含銅複合貝氏體鋼材及其製造方法
2023-05-01 03:13:11
專利名稱：含銅複合貝氏體鋼材及其製造方法
技術領域：
本發明涉及複合貝氏體鋼材及其製造方法，更詳細地，是在含有銅
(Cu)的同時，具有高強度(high strength)和高韌性(high toughness) 的複合貝氏體鋼材，及其使用受控軋制和快速冷卻的製造方法。
背景技術：
目前用於建築、造船、海洋結構、管線、或用於機械結構而使用的 鋼材，為提高其耐久性，在要求優良的可焊性的同時，還要求其具有高 強度和高韌性。
通常製造高強度和高韌性鋼材的顯微組織學方法，典型有形成下貝 氏體(lower bainite)、 回火板條馬氏體(tempered lath martensite)、 雙相(dual phase)組織等方法。下貝氏體組織通過受控軋制和快速冷卻 製成，其位錯密度高、晶粒尺寸小，被評價為具有優良的強度與韌性的 組合。此時，可根據快速冷卻的條件，部分地包含板條馬氏體。但是， 為4艮好地形成下貝氏體組織，大量添加Ni、 Cr、 Mo等昂貴的合金元素， 存在著需要合適地控制冷卻速度和退化溫度的難點。
回火馬氏體組織，通過使板條馬氏體在一定的溫度下進行回火，將 下貝氏體和板條馬氏體的優點結合起來，從而確保優良的強度與韌性的 組合。最近有才艮道揭示出，在回火期間利用二次相析出，在較寬的回火 溫度範圍內使強度的減少達到最小化的方法。然而，回火馬氏體組織通 常其屈服比高，具有因附加的回火處理而使成本增加、生產率大幅下降 的缺點。
雙相組織，通過鐵素體和奧氏體通過雙相區域區間內的應力栽荷和 淬冷，由相對柔軟的鐵素體和均勻分布的堅硬的馬氏體構成。上述雙相 組織與汽車用鋼板中使用的雙相組織不同，其組織中馬氏體的體積分數 在50%以上，因鐵素體與奧氏體雙相區域區間內的應力栽荷，鐵素體的位
3錯密度高，M有微細的析出物，從而可得到優良的強度與韌性的組合。 然而，為了保證雙相區域區間內的應力載荷，由於軋制終止溫度的降低， 生產效率降低、成本略微增加。
製造上述三種顯^i且織的方法中，已知用於形成下貝氏體組織的受 控軋制和快速冷卻，與其它製造方法相比，製造過程比較簡單，生產效 率優良，經濟性好。特別地，最近正在開發與大量的合金元素一同添加 硼(B)，而以下貝氏體組織為基礎的高強度及高韌性鋼材。它們正顯示出 高韋刃性及拉伸強度900MPa以上的優良的機械性能。
然而在基於下貝氏體組織的上述鋼材的情況下，大量添加Ni、 Mo、 Cr等昂貴的合金元素，存在著為提高硬化能而需將B的含量調至數ppm 單位等缺點。此外，為了降低工業上為表現可焊性而廣泛使用的Ceq(碳 當量)和Pcm(焊接裂紋敏感性指數)值、提高可焊性、降低生產成本，有 必要使Ni、 Mo、 Cr等合金元素的添加量最小化。即，可焊性優良的高強 度及高韌性鋼材存在著昂貴的合金元素的添加量高、需要準確調節B的 含量的困難。
發明內容
擬解決的技術課題
因此，本發明要實現的技術課題在於，在使昂貴的合金元素添加量 最少化的同時，無B添加地以低成本提供可焊性優良的高強度及高韌性 鋼材。此外，本發明要實現的另一技術課題在於，提供製造上述鋼材的 方法。
課題解決方法
為完成上述技術課題，本發明高強度及高韌性鋼材以重量°/。計含有 C: 0. 05-0. l°/。、Si: 0. Ol-O. 5%、Mn: 1. 5-2. 5%、Ni: 0. 5。/q以下、Cu: 1. 0-2. 0%、 Cr: 0. 5%以下、Mo: 0. 5%以下、Nb: 0. 01-0, 05% 、 V: 0. 01-0. 1% 、 Ti: 0. 01-0. 03%、 Al: 0. 05%以下、餘量為鐵和其它不可避免的雜質，Ceq 為O. 3至0. 6， Pcm約為O. 3以下，並且由粒狀貝氏體、退化上貝氏體、 下貝氏體三相構成。此時上述粒狀貝氏體的體積分數可以是40-60%。
為了實現上述另一技術課題，本發明製造高強度及高韌性鋼的製造方法中，首先將具有如下組成的板坯再加熱至1， 150 。C以上，所述板坯 含有(以重量。/。計)C: 0. 05-0. 1%、 Si: 0. 01-0. 5%、 Mn: 1. 5-2. 5%、 Ni: 0.5% 以下、Cu: 1. 0-2， 0%、 Cr: 0. 5°/。以下、Mo: 0. 5%以下、Nb: 0. 01—0. 05%、 V: 0.01-0.1%、 Ti: 0. Ol-O. 03%、 Al: 0. 05%以下、餘量為鐵和其它不可避 免的雜質，Ceq(含碳量)為0.3至0.6， Pcm(焊接裂玟敏感性指數)約為 0. 3以下。之後，將經過再加熱的板坯，在奧氏體再結晶溫度及以下進行 熱軋。上述經過熱軋的鋼材，以20。C/秒以上的速度淬冷至400。C以下。 接下來使上述冷卻的鋼材空冷至常溫。效果
根據本發明的複合貝氏體鋼材及其製造方法，對含有1. 0-2. 0重量％ 的Cu的鋼材進行受控軋制、快速冷卻，製造出由粒狀貝氏體、退化上貝 氏體、下貝氏體三相構成的複合貝氏體高強度高韌性鋼材，從而能夠通 過未大量添加Ni、 Cr、 Mo等昂責的合金元素、無B添加、省略了附加的 回火處理的，低成本的經濟性方法，確保900MPa以上的拉伸強度和100J 以上的高韌性。
附圖簡迷
圖1是根據時間和溫度對本發明的複合貝氏體高強度及高韌性鋼材 的製造工藝進行說明的圖表。
圖2是顯示根據本發明實施例的複合貝氏體高強度及高韋刃性鋼材的 顯後t組織的 一個例子的照片。
具體實施例方式
以下參照附圖詳細說明本發明的優選實施例。下述實施例能夠變型 成其它型態，本發明的範圍不限於下面詳述的實施例。提供本發明實施 例的目的在於，為具有所屬技術領域普通知識的人員提供關於本發明的 更完整的說明。
以下本發明的實施例中，將對具有高強度及高韌性的複合貝氏體鋼 材及其製造方法分別加以說明。上述鋼材及其製造方法，具有如下的主 要特徵。本發明的複合貝氏體高強度及高韌性鋼材的組成如下以重量°/。計無 B添加地含有1. 0-2. 0°/。的銅，此外連同Fe含有C、 Si、 Mn、 Ni、 Cr、 Mo、 Nb、 V、 Ti及A1添加物中的部分或全部。此時上述鋼材的特徵在於，拉 伸強度在900MPa以上，通過在常溫下進行夏比V型缺口衝擊測試(Charpy V-notch Impact Test)測定的韌性在100J以上。
對基於本發明的複合貝氏體高強度及高韌性鋼材，通過對無B添加 地含有1. 0-2. Q重量°/。的銅的板坯進行再加熱，之後經過受控軋制和快速 冷卻製造而成，由此可獲得由粒狀貝氏體(granular bainite)、退化上 貝氏體(degenerate upper bainite)、下貝氏體(lower bainite)的三相 組織構成的複合貝氏體高強度及高韌性鋼材。
本發明鋼材具有如下的組成，這裡，同時對基於各組成的數值限定 理由進行說明。這裡，％代表重量％,如下定義Ceq(碳當量)和Pcm(焊接 裂紋敏感性指數)。
Ceq = C% + Mn%/6 + (Cr% + Mo% + V%)/5 + (Ni% + Cu%)/15 Pcm = C% + Si%/30 +歸+ Cu% + Cr%)/20 + Ni%/60 + Mo%/15 + V%/10 + 5B%。
(1) 碳(C): 0.05-0.1%
C的含量如果大於0. 1%，則可焊性變差，而如果小於O. 05%,則為 50%體積分數的粒狀貝氏體組織，從而難以確保900MPa以上的屈服強度。
(2) 珪(Si): 0.01-0.5%
為脫氧和提高強度而添加，添加量小於0. OP/。時脫氧效果不充分， 添加量大於0. 50%,則韌性和可焊性降低。
(3) 錳(Mn): 1.5-2.5%
補償因C含量低而降低的硬化能，從而促進貝氏體組織的形成，為 提高強度而添加至1. 5%以上，為防止韌性和可焊性降低及偏析而限制在 2. 5%以下。
(4) 鎳(Ni): 0. 5%以下
儘管是有效提高強度和韌性的元素，但大量添加會使成本增加，因 此為減少熱軋中Cu的產生表面裂紋的有害作用，而少量添加至0. 5%以下。
(5) 銅(Cu): 1.0-2.0%
作為實現本發明重要特徵的合金元素，起提高強度和韌性的作用。 以增加固溶強化及析出強化效果為目的，添加至1.0%以上，然而因其過 量會使可焊性降低，因此將其限制在2. 0%以下。
(6) 鉻(Cr): 0. 5%以下
與Mn同樣地為在低C含量下確保足夠的硬化能而添加，大量添加時 會降低韌性和可焊性，因此將其限制在0. 5%以下。
(7) 鉬(Mo): 0. 5%以下
增加硬化能的元素，大量添加會降低韌性和可焊性，因此將其限制 在0. 5%以下
(8) 鈮(Nb): 0.01-0.05%
在熱軋中使碳化物或氮化物析出，使奧氏體晶粒細化，從而提高強 度和韌性。添加量在0. 01%以下時效果非常小，添加量大於0. 05。/n時^f吏初 性降低。
(9) 釩(V): 0.01-0.1%
形成碳化物或氮化物，有利於增加強度。添加量小於0, 01%時效果 弱，大於0. 10%時降低韌性和可焊性。
(10) 鈥(Ti): 0.01-0.03%
添加量在0. 01%以上時形成析出物，從而有利於提高強度，但大於 0. 03%時會使析出物粗化而使韋刃性降低。
(11) 鋁(Al): 0. 05%以下
作為脫氧劑被添加，若添加量大於0. 05%，則使鋼的清潔度和韌性 降低。
(1"其它不可避免地添加的雜質磷(P)、硫(S)、氮(N)等，優選最 少化。此時，不可避免地添加的雜質中，不包括硼(B)。
根椐本發明的複合貝氏體鋼材，由於基本上不包括B,因此無需為 調節硬化能而將B的含量調至數ppm單位。此外上述鋼材優選Ceq在 0. 3-0. 6、 Pcm在0. 3以下。<複合貝氏體鋼材的製造方法〉
圖l是根據時間和溫度，對本發明的複合貝氏體高強度及高韌性鋼 材的製造工藝進行說明的圖表。
參照圖1，複合貝氏體鋼材的製造方法是將具有如下組成的鋼的板
坯在通常1，150。C以上再加熱2小時左右，所述板坯以重量％計含有 C: 0. 05-0. l%、Si: 0. Ol-O. 5%、Mn: 1. 5-2. 5%、Ni: 0. 5。/。以下、Cu: 1. 0-2. 0%、 Cr: 0. 5%以下、Mo: 0. 5%以下、Nb: 0. 01-0. 05% 、 V: 0. 01—0. 1% 、 Ti: 0. 01-0. 03%、 Al: 0. 05°/。以下、餘量為鐵和其它不可避免的雜質。此後， 在奧氏體再結晶化的溫度及以下進行熱軋。這相當於受控軋制階段。將 經過熱軋的鋼材以20。C/秒以上的速度淬冷至40(TC以下。這相當於快速 冷卻階段。接下來使經過冷卻的鋼材空冷至常溫。
在上述受控軋制階段中，將經過再加熱的鋼的板坯，在奧氏體再結 晶化的溫度及以下，分別施加50%以上的應力載荷進行熱軋。其原因在於， 在快速冷卻前使奧氏體晶粒細化，使奧氏體內部產生諸如位錯或變形帶 的缺陷，通過促進奧氏體向鐵素體的轉變，使最終的顯微組織的晶粒尺 寸得以減小，從而使強度和韌性得到提高。此時全部熱軋在An以上的溫 度下完成。
快速冷卻階段是將經過熱軋的鋼材在Ar3以上的溫度下，以20°C/ 秒以上的速度淬冷至400X:以下的過程。在上述過程期間，主要從奧氏體 形成粒狀貝氏體和退化上貝氏體，隨著淬冷的終止溫度，部分形成下貝 氏體和馬氏體。此後的冷卻階段是使經過淬冷的鋼材空冷至常溫的階段， 在此過程中主要形成下貝氏體。
通過如上過程製造的顯微組織，是由粒狀貝氏體、退化上貝氏體、 下貝氏體三相構成的複合貝氏體組織，其粒狀貝氏體的體積分數為 40-60%。
上述粒狀貝氏體包括島狀馬氏體(MA, mar tens ite-austenite constituent)相，並且由等軸形態的貝氏體晶粒構成。另一方面，其餘 退化上貝氏體和下貝氏體在形成粒狀貝氏體之後，主要在上述快速冷卻 階段或常溫冷卻階段形成。上述退化上貝氏體與通常的上貝氏體不同， 已知在板條形態的貝氏體晶粒之間有碳濃縮的殘留奧氏體或馬氏體或者
8諸如MA相的多種金屬相。上述下貝氏體如通常所知的，在板條形態的貝 氏體晶粒內部，析出有微細M的碳化物。
根據如上述說明的本發明，可在降低昂貴的合金元素的添加量的同 時無B的添加地含有l. 0-2. 0重量°/。的銅，從而可能製造出由粒狀貝氏體、 退化上貝氏體、下貝氏體構成的三相複合貝氏體高強度及高韌性鋼材。
以下將通過實施例對本發明進行更詳細的說明。
實施例
表1示本發明使用的發明材料，以及可與上述發明材料作比較的比 較材料的化學組成、冷卻速度及冷卻結束溫度。表2對表1的發明材料 和比較材料的機械性能進行了比較。圖2示根據本發明實施例的複合貝 氏體高強度及高韌性鋼材的顯微組織的一個例子的照片。
根據表1,由發明材料1及2和比較材料3至7的合金如所記栽的 一樣組成的100mm厚度的鋼材，在1，150'C下進行2小時左右的再加熱 後，在奧氏體再結晶化的溫度及以下，分別施加60%左右的應力栽荷，熱 軋至15mm厚度。接下來，將上述經過熱軋的板材在Ar3以上的溫度下， 以20'C/秒以上的速度冷卻至500'C以下，之後空冷，製造樣片。
使用如上述製造的樣片，在常溫下測定強度和夏比V型缺口衝擊能， 其結果如表2所示。
表1
類合 金成分(重量%)冷卻 速度冷卻 結束
別序 號CSiNiCuCrMoNbVTiAlFe(C/ 秒)溫度 ('c)
發10. 0690. 241. 870. 301. 500. 200. 200. 0280- 0560. 0160. 022bal.29綱
明
材20, 0680. 251, 900. 301. 540, 200. 210. 0290. 0560, 0160. 024bat.33325
料
比 較 材 料0. 0690. 241. S80. 301, 490. 200. 200. 0280. 0560. 0150. 025bal.28465
40. 0700. 241. 860. 290. 480. 200. 200. 0280， 0550. 0160. 027bal.30230
0. 0690. 251, 900. 300. 500, 200. 200. 0280. 0560, 0160. 022bal.28290
60. 0700. 241. 840. 29—0. 200. 190. 0270. 0550, 0150. 027bal.27245
70. 0700. 241. 850. 290， 200. 200. 0270. 0560. 0150. 024bal.18385
9表2
類別合金序號冷卻速度 (x:/秒)冷卻結束 溫度ra屈服強度 (MPa)拉伸強度 (MPa)屈服比衝擊能(J)
發明材料1293007029380. 75113
2333257669780. 78127
3284656808090. 8489
4302306058280. 73129
比較材料5282906298520. 74149
6272455898180. 72171
7183855497380. 74174
圖2示為製造根據本發明的複合貝氏體高強度高韌性鋼材而淬冷至 約3001C製成的發明材料1的代表性顯微組織。
根據圖2，發明材料l由粒狀貝氏體、退化上貝氏體、下貝氏體的 三相構成的複合貝氏體組織組成，粒狀貝氏體的體積分數為40-60°/。。
從上述表2可知，發明材料1至2,其拉伸強度在900MPa以上，衝 擊能在100J以上，強度與韌性的組合優良。儘管符合本發明的組成範圍， 但冷卻結束溫度超出本發明的冷卻結束溫度，達到4 0(TC以上的比較材料 3，由粒狀貝氏體和退化上貝氏體雙相組成，其拉伸強度在900MPa以下， 衝擊能在100J以下，表現出很差的強度與韌性的組合。
此外，儘管Cu的含量超出本發明的組成範圍而達到1. 0重量％以下， 通過淬冷至400'C以下的冷卻結束溫度製成的比較材料4至7,其粒狀貝 氏體的體積分數表現出70%以上，儘管衝擊能高達120 - 140J左右，但 4立伸強度卻遠不及900MPa。
因此，根據本發明，為了確保拉伸強度在900MPa以上、衝擊能在 100J以上的機械性能，需將Cu的含量設為1. 0-2. 0重量％、冷卻結束溫 度設為400C以下進行製造，從而形成由粒狀貝氏體、退化上貝氏體、下 貝氏體的三相構成的複合貝氏體組織。
綜上所述，儘管本發明列舉優選實施例進行了詳細說明，但本發明 並不局限於上述實施例，並且本領域技術人員可以在本發明技術思想的 範圍內做出許多改變。
10
權利要求
1.含銅複合貝氏體鋼材，其特徵在於，以重量％計包含C0.05-0.1％、Si0.01-0.5％、Mn1.5-2.5％、Ni0.5％以下、Cu1.0-2.0％、Cr0.5％以下、Mo0.5％以下、Nb0.01-0.05％、V0.01-0.1％、Ti0.01-0.03％、Al0.05％以下、餘量為鐵和其它不可避免的雜質；且Ceq為0.3至0.6，Pcm約為0.3以下，由粒狀貝氏體、退化上貝氏體、下貝氏體三相構成。
2. 權利要求1的含銅複合貝氏體鋼材，其特徵在於，所述粒狀貝氏 體的體積分數為40-60%。
3. 含銅複合貝氏體鋼材的製造方法，其特徵在於包括 將具有如下組成的板坯加熱至1， 150。C以上的再加熱階段，所述板坯以重量°/。計含有C: 0. 05-0. 1%、 Si: 0. Ol-O. 5%、 Mn: 1. 5-2. 5%、 Ni: 0. 5% 以下、Cu:l.O-2. 0%、 Cr: 0. 5%以下、Mo: 0. 5%以下、Nb: 0. 01-0. 05%、 V: 0.01-0.1%、 Ti: 0. Ol-O. 03%、 Al: 0. 05%以下、餘量為鐵和其它不可避 免的雜質，且Ceq(含碳量)為0. 3至0. 6， Pcm(焊接裂紋敏感性指數)約 為0. 3以下；將上述經過再加熱的板坯，在奧氏體再結晶化的溫度及以下進行熱 軋的受控軋制階段；將上述經過熱軋的鋼材，以201C/秒以上的速度淬冷至400'C以下的 快速冷卻階段；及將上述經過冷卻的鋼材空冷至常溫的冷卻階段。
全文摘要
揭示了在使昂貴的合金元素的添加量最小化的同時，無B添加、成本低、可焊性優良的高強度及高韌性鋼材及其製造方法。所述鋼材及方法，以重量％計，包括C0.05-0.1％、Si0.01-0.5％、Mn1.5-2.5％、Ni0.5％以下、Cu1.0-2.0％、Cr0.5％以下、Mo0.5％以下、Nb0.01-0.05％、V0.01-0.1％、Ti0.01-0.03％、Al0.05％以下、餘量為Fe和其它不可避免的雜質，Ceq為0.3至0.6，Pcm約為0.3以下，製造出由粒狀貝氏體、退化上貝氏體、下貝氏體三相構成的鋼材。關鍵詞銅、複合貝氏體、高強度、高韌性、可焊性、鋼材。
文檔編號C21D8/02GK101586219SQ20091013460
公開日2009年11月25日 申請日期2009年4月2日 優先權日2008年5月23日
發明者李昌吉, 李泰昊, 黃昞哲 申請人:韓國機械研究院