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
表2实施例1~4及对比例1~4的热轧工艺参数
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
表5实施例1#~4#及对比例1#~4#的热轧工艺参数
表6实施例1#~4#及对比例1#~4#钢的力学性能指标

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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