CN117344213A - 一种900MPa级超低碳中锰高强度热轧钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种900MPa级超低碳中锰高强度热轧钢板及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C：0.06～0.12％，Si：0.6～1.6％，Mn：4～6％，Al：0～0.2％，P：＜0.01％，S：＜0.002％，Nb：0.01～0.08％，Ti：0.05～0.15％，Mo：0.1～0.4％，余量包含Fe及不可避免杂质；且，需同时满足：当C≤0.1％时，Mn：4～6％；当C＞0.1％时，Mn≤5％。其室温下屈服强度≥880MPa，抗拉强度≥1200MPa，屈强比＜0.75，延伸率达到16％以上，室温下的夏比冲击功≥60J；且成本低廉、生产工艺简单。

Description

一种900MPa级超低碳中锰高强度热轧钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及工程机械用钢技术领域，特别涉及一种900MPa级超低碳中锰高强度热轧钢板及其制造方法。

背景技术

在工程机械用钢等领域的厚板性能要求中，出于钢板焊接性的要求，虽对钢板的碳含量和碳当量没有明确的限制性要求，但是在钢板研发过程中，其较低的碳当量一直是研发人员追求的目标。由于钢中的碳含量较低，导致钢板的强度不足，往往需要通过添加一定量的Cr、Ni、Mo等贵金属元素来提高钢板的强度，同时考虑钢板的冲击韧性还多采用控制轧制和控制冷却等工艺进行钢板的生产，这样一来大大增加了钢板的生产成本。

目前中锰钢产品已经在汽车板制造中被广泛应用，通过合适的热处理工艺，钢板基体组织可以是贝氏体、马氏体和残余奥氏体混合的多相组织，使中锰钢板可以得到很高的强度，同时钢板兼具良好的塑韧性能。但通常需要搭配合理的离线热处理工艺，在钢中得到不同比例的上述组织，进而起到调节钢板的力学性能的作用。此外，汽车用钢多为薄规格材料，在实际的生产过程中由于压缩比较大或者干脆采用冷轧的方式进行生产，其钢板的晶粒在变形过程中得到充分的细化，进而提高钢板的强度。

对于中厚板的高强度钢来说，由于钢板厚度较大，在实际的生产过程中，轧制的压缩比小，钢板通常会采用控制轧制控制冷却的方式进行生产，因此在生产过程中需要进行待温或钢板在轧制后需要进行后续的调质热处理，降低了生产效率，离线的热处理也会带来生产成本的提升。同时，Cr、Ni、Mo等贵金属元素的添加也提高了钢的合金元素成本。

如中国专利CN110952020A公布了“一种经济型900MPa级超高强调质钢板及其生产方法”，该钢板的成分百分比为：C：0.155～0.175％，Si：0.1～0.3％，Mn：1.20～1.40％，P≤0.013％，S≤0.003％，Nb：0.020～0.030％，Ti：0.010～0.020％，Cr：0.20～0.40％，Mo：0.30～0.40％，B：0.0010～0.0020％，Als：0.015～0.050％，余量为铁和不可避免夹杂，其连铸坯于1230～1270℃加热保温后进行两阶段轧制，粗轧开轧温度为1050～1100℃，在成品钢板的3倍厚度待温后进行精轧，精轧结束温度为800～840℃范围内，轧后加速冷却至650～700℃空冷至室温。轧后钢板经过880～910℃淬火，再经540～560℃回火保温。

又如中国专利CN106319350A公布了“屈服强度900MPa级高强钢的轧制及热处理生产方法”，该钢板的成分为：C：0.10～0.20％，Si：0.10～0.50％，Mn：1.00～1.60％，P≤0.015％，S≤0.005％，Cr：0.10～0.50％，Mo：0.20～0.60％，Nb：0.015～0.055％，V：0.020～0.060％，Ti：0.003～0.04％，Al：0.02～0.07％，B：0.0006～0.0025％，余量为Fe及不可避免的杂质。上述钢板的生产方法包括连铸坯1100～1250℃加热轧制，终轧温度820～880℃，钢板以10～25℃/s层流冷却的方式冷却至500～700℃卷取，对温度低于80℃的钢卷横切矫直成钢板，再经过850～950℃淬火后在500～700℃回火。

从上述高强度钢板的专利情况来看，目前大多数的900MPa级钢板需要经过控制轧制或者后续的调质热处理生产，通过控轧控冷制造的低成本的超低碳高强度钢板还未有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种900MPa级超低碳中锰高强度热轧钢板及其制造方法，其室温下屈服强度≥880MPa，抗拉强度≥1200MPa，屈强比＜0.75，延伸率达到16％以上，室温下的夏比冲击功≥60J；且合金成本低廉、生产工艺简单，相对于其他中高合金的高强度钢，具有显著的综合优势。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种900MPa级超低碳中锰高强度热轧钢板，其化学成分重量百分比为：C：0.06～0.12％，Si：0.6～1.6％，Mn：4～6％，Al：0～0.2％，P：＜0.01％，S：＜0.002％，Nb：0.01～0.08％，Ti：0.05～0.15％，Mo：0.1～0.4％，余量包含Fe及不可避免杂质；且，需同时满足：

当C≤0.1％时，Mn：4～6％；

当C＞0.1％时，Mn≤5％。

又，所述余量为Fe及其它不可避免杂质。

本发明所述热轧钢板的显微组织为10～15％的细晶铁素体+80～85％的板条贝氏体+少量残余奥氏体。

在本发明所述900MPa级超低碳中锰高强度热轧钢板的成分设计中：

碳C：能够保证材料强度，随着碳含量的增加，钢板的强度显著提高。但碳的含量过高会导致钢板的韧性下降，同时提高钢板的焊接裂纹敏感性，使钢板的焊接性能降低。本发明采用超低碳的设计，通过与Mn元素的相互作用，使钢板的铁素体转变开始和结束温度保持在一个较宽的温度范围内，提高现场实施的可操作性。当碳含量超过0.1％时，为了保证钢板的铁素体转变开始和结束温度的区间，需要严格控制Mn元素的含量不超过5％，否则会导致水冷工艺窗口缩减，不利于现场控制实施；同时，当碳含量超过0.12％，会带来A₁温度的显著提高，工艺的可实施性消失。因此，本发明控制C含量在0.06～0.12％。

硅Si：硅有固溶强化的作用，能够提高钢的耐蚀性能和高温抗氧化性能，且Si的加入能够有效的提高钢板的弹性模量；但含量过高会导致钢表面脱碳严重，降低焊接性能。此外，在冷却至低温段400℃以下后，钢中的硅和铝能够有效的起到抑制渗碳体析出的作用，使钢中更多的碳被利用到稳定未转变奥氏体中，进一步提高奥氏体的稳定性。因此，本发明限定Si含量在0.6～1.6％。

锰Mn：锰是钢中稳定奥氏体的主要元素，是本发明的核心关键元素，能够使钢的CCT曲线显著右移，降低钢的临界冷却速度，提高钢板的淬透性，还能够降低钢的共析转变的开始和结束温度，细化钢中的铁素体珠光体组织，保证钢板具有较高的强度。本发明中，锰的含量要严格与碳元素的含量配合，当碳含量小于0.1％时，钢的共析转变结束温度会随着锰元素的增加不断下降，对于工艺的控制影响不大。但当钢中的碳含量大于0.1％时，钢中锰的含量不能超过5％，否则会严重压缩共析转变的开始和结束温度区间，会导致钢板得不到本发明所涉及的钢中的铁素体含量显著降低，钢板的塑韧性下降。此外，锰也是钢中的固溶强化元素，能够有效的提高钢板的强度。但过多的锰含量同样会导致钢板的碳当量提高，降低钢板的焊接性能，同时带来成本的提高。因此，本发明的碳含量控制在4～6％。

铝Al：铝能够有效的防止钢中渗碳体的形成，有利于奥氏体中碳的固溶，提高冷却过程中奥氏体的稳定性，对改善钢板的韧性大有益处。但若钢中的铝含量过高，会导致钢在冶炼和浇注的难度增大，制造成本上升，形成过度的氧化物恶化钢板质量。因此，本发明限定Al含量为0～0.2％。

钛Ti：钛是强碳化物形成元素，在钢中能够形成TiN，作为奥氏体形核的质点，起到细化奥氏体晶粒的作用。本发明中添加微量的Ti主要起到细化奥氏体晶粒的作用，若Ti含量过高会导致TiC的析出，消耗钢中的C，降低奥氏体中C的固溶度，导致奥氏体稳定性下降。因此，本发明控制Ti含量为0.05～0.15％。

铌Nb：铌是强碳化物形成元素，在钢中能够在高温轧制变形的过程中，通过形变诱导析出起到细化轧态奥氏体晶粒的作用，同时析出的碳化物钉扎位错还能起到析出强化的效果。过低的Nb含量，在钢中的析出强化和细化晶粒的效果弱。随着钢中铌含量的增加，其强化效果增强，但铌的含量过高时，其析出强化和细晶强化的作用不再明显。因此，在本发明中控制Nb含量为0.01～0.08％。

钼Mo：钼在钢中能提高钢板的淬透性和热强性能，使较大断面的厚钢板淬深、淬透。钢中的钼能够降低碳化物在晶界上形成连续网状的倾向，减少钢中的残留奥氏体，相对的增加了钢板基体的硬度和耐磨性。同样，钼也属于贵金属，因为其成本较高，因此，在本发明中，限定Mo含量为0.1～0.4％。

本发明所述的900MPa级超低碳中锰高强度热轧钢板的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、浇铸

按上述成分冶炼、浇铸成钢锭或连铸坯；

2)加热

钢锭或连铸坯加热，加热温度为1140～1160℃；

3)轧制

采用控制轧制工艺，钢锭经开坯后进行轧制；或，连铸坯直接进行轧制，开轧温度为1080～1100℃，钢板首先轧制成品钢板的3～5倍厚度待温至850～870℃区间，到温后轧至成品钢板厚度；

4)冷却

采用控制冷却工艺，轧后钢板在线水冷至A₁以上20～30℃，下线直接堆冷至室温。

在本发明所述900MPa级超低碳中锰高强度热轧钢板的制造方法中：

1.锰元素在水冷后的缓慢冷却过程中具有重要的作用。

首先，其在堆冷的前期由于温度较高，钢中的锰、铝等元素扩散仍然可以进行有效的扩散，能够在先共析铁素体晶粒形核长大的过程中不断的通过逆扩散向铁素体晶粒周围未转变的奥氏体进行富集，提高奥氏体中的碳、锰等合金元素的含量，使过冷奥氏体的稳定性提高，降低贝氏体转变温度；

其次，在堆冷的后半段(温度降至400℃以下)，此时钢中奥氏体发生贝氏体转变，在此过程中锰基本没有扩散，因此贝氏体板条中锰含量高于钢中原先设计的平均锰含量，起到固溶强化的作用，加之细化的贝氏体板条，使钢的强度得到明显的提高。在贝氏体转变过程中，虽然其他合金元素不能进行扩散，但是碳原子由于其原子较小，在此阶段仍然在进行扩散，贝氏体形成伴随着排碳过程，此时碳原子又进一步使未转变的奥氏体在相界面处富碳，提高了奥氏体的稳定性，使其临界转变温度降至室温以下，最终钢中存在少量的残余奥氏体。

2.本发明钢板轧制采用两阶段轧制，第一阶段轧制由于温度较高，通过奥氏体动态再结晶细化奥氏体晶粒，第二阶段轧制处于未再结晶温度区间，通过大变形提高奥氏体晶粒的变形程度，增加组织中的缺陷密度，而位错空位等轧制缺陷会成为铁素体形核的形核点，进而增加冷却后钢中铁素体的形核位置，为后续冷却至A₁温度以上20～30℃后的堆冷过程中形成细化的铁素体晶粒提供了有利的组织保障。

3.对于轧至成品厚度的钢板，在线水冷至A₁温度以上20～30℃下线堆冷至室温，这是本发明的核心技术之一。主要为了提高形变奥氏体的过冷度，进一步增加铁素体形核的驱动力，细化铁素体晶粒，提高成品钢板的屈服强度。堆冷的目的是为了通过降低冷却速度，控制钢中铁素体含量，使铁素体晶粒形核长大的过程中向奥氏体进行C、Mn等元素逆扩散，进一步提高过冷奥氏体的稳定性。元素富集的奥氏体在后续的缓慢冷却过程中由于稳定性提高，其贝氏体转变温度向低温区移动，增加奥氏体的过冷度。贝氏体相变在低温区进行时，由于其过冷度大，会显著提高贝氏体相变的形核率，形核位置增加会显著细化贝氏体板条的尺寸，根据霍尔佩奇公式计算结果，细化的板条尺寸会提高钢板最终的强度性能。

4.由于本发明所述钢板的显微组织为10～15％的细晶铁素体+80～85％的板条贝氏体+少量残余奥氏体，在变形过程中铁素体作为软相最先发生屈服，使钢板的屈服强度较低。随便变形的进一步发生，钢中的贝氏体与最先屈服的铁素体协作变形，钢板的强度不断的得到提高。当变形达到一定程度，出现局部应力集中后，钢中的残余奥氏体通过相变诱发塑性的作用，缓解局部应力集中，提高钢板继续变形的能力。同时，残余奥氏体相变后得到马氏体，其具有相对较高的碳、锰含量，强度很高，使钢板最终的断裂强度提高。综上，这种组织搭配能有效降低钢板的屈强比，提高钢板的变形能力，能够提高建筑结构和工程机械在抵抗变形时的安全性能。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

1.本发明通过合理设计化学成分，在传统的低碳合金钢中通过锰元素的添加，降低铬、镍、钼等贵金属元素的使用量。利用C、Mn等奥氏体稳定元素在铁素体和奥氏体两相间的化学浓度梯度进行逆扩散，提高过冷奥氏体的化学稳定性和机械稳定性，降低贝氏体转变温度。

相比于目前市面上的其他中高锰钢产品，本发明的钢中锰元素的添加量是显著降低的，主要通过元素的逆扩散作用有效的提高Mn元素的利用率，降低钢板的合金成本。通过C、Mn元素互相限制的搭配，一方面能够显著降低钢板的临界转变温度，有利于细化显微组织；另一方面使钢板的A₁和A₃之间的温度区间扩大，提高了现场生产的可实施性。

2.目前中厚板产品中采用的控轧控冷技术大多在冷却阶段采用强冷的工艺，将钢板直接冷至室温或者400～500℃之间，降温区间较大，其强冷的冷却速度对于设备冷却能力的依托和要求较高，然后再配合调质或回火等热处理工艺来提高钢板的强度和韧性水平。

而本发明所采用的控制冷却技术，是将钢板在线由A₃附近冷却至A₁温度以上20～30℃，降温区间较小，对于冷却设备冷却能力的要求低。后续采用的是堆冷的制度，钢板无需经过离线的热处理工序，显著降低了生产制造过程的能耗，大大降低了生产制造成本。同时，钢板在经过冷却下线后直接吊运至堆冷区域，不占用冷床场地，提高了轧机产线的生产效率。

3.目前大多数的中厚板高强度钢产品或在合金成分上设计较为复杂导致成本过高；或在生产工艺上采用离线调质处理，增加生产工序，提高生产成本；或最终产品的综合性能(强度、塑韧性、屈强比)搭配不佳，导致用户最终在选择产品时只能退而求其次。

本发明所述900MPa级超低碳中锰高强度热轧钢板在具有高强度的同时保持优异的塑韧性，并且通过合理的组织配比，有效降低钢板的屈强比，提高钢板的抗变形能力和服役过程的安全性，相较于目前市面上的产品具有显著的综合优势。

具体实施方式

以下将根据实施例对本发明做进一步的说明，然而本发明不限于以下实施例，由之变化而来的多种技术方案均应属于本发明的保护范围之内。

本发明实施例成分参见表1，表2为本发明实施例工艺参数，表3为本发明实施例钢的性能参数。

本发明实施例的制造工艺为：采用电炉或转炉冶炼，浇铸成钢锭或连铸坯；钢锭或板坯加热至1150℃，钢板的开轧温度在1100℃，轧至成品厚度的3～4倍板厚待温至850～870℃区间开始下一阶段轧制；钢板轧至成品厚度后，立即在线水冷至A₁温度以上20～30℃，下线堆冷至室温。

表1单位：重量百分比

表2

表3

从表1～表3可以看出，采用本发明所述制造方法所生产出来的超低碳中锰高强度钢板，其屈服强度可以达到880MPa以上，抗拉强度达到1200MPa以上，断后延伸率超过16％。

本发明通过其合理的成分和工艺设计，其室温下显微组织为10～15％的细晶铁素体+80～85％的板条贝氏体+少量残余奥氏体，软硬相组织的配比使其屈强比只有不到0.75，具有优异的塑性变形能力，能够满足常规加工所需要的切割、弯曲等工艺；室温下V型夏比冲击功达到60J以上，具有良好的抗冲击能力。

综上，本发明所涉及的900MPa级超低碳中锰高强度热轧钢板具有显著的成本优势、简单的生产工艺以及良好的力学性能。

Claims (5)

1.一种900MPa级超低碳中锰高强度热轧钢板，其化学成分重量百分比为：C：0.06～0.12％，Si：0.6～1.6％，Mn：4～6％，Al：0～0.2％，P＜0.01％，S＜0.002％，Nb：0.01～0.08％，Ti：0.05～0.15％，Mo：0.1～0.4％，余量包含Fe及其它不可避免杂质，且，需满足：

当C≤0.1％时，Mn：4～6％；

当C＞0.1％时，Mn≤5％。

2.如权利要求1所述的900MPa级超低碳中锰高强度热轧钢板，其特征在于，所述余量为Fe及其它不可避免杂质。

3.如权利要求1或2所述的900MPa级超低碳中锰高强度热轧钢板，其特征在于，所述热轧钢板的显微组织为10～15％的细晶铁素体+80～85％的板条贝氏体+少量残余奥氏体。

4.如权利要求1或2或3所述的900MPa级超低碳中锰高强度热轧钢板，其特征在于，所述热轧钢板室温下屈服强度≥880MPa，抗拉强度≥1200MPa，屈强比＜0.75，延伸率达到16％以上，室温下的夏比冲击功≥60J。

5.如权利要求1或2或3或4所述的900MPa级超低碳中锰高强度热轧钢板的制造方法，其特征是，包括如下步骤：

1)冶炼、浇铸

按权利要求1或2所述成分冶炼、浇铸成板坯；

2)加热

板坯加热至1140～1160℃；

3)轧制

采用控制轧制工艺，钢锭经开坯后进行轧制；或，连铸坯直接进行轧制，开轧温度为1080～1100℃，钢板首先轧制成品钢板的3～5倍厚度待温至850～870℃区间，到温后轧至成品钢板厚度；

4)冷却

采用控制冷却工艺，轧后钢板在线水冷至A₁以上20～30℃，下线直接堆冷至室温。