CN114134387B - 一种抗拉强度1300MPa级厚规格超高强钢板及其制造方法 - Google Patents

一种抗拉强度1300MPa级厚规格超高强钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属材料制造技术领域，具体涉及一种抗拉强度1300MPa级厚规格超高强钢板及其制造方法。制造方法包括(1)冶炼；(2)连铸；(3)加热；(4)轧制：粗轧开轧温度≥1030℃，至少有2～3道次的轧制压下率≥20％，中间坯厚度为成品厚度的2.5倍以上；精轧开轧温度为840～880℃，精轧终轧温度为780～820℃；(5)热处理：淬火加热温度870～930℃，保温时间50～90min，出炉后水淬至室温；回火加热温度为150～300℃，保温时间为60～120min，出炉空冷。本发明以厚规格、低温韧性优异为目标，通过冶炼、连铸、轧制和热处理等工序，生产出具有优异的低温冲击韧性的钢板。

Description

一种抗拉强度1300MPa级厚规格超高强钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及金属材料制造技术领域，具体涉及一种抗拉强度1300MPa级厚规格超高强钢板及其制造方法。
背景技术
近年来，工程机械用钢发展迅速，高强度结构钢被视为工程机械行业的关键材料，广泛应用于起重机、履带吊、装载机等大型装备的关键部位。这些部位因承载力大、受力情况复杂、使用环境苛刻等条件，主要使用屈服强度在700MPa～900MPa甚至1000MPa以上的高强度结构钢，以达到轻量化、安全高效、节能环保的行业发展需求。厚规格超高强钢的需求日益增长，钢板强度高、厚度大，给钢板的冲击韧性带来了巨大的挑战，如何使厚规格超高强钢获得优异的低温韧性是目前工程机械用钢发展的方向之一。
中国专利申请201410810279.X公开一种屈服强度1100MPa级调质高强钢及其生产方法，未明确适用钢板厚度，仅在实施例中以10mm厚度钢板为例。
中国专利申请201910539444.5涉及一种低碳含量，免加铬、镍、硼合金元素且无需进行离线淬火制备的易焊接贝氏体高强钢，其不足之处在于C含量(0.05％～0.09％)太低，在实际生产中对炼钢控制难度较大，也会造成炼钢脱碳时间长，生产效率低；另外，该钢种-40℃冲击功为38～56J，性能富余量较低，不利于实际应用；且专利中提到的终轧温度(740℃)过低，对轧机能力要求极严；钢板厚度范围为10～30mm，未涉及30mm以上钢板。
中国专利申请201110096170.0涉及一种屈服强度1100MPa～1200MPa级超高强钢及其生产方法，其不足之处在于-40℃冲击值为21～34J，性能富余量较低，不利于实际应用；其次，未明确适用钢板厚度，仅在实施例中以8mm厚度钢板为例；回火保温时间为90～180分钟，对于8mm钢板来说保温时间过长，不利于节能环保、提高生产效率。
基于此，现有技术对厚规格超高强钢研究的少，钢板厚度以≤30mm居多，并且钢板未能达到高强度与优异低温韧性的良好匹配，同时也没能考虑到在工业大批量生产中实现的难易程度、节能环保以及生产效率等方面的实际问题。
发明内容
针对现有技术对厚规格超高强钢及其制备方法的相关研究较少的技术问题，本发明提供一种低温韧性优异的抗拉强度1300MPa级厚规格超高强钢板及其制造方法，以厚规格、低温韧性优异为目标，通过洁净化冶炼、连铸、轧制和热处理等工序，生产出屈服强度≥1120MPa、抗拉强度≥1300MPa、断后伸长率≥11％、具有优异的低温冲击韧性(-40℃冲击吸收功≥70J)的钢板，具有质量稳定、成本低、工艺简单、易于工业化大批量生产的特点。
第一方面，本发明提供一种抗拉强度1300MPa级厚规格超高强钢板的制造方法，包括如下步骤：
(1)冶炼：按重量百分比计，熔炼化学成分为C：0.12％～0.16％、Si：0.30％～0.55％、Mn：1.00％～1.40％、P≤0.010％、S≤0.003％、Ni：1.60～2.40％、Cr：0.40％～1.00％、Mo：0.10％～0.40％、Nb：0.030％～0.060％、Ti：0.008％～0.025％、Als：0.030％～0.070％、B：0.0015％～0.0035％、O≤0.0025％、N≤0.0030％、H≤0.0002％，其余为铁及不可避免的杂质，碳当量(CEV)＝C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5≤0.75％；
(2)连铸；
(3)加热：加热时间按照4.5～6.0h，加热后出炉温度控制在1190～1250℃；
(4)轧制：采用粗轧+精轧的轧制模式，粗轧阶段不进行展宽，不改变晶粒变形方向，始终保持纵向延展，粗轧开轧温度≥1030℃，至少有2～3道次的轧制压下率≥20％，中间坯厚度为成品厚度的2.5倍以上；精轧开始前采取中间坯弱水冷工艺，精轧开轧温度为840～880℃，采取低温终轧模式，精轧终轧温度为780～820℃，得到厚度为25～50mm的钢板；
(5)热处理：淬火加热温度870～930℃，保温时间50～90min，出炉后水淬至室温；回火加热温度为150～300℃，保温时间为60～120min，出炉空冷，得到成品。
进一步的，所述步骤(2)控制中间包过热度在10～25℃，全程保护浇注，对铸坯堆垛缓冷。
进一步的，所述步骤(2)的堆垛缓冷采用热坯下铺上盖方式，四周用热坯包围，避免吹风，冷却时间为60h以上。
进一步的，所述步骤(2)的连铸坯厚度为300mm。
进一步的，所述步骤(4)还包括连铸坯加热后进行高压水除鳞，除鳞水压力≥24MPa。
进一步的，所述步骤(5)淬火前，对厚度≥40mm的钢板进行ACC水冷，开冷温度≥760℃，终冷温度≥500℃。
第二方面，本发明提供一种采用上述制造方法生产的抗拉强度1300MPa级厚规格超高强钢板。
进一步的，所述抗拉强度1300MPa级厚规格超高强钢板的屈服强度≥1120MPa，抗拉强度≥1300MPa，断后伸长率≥11％，-40℃冲击吸收功≥70J。
主要合金元素及其数量在本发明钢中的作用：
碳(C)：当碳含量较高时，由于马氏体点较低，淬火后得到孪晶马氏体数量增加，导致钢的韧性、塑性恶化，淬裂倾向也增大；另一方面，钢的碳含量提高会增加淬火马氏体中过饱和碳含量，这些过饱和碳在回火过程中将以碳化物形式沿马氏体的某些晶面析出，导致钢的脆性增加，难以满足高韧性的要求。但碳含量较低，很难在钢中获得高强度，必须采取其它方式加以弥补。因此，本发明设定的最佳碳含量为0.12％～0.16％。
硅(Si)：本发明中硅含量控制在0.30％～0.55％，硅主要以固溶强化形式提高钢的强度，超过0.55％时，会造成钢的韧性下降。
锰(Mn)：Mn是脱氧和脱硫的有效元素，还可以提高钢的淬透性和强度，其对淬透性的增强作用高于Cr、Mo、Ni。Mn的不利一面是增大钢的过热敏感性，晶粒易粗大；淬火钢高温回火时，Mn和P有强烈的晶界共偏聚倾向，促进回火脆性，因而应控制Mn含量，以1.0％～1.40％为宜。
铌(Nb)：Nb能降低钢的过热敏感性和回火脆性，具有重要的细晶强化作用，能与钢中的碳氮结合生成碳化物和碳氮化物，达到沉淀强化目的。本发明设定的最佳铌含量为0.030％～0.060％。
铬(Cr)：由于Cr既能固溶于铁素体和奥氏体中，又能与钢中的C形成多种碳化物。Cr固溶于奥氏体时，可提高钢的淬透性。当Cr与C形成复杂碳化物，并在钢中弥散析出时，可起到弥散强化作用。由于Cr提高淬透性和固溶强化的作用，能提高钢在热处理状态下的强度和硬度。铬和锰元素配合，可获得更高的淬硬性和淬透深度，提高钢的力学性能。铬比锰的偏析倾向小，用铬代锰有利于减少钢的芯部偏析，提高力学性能均匀性。因此可根据对强塑性的要求，确定合适的Cr含量。本发明设定的最佳铬含量为0.40％～1.00％。
钼(Mo)：Mo具有较强的碳化物形成能力，使较低含碳量的合金钢也具有较高的硬度。Mo能够阻止奥氏体化的晶粒粗大。Mo会造成C曲线的右移，减小了过冷度，极大的提高了钢的淬透性。本发明为提高厚规格超高强钢板的淬透性，设定的最佳钼含量为0.10％～0.40％。
镍(Ni)：为保证厚钢板的淬透性和低温韧性，需加入1.60％～2.40％的Ni，利用Ni增加层错能，促进低温下螺旋位错的交滑移，减少应力集中以提高钢的韧性。
铝(Al)：铝是脱氧元素，可作为AlN形成元素，有效地细化晶粒，其含量不足0.01％时，效果较小；超过0.070％时，脱氧作用达到饱和；再高则对母材及焊接热影响区韧性有害。由于钢中添加经济的B提高钢的淬透性，在加B之前钢水必须充分脱氧、定氮，因此成分中必须有足够的Al，以保证钢中的钛、硼不被氧化，获得有效的酸溶硼。
钛(Ti)：钛可形成细小的钛的碳、氮化物颗粒，在板坯再加热过程中可通过阻止奥氏体晶粒的粗化从而得到较为细小的奥氏体显微组织。另外，钛的氮化物颗粒的存在可抑制焊接热影响区的晶粒粗化。因而，钛可同时提高基体金属和焊接热影响区的低温韧性。它可以阻止游离氮由于形成了硼的氮化物而对钢的淬透性产生的不利影响，其加入量以不超过0.035％较为合适。
硼(B)：微量硼能使钢的淬透性显著提高。硼含量太高，会促进脆性颗粒Fe23(C,B)6(铁的硼碳化物)或FeB的形成。硼可用作昂贵合金元素的替代品来促进沿整个钢板厚度方向上的显微组织均匀性。硼也可增大钼对钢淬透性的提高作用，因而硼的加入可使低碳当量的钢获得高的强度。同样地，钢中加硼提供了将钢的高强度同良好可焊性和抗冷脆能力相结合的潜在优点。硼也可提高晶界强度进而提高抵抗氢致晶间断裂的能力。但必须保证合理的Al、Ti、B含量设计，通过调铝加钛使得钢水充分脱氧、定氮，保证有效硼含量。本发明设定的最佳B含量为0.0015％～0.0035％。
本发明的有益效果在于：
(1)合金成本低、强化作用显著：采用多元微合金化成分Cr-Mo-Ni-B体系、Nb、Ti微合金化来提高厚规格钢板的淬透性和回火稳定性，再通过钢水洁净化冶炼、提高钢板心部变形率和热处理工艺来细化晶粒，弥补合金减少造成的损失。这样既减少单个元素的加入量，又不降低钢的淬透性，达到节约成本的目的。
(2)低温韧性优异、安全可靠：在冶炼过程中利用纯净钢综合控制技术严格控制S、P、O、N、H等有害元素和夹杂物，以提高钢板的低温冲击韧性、增加裂纹扩展阻力，充分发挥细晶粒钢具有极高止裂能力的特点；另外粗轧阶段不展宽，保持晶粒纵向延展，保证纵向冲击性能；采用低温终轧模式，提高位错密度，最终保证超高强度钢在服役条件下安全使用。
(3)生产效率高：采用中间坯弱水冷工艺，大大减少了中间坯待温时间，提高了生产效率。
(4)工艺适应性强、厚度规格范围宽：粗轧过程采用大变形量、不展宽轧制方式，精轧过程提高钢板心部变形率，优化热处理工艺，结合各合金元素的作用获得细化组织，控制塑性和韧性相-薄膜状残余奥氏体的含量，以良好的复相组织细化技术获得厚规格高韧性超高强度钢板，产品工艺窗口宽，产品厚度范围为25～50mm。
采用本方案生产的钢板强度高、低温韧性好，所生产的高强度钢板厚度范围为25～50mm，无明显的厚度效应、质量稳定，钢板的屈服强度≥1120MPa，抗拉强度≥1300MPa，-40℃冲击吸收功≥70J。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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他的附图。
图1是实施例1钢板的典型金相组织图片。
图2是实施例2钢板的典型金相组织图片。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
一种厚度为30mm的抗拉强度1300MPa级超高强钢板，由如下制造方法生产：
(1)冶炼：按重量百分比计，熔炼化学成分为C：0.13％、Si：0.35％、Mn：1.26％、P：0.008％、S：0.002％、Ni：1.92％、Cr：0.61％、Mo：0.25％、Nb：0.041％、Ti：0.019％、Als：0.047％、B：0.0019％、O：0.0017％、N：0.0021％、H：0.00014％，其余为铁及不可避免的杂质，CEV＝0.64％，严格控制S、P、O、N、H等有害元素及夹杂物；
(2)连铸：中间包过热度控制在10～20℃，全程保护浇注；铸坯厚度为300mm，对铸坯堆垛缓冷65h，采用热坯下铺上盖，四周用热坯包围，避免吹风；
(3)加热：加热时间按照5.2h，加热后出炉温度控制在1201℃；
(4)轧制：连铸坯加热后进行高压水除鳞，除鳞水压力≥24MPa，采用粗轧+精轧的轧制模式，粗轧阶段不进行展宽，不改变晶粒变形方向，始终保持纵向延展，粗轧开轧温度为1048℃，粗轧阶段的后3道次轧制压下率分别为21％、24％和23％，中间坯厚度为80mm；精轧开始前采取中间坯弱水冷工艺，精轧开轧温度为874℃，采取低温终轧模式，精轧终轧温度为792℃，得到厚度为30mm的钢板；
(5)热处理：淬火加热温度892℃，保温时间60min，出炉后水淬至室温；回火加热温度为280℃，保温时间为65min，出炉空冷，得到成品。
对该钢板的力学性能进行测试，结果如下表1所示。
表1实施例1钢板的力学性能
Figure BDA0003355637200000071
实施例2
一种厚度为50mm的抗拉强度1300MPa级超高强钢板，由如下制造方法生产：
(1)冶炼：按重量百分比计，熔炼化学成分为C：0.15％、Si：0.44％、Mn：1.34％、P：0.006％、S：0.001％、Ni：2.2％、Cr：0.80％、Mo：0.32％、Nb：0.056％、Ti：0.024％、Als：0.056％、B：0.0022％、O：0.0022％、N：0.0025％、H：0.00015％，其余为铁及不可避免的杂质，CEV＝0.74％，严格控制S、P、O、N、H等有害元素及夹杂物；
(2)连铸：中间包过热度控制在10～20℃，全程保护浇注；铸坯厚度为300mm，对铸坯堆垛缓冷70h，采用热坯下铺上盖，四周用热坯包围，避免吹风；
(3)加热：加热时间按照5.5h，加热后出炉温度控制在1224℃；
(4)轧制：连铸坯加热后进行高压水除鳞，除鳞水压力≥24MPa，采用粗轧+精轧的轧制模式，粗轧阶段不进行展宽，不改变晶粒变形方向，始终保持纵向延展，粗轧开轧温度为1065℃，粗轧阶段的后2道次轧制压下率分别为21％和20％，中间坯厚度为125mm；精轧开始前采取中间坯弱水冷工艺，精轧开轧温度为866℃，采取低温终轧模式，精轧终轧温度为813℃，得到厚度为50mm的钢板；
(5)ACC水冷：开冷温度778℃，终冷温度508℃；
(6)热处理：淬火加热温度901℃，保温时间85min，出炉后水淬至室温；回火加热温度为220℃，保温时间为120min，出炉空冷，得到成品。
对该钢板的力学性能进行测试，结果如下表2所示。
表2实施例2钢板的力学性能
Figure BDA0003355637200000081
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抗拉强度1300MPa级厚规格超高强钢板的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)冶炼：按重量百分比计，熔炼化学成分为C：0.12％～0.16％、Si：0.30％～0.55％、Mn：1.00％～1.40％、P≤0.010％、S≤0.003％、Ni：1.60～2.40％、Cr：0.40％～1.00％、Mo：0.10％～0.40％、Nb：0.030％～0.060％、Ti：0.008％～0.025％、Als：0.030％～0.070％、B：0.0015％～0.0035％、O≤0.0025％、N≤0.0030％、H≤0.0002％，其余为铁及不可避免的杂质，CEV≤0.75％；
(2)连铸；
(3)加热：加热时间按照4.5～6.0h，加热后出炉温度控制在1190～1250℃；
(4)轧制：采用粗轧+精轧的轧制模式，粗轧阶段始终保持纵向延展，粗轧开轧温度≥1030℃，至少有2～3道次的轧制压下率≥20％，中间坯厚度为成品厚度的2.5倍以上；精轧开轧温度为840～880℃，精轧终轧温度为780～820℃，得到厚度为40～50mm的钢板；
(5)ACC水冷：对钢板进行ACC水冷，开冷温度≥760℃，终冷温度≥500℃；
(6)热处理：淬火加热温度870～930℃，保温时间50～90min，出炉后水淬至室温；回火加热温度为150～300℃，保温时间为60～120min，出炉空冷，得到成品；
钢板的屈服强度≥1120MPa，抗拉强度≥1300MPa，断后伸长率≥11％，-40℃冲击吸收功≥70J。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(2)控制中间包过热度在10～25℃，全程保护浇注，对铸坯堆垛缓冷。
3.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(2)的堆垛缓冷采用热坯下铺上盖方式，四周用热坯包围，避免吹风，冷却时间为60h以上。
4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(2)的连铸坯厚度为300mm。
5.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(4)还包括连铸坯加热后进行高压水除鳞，除鳞水压力≥24MPa。
6.一种采用如权利要求1～5任一所述制造方法生产的抗拉强度1300MPa级厚规格超高强钢板。
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