CN1173065C - 耐延迟断裂高强度钢 - Google Patents
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Abstract
本发明属于合金钢领域。特别适用于抗拉强度为1200-1400Mpa和具有良好塑性和耐延迟断裂性能的高强度钢。本发明钢的具体成份为(重量%)C0.3-0.45，Si0.01-0.09，Mn≤0.3，P≤0.015，S≤0.01，Cr0.5-1.5，Mo0.3-0.69，Nb0.005-0.1，RE0.002-0.04，Al0.005-0.05，N0.006-0.015，Ti、Zr、V中任意一种或两种之和为0.005-0.19，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明钢与现有技术钢的性能比较；不仅抗拉强度高，而且塑韧性好，和耐延迟断裂性能优良。
Description
本发明属于合金钢领域。主要适用于抗拉强度为1200～1400MPa，同时要求具有良好塑韧性和耐延迟断裂抗力的高强度钢。
随着汽车、机械、建筑、轻工等各个生产部门的发展，对制造各类紧固件(如螺栓、螺钉、螺母等)使用的材料提出了高强度化的要求。但是，当用调质处理的低合金钢制造的螺栓的抗拉强度超过约1200MPa时，延迟断裂问题就变得十分突出，这是螺栓钢高强度化时遇到的一个最主要的问题。因而目前实际使用螺栓的抗拉强度通常低于1200MPa。近年来，国际上开展了耐延迟断裂高强度螺栓钢的研究开发。如日本专利JP5-9563中的Cr-Ni-Mo螺栓钢，具有1300MPa以上的强度，同时具有较好的耐延迟断裂性能。但其Mn含量较高，对钢的耐延迟断裂性能特别不利，且较高含量的贵重元素Ni，使得钢的成本较高。日本住友金属开发的1300MPa级耐延迟断裂的高强度螺栓钢ADS3，由于C含量较高(0.49％)，钢的韧性较差，同时螺栓的加工性能和延迟断裂性能恶化(Kushida，铁と钢，1996，82：297)。这些均在实际应用中受到了限制。
本发明的目的是提出一种抗拉强度为1200～1400MPa、且具有良好塑韧性和耐延迟断裂性能的高强度钢。
根据上述目的，本发明所采用的技术方案是：(1)调整抗回火软化能力强的元素Mo，提高回火温度和晶界强度；(2)尽可能降低杂质元素P、S的含量，同时降低Mn、Si含量，抑制淬火钢高温回火时Mn和P的共偏聚，提高钢的塑韧性和冷加工性能；(3)加入适量的稀土元素和Ti、Zr，对夹杂物进行变性和对氢起陷阱作用，进一步降低氢在晶界的偏聚；(4)加入少量Al、V、Nb等元素，生成弥散细小的碳氮化物以细化奥氏体晶粒，提高钢的强度和塑韧性。
本发明钢的具体化学成分(重量％)如下：C 0.30～0.45，Si 0.01-0.09，Mn≤0.30，P≤0.015，S≤0.010，Cr 0.50～1.50，Mo 0.3～0.69，Nb0.005～0.10，RE 0.002～0.040，Al 0.005～0.05，N 0.006～0.015，根据需求可加入0.005～0.19的Ti、Zr、V中的一种或两种，余为Fe及不可避免的杂质。
各元素的作用及配比依据如下：
C：淬火、回火后为了获得所需的高强度，C含量须在0.20％以上，但过多的C含量会恶化钢的韧性和工艺性，并增加延迟断裂的敏感性，因而C含量控制为0.30～0.45％。
Si：脱氧剂，但恶化钢的冷加工性和耐延迟断裂性能，控制其含量在0.09以下。
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，但淬火钢高温回火时，Mn和P有强烈的晶界共偏聚倾向，促进回火脆性，因而控制Mn含量在0.30％以下。
P：P能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大，从而增加钢的延迟断裂敏感性，所以控制P的含量在0.015％以下。
S：不可避免的不纯物，形成MnS夹杂和在晶界偏析会恶化钢的耐延迟断裂性能，因而控制其含量在0.010％以下。
Cr：能够有效地提高钢的淬透性和回火抗力，以获得所需的高强度。含量小于0.50％难以起到上述作用，但含量超过1.50％则会恶化钢的韧性和冷加工性。
Mo：Mo在有效地提高钢的淬透性和回火抗力的同时，还能够强化晶界。含量小于0.30％难以起到上述作用，但含量超过0.70％则钢的成本较高。因此控制其含量为0.30～0.69％。
RE：RE元素除有脱氧脱硫和对非金属夹杂物变性处理的作用外，还能够有效地捕集氢，减少氢和其它有害元素在晶界上的偏聚，降低氢的渗透扩散，可进一步降低高强度钢延迟断裂的敏感性。RE含量小于0.002％，起不到上述作用，但含量超过0.040％，则由于夹杂物增多，反而恶化钢的耐延迟断裂性能。控制其含量在0.002～0.040％。
Al：能够有效地脱氧和细化晶粒，含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超过0.05％则易形成的粗大氧化铝夹杂，恶化钢的塑韧性。
Nb：细化晶粒，提高钢的韧性，含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超过0.10％则作用饱和。
N：N能够和Al、Nb、V等形成细小的氮化物细化晶粒，但过量的N会偏聚于晶界和形成粗大的夹杂物，所以其含量应控制在0.006～0.015％。
V：V能够细化晶粒，提高钢的回火抗力，改善钢的耐延迟断裂性能。V含量小于0.05％难以起到上述作用，但含量超过0.20％则增加钢的成本。
Ti：除细化晶粒、析出强化和固定N、S的作用外，弥散析出的TiC是钢中陷阱能最高的氢陷阱之一，能够捕集氢使其均匀地分散在晶内，抑制氢的扩散，从而改善钢的耐延迟断裂性能。Ti含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超过0.20％则生成的粗大氮化物恶化钢的塑韧性。
Zr：其作用与Ti类似。
本发明钢可采用电弧炉、高频感应炉、真空感应炉冶炼，浇铸成钢锭或连铸成坯，经开坯后轧制成棒线材等产品。
本发明钢的热处理制度与现有技术相似，本发明钢经900℃，30分钟的正火处理，加工成半成品，然后经850℃～950℃淬火和高温回火后对产品进行了检测后交货。
本发明钢与现有技术相比较，不仅抗拉强度高，而且塑韧性好、耐延迟断裂性能优良，经济效果好。
实施例
根据本发明所设计的化学成分范围，我们在50kg真空感应炉上冶炼了5炉本发明钢和1炉对比钢，此外还例举出1炉商业钢42CrMo作为对比钢，其具体化学成分见表1所示。钢水浇铸成锭，并经锻造制成棒材。试样加工前经900℃、30分钟正火处理，随后加工成标准室温拉伸试样(L0＝5d0，d0＝5mm)及缺口拉伸延迟断裂试样(直径d＝5mm，缺口处dN＝3mm，缺口60°±2°/0.15R±0.025)的毛坯。上述试样经850℃～950℃淬火和不同温度回火后加工至最终尺寸。热处理制度和相应的强度性能见表2。
试样是在室温下进行的拉伸、冲击和缺口拉伸延迟断裂等试验。实验溶液为pH＝3.5±0.5的Walpole缓蚀液(16.4克无水醋酸钠+15.4毫升一级品浓盐酸+1000毫升脱离子水或蒸馏水)。如σf为发生断裂的最小应力，σn为在规定的截止时间200小时内不发生断裂的最大应力，则定义缺口拉伸临界应力σc为：σc＝1/2(σf+σn)，为使测得的与实际值相差小于10％，要求σf-σn≤0.2σc。所得试验结果列入了表2。
从表2可以看出，本发明钢在1200～1400MPa的强度水平下较对比钢在相同强度水平下的耐延迟断裂性能和塑韧性显著提高，并且在1200～1400MPa强度水平下的耐延迟断裂性能仍优于对比钢在1100～1200MPa强度水平下的耐延迟断裂性能，呈现出优良的耐延迟断裂性能和塑韧性。
在本发明实施例中，表1为本发明钢与现有技术对比钢的成份比较。表2为本发明钢实施例与现有技术钢的技术性能比较表。
表1 本发明实施例与对比钢的化学成分比较(重量％)
| 炉号 | 钢种 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Al | RE | Nb | V | Ti | N | Fe |
| 1 | 发明钢 | 0.34 | 0.09 | 0.28 | 0.014 | 0.009 | 1.20 | 0.68 | 0.03 | 0.023 | 0.03 | 0.18 | - | 0.008 | 余 |
| 2 | 发明钢 | 0.38 | 0.07 | 0.23 | 0.010 | 0.003 | 1.06 | 0.42 | 0.02 | 0.015 | 0.05 | - | 0.03 | 0.005 | 余 |
| 3 | 发明钢 | 0.41 | 0.05 | 0.25 | 0.003 | 0.001 | 1.01 | 0.36 | 0.02 | 0.008 | 0.09 | 0.07 | - | 0.006 | 余 |
| 4 | 发明钢 | 0.37 | 0.06 | 0.29 | 0.007 | 0.005 | 0.91 | 0.37 | 0.02 | 0.007 | 0.02 | 0.12 | 0.06 | 0.012 | 余 |
| 5 | 发明钢 | 0.43 | 0.08 | 0.26 | 0.004 | 0.002 | 0.95 | 0.45 | 0.03 | 0.031 | 0.08 | - | Zr0.08 | 0.007 | 余 |
| 6 | 对比钢 | 0.38 | 0.29 | 0.30 | 0.007 | 0.003 | 1.14 | 0.23 | 0.02 | - | - | - | - | 0.006 | 余 |
| 7 | 对比钢 | 0.39 | 0.28 | 0.78 | 0.029 | 0.021 | 1.19 | 0.20 | 0.02 | - | - | - | - | 0.008 | 余 |
表2 本发明实施例与对比钢的热处理制度、强度、塑韧性及耐延迟断裂性能的比较
| 炉号 | 淬火温度℃ | 回火温度℃ | 抗拉强度MPa | 屈服强度MPa | 延伸率δ5％ | 断面收缩率％ | V型冲击功J | 缺口拉伸临界应力σcMPa | |
| 本发明钢 | 1 | 880 | 600 | 1390 | 1300 | 15.0 | 60 | 56 | 1580 |
| 625 | 1280 | 1190 | 15.5 | 62 | 67 | 1630 | |||
| 2 | 900 | 600 | 1320 | 1230 | 15.0 | 58 | 59 | 1530 | |
| 3 | 860 | 500 | 1350 | 1190 | 13.0 | 57 | 51 | 1460 | |
| 4 | 860 | 500 | 1390 | 1280 | 12.5 | 56 | 54 | 1510 | |
| 5 | 860 | 600 | 1380 | 1260 | 14.5 | 59 | 58 | 1500 | |
| 对比钢 | 6 | 860 | 480 | 1290 | 1200 | 12.0 | 57 | 49 | 1390 |
| 7 | 860 | 450 | 1380 | 1260 | 11.0 | 47 | 21 | 1030 | |
| 500 | 1260 | 1170 | 11.5 | 49 | 30 | 1270 | |||
| 550 | 1140 | 1060 | 13.0 | 54 | 45 | 1150 |
Claims (1)
1、一种抗拉强度在1200-1400Mpa，同时具有良好塑韧性和耐延迟断裂性能的高强度钢，其特征在于该钢的具体化学成份为(重量％)C0.3-0.45，Si0.01-0.09，Mn≤0.3，P≤0.015，S≤0.01，Cr 0.5-1.5，Mo 0.3-0.69，Nb0.005-0.1，RE 0.002-0.04，Al 0.005-0.05，N 0.006-0.015，Ti、Zr、V中任意一种或两种之和为0.005-0.19，其余为Fe及不可避免的杂质。
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