屈服強度1100MPa以上超高強度鋼板及其製造方法
2023-10-17 23:49:24 2
專利名稱：屈服強度1100MPa以上超高強度鋼板及其製造方法
技術領域：
本發明涉及鋼鐵材料的製造方法，特別涉及屈服強度1100MPa以上超高強度鋼板及其製造方法。
背景技術：
國際上有關屈服強度在700MPa以上的超高強度鋼板的製造方法已經形成多項專利，如住友金屬的專利JP 60121219和JP 89025371中，採用回火工藝生產高強鋼且鋼中矽含量為≤0.015％，鎳含量為1.00％～3.50％，鉻含量0.40％～1.20％；Exxonmobil Upstream Res公司申請的專利WO 200039352是一種低溫用鋼，用較低含碳量(0.03％～0.12％)和高鎳含量(不小於1.0％)的方法生產低溫韌性好的高強度鋼，其採用較低的冷卻速率(10℃/s)，其抗拉強度只能達到830MPa以上。
在Exxonmobil Upstream Res和新日鐵合作申請的低合金超高強度鋼板專利WO 9905335中，雖然採用在熱軋後只淬火不回火，但其成分中碳含量較低為0.05～0.10％。
在住友金屬的高強度鋼板專利中(JP 59159932)，採用在熱軋後直接淬火加回火的方法，而且在其成分設計中，採用的鈦的範圍較低為0.003～0.010％。
NIPPON KOKAN KK的「高強度厚鋼板的生產」專利(GB 2132225)中，通過控制水流量來控制熱軋後直接淬火的速率，生產的厚度大於25mm，其成分要求錳(0.40～1.20％)、鉻(0.20～1.50％)，並需控制酸溶鋁。
在埃克森美孚的「具有優異低溫韌性的超高強度奧氏體時效鋼」的專利(98812446.7)中，其需要在奧氏體未再結晶區控軋，熱軋後冷卻至Ms～Ms+100℃，不採用回火，抗拉強度只有830MPa以上，其常溫組織由2～10％(體積比)殘餘奧氏體薄膜層以及約90～98％(體積比)的以細晶粒馬氏體和細晶粒下貝氏體為主的板條的顯微層狀組織組成。
在埃克森美孚和住友金屬聯合申請的「高抗拉強度鋼及其生產方法」的中國專利98802878.6中，鋼板的碳含量為0.02～0.10％，錳為0.2～2.5％，抗拉強度900MPa以上。
在瑞典SSAB公司生產的Weldox1100系列和德國迪林根生產的Dillimax系列高強鋼中，採用高鋁(總鋁範圍≥0.020％，實物鋁在0.055％左右)依靠鋁細化晶粒的方法提高鋼的強韌性。
在埃克森美孚的「具有優異的低溫韌性的超高強度鋼」的專利(98812439.4)中，熱軋後淬火至低於約Ms+200℃，淬火速率為10～40℃/s，不僅其淬火速率較低，而且未採用熱軋後在線淬火。
由以上對比專利可知，這些專利存在以下一個或多個不足①加入了較高含量的昂貴合金元素，鋼材成本高。如JP 60121219和JP 89025371中加入的鎳為1.00％～3.50％，鉻含量0.40％～1.20％；WO 200039352中鎳含量不小於1.0％；②工藝複雜，工序成本高。如專利WO 9905335中碳含量較低為0.05～0.10％，專利GB 2132225中碳0.04％～0.16％，專利98802878.6中碳含量為0.02～0.10％，過低的碳含量造成煉鋼時脫碳時間長，冶煉生產效率低；專利98812439.4、98812446.7中，不僅其淬火速率較低，而且未採用熱軋後在線淬火，降低了生產效率。瑞典SSAB公司生產的Weldox1100系列和德國迪林根生產的Dillimax系列高強鋼中，採用高鋁含量(不小於0.02％)，有以下若干缺點高鋁鋼鋼水在澆注時水口容易結瘤，容易將鋼包水口耐材帶入鋼水；過多的鋁會造成鋼中氧化鋁夾雜顯著增多，需要較長的真空脫氣時間促使夾雜物上浮；鋁細化晶粒的氮化鋁細小析出物在鋼板焊接時完全溶解，從而使焊接熱影響區晶粒粗大。③鋼板強度級別低。如專利WO 200039352和專利98812446.7，抗拉強度只能達到830MPa以上，專利98802878.6抗拉強度只能達到900MPa以上。
由於重載卡車、工程機械等產業的發展，對車輛的載重和機械強度的要求不斷提高，同時也要求減輕自重，因此要求採用成本更低、強度級別更高、低溫衝擊韌性好的超高強度鋼板。
發明內容
本發明的目的在於提供一種具有良好低溫韌性的超高強度鋼板的製造方法，通過合理的合金成分設計和工藝控制，採用熱軋後直接淬火和回火工藝達到鋼板的屈服強度在1100MPa以上，其低溫衝擊韌性達到E級以上(即滿足～40℃的衝擊功不小於27J)，並具有良好的塑性和焊接性。
為達到上述目的，本發明提供一種屈服強度1100MPa以上超高強度鋼板，其成分為(重量百分比)C 0.10％～0.20％；Si≤0.6％；Mn 0.5％～2.5％；Al≤0.03％；N 0.001％～0.006％；B 0％～0.0025％；Ca 0％～0.006％；P≤0.015％；S≤0.005％；Ni 0.2％～1.2％、Cr 0％～0.8％、Cu 0％～0.5％和Mo 0％～0.6％中的一種或幾種以上；Ti 0.01％～0.03％、V 0％～0.1％和Nb 0.01％～0.1％中的一種或幾種以上；餘鐵和不可避免雜質。
為了達到上述目的，本發明還提供一種製造屈服強度1100MPa以上超高強度鋼板的方法，其中所述鋼板具有權利要求1中鋼的化學組成，所述方法包括如下步驟1)將鋼坯加熱至1100～1250℃；2)在奧氏體可發生再結晶的溫度範圍內，採用一個或多個道次，將所述鋼坯軋製成鋼板，總壓下率不低於50％；3)在奧氏體未發生再結晶即低於Tnr溫度但高於Ar3轉變點的溫度範圍內，採用一個或多個道次，將上述鋼板軋製成最終厚度的鋼板，總壓下率不低於50％，終軋溫度介於860～920℃之間；4)以不低於約20℃/s的冷卻速率將所述鋼板在線淬火，至低於約200～400℃的淬火終止溫度；
5)對淬火後的鋼板進行回火以提高韌性，回火溫度為350～750℃。
進一步，在全部的熱軋過程中，允許不採用轉鋼軋制。
再進一步，在全部的熱軋過程中，允許使用一次或多次轉鋼軋制。
更進一步，在熱軋終了時，允許先進行空冷然後進行水冷，空冷的終止溫度範圍為700～950℃。
碳(C)0.10％至0.20％碳含量的高低很大程度地決定了鋼板的強度級別，因為碳是奧氏體轉變成馬氏體、貝氏體等鋼中的強化相所必不可少的元素。碳是決定碳當量大小的最主要的元素，而碳當量是影響鋼的強度和焊接性等的重要指標。本專利碳的控制範圍為0.10％至0.20％，是基於鋼的強韌性的匹配，碳低於0.10％則鋼中沒有足夠的碳化物和固溶碳，在奧氏體轉變過程中不利於形成足夠的強化相從而獲得鋼板的強度；反之，碳含量高於0.20％時，則鋼的塑性和韌性降低，焊接性也變差。
矽(Si)不大於0.6％矽對過冷奧氏體的穩定性影響不大。矽在鋼中起固溶強化作用，並且含量較多時能抑制碳化物的析出，提高韌性。鋼中加矽能提高鋼質純淨度和脫氧。
錳(Mn)0.5％至2.5％錳是提高貝氏體鋼淬透性的主要元素，降低貝氏體鋼的相變溫度，細化組織亞結構，增大貝氏體鐵素體中碳的過飽和度，有利於強度的提高。
鋁(Al)不大於0.03％通常鋁在高強鋼中的作用包括和矽錳一樣起脫氧作用；鋁細化晶粒的作用。本發明鋼中只含少量的鋁或不含鋁(≤0.03％)，主要是因為一方面鋼中矽和錳的含量較高完全能夠替代鋁的脫氧作用；在鋼中加入微量的鈦，這樣鈦和銅、鈮等合金元素並配合工藝控制等措施共同起到細化晶粒的作用，而且微鈦處理對提高鋼的焊接性十分有利；另一方面，如果鋁含量太高則有諸多缺陷(上文已述)。
氮(N)0.001％至0.006％在加鈦的鋼中，適量的氮與鈦形成氮化鈦，這種易在高溫析出的第二相有利於強化基體，並提高鋼板的焊接性能。但如果氮高於0.0060％，氮與鈦的溶度積較高，在高溫時鋼中就形成氮化鈦，這樣的氮化鈦顆粒粗大且呈方形或長方形，嚴重地損害鋼的塑性和韌性。
硼(B)0％至0.0025％硼的優選範圍為0.0010％至0.0020％。硼在鋼中能夠提高鋼的淬透性和焊接性。
鈣(Ca)0％至0.006％適量的鈣能夠改變硫化物的形狀，減輕硫的不利影響。當鋼中存在過量的鈦時，鈦可以和硫化合形成硫化鈦或碳硫化鈦，因此鈣的加入與否可以根據鈦的加入量和硫的含量而定。
鎳(Ni)0.2％至1.2％鎳可提高鋼的韌性，尤其是有低溫韌性要求的鋼。加入鎳可增加貝氏體或馬氏體邊界殘餘奧氏體薄膜，提高塑韌性。且有利於回火後的組織細化。
銅(Cu)0％至0.5％銅的作用是固溶強化，量較多時可在適當溫度回火後二次硬化，提高強度。對於非淬火鋼一般含量不高。
鉻(Cr)0％至0.8％鉻可使珠光體和貝氏體轉變曲線分離，中、低碳的條件下，能明顯右移先共析鐵素體和珠光體開始析出線，可代替部分錳和鉬。細化組織，降低韌脆轉變溫度。鉻降低Bs/Ms值比錳大，有利於減少焊接裂紋傾向。鉻和錳元素配合，可獲得更高的淬硬性和淬透深度，提高鋼的力學性能。鉻比錳的偏析傾向小，用鉻代錳有利於減少鋼的芯部偏析，提高力學性能均勻性。
鉬(Mo)0％至0.6％加入鉬主要是為了提高強度。
鈦(Ti)0.01％至0.03％鈦可以與氮、碳和硫形成鈦的化合物。控制鋼中鈦的含量，使得鈦主要與氮化合形成細小彌散的氮化鈦，剩餘的鈦與硫、碳形成化合物。因此，適量的鈦不僅固定了鋼中的氮、而且還固定了鋼中的硫和部分碳。但鈦含量過高，不僅氮化鈦粗大，而且鋼中固溶的碳減少，不利於獲得良好的強韌性匹配。化基體，而且顯著地提高鋼板的焊接性。
鈮(Nb)0.01％至0.1％；釩(V)0％至0.1％鈮和釩是強碳和氮的化合物形成元素。由於鋼中加入適量的鈦，鈦與氮的形成溫度較高，因此通過控制鈦、氮的含量，使得鈮和釩主要與碳化合。碳化釩和碳化鈮的析出溫度較氮化鈦和碳化鈦低，在熱軋時與熱軋工藝匹配，通過控制碳化鈮和碳化釩的析出來細化組織和提高強度和韌性。
磷(P)和硫(S)不高於0.015％和0.005％硫在鋼中與錳等化合形成塑性夾雜物硫化錳，尤其對鋼的橫向塑性和韌性不利，因此硫的含量應儘可能地低。磷也是鋼中的有害元素，嚴重損害鋼板的塑性和韌性。
本發明採用相對其它專利更為適中的碳含量(0.10％至0.20％)，此碳含量既不是很低也不是很高，即可滿足煉鋼工序的要求，也可保證鋼板後續對焊接性能的要求。其中碳含量與鋼板中加入的Nb含量儘可能保證按相關公式，例如按溶度積公式Lg[Nb][C]＝2.96-7510/T，計算出的T小於1523K(1250℃)；如果加入V，則V和Nb的總含量也要保證按類似公式計算的T小於1523K，這是要保證鋼坯再加熱時所有碳氮化物完全溶解，以便在後續的軋制和冷卻過程中析出強化，充分發揮各元素的作用。加入的元素Ti與N含量儘可能保證Ti/N≥3.42，讓Ti完全固定N，使Nb能形成足夠的NbC強化；鋼中允許鈣處理，也允許不用鈣處理。如果進行鈣處理，則加入的Ca與S含量儘可能保證Ca/S≥0.5～2.0，使硫化物完全球化或近似紡錘形，提高鋼板橫向衝擊性能。鋼中的Cu、Ni、Cr、Mo如果同時加入時，不可同時接近上限或者下限，這樣做的目的是保證強度和碳當量。對以上所述元素的適當控制，目的在於用較低的合金成本，精確的成分配比，簡單的煉鋼、軋制與熱處理工藝獲得較好的力學、焊接等綜合性能。
鋼坯加熱到足夠高的溫度(1100～1250℃)使奧氏體組織均勻化，並使鋼中的鈮、釩和鈦等的碳化物充分溶解，而鈮、釩和鈦等的氮化物也有部分溶解以阻止原始奧氏體晶粒的長大。
在奧氏體可發生再結晶的溫度範圍內，採用一個或多個道次軋製成鋼坯，總壓下率不得低於50％。隨著軋制的進行和溫度的降低，固溶於鋼中的微合金元素起著阻滯奧氏體動態再結晶的作用，形變的奧氏體反覆發生再結晶達到細化的目的。在軋制過程中，允許採用一次或多次轉鋼以提高成品鋼板的橫向塑性和韌性。
在低於奧氏體發生再結晶但高於Ar3轉變點的溫度範圍內，採用一個或多個道次並允許採用一次或多次轉鋼，將上述鋼板軋製成最終厚度的鋼板，總壓下率不低於50％，終軋溫度介於860～920℃之間。在軋制過程中，奧氏體不發生再結晶，而形成拉長的奧氏體。在拉長的奧氏體形變帶內存在大量的位錯，鈮、釩和鈦等固溶原子由於形變誘導而析出為碳化物和碳氮化物。
經未再結晶區終軋後，鋼的組織由變形的奧氏體組成。終軋後的鋼板以不低於約20℃/s的冷卻速率直接淬火以獲得貝氏體、馬氏體或貝氏體與馬氏體的(可能會殘留部分奧氏體)混合組織。再經350～750℃回火處理以改善鋼的韌性。
本發明具有成分設計易於實施和控制，工藝控制簡便易行的特點，由於採用直接淬火，因而軋制周期短。經回火後實現鋼板既具有超高的強度，又具有良好的低溫韌性。
具體實施例方式
本發明的具體實施例參見表1、表2、表3。
表1實施例的化學成分(％)
表2實施例的工藝參數
表3實施例的力學性能
由表可見，五個實施例的屈服強度均大於1100MPa，延伸率大於等於13％，-40℃的衝擊功均大於32J，達到了1100E級的要求。
權利要求
1.屈服強度1100MPa以上超高強度鋼板，其成分為(重量百分比)C 0.10％～0.20％；Si≤0.6％；Mn 0.5％～2.5％；Al≤0.03％；N 0.001％～0.006％；B 0％～0.0025％；Ca 0％～0.006％；P≤0.015％；S≤0.005％；Ni 0.2％～1.2％、Cr 0％～0.8％、Cu 0％～0.5％和Mo 0％～0.6％中的一種或幾種以上；Ti 0.01％～0.03％、V 0％～0.1％和Nb 0.01％～0.1％中的一種或幾種以上；餘鐵和不可避免雜質。
2.如權利要求1所述的鋼板，其特徵在於，Ti與N的含量為Ti/N≥3.42。
3.如權利要求1所述的鋼板，其特徵在於，Ca與S的含量為Ca/S≥0.5～2.0。
4.製造屈服強度1100MPa以上超高強度鋼板的方法，其中所述鋼板具有權利要求1中鋼的化學組成，所述方法包括如下步驟1)將鋼坯加熱至1100～1250℃；2)在奧氏體可發生再結晶的溫度範圍內，採用一個或多個道次，將所述鋼坯軋製成鋼板，總壓下率不低於50％；3)在奧氏體未發生再結晶即低於Tnr溫度但高於Ar3轉變點的溫度範圍內，採用一個或多個道次，將上述鋼板軋製成最終厚度的鋼板，總壓下率不低於50％，終軋溫度介於860～920℃之間；4)以不低於約20℃/s的冷卻速率將所述鋼板在線淬火，至低於約200～400℃的淬火終止溫度；5)對淬火後的鋼板進行回火以提高韌性，回火溫度為350～750℃。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，在全部的熱軋過程中，允許不採用轉鋼軋制。
6.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，在全部的熱軋過程中，允許採用一次或多次轉鋼軋制。
7.如權利要求4所述的方法，其特徵是，熱軋過程熱軋終了時，允許先進行空冷然後進行水冷，空冷的終止溫度範圍為700～950℃。
全文摘要
屈服強度1100MPa以上超高強度鋼板，其成分為(重量百分比)C 0.10～0.20％；Si≤0.6％；Mn 0.5～2.5％；Al≤0.03％；N 0.001～0.006％；B 0～0.0025％；Ca 0～0.006％；P≤0.015％；S≤0.005％；Ni 0.2～1.2％、Cr 0～0.8％、Cu 0～0.5％和Mo 0～0.6％中的一種或幾種以上；Ti 0.01～0.03％、V 0～0.1％和Nb 0.01～0.1％中的一種或幾種以上；餘鐵和不可避免雜質。其方法為將鋼坯加熱至1100～1250℃；在奧氏體可發生再結晶區將鋼坯軋製成鋼板；在奧氏體未發生再結晶區將鋼板軋制，終軋溫度介於860～920℃之間；以不低於約20℃/s的冷卻速率在線淬火，至低於約200～400℃的淬火終止溫度；對淬火後的鋼板進行回火。
文檔編號C22C38/54GK1840723SQ20051002475
公開日2006年10月4日 申請日期2005年3月30日 優先權日2005年3月30日
發明者孫全社, 張愛文, 張永嘉, 呂衛東 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司