开内容的加工条件得到满足，但是抗拉强度为小于800MPa的水平，并且不能确保本公开内容中所需的高强度特性。
因此，在满足本公开内容的合金组成和加工条件的实施例的情况下，可以看出，确保了800MPa或更大的抗拉强度的高强度特性以及与此同时确保了1.0或更小的临界弯曲比(r/t)的优异的冷弯性。
尽管已经通过以上的实施例详细描述了本公开内容，但是其他类型的实施例也是可能的。因此，所附权利要求阐述的技术精神和范围不限于实施方案和实施例。

Claims (9)

1.一种具有优异的冷弯性的高强度结构钢，按重量％计包含：
0.02％至0.1％的C、0.01％至0.6％的Si、1.7％至2.5％的Mn、0.005％至0.5％的Al、0.02％或更小的P、0.01％或更小的S、0.0015％至0.015％的N、余量的Fe和其他不可避免的杂质，
其中所述高强度结构钢按重量％计任选地还包含以下中的一者或两者或更多者：Ni：0.01％至2.0％、Cu：0.01％至1.0％、Cr：0.05％至1.0％、Mo：0.01％至1.0％、Ti：0.005％至0.1％、Nb：0.005％至0.1％、V：0.005％至0.3％、B：0.0005％至0.004％、和Ca：0.006％或更小，
其中所述高强度结构钢在厚度方向上在显微组织上分成外部的表面层部分和内部的中心部分，
其中所述表面层部分包含回火贝氏体作为基体组织以及新鲜马氏体作为第二组织，其中所述回火贝氏体和所述新鲜马氏体以95面积％或更大的分数包含在所述表面层部分中，其中所述表面层部分包含奥氏体作为残余组织，所述奥氏体以5面积％或更小的分数包含在所述表面层部分中，以及
其中所述中心部分包含贝氏体铁素体作为基体组织，
其中所述表面层部分包括在所述钢的上侧上的上表面层部分和在所述钢的下侧上的下表面层部分，
其中所述上表面层部分和所述下表面层部分各自的厚度为所述钢的厚度的3％至10％。
2.根据权利要求1所述的具有优异的冷弯性的高强度结构钢，其中所述贝氏体铁素体以95面积％或更大的分数包含在所述中心部分中。
3.根据权利要求1所述的具有优异的冷弯性的高强度结构钢，其中所述表面层部分的显微组织的平均晶粒尺寸为3μm或更小，不包括0μm。
4.根据权利要求1所述的具有优异的冷弯性的高强度结构钢，其中所述中心部分的显微组织的平均晶粒尺寸为5μm至20μm。
5.根据权利要求1所述的具有优异的冷弯性的高强度结构钢，其中所述钢的抗拉强度为800MPa或更大，以及所述表面层部分的高角度晶界分数为45％或更大。
6.根据权利要求1所述的具有优异的冷弯性的高强度结构钢，其中在冷弯测试中，其中应用复数个具有不同尖端曲率半径r的冷弯夹具以将所述钢冷弯180°，然后观察所述钢的所述表面层部分中是否出现裂纹，并且应用所述冷弯夹具使得尖端曲率半径r顺序减小，临界曲率比r/t为1.0或更小，所述临界曲率比r/t是在所述钢的所述表面层部分中出现裂纹时所述冷弯夹具的尖端曲率半径r相对于所述钢的厚度t的比率。
7.一种制造具有优异的冷弯性的高强度结构钢的方法，所述方法包括：
将板坯在1050℃至1250℃范围内的温度下再加热，所述板坯按重量％计包含：0.02％至0.1％的C、0.01％至0.6％的Si、1.7％至2.5％的Mn、0.005％至0.5％的Al、0.02％或更小的P、0.01％或更小的S、0.0015％至0.015％的N、余量的Fe和其他不可避免的杂质，其中所述板坯按重量％计任选地还包含以下中的一者或两者或更多者：Ni：0.01％至2.0％、Cu：0.01％至1.0％、Cr：0.05％至1.0％、Mo：0.01％至1.0％、Ti：0.005％至0.1％、Nb：0.005％至0.1％、V：0.005％至0.3％、B：0.0005％至0.004％、和Ca：0.006％或更小
将所述板坯在Tnr℃至1150℃的温度范围内粗轧以提供经粗轧的棒材，
将所述经粗轧的棒材以5℃/秒或更大的冷却速率一次冷却至Ms℃至Bs℃范围内的温度，
将经一次冷却的经粗轧的棒材的表面层部分保持为通过热回收再加热至(Ac1+40℃)至(Ac3-5℃)范围内的温度，
对经受了热回收处理的经粗轧的棒材进行精轧，以及
将精轧钢以5℃/秒或更大的冷却速率二次冷却至Bf℃或更低的温度，
其中基于所述经粗轧的棒材的所述表面层部分的温度，所述一次冷却在Ae3+100℃或更低的温度下开始，
其中所述高强度结构钢在厚度方向上在显微组织上分成外部的表面层部分和内部的中心部分，
其中所述表面层部分包含回火贝氏体作为基体组织以及新鲜马氏体作为第二组织，其中所述回火贝氏体和所述新鲜马氏体以95面积％或更大的分数包含在所述表面层部分中，其中所述表面层部分包含奥氏体作为残余组织，所述奥氏体以5面积％或更小的分数包含在所述表面层部分中，以及
其中所述中心部分包含贝氏体铁素体作为基体组织。
8.根据权利要求7所述的制造具有优异的冷弯性的高强度结构钢的方法，其中在所述粗轧后立即通过水冷却将所述经粗轧的棒材一次冷却。
9.根据权利要求7所述的制造具有优异的冷弯性的高强度结构钢的方法，其中将所述经粗轧的棒材在Bs℃至Tnr℃的温度范围内精轧。
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