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一種屈服強度700MPa級高強度高韌性鋼板及其製造方法

2023-05-08 04:01:36 1

專利名稱:一種屈服強度700MPa級高強度高韌性鋼板及其製造方法
技術領域:
本發明涉及一種高強度高韌性鋼板,具體地涉及一種屈服強度大於等於700MPa 的高強度高韌性鋼板及其製造方法。本發明鋼板具有較好的低溫韌性,適合用於汽車、工程機械及艦艇船體結構等行業的高強度高韌性耐衝擊的結構鋼板。
背景技術:
低合金高強度鋼作為一種重要的鋼鐵材料,被廣泛應用於軍工、汽車、礦山機械、 工程機械、農業機械及鐵路運輸等部門。隨著我國工業的飛速發展,各類軍用及民用設備的複雜化、大型化及輕量化對該類鋼提出了更高的要求,即用於製造這些設備的低合金高強度鋼板不但要求具有更高的硬度、強度,而且還要求良好的韌性及成型性能。近幾十年來, 高強度鋼板的開發與應用發展很快。這類鋼是在低合金高強度可焊接鋼的基礎上發展起來的,使用壽命可達傳統結構鋼板的數倍;生產工藝較簡單,一般採用軋後直接冷卻或淬火, 或者離線淬火加回火工藝,或通過控軋控冷工藝進行強化。
傳統工藝在生產汽車、工程機械及艦艇船體結構用低合金高強度鋼板時,多添加較多的Cu、N1、Cr和Mo等貴重合金元素,成本較高,目前高強度鋼開始向低成本經濟型和高成本高性能方向發展。國內鋼廠生產高強度鋼所加的合金元素多為V、T1、Cr、S1、Mn、B、 RE等我國資源豐富的元素,且添加量一般為< 3%。對於強度級別更高的艦艇船體結構、汽車、礦山機械、工程機械等行業用高強度鋼,如屈服強度700MPa級高強度鋼板,還需要補充一定量的Cu、N1、Cr、Mo等元素提高性能。這種鋼的屈服強度可達700MPa,但低溫韌性不足,不能用於_60°C甚至_80°C低溫衝擊有要求的軍用艦艇船體結構和民用裝備。目前,屈服強度700MPa以上強度級別高強度鋼仍主要依賴進口。
美國執行軍用標準MILS-24645A-SH中的HSLA-80/100涉及C彡O. 06 %, Si ^ O. 04 %, Mn 0. 75-1. 05 %, P ^ O. 020 %, S ^ O. 006 %, Cu 1. 45-1. 75 %, Ni 3. 35-3. 65%, Cr 0. 45-0. 75%,Mo 0. 55-0. 65%, Nb 0. 02-0. 06%,最小 Ceq = O. 67,板厚 (102mm,其採用了低碳甚至是超低碳的合金設計(CS O. 06% ),確保鋼的優良焊接性和低溫韌性,鋼中添加了較高的銅和鎳,依靠銅的時效硬化作用,在對韌塑性沒有明顯損害的條件下,獲得了高強度。其屈服強度690-860MPa,延伸率18%, _18°C橫向Akv = 108J, -84 °C 橫向Akv = 81J。由於其中加入了較多的貴重合金元素,成本昂貴。
目前已經公開的有關屈服強度在700MPa左右及以上的高強度高韌性鋼板的專利文獻,如WO 200039352A公開了一種低溫用鋼,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°C/s),其抗拉強度能達到930MPa以上。
WO 9905335A,其成分中碳含量較低為O. 05-0. 10%,但採用較高含量的Mn、N1、Mo 和Nb合金化,在熱軋後只淬火不回火,鋼板的抗拉強度能達到830MPa以上,其-40°C夏氏衝擊功最小175J。
目前仍需要提供相對經濟的高強度高韌性中厚鋼板,以廣泛用於汽車、工程機械及艦艇船體結構等行業的高強度高韌性耐衝擊的結構鋼板。

發明內容
本發明的目的在於提供一種屈服強度在700MPa以上的高強度高韌性鋼板,特別 是6-25mm的中厚鋼板。為實現上述目的,本發明的屈服強度在700MPa以上的高強度高韌性中厚鋼板,其 化學成分的重量百分比為c 0. 03-0. 06%, Si ( 0. 30%, Mn 1. 0-1. 5%, P ^ 0. 020%, S ≤ 0. 010 %、A1 0. 02-0. 05 Ti 0. 005-0. 025 %、N ≤ 0. 006 %、Ca ≤ 0. 005 %,以及 Cr≤ 0. 75%、Ni≤ 0. 40%、Mo≤ 0. 30%中的1種以上,餘量為鐵和不可避免雜質。優選地,C: 031-0. 059%。優選地,Si: 03-0. 30%。優選地,Mn:1. 02-1. 5%。優選地,P≤ 0. 015%。優選地,S≤ 0. 005%。優選地,Al0. 02-0. 046%。優選地,Ni0. 10-0. 40,更優選 0. 13-0. 36%。優選地,Cr0. 3-0. 75 %,更優選 0. 32-0. 75%。優選地,Mo0. 10-0. 30 %,更優選 0. 13-0. 26 % 優選地,Ti0. 01-0. 025%。優選地,N≤ 0. 005%。 本發明中,除非另有指明,含量均指重量百分比含量。所述鋼板的組織為回火馬氏體+彌散碳化物。本發明的另一目的在於提供上述高強度高韌性中厚鋼板的製造方法,該方法包 括鋼水經真空脫氣處理後進行連鑄或模鑄,模鑄後需經初軋成鋼坯;連鑄坯或鋼坯於1100-1250°C加熱後在奧氏體再結晶區進行一道次或多道次軋 制,總壓下率≥70% ;終軋溫度≥860°C ;軋後鋼板以15-50°C /s快速水冷至200_300°C,空冷5_60s ;冷卻的鋼板進入在線感應加熱爐以1-10°C /s快速加熱至450-550°C回火15-45s, 然後出爐空冷。優選地,終軋溫度為860_900°C。優選地,冷卻的鋼板進入在線感應加熱爐以1-10°C /s快速加熱至450_500°C回火 15-45s,然後出爐空冷。根據本發明,所述鋼板的軋後冷卻速度不能低於15°C /s。目的是保證冷卻後獲得 馬氏體類組織,避開貝氏體組織形成區間。冷速上限受軋後冷卻裝備冷卻能力以及終冷溫 度的限制,不易太快。故本發明採用15-50°C /s的冷速範圍。本發明通過合適的成分設計、加熱、控制軋制、軋後快速冷卻和回火,使鋼板實現 細晶強化、相變強化、析出強化,提高了鋼板的強度、硬度,具有很高的低溫韌性,組織呈現 為回火馬氏體+彌散碳化物。6-25mm厚鋼板屈服強度≥700MPa,延伸率A5(l≥18%,-60°C的Akv ^ 150J,冷彎性能優良,滿足了汽車、工程機械和艦艇船體結構等行業對高強度高韌性鋼板的較高要求。適合用於艦艇船體結構、汽車、工程機械等行業需要的高強度高韌性構件,由於鋼板具備較高的強度、很高的低溫韌性,優良的冷彎性能,用戶加工成型方便。


圖1是本發明實施例1的6_厚高強度鋼板的典型金相組織照片。
圖2是本發明實施例5的25mm厚高強度鋼板的典型金相組織照片。
具體實施方式
以下結合實施例對本發明的特點和性質進行較為詳細的說明。
為實現本發明的目的,主要化學成分控制如下
碳確保鋼板強度的關鍵元素。對於要獲得組織為大部分馬氏體的鋼板而言,碳是最重要的元素,其可以顯著提高鋼板的淬透性。碳含量的提高能使強度和硬度上升,塑性下降。所以如果鋼板既要獲得高強度,又要具備較高的韌性,那麼碳含量必須綜合考慮。為了保證優良的焊接性和良好的低溫韌性,鋼中碳含量降至O. 06%以下。對於本發明的屈服強度700MPa強度級別而言,為了獲得較高的低溫衝擊韌性,採用較低的碳含量O. 03-0. 06% 是合適的。
矽鋼中加矽能提高鋼質純淨度和脫氧。矽在鋼中起固溶強化作用。但矽含量過高會使鋼板加熱時的氧化皮粘度較大,出爐後除鱗困難,導致軋後鋼板表面紅色氧化皮嚴重,表面質量較差。且高矽不利於焊接性能。綜合考慮矽各方面的影響,本發明矽含量為小於等於O. 30%。
錳錳穩定奧氏體組織,其能力僅次於合金元素鎳,是廉價的穩定奧氏體與強化合金元素,同時錳增 加鋼的淬透性,降低馬氏體形成的臨界冷速。但錳具有較高的偏析傾向, 所以其含量不能太高,一般低碳微合金鋼中錳含量不超過2. O %。錳的加入量主要取決於鋼的強度級別。本發明錳的含量應控制在1. 0-1.5%。錳在鋼中還和鋁一起共同起到脫氧的作用。
硫和磷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。對於本發明而言,硫和磷均是不可避免的雜質元素,應該越低越好,考慮到鋼廠實際的煉鋼水平,本發明要求P彡O. 020%, S ^ O. 010%。
鋁強脫氧元素。為了保證鋼中的氧含量儘量地低,鋁的含量控制在 O. 02-0. 04%。脫氧後多餘的鋁和鋼中的氮元素能形成AlN析出物,提高強度並且在熱處理加熱時能細化鋼的元素奧氏體晶粒度。
鈦鈦是強碳化物形成元素,鋼中加入微量的Ti有利於固定鋼中的N,形成的TiN 能使鋼坯加熱時奧氏體晶粒不過分漲大,細化原始奧氏體晶粒度。鈦在鋼中還可分別與碳和硫化合生成Tic、TiS、Ti4C2S2等,它們以夾雜物和第二相粒子的形式存在。鈦的這些碳氮化物析出物在焊接時還可阻止熱影響區晶粒長大,改善焊接性能。本發明鈦含量控制在 O. 005-0. 025%。
鉻鉻提高鋼的淬透性,增加鋼的回火穩定性。鉻在奧氏體中溶解度很大,穩定奧氏體,淬火後在馬氏體中大量固溶,並在隨後的回火過程中會析出Cr23C7、Cr7C3等碳化物,提高鋼的強度和硬度。為了保持鋼的強度級別,鉻可以部分代替錳,減弱高錳的偏析傾向。配合在線快速感應加熱回火技術的細小碳化物析出,可相應降低合金含量,故本發明可添加不大於O. 75%的鉻,優選為O. 3-0. 75%。
鎳穩定奧氏體的元素,對提高強度沒有明顯的作用。鋼中加鎳尤其是在調質鋼中加鎳能大幅提高鋼的韌性尤其是低溫韌性,同時由於鎳屬於貴重合金元素,所以本發明可添加不超過O. 40%的鎳元素,優選為O. 10-0. 40%,更優選為O. 13-0. 36%。
鑰鑰能顯著地細化晶粒,提高強度和韌性。鑰能減少鋼的回火脆性,同時回火時還能析出非常細小的碳化物,顯著強化鋼的基體。由於鑰是非常昂貴的戰略合金元素,所以本發明中僅添加不超過O. 30%的鑰,優選為O. 10-0. 30%。更優選為O. 13-0. 26%。
鈣鋼中加鈣主要是改變硫化物形態,改善鋼的厚向、橫向性能和冷彎性能。對於硫含量很低的鋼亦可不鈣處理。本發明視硫含量的高低可鈣處理,鈣含量< O. 005%。
製造工藝過程對本發明產品的影響
轉爐吹煉和真空處理目的是確保鋼液的基本成分要求,去除鋼中的氧、氫等有害氣體,並加入錳、鈦等必要的合金元素,進行合金元素的調整。
連鑄或模鑄保證鑄坯內部成分均勻和表面質量良好,模鑄的鋼錠需軋製成鋼坯。
加熱和軋制連鑄坯或鋼坯在1100-1250°C的溫度下加熱,一方面獲得均勻的奧氏體化組織,另一方面使鈦、鉻、鑰等合金元素的化合物部分溶解。在奧氏體再結晶溫度範圍內經一道次或多道次軋製成鋼板,總壓下率不低於70%,終軋溫度不低於860°C ;
快速冷卻軋後鋼板以15_50°C /s快速水冷至200_300°C溫度區間空冷5_60s ;在快速冷卻過程中,大部分的合金元素被固溶到馬氏體中。
在線回火冷卻的鋼板進入在線感應加熱爐以1-10°C /s快速加熱至450_550°C回火15-45s,然後出爐空冷。回火有助於消除淬火時產生的內應力以及消除馬氏體板條內或之間的微裂紋,彌散析出部分碳化物強化,提高強塑型、韌性和冷彎性能。
本發明通過合適的成分設計、加熱、控制軋制、軋後快速冷卻和自回火,使鋼板實現細晶強化、相變強化、析出強化,提高了鋼板的強度、硬度,具有很高的低溫韌性,組織呈現為回火馬氏體+彌散碳化物。6-25mm厚鋼板屈服強度彡700MPa,延伸率A5tl ^18%,-60°C 的Akv ^ 150J,冷彎性能優良,滿足了汽車、工程機械和艦艇船體結構等行業對高強度高韌性鋼板的較高要求。
實施例
實施例1
將按表I配比冶煉完成的鋼水經真空脫氣處理後進行連鑄或模鑄,板坯厚度 80_,所得坯料於1200°C加熱後,在奧氏體再結晶溫度範圍內經多道次軋制,軋製成厚度為 6mm的鋼板,總壓下率94%,終軋溫度為880°C,然後以50°C /s水冷至220°C再在線快速加熱至450°C回火,然後空冷至室溫;
本實施例的部分鋼板金相組織如圖1所示。
實施例2-5的詳細成分見表1,工藝參數見表2,所有實施例所得鋼板性能見表3。
表I本發明實施例1-5的化學成分、Ceq(wt% )
權利要求
1.一種高強度高韌性鋼板,其化學成分的重量百分比為c 0. 03-0. 06Si ^ O. 30 %、Mn :1. 0-1. 5 P ^ O. 020 %、SS 0.010 %、Al :0. 02-0. 05 %、T1:O.005-0. 025%,O. 006%、Ca 彡 O. 005%,以及 Cr ( O. 75%,Ni ( O. 40%,Mo ( O. 30%中的I種以上,餘量為鐵和不可避免雜質。
2.如權利要求1所述的高強度高韌性鋼板,其特徵在於,C:0. 031-0. 059%。
3.如權利要求1或2所述的高強度高韌性鋼板,其特徵在於,S1:0. 03-0. 30%。
4.如權利要求1-3任一所述的高強度高韌性鋼板,其特徵在於,Mn:1. 02-1. 5%。
5.如權利要求1-4任一所述的高強度高韌性鋼板,其特徵在於,P< O. 015%。
6.如權利要求1-5任一所述的高強度高韌性鋼板,其特徵在於,S< O. 005%。
7.如權利要求1-6任一所述的高強度高韌性鋼板,其特徵在於,Al:0. 02-0. 046%。
8.如權利要求1-7任一所述的高強度高韌性鋼板,其特徵在於,N1:0. 10-0. 40,更優選O.13-0. 36%。
9.如權利要求1-8任一所述的高強度高韌性鋼板,其特徵在於,Cr:0. 3-0. 75%,更優選 O. 32-0. 75%。
10.如權利要求1-9任一所述的高強度高韌性鋼板,其特徵在於,Mo:0. 10-0. 30%,更優選 O. 13-0. 26%。
11.如權利要求1-10任一所述的高強度高韌性鋼板,其特徵在於,T1:0. 01-0. 025%。
12.如權利要求1-11任一所述的高強度高韌性鋼板,其特徵在於,N< O. 005%。
13.如權利要求1-12任一所述的高強度高韌性鋼板,其組織為回火馬氏體和彌散析出碳化物。
14.如權利要求1-13任一所述的高強度高韌性鋼板,其6-25mm厚鋼板屈服強度彡 700MPa,延伸率 A5tl 彡 18%,_6(TC 的 Akv 彡 150J。
15.如權利要求1-14任一所述的高強度高韌性鋼板的製造方法,包括鋼水經真空脫氣處理後進行連鑄或模鑄,模鑄後需經初軋成鋼坯;連鑄坯或鋼坯於1100-1250°C加熱後在奧氏體再結晶區進行一道次或多道次軋制,總壓下率彡70% ;終軋溫度彡860 0C ;軋後鋼板以15-50°C /s快速水冷至200-300°C,空冷5_60s ;冷卻的鋼板進入在線感應加熱爐以1-10°C /s快速加熱至450-550°C回火15-45s,然後出爐空冷。
16.如權利要求15所述的方法,其特徵在於,終軋溫度為860-900°C。
17.如權利要求15或16所述的方法,其特徵在於,冷卻的鋼板進入在線感應加熱爐以1-1O0C /s快速加熱至450-500°C回火15_45s,然後出爐空冷。
全文摘要
本發明涉及一種高強度高韌性鋼板,其化學成分的重量百分比為C0.03-0.06%、Si≤0.30%、Mn1.0-1.5%、P≤0.020%、S≤0.010%、Al0.02-0.05%、Ti0.005-0.025%、N≤0.006%、Ca≤0.005%,以及Cr≤0.75%、Ni≤0.40%、Mo≤0.30%中的1種以上,餘量為鐵和不可避免雜質。其製造方法包括鋼水經真空脫氣處理後進行連鑄或模鑄,模鑄後需經初軋成鋼坯;連鑄坯或鋼坯於1100-1250℃加熱後在奧氏體再結晶區進行一道次或多道次軋制,總壓下率≥70%;終軋溫度≥860℃;軋後鋼板以15-50℃/s快速水冷至200-300℃,空冷5-60s;冷卻的鋼板進入在線感應加熱爐以1-10℃/s快速加熱至450-550℃回火15-45s,然後出爐空冷。得到的6-25mm厚鋼板屈服強度≥700MPa,延伸率A50≥18%,-60℃的Akv≥150J,適合用於汽車、工程機械及艦艇船體結構等行業。
文檔編號C22C38/14GK103014539SQ20111028895
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月26日 優先權日2011年9月26日
發明者張愛文, 焦四海, 張慶峰 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司

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