CN114277306A

CN114277306A - 一种1000MPa级工程机械用高强钢及其生产方法

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Publication number: CN114277306A
Application number: CN202011030861.6A
Authority: CN
Inventors: 刘刚; 杨阿娜; 李自刚; 张华伟; 张国民; 屈朝霞; 吴存有
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2020-09-27
Filing date: 2020-09-27
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2040-09-27
Also published as: CN114277306B

Abstract

一种1000MPa级工程机械用高强钢及其生产方法，其化学成分重量百分比为：C 0.16～0.20％，Si 0.30～0.50％，Mn 0.80～1.60％，Cr 0.20～0.70％，Mo 0.40～0.70％，W 0～0.70％，Ni 0.10～0.50％，Cu 0～0.40％，Nb 0.010～0.030％，Ti 0.010～0.030％，V 0.010～0.050％，B 0.0005～0.0030％，Al 0.02～0.06％，Ca 0.001～0.004％，N 0.002～0.005％，P≤0.020％，S≤0.0050％，O≤0.0040％，其余为Fe及不可避免的杂质；且，上述元素同时需满足如下关系式：6≤(Mo+0.93W+0.52Cr+0.21Mn+0.55)/C≤10。本发明从成分设计，结合控轧、控冷和快速热处理工艺，生产出的钢板屈服强度≥1000MPa，抗拉强度≥1050MPa，延伸率>18％，‑60℃冲击功＞100J。

Description

一种1000MPa级工程机械用高强钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及工程机械用高强钢领域，具体涉及一种1000MPa级工程机械用高强钢及其生产方法。

背景技术

1000MPa级工程机械热轧超高强钢主要应用于制造起重机吊臂和泵车布料杆等部件，对钢板的强度、塑性、低温韧性和疲劳性能都提出了较高的要求。传统热轧和中厚板产线生产的调质热处理型超高强钢，淬火加热和回火加热时间都很长，例如10mm的钢板淬火加热30-50分钟，回火加热40-60分钟，一张钢板的生产周期需要一小时以上。这导致能耗成本较高，生产效率低。在性能方面长时间的加热也容易导致晶粒粗大，析出的碳化物长大，降低钢板的强度、塑性和韧性。

快速热处理技术可以大幅缩短机组占地、提高生产效率、降低能耗、减少环境污染，是一种绿色的生产技术。快速热处理技术包括淬火过程的快速加热、短时保温、快速冷却和快速回火，近年来国内外对快速热处理技术及其对钢组织性能的研究越来越多。快速热处理可以得到更细的晶粒组织，具有更细碳化物析出。在性能方面，快速热处理可以达到传统热处理相当的强度，具有更好的塑性、韧性和疲劳性能。

关于快速热处理生产超高强钢的研究较少，如中国专利CN108774681A公开了“一种高强钢的超快速热处理方法”，最大加热速度超过400℃/s，加热到Ac₃的50℃以上保温5-10s，以最大超过3000℃/s的极高冷却速度冷却至室温，用于薄规格带钢和小规格盘条的热处理强化。

中国专利CN1039621A公开了“一种制取细晶粒双相钢热处理方法”。通过感应加热快速热处理得到细晶粒双相钢。

中国专利CN102409144A公开了“一种连续式合金钢热处理的方法”，其针对的是小截面超长材工件的制备，可以提高生产效率。

现有快速热处理技术主要集中于热处理方法的研究，关于快速热处理方法对超高强钢组织性能的影响研究相对较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种1000MPa级工程机械用高强钢及其生产方法，该高强钢的金相组织为回火索氏体，其中，回火索氏体晶粒尺寸为3～5μm，回火索氏体片层宽度为30～90nm；碳化物呈弥散颗粒状分布，90％以上碳化物尺寸在10nm以下，其屈服强度≥1000MPa，抗拉强度≥1050MPa，延伸率>18％，-60℃冲击功＞100J。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种1000MPa级工程机械用高强钢，其化学成分重量百分比为：C：0.16～0.20％，Si：0.30～0.50％，Mn：0.80～1.60％，Cr：0.20～0.70％，Mo：0.40～0.70％，W：0～0.70％，Ni：0.10～0.50％，Cu：0～0.40％，Nb：0.010～0.030％，Ti：0.010～0.030％，V：0.010～0.050％，B：0.0005～0.0030％，Al：0.02～0.06％，Ca：0.001～0.004％，N：0.002～0.005％，P≤0.020％，S≤0.0050％，O≤0.0040％，其余为Fe及不可避免的杂质；且，上述元素同时需满足如下关系式：

本发明所述高强钢的金相组织为回火索氏体，其中，回火索氏体晶粒尺寸为3～5μm，回火索氏体片层宽度为30～90nm；所述高强钢中碳化物呈弥散颗粒状分布，90％以上碳化物尺寸在10nm以下。

本发明所述高强钢的屈服强度≥1000MPa，抗拉强度≥1050MPa，延伸率>18％，-60℃冲击功＞100J。

在本发明的成分设计中：

碳：固溶强化，调整索氏体组织的强度、塑性和韧性，经试验，再加热淬火后低碳索氏体的抗拉强度与C含量的关系呈如下关系：Rm＝2510C(％)+790(MPa)，Rm为抗拉强度，淬火后通过回火进一步调整强度、塑性和韧性；C含量较高会导致整体C当量的提高，焊接时容易产生裂纹，本发明控制C含量为0.16～0.20％。

硅：0.30％以上的Si可以起到较好的脱氧作用，同时在回火过程中抑制碳化物的析出、改善钢的韧性，Si含量太高容易产生红铁皮，因此，本发明控制Si含量为0.30～0.50％。

锰：Mn元素在0.8％以上可以提高钢的淬透性，Mn含量超过1.6％容易产生偏析和MnS等夹杂物，恶化索氏体高强钢的韧性，因此，本发明控制Mn含量为0.80～1.60％。

铬：Cr元素在0.2％以上可以提高钢的淬透性，有利于在淬火时形成全索氏体组织，Cr在回火过程中会形成Cr的碳化物，具有抗回火软化的作用，Cr含量超过0.70％在焊接时会出现较大的火花，影响焊接质量，因此，本发明控制Cr含量为0.20～0.70％。

钼：Mo元素可以提高钢的淬透性，有利于在淬火时形成全索氏体组织；Mo高温下会与C反应形成碳化物颗粒，具有抗高温回火软化和焊接接头软化的作用，Mo含量太高会导致碳当量提高，恶化焊接性能，同时Mo属于贵金属，会提高成本，因此，本发明控制Mo含量为0.40～0.70％。

钨：W元素可以提高钢的淬透性，在回火时形成碳化物颗粒，具有明显的抗回火软化作用，同时具有抗回火脆性的作用，因此，本发明控制W含量为0～0.70％。

镍：0.10％以上的Ni元素具有细化索氏体组织，改善钢的韧性的作用，Ni含量太高会导致碳当量提高，恶化焊接性能，同时Ni属于贵金属，会提高成本，因此，本发明控制Ni含量为0.10～0.50％。

铜：Cu元素在回火时可以产生一定的沉淀强化作用，此外添加一定的Cu元素可以提高工程机械用高强钢的耐腐蚀性，因此，本发明控制Cu含量为0～0.40％。

铌、钛和钒：Nb、Ti和V为微合金元素，与C、N等元素形成纳米级析出物，在加热时抑制奥氏体晶粒的长大；Nb可以提高未再结晶临界温度Tnr，扩大生产窗口；Ti的细小析出物颗粒可以改善焊接性能；V在回火过程中与N和C反应析出纳米级V(C，N)颗粒，可以提高钢的强度；本发明控制Nb含量为0.010～0.030％，Ti含量为0.010～0.030％，V含量为0.010～0.050％。

硼：微量的B可以提高钢的淬透性，提高钢的强度，超过0.0030％的B容易产生偏析，形成碳硼化合物，严重恶化钢的韧性，本发明控制B含量为0.0005～0.0030％。

铝：Al用作脱氧剂，钢中加入0.02％以上的Al可细化晶粒，提高冲击韧性，Al含量超过0.06％容易产生Al的氧化物夹杂缺陷，本发明控制Al含量为0.02～0.06％。

钙：超过0.001％的微量Ca元素可以在钢冶炼过程中的起到净化剂作用，改善钢的韧性；Ca含量超过0.004％容易形成尺寸较大的Ca的化合物，反而会恶化韧性，本发明控制Ca含量为0.001～0.004％。

氮：本发明要求严格控制N元素的范围，0.002％以上的N元素在回火过程中可以与V和C反应形成纳米级的V(C，N)粒子起到析出强化的作用，在焊接过程中也可以通过析出强化抵抗热影响区软化；N含量超过0.005％容易导致形成粗大的析出物颗粒，恶化韧性，本发明控制N含量为0.002～0.005％。

磷、硫和氧：P、S和O作为杂质元素影响钢的塑、韧性，本发明控制P≤0.020％，S≤0.0050％，O≤0.0040％。

一定量的Mo、W和Cr元素可以提高钢的淬透性，在回火时会形成碳化物析出，产生析出强化。Mo、W、Cr和Si在回火时可以抑制碳元素的扩散，避免快速回火过程中形成粗大的渗碳体，而添加较多的Mo、W、Cr和Si会恶化焊接性能，因此Mo、W、Cr、Si与C元素需要满足：6≤(Mo+0.93W+0.52Cr+0.21Mn+0.55)/C≤10。

本发明所述的1000MPa级工程机械用高强钢的生产方法，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按上述化学成分采用转炉或电炉炼钢、精炼，铸造形成铸坯；

2)加热

铸坯加热温度为1150～1270℃，待铸坯心部到加热温度后开始保温，保温时间>1.5h；

3)轧制

采用单机架往复轧制或多机架热连轧将铸坯轧至目标厚度，最后一道次压下率>15％；终轧温度为820～920℃；

4)冷却

终轧后的钢板冷却至430～520℃，然后卷取或空冷至室温；冷却速度≥60℃/s；

5)热处理

淬火，冷却后的钢板以15-80℃/s的加热速度加热至Ac₃+(30～80)℃，钢板心部达到加热温度后保温5～40min，随后以≥150℃/s的冷却速度冷却至室温；Ac₃为奥氏体转变结束温度：

Ac₃＝955-350C-25Mn+51Si+106Nb+100Ti+68Al-11Cr-33Ni-16Cu+67Mo；

回火，淬火后的钢板以15-80℃/s的加热速度加热到600-650℃，短时保温30～60s，然后以≥40℃/s的冷却速度冷却至室温。

优选的，步骤5)中，所述加热方式为电磁感应加热、电阻加热或直火加热。

优选的，步骤5)中，所述冷却采用高压水、气雾或水雾进行冷却。

在本发明的1000MPa级机械工程用高强钢的生产方法中：

在铸坯加热工艺中，控制加热温度大于1150℃、保温时间>1.5h可以保证合金元素充分固溶；加热温度超过1270℃时奥氏体晶粒过度长大，引起晶间结合力减弱，在轧制时容易产生裂纹；另外加热温度超过1270℃容易引起钢坯表面脱碳，对成品力学性能造成影响。

轧制工艺中，最后一道次压下率>15％、终轧温度为820～920℃，可以细化奥氏体晶粒。

冷却工艺中，热轧后以≥60℃/s的冷速冷至430～520℃，然后卷取或空冷至室温，这是为了得到细小的索氏体组织，并使碳化物呈弥散分布，缩短后续淬火加热过程中碳化物的溶解时间。

采用快速热处理工艺，通过快速加热、短时保温和快速冷却，大幅缩短热处理周期。淬火热处理工艺中，钢板以15-80℃/s的速度快速加热到Ac₃+(50～100)℃、钢板心部到加热温度后短时保温20～40s是为了快速奥氏体化，防止奥氏体晶粒长大，通过短时均热使贝氏体中的碳化物溶解，碳元素均匀扩散。若加热速度太快、保温时间太短，会导致奥氏体化不充分、碳化物溶解不充分或碳元素不均匀；加热速度太慢、保温时间太长，会导致奥氏体晶粒粗化，恶化淬火后钢的塑性和低温韧性。保温结束后以≥150℃/s的高冷速快速冷却至室温可以得到全索氏体组织。

在回火热处理工艺中，以15-80℃/s的速度快速加热到600-650℃，短时保温30～60s，然后以≥40℃/s的冷速快速冷却至室温，可以得到细小的颗粒状碳化物析出物。传统热处理钢在长时间回火后其中的碳化物呈大的片状析出，韧性和塑性较差。

本发明的有益效果：

本发明在成分设计方面严格控制Mo、W、Cr、Si与C等元素的含量，并满足关系式：6≤(Mo+0.93W+0.52Cr+0.21Mn+0.55)/C≤10，可以抑制碳化物的聚集、长大，使得高强钢中碳化物呈弥散颗粒状分布，90％以上碳化物尺寸在10nm以下，在保证钢具有高强度的基础上，进一步提高其塑性和韧性，其屈服强度为≥1000MPa，抗拉强度为≥1050MPa，延伸率>18％，-60℃冲击功>100J。

本发明在成分设计的基础上，在冷却过程中控制冷却速度及温度，并结合快速热处理工艺，快速奥氏体化，防止奥氏体晶粒长大，使高强钢的金相组织为回火索氏体，其中，回火索氏体晶粒尺寸为3～5μm，回火索氏体片层宽度为30～90nm；使碳化物呈弥散颗粒状分布，90％以上碳化物尺寸在10nm以下，保证钢具有高强度的同时，明显提高其塑性和韧性，得到一种适合工程机械行业使用的1000MPa级高强钢。

附图说明

图1为本发明所述高强钢实施例3的典型光学显微镜金相组织图。

图2为本发明所述高强钢实施例3的典型扫描电镜金相组织图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明所述高强钢的生产工艺流程为：冶炼、铸造→加热→轧制→冷却→热处理。

具体成分、工艺参数如表1、表2所示，各实施例钢板性能如表3所示。

图1和图2分别给出了实施例3钢的光学显微镜金相组织照片和扫描电镜金相组织照片。从图1可以看出，成品钢板的金相组织为回火索氏体，且组织细密，回火索氏体晶粒尺寸为3-5微米，回火索氏体片层宽度30-90纳米，同样的成分按常规热处理工艺回火索氏体晶粒尺寸约15-20微米，回火索氏体片层宽度百纳米。从图2可以看到颗粒状的碳化物析出物，90％以上碳化物尺寸在10纳米以下，传统热处理时间较长，产生粗大的片层状碳化物析出，析出物尺寸几十到几百纳米。

本发明采用控轧控冷和离线快速热处理工艺，从化学成分设计、热处理过程中加热速度、保温时间和冷却速度等角度进行控制，保证钢板具有高强度的同时，明显提高其塑性和韧性。

Claims

1.一种1000MPa级工程机械用高强钢，其化学成分重量百分比为：C：0.16～0.20％，Si：0.30～0.50％，Mn：0.80～1.60％，Cr：0.20～0.70％，Mo：0.40～0.70％，W：0～0.70％，Ni：0.10～0.50％，Cu：0～0.40％，Nb：0.010～0.030％，Ti：0.010～0.030％，V：0.010～0.050％，B：0.0005～0.0030％，Al：0.02～0.06％，Ca：0.001～0.004％，N：0.002～0.005％，P≤0.020％，S≤0.0050％，O≤0.0040％，其余为Fe及不可避免的杂质；且，上述元素同时需满足如下关系式：

2.如权利要求1所述的1000MPa级工程机械用高强钢，其特征在于，所述高强钢的金相组织为回火索氏体，其中，回火索氏体晶粒尺寸为3～5μm，回火索氏体片层宽度为30～90nm；所述高强钢中碳化物呈弥散颗粒状分布，90％以上碳化物尺寸在10nm以下。

3.如权利要求1或2所述的1000MPa级工程机械用高强钢，其特征在于，所述高强钢的屈服强度≥1000MPa，抗拉强度≥1050MPa，延伸率>18％，-60℃冲击功＞100J。

4.如权利要求1～3任一项所述的1000MPa级工程机械用高强钢的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按权利要求1所述化学成分采用转炉或电炉炼钢、精炼，铸造形成铸坯；

2)加热

3)轧制

4)冷却

5)热处理

淬火，冷却后的钢板以15-80℃/s的加热速度加热至Ac₃+(50～100)℃，钢板心部达到加热温度后保温20～40s，随后以≥150℃/s的冷却速度冷却至室温：

Ac₃＝955-350C-25Mn+51Si+106Nb+100Ti+68Al-11Cr-33Ni-16Cu+67Mo；

5.如权利要求4所述的1000MPa级工程机械用高强钢的生产方法，其特征在于，步骤5)中，所述加热方式为电磁感应加热、电阻加热或直火加热。

6.如权利要求4所述的1000MPa级工程机械用高强钢的生产方法，其特征在于，步骤5)中，所述冷却采用高压水、气雾或水雾进行冷却。

7.如权利要求4～6任一项所述的1000MPa级工程机械用高强钢的生产方法，其特征在于，所述高强钢的金相组织为回火索氏体，其中，回火索氏体晶粒尺寸为3～5μm，回火索氏体片层宽度为30～90nm；所述高强钢中碳化物呈弥散颗粒状分布，90％以上碳化物尺寸在10nm以下。

8.如权利要求4～7任一项所述的1000MPa级工程机械用高强钢的生产方法，其特征在于，所述高强钢的屈服强度≥1000MPa，抗拉强度≥1050MPa，延伸率>18％，-60℃冲击功＞100J。