CN113278872B - Vn微合金化工程机械用钢及其制造方法 - Google Patents

Vn微合金化工程机械用钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属冶炼钢领域，具体涉及VN微合金化工程机械用钢及其制造方法。本发明所解决的技术问题是提供VN微合金化工程机械用钢。该钢采用钒氮合金进行VN微合金化，并采用如下制备方法：铁水脱硫、转炉冶炼和LF炉精炼、RH真空精炼后Ca处理，按上述化学成分控制钢水成分，连铸得到板坯，板坯入炉再加热、除磷、粗轧、精轧、层流冷却、卷取，即可。制备的钢板力学性能满足抗拉强度770MPa以上，屈服强度660MPa以上，延伸率15％以上，‑20℃冲击功200J以上，180°冷弯试验d＝2a合格的要求。

Description

VN微合金化工程机械用钢及其制造方法
技术领域
本发明属于金属冶炼钢领域，具体涉及VN微合金化工程机械用钢及其制造方法。
背景技术
近年来，我国经济蓬勃发展，工程建设、基础建设的规模不断扩大，各种现代化大型工业设施，现代化大型石油化工、冶炼、电站及高层建筑的起重、安装逐年增多，对于大吨位起重机需求量也是与日俱增。随着工程机械向大型化、高参数、高效率方面发展，需要越来越多的高强度结构钢，这极大地促进了工程机械用钢的发展。对于工程机械用钢就需要具有高的屈服强度、良好的冷成型性能、优良的耐冲击性能等，因此我国钢铁行业近几年来加快了高强高韧性工程机械用钢的开发。
CN201210119483.8公开了一种高韧性工程机械用钢采用TMCP生产的方法。其组分按重量百分比计：C：0.04～0.07％，Mn：1.60～1.90％，Si：0.25～0.45％，Als：0.015～0.050％，P≤0.015％，S≤0.008％，Nb+Ti：0.06～0.09％，Mo+Cr：0.20～0.40％。采用分段轧制及层流冷却获得屈服强度≥550MPa，抗拉强度≥700MPa，冲击功≥200J的工程机械用钢。
CN201410593263.8公开了一种工程机械用钢板及其生产方法。其组分按重量百分比计：C：0.05～0.09％，Mn：1.5～2.0％，Si：0.05～0.30％，Als：0.015～0.060％，P≤0.025％，S≤0.005％，Nb：0～0.07％，Ti：0.08～0.15％，Mo：0.10～0.30％，N≤0.006％，Ca：0.0010～0.0030％，余量为Fe，钢板厚度为3.0～8.5mm。采用TMCP+热处理工艺，获得屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥850MPa，冲击功≥80J的工程机械用钢。
CN201710312160.3公开了屈服强度690MPa级宽薄工程机械用钢板及其生产方法，其成分重量百分比为：C：0.13～0.15％，Mn：1.65～1.75％，Si：0.35～0.45％，Als：0.017～0.032％，P≤0.015％，S≤0.007％，Nb：0.04～0.05％，Cr：0.35～0.45％，V：0.04～0.06％，B：0.0008～0.0020％，Ti：0.01～0.02％。采用控轧+热处理工艺相结合，获得屈服强度700MPa以上，-20℃冲击功150J以上，延伸率18％以上的成品钢。
现有专利基本采用TMCP或热处理以获得高强工程机械用钢，相比来说热处理制备的工程机械用钢生产成本更高，设备要求更高，且成品钢加工成型性能低于TMCP技术。且现有TMCP技术生产的工程机械用钢多采用V-Ti-Nb-Mo-Cr等微合金化路线，而采用VN微合金化路线生产的工程机械用钢很少。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供VN微合金化工程机械用钢，其化学成分按质量百分比计包括：C：0.07～0.10％，Mn：1.70～1.90％，Si：0.05～0.15％，Mo：0.16～0.20％，V：0.10～0.12％，N：0.0100～0.0120％，P≤0.015％，S≤0.005％，Als：0.010～0.050％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，上述VN微合金化工程机械用钢，其化学成分按质量百分比计包括：C：0.07～0.10％，Mn：1.80～1.90％，Si：0.05～0.15％，Mo：0.18～0.20％，V：0.10～0.12％，N：0.0100～0.0120％，P≤0.015％，S≤0.005％，Als：0.010～0.050％，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，上述VN微合金化工程机械用钢，其化学成分还包括Nb：0.030～0.050％或Ti：0.080～0.100％。
本发明还提供上述VN微合金化工程机械用钢的制造方法，其包括以下步骤：经铁水脱硫、转炉冶炼和LF炉精炼、RH真空精炼后Ca处理，按上述化学成分控制钢水成分，连铸得到板坯，板坯入炉再加热、除磷、粗轧、精轧、层流冷却、卷取，即可。
其中，上述VN微合金化工程机械用钢的制造方法中，所述RH真空精炼中，真空度≤300Pa，处理时间不小于10min。
其中，上述VN微合金化工程机械用钢的制造方法中，在RH真空精炼后采用喂入钒氮合金线进行VN微合金化。根据实际化学成分调节喂线长度。
其中，上述VN微合金化工程机械用钢的制造方法中，连铸得到板坯厚度为200～230mm。
其中，上述VN微合金化工程机械用钢的制造方法中，所述板坯入炉再加热条件为：入炉温度＜400℃，加热温度1220～1260℃，在炉时间200～320min。
其中，上述VN微合金化工程机械用钢的制造方法中，所述粗轧采用5或6道次轧制，单道次轧制变形量≥18％。
其中，上述VN微合金化工程机械用钢的制造方法中，粗轧后得中间板坯厚度为52～60mm。
优选地，粗轧后得中间板坯厚度为54～60mm。
其中，上述VN微合金化工程机械用钢的制造方法中，所述精轧采用6或7道次轧制。
其中，上述VN微合金化工程机械用钢的制造方法中，精轧开轧温度≤1020℃，精轧终轧温度860～910℃。
优选地，精轧开轧温度≤1000℃，精轧终轧温度860～900℃。
其中，上述VN微合金化工程机械用钢的制造方法中，所述层流冷却采用第一段为稀疏冷却，第二段为快速冷却的方式；第一段冷却速率5～20℃/s，冷却至640～680℃后空冷2～4s；第二段冷却速率10～30℃/s，冷却至500～560℃卷取。
优选地，第一段冷却速率5～15℃/s，冷却至640～680℃后空冷3s；第二段冷却速率15～25℃/s，冷却至500～560℃卷取。
有益效果：相比于传统热处理生产的工程机械用钢，本发明提供的钢无需进行热处理，具有生产成本低，设备适应力好，在普通热连轧线上即可生产的特点。本发明采用钒氮合金进行VN微合金化，有利于充分发挥V和N析出强化的效果，是一种合金成本低的生产路线。本发明提供的钢显微组织为铁素体+贝氏体+析出相，钢板力学性能满足抗拉强度770MPa以上，甚至在800MPa级以上，屈服强度660MPa以上，延伸率15％以上，-20℃冲击功200J以上，180°冷弯试验d＝2a合格的要求，兼顾了强度和韧性，且成型性能良好，而传统热处理生产的工程机械用钢显微组织为回火马氏体，由于马氏体强度和硬度较高，因此热处理后的钢成型性能较差。
具体实施方式
VN微合金化工程机械用钢，其化学成分按质量百分比计包括：C：0.07～0.10％，Mn：1.70～1.90％，Si：0.05～0.15％，Mo：0.16～0.20％，V：0.10～0.12％，N：0.0100～0.0120％，P≤0.015％，S≤0.005％，Als：0.010～0.050％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，上述VN微合金化工程机械用钢，其化学成分按质量百分比计包括：C：0.07～0.10％，Mn：1.80～1.90％，Si：0.05～0.15％，Mo：0.18～0.20％，V：0.10～0.12％，N：0.0100～0.0120％，P≤0.015％，S≤0.005％，Als：0.010～0.050％，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，上述VN微合金化工程机械用钢，其化学成分还包括Nb：0.030～0.050％或Ti：0.080～0.100％。
下面对本发明所述钢种的化学成分限制进行说明。
本发明中，C的主要作用是间隙固溶强化和析出强化，以及与Mo、Nb获Ti等合金元素形成碳化物，从而起到沉淀强化作用，因此必须保持一定的C含量，但C含量过高的话会在后续快速冷却时易形成异常组织，导致成分偏析、降低钢的冲击性能。因此本发明将C含量控制在0.07～0.10％。
Mn的主要作用是置换固溶强化和提高塑性，Mn含量偏低会降低钢的强度，Mn含量偏高易造成中心偏析和枝晶偏析，降低钢的冲击韧性。因此将Mn含量控制在1.70～1.90％；优选地，Mn含量为1.80～1.90％。
V的主要作用是与N反应形成VN析出相，通过沉淀强化提高强度，同时精轧阶段高温析出的VN或VC起到钉扎晶界，促进奥氏体再结晶，从而细化晶粒的作用。因此本发明将V含量控制在0.10～0.12％，将N含量控制在0.0100～0.0120％。
Mo的主要作用是提高钢的淬透性，抑制珠光体转变，促进针状铁素体或低碳贝氏体转变，提高微观组织中的位错密度，提高钢的冲击功，提高钢的抗开裂能力，即提高钢的组织均匀性和耐冲击性能。同时，Mo还会促进V、Ti的第二相析出细小弥散化，从而提高钢的强韧性。因此本发明将Mo的含量控制在0.16～0.20％；优选地，Mo的含量控制在0.18～0.20％。
Nb的主要作用是通过固定钢中的C、N元素，形成Nb(CN)第二相析出，钉扎奥氏体晶界，从而细化奥氏体晶粒以及铁素体晶粒，从而提高厚规格钢板表面和心部的组织均匀性，提高冲击功。Ti的主要作用是通过在高温阶段析出的Ti(CN)钉扎晶界从而细化晶粒，以及通过在低温阶段析出的Ti(CN)提高强度。因此本发明要求添加0.030～0.050％的Nb或0.080～0.100％的Ti。
上述VN微合金化工程机械用钢的制造方法，其包括以下步骤：经铁水脱硫、转炉冶炼和LF炉精炼、RH真空精炼后Ca处理，按上述化学成分控制钢水成分，连铸得到板坯，板坯入炉再加热、除磷、粗轧、精轧、层流冷却、卷取，即可。
板坯再加热的主要作用是使合金元素固溶，如果板坯加热温度偏低，会导致成品钢V、Ti、Mo等合金元素未能形成足够的析出相，使得强度偏低，如果板坯加热温度过高，或者入炉温度过高，会导致成品钢微观组织粗大，降低成品钢的冲击功。因此本发明将加热温度1220～1260℃。
粗轧的主要作用是通过奥氏体动态再结晶细化晶粒，粗轧单道次变形量必须大于临界变形量18％，否则易导致钢板中心变形量不足。因此将粗轧单道次变形量控制在≥18％。
精轧的主要作用是通过奥氏体未再结晶变形，为后续的相变提供形核能和形核质点，其中精轧累积变形量或精轧压缩比，即中间坯厚度与成品厚度的比值对成品晶粒尺寸影响最大。中间坯厚度越大，成品晶粒尺寸越小，但是中间坯厚度也不宜过大，因为本发明层流冷却采用中温相变方式，卷取温度设定较低，析出相数量较少，因此想通过促进部分析出相在粗轧过程中析出以提高强度。因此本发明粗轧后得中间坯钢板厚度为52～60mm；优选地，粗轧后得中间坯钢板厚度为54～60mm。
同时，精轧过程必须避开不完全再结晶区，否则易造成混晶组织，工业上一般要求精轧入口温度小于再结晶临界温度。因此本发明将精轧开轧温度设定≤1020℃；优选地，精轧开轧温度≤1000℃。
精轧终轧温度的设定首先要考虑避开两相区，以免引起混晶组织，其次要考虑在可能的情况下尽量提高精轧终轧温度，以减少精轧过程的形变诱导析出，促进层流冷却过程的相间析出和铁素体过饱和析出。因此将精轧终轧温度设定在860～910℃。
层流冷却过程中会发生材料的相变及第二相析出，为提高成品钢冲击性能，将卷取温度设定为500～560℃，冷却速度设定为10～30℃/s，优选地，冷却速率为15～25℃/s，以获得强韧性良好的针状铁素体或低碳贝氏体组织。同时，由于500～560℃对于第二相析出来说温度偏低，会降低析出相数量，因此考虑采用两段式冷却工艺，在第一段冷却速率5～20℃/s，冷却至640～680℃后空冷2～4s；优选地，第一段冷却速率5～15℃/s，冷却至640～680℃后空冷3s，以促进第二相析出，从而同时提高材料的强韧性。
实施例
下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
表1为本发明实施例1～4及对比例1～4的化学成分，表2为本发明实施例1～4及对比例1～4的热轧工艺参数，表3为本发明实施例1～4及对比例1～4钢的力学性能指标。
本发明实施例1～4采用V-N-Mo-Nb或V-N-Mo-Ti成分路线，经热连轧轧制，经过稀疏冷却+快速冷却的层流冷却方式，获得成品钢板，力学性能满足抗拉强度770MPa以上，屈服强度660MPa以上，延伸率15％以上，-20℃冲击功200J以上，180°冷弯试验d＝2a合格的要求。
对比例1化学成分中N含量较低，造成成品钢中VN析出不足，导致屈服强度、抗拉强度偏低。对比例2化学成分中V含量较低，因此钢中存在的大量N元素，与Ti结合形成易导致韧性和塑性降低的粗大TiN颗粒。对比例3和对比例4化学成分基本符合本发明要求。但是对比例3层流冷却速率过低，导致钢板相变时未进入中温转变区，因此成品钢冲击韧性较低。对比例4层流冷却时未进行第一步稀疏冷却，导致钢板中的V、N等元素未及时析出形成第二相颗粒，因此成品钢屈服强度和抗拉强度偏低。
表1实施例1～4及对比例1～4的化学成分
Figure BDA0003073473670000051
Figure BDA0003073473670000061
表2实施例1～4及对比例1～4的热轧工艺参数
Figure BDA0003073473670000062
Figure BDA0003073473670000071
表3实施例1～4及对比例1～4钢的力学性能指标
性能指标 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 延伸率/％ 冲击功/J 180°冷弯
实施例1 668 778 20 255 d＝2a合格
实施例2 689 790 21 241 d＝2a合格
实施例3 692 805 19 236 d＝2a合格
实施例4 675 784 22 261 d＝2a合格
对比例1 636 742 25 210 d＝2a合格
对比例2 681 783 15 45 d＝2a不合格
对比例3 688 793 18 106 d＝2a合格
对比例4 625 730 25 271 d＝2a合格
表4为本发明实施例1#～4#及对比例1#～4#的化学成分，表5为本发明实施例1#～4#及对比例1#～4#的热轧工艺参数，表6为本发明实施例1#～4#及对比例1#～4#钢的力学性能指标。
进一步地，本发明实施例1#～4#采用V-N-Mo-Nb或V-N-Mo-Ti成分路线，经热连轧轧制，经过两段式冷却的层流冷却方式，获得成品钢板，力学性能满足抗拉强度800MPa以上，屈服强度700MPa以上，延伸率15％以上，-20℃冲击功200J以上，180°冷弯试验d＝2a合格的要求。
对比例1#化学成分中V、N含量较低，未形成VN沉淀强化颗粒，导致屈服强度、抗拉强度偏低。对比例2#化学成分中未添加Nb、Mo细晶强化和相变强化元素，只存在V、Ti沉淀强元素含量较低，因此成品钢强度满足要求，冲击功偏低。对比例3#和对比例4#化学成分基本符合本发明要求。但是对比例3#层流冷却速率过低，卷取温度偏高，未形成贝氏体等中温转变组织，因此成品钢冲击韧性较低。对比例4#层流冷却时采用前段集中冷却，直接进入中温转变区发生相变，导致钢板中的V、N等元素未及时析出，因此成品钢屈服强度和抗拉强度偏低。
表4实施例1#～4#及对比例1#～4#的化学成分
Figure BDA0003073473670000081
表5实施例1#～4#及对比例1#～4#的热轧工艺参数
Figure BDA0003073473670000091
表6实施例1#～4#及对比例1#～4#钢的力学性能指标
Figure BDA0003073473670000101

Claims (10)

1.VN微合金化工程机械用钢，其特征在于：化学成分按质量百分比计包括：C：0.07～0.10%，Mn：1.70～1.90%，Si：0.05～0.15%，Mo：0.16～0.20%，V：0.10～0.12%，N：0.0100～0.0120%，P≤0.015%，S≤0.005%，Als：0.010～0.050%，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述VN微合金化工程机械用钢由以下方法制备而成，其具体步骤包括：
经铁水脱硫、转炉冶炼和LF炉精炼、RH真空精炼后Ca处理，按上述化学成分控制钢水成分，连铸得到板坯，板坯入炉再加热、除磷、粗轧、精轧、层流冷却、卷取，即可；
所述板坯入炉再加热条件为：入炉温度＜400℃，加热温度1220～1260℃，在炉时间200～320min；
所述粗轧采用5或6道次轧制，单道次轧制变形量≥18%；
所述精轧采用6或7道次轧制；精轧开轧温度≤1020℃，精轧终轧温度860～910℃；
所述层流冷却采用第一段为稀疏冷却，第二段为快速冷却的方式；第一段冷却速率5～20℃/s，冷却至640～680℃后空冷2～4s；第二段冷却速率10～30℃/s，冷却至500～560℃卷取。
2.根据权利要求1所述的VN微合金化工程机械用钢，其特征在于：其化学成分按质量百分比计包括：C：0.07～0.10%，Mn：1.80～1.90%，Si：0.05～0.15%，Mo：0.18～0.20%，V：0.10～0.12%，N：0.0100～0.0120%，P≤0.015%，S≤0.005%，Als：0.010～0.050%，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的VN微合金化工程机械用钢，其特征在于：化学成分还包括Nb：0.030～0.050%或Ti：0.080～0.100%。
4.权利要求1～3任一项所述的VN微合金化工程机械用钢的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：经铁水脱硫、转炉冶炼和LF炉精炼、RH真空精炼后Ca处理，按上述化学成分控制钢水成分，连铸得到板坯，板坯入炉再加热、除磷、粗轧、精轧、层流冷却、卷取，即可；
所述板坯入炉再加热条件为：入炉温度＜400℃，加热温度1220～1260℃，在炉时间200～320min；
所述粗轧采用5或6道次轧制，单道次轧制变形量≥18%；
所述精轧采用6或7道次轧制；精轧开轧温度≤1020℃，精轧终轧温度860～910℃；
所述层流冷却采用第一段为稀疏冷却，第二段为快速冷却的方式；第一段冷却速率5～20℃/s，冷却至640～680℃后空冷2～4s；第二段冷却速率10～30℃/s，冷却至500～560℃卷取。
5.根据权利要求4所述的VN微合金化工程机械用钢的制造方法，其特征在于：所述RH真空精炼中，真空度≤300Pa，处理时间不小于10min。
6.根据权利要求4所述的VN微合金化工程机械用钢的制造方法，其特征在于：在RH真空精炼后采用喂入钒氮合金线进行VN微合金化。
7.根据权利要求4～6任一项所述的VN微合金化工程机械用钢的制造方法，其特征在于：满足以下至少一项：
连铸得到板坯厚度为200～230mm；
粗轧后得中间板坯厚度为52～60mm。
8.根据权利要求7所述的VN微合金化工程机械用钢的制造方法，其特征在于：粗轧后得中间板坯厚度为54～60mm。
9.根据权利要求4～6任一项所述的VN微合金化工程机械用钢的制造方法，其特征在于：精轧开轧温度≤1000℃，精轧终轧温度860～900℃。
10.根据权利要求4～6任一项所述的VN微合金化工程机械用钢的制造方法，其特征在于：层流冷却中，第一段冷却速率5～15℃/s，冷却至640～680℃后空冷3s；第二段冷却速率15～25℃/s，冷却至500～560℃卷取。
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