一種屈服強度1150MPa級鋼板及其製造方法
2023-10-17 23:41:39 2
專利名稱：一種屈服強度1150MPa級鋼板及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種合金及其製造方法，尤其涉及一種鋼板及其製造方法。
背景技術：
具有良好低溫韌性的高強度鋼板廣泛應用於大型機械設備結構件的製造，例如大噸位的履帶式起重機的拉杆、高工作阻力煤礦液壓支架的推桿、臂長超過47m的混凝土泵車的臂架等，其均採用屈服強度900/960MPa及以上的高強度鋼板。大型機械結構件通常採用焊接方式連接，因此對鋼板的強韌性和焊接性能均有較高的要求。隨著機械結構日益大型化，屈服強度1150MPa且具有較低碳當量的高強度鋼板能夠滿足大型機械設備增強減重的需求。碳當量是評價鋼板焊接性能的重要指標，碳當量的計算公式為CEV = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15碳當量越低，鋼板的焊接性能越好。歐標10025-6 :2004和國標GB/T16270 :2009限定屈服強度960MPa鋼板的碳當量CEV為彡0.82%。目前尚無屈服強度1150MPa鋼板的
碳當量標準。屈服強度960MPa及以上鋼板通常採用淬火+回火工藝生產，具體工藝過程為連鑄板坯或鋼錠在一定溫度下加熱，並均熱奧氏體化，然後採用高溫軋制工藝達到目標厚度後，冷卻到室溫。鋼板通常以0. I 0.3°C/s的加熱速率加熱至指定溫度後，保溫一段時間，再採用淬火機或水槽進行淬火熱處理。為保證鋼板的力學性能並使內應力均勻，熱處理後鋼板進入回火爐進行回火熱處理。經過在加熱淬火和回火熱處理的鋼板切割成用戶要求的形狀後交貨。近年來，控制軋制和控制冷卻技術有了較大的發展。通過設計優化的成分體系，板坯在較高溫度加熱奧氏體化後，通過分階段軋制，控制軋制的溫度和變形量，可實現控制奧氏體晶粒尺寸、位錯密度和形態以及碳氮化物析出等目的。鋼板在軋制結束後進入加速冷卻裝備，結合不同的冷卻速率和停冷溫度，可獲得不同的最終微觀組織，獲得良好的力學性能。控軋控冷後的鋼板進入熱處理爐回火，鋼板中發生了碳氮化物析出、異號位錯湮滅、鋼板應力降低等變化，最終得到具有良好強韌性的鋼板。控制軋制和控制冷卻技術對裝備和控制能力均有較高要求，因此一般用此工藝生產屈服強度900MPa及以下的鋼板。加熱淬火+回火和控軋控冷+回火工藝採用通常的熱處理爐，加熱速度較慢，回火過程中碳氮化物長大，從而降低鋼板的衝擊性能，且生產周期較長，具有較高的生產成本。在線熱處理工藝是板坯在較高溫度奧氏體化後，採用控制軋制和控制冷卻工藝，實現奧氏體和最終組織控制，並在控制冷卻之後直接進入感應加熱爐，以I 15°C /s的加熱速率對鋼板進行加熱，實現軋制、冷卻和加熱的在線控制，從而縮短了鋼板的交貨周期，降低了生產成本。通過設計合適的成分體系、結合優化的在線熱處理工藝，可開發具有良好機械性能的高強度鋼板。公開號為CN101906594A，
公開日為2010年12月8日，名稱為「一種900MPa級屈服強度調質鋼板及其製造方法」的中國專利公開了一種900MPa級屈服強度調質鋼板及其製造方法，其化學成分重量百分比為c :0. 15% O. 25%，Si :0. 15% O. 35%，Mn :O. 75% I. 60%，P ≤ O. 020%，S :≤ O. 020%,Ni 0. 08% O. 30%,Cu 0. 20% O. 60%，Cr :0. 30 % I. 00 %，Mo :0. 10 % O. 30 %，Al s :0. 015 % O. 045 %，B :0. 001 %
O.003%，餘量為Fe和不可避免的雜質。該發明的鋼板Rel≤900MPa，≤15% (縱向)，-40°C AKv≤21J(縱向)，同時碳當量小於O. 60%。公開號為CN1840724，公開號為2006年10月4日，名稱為「屈服強度960MPa以上超高強度鋼板及其製造方法」的中國專利公開一種屈服強度960MPa以上超高強度鋼板，其化學成分重量百分比為C O. 08 O. 18% ；Si ^ O. 6% ；Mn O. 5 2· 0% ；A1 ( O. 018% ；N ≤ O. 008 % ；B ^ O. 0025% ；Ca :0 0· 006 % ；Ρ ^ O. 015% ；S ^ O. 005 % ；Ni ^ I. 0%,Cr ( O. 8%,Cu ( O. 5%和 Mo ( O. 6%中的一種或幾種以上；TiO. 01 O. 03%,V ≤O. I %和Nb O. 01 O. I %中的一種或幾種以上；餘量為鐵和其他不可避免雜質。
發明內容
本發明的目的在於提供一種屈服強度1150MPa級鋼板，該鋼板不僅具有較高的強度和韌性，還具有優良的焊接性能。此外，本發明的目的還在於提供一種該屈服強度1150MPa級鋼板的製造方法。本發明成分設計的思路為採用較低的Mn含量，添加一定的Ni，配合Cr和Mo等合金元素，結合控軋控冷和在線熱處理工藝，實現鋼板的強韌化。C+Mn/2的範圍設計是優化C和Mn與其它元素的配比。淬透性係數的計算方法體現了不同合金元素對鋼板淬透性的影響程度，如Mo元素增加會導致鋼板淬透性明顯增加，但Si元素增加對鋼板淬透性的影響相對不明顯。鋼板淬透性增加，則在相同的冷卻條件下，會形成強度更高的組織。採用給定的淬透性係數的計算公式和範圍，可在保證鋼板強韌性的基礎上，具有較低的碳當量。根據上述發明目的，本發明提供了一種屈服強度1150MPa級鋼板，其化學成分質量百分配比是C :0· 14 O. 17wt %、Si :0. 10 O. 30wt %、Mn :0. 80 I. 20wt %、P:(O. 015wt S O. 003wt %、Cr :0. 30 O. 50wt %、Mo :0. 40 O. 70wt %、Ni :I. I 2. 2wt%, Nb 0. 01 O. 06wt%, V :0. 04 O. 06wt%, Ti :0. 003 O. 02wt%, Al :0. 03
O.07wt%,B 0. 0006 O. 0020wt%，餘量為Fe和其他不可避免的雜質。所述屈服強度1150MPa級鋼板還應滿足O. 23Ν +0. 32Mo+0. 49Si+0. 17Cr_153. 21B ( C+Mn/2 (O. 49Ν +0. 64Mo+0. 76Si+0. 53Cr_132. 61B ；以及2. 77 ^ Qm ^ 4. 92 ；式中，Qm為淬透性係數，其滿足Qm = I. 379C+0. 218Si+l. 253Mn+2. 113Mo+0. 879Cr+0. 411Ν +101. 21B。本發明中化學元素的添加原理如下C C加入鋼中能夠提高鋼板的淬透性，形成強度較高的組織，但C含量過高會降低鋼板韌性，惡化焊接性能。C會和其它合金元素如Nb、V和Ti形成碳化物析出。C含量過高則會形成粗大的析出物，惡化鋼板的衝擊性能。因此，為保證鋼板的強韌性和焊接性能，本發明C含量控制在0. 14 0. 17被％範圍內。Si =Si以固溶形式存在鋼中，從而提高鋼板的強度。Si在滲碳體中的溶解度較小，Si含量較高時，可形成殘餘奧氏體和貝氏體的複合組織。Si含量增加，會惡化鋼板的焊接性能。因此本發明中的Si含量控制在0. 10 0. 30被％範圍內。Mn :Mn通常以固溶形式存在於鋼中。Mn固溶在奧氏體中，通過抑制擴散界面運動，細化最終微觀組織，從而提高鋼板的強度和韌性。Mn含量過高，會使板坯有易發裂紋的傾向。因此，本發明中加入0. 80 I. 20被％的胞元素，有利於形成細化的貝氏體組織，使鋼具有良好的強韌性。Cr :Cr加入鋼中，提高鋼板的淬透性。回火過程中，Cr和C形成碳化物析出。如析出的碳化物細小彌散，則對鋼板的力學性能有益，否則會惡化鋼板的低溫衝擊性能。結合本發明中其它合金元素含量，將Cr含量控制在0. 30 0. 50wt%範圍內，以保證鋼板的強度和 衝擊功。Mo :鋼板中的Mo會抑制擴散界面運動，單位摩爾的Mo耗散的自由能約是Mn的3倍，因此固溶在鋼板中的Mo會使CCT曲線(過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線)右移。在同樣的冷卻速率下，形成具有較高強韌性的微觀組織。Mo與C形成細小的MoC析出，從而提高鋼板在回火後的韌性。因此，本發明中加入0. 40 0. 7(^七％的Mo，以保證鋼板的力學性能。Nb :Nb加入鋼中，通過抑制奧氏體晶粒界面運動，從而提高鋼板的再結晶溫度。鋼板中加入一定量的Nb，結合鋼板中的C含量，在高溫奧氏體化時，未溶解的NbC起到釘軋奧氏體晶界的作用，從而阻礙奧氏體晶界過分粗化。溶解在奧氏體中的Nb，在兩階段軋制過程中抑制奧氏體再結晶，細化奧氏體晶粒。Nb含量過高，則會形成粗大的NbC，影響鋼板的力學性能。因此，本發明中Nb的加入量為0. 01 0. 06wt%，以獲得良好的力學性能。Ni =Ni會與Fe形成FeNi化合物，同時固溶在鋼中的Ni會在相變過程中起到細化最終奧氏體晶粒的作用。鋼板在較低溫度下受到低溫衝擊載荷時，固溶的Ni會提高鋼板的低溫衝擊吸收功。因此，本發明中加入I. I 2. 2wt%的Ni能夠保證鋼板的力學性能，並使其具有市場競爭力。V :V與C會形成VC析出物，在回火過程中提高鋼板的屈服強度，而不會使鋼板的韌性發生明顯的惡化。V含量過高，則會形成粗大的VC，降低鋼板的低溫衝擊性能。因此，本發明中加入0. 04 0. 06wt%的V以保證鋼板在回火後有較高的屈服強度。B B在鋼中以間隙原子存在，受到刃型位錯靜水壓力場的作用，B通常富集在位錯和晶界等缺陷附近。B在晶界處的富集，使相變時新相不易在晶界形核，從而提高鋼板的淬透性。晶界處富集B較多，會降低晶界結合能，使鋼板在受到衝擊載荷時更傾向於沿晶斷裂，降低鋼板的低溫衝擊吸收功。因此，本發明中B的加入量為0. 0006 0. 0020wt%。Al A1和鋼中的O、N形成氧化物和氮化物，在高溫奧氏體化時起到釘軋奧氏體晶界的作用，細化奧氏體晶粒，以得到細小的最終組織。因此本發明中加入0. 03 0. 07wt%的Al細化晶粒，以提聞鋼板的朝性並保證其焊接性能。Ti =Ti與鋼中的N和C形成TiN和TiC。TiN在較高溫度形成，起到細化奧氏體晶粒作用；TiC在較低溫度形成，能夠提高鋼板的回火後的強度。Ti含量較高，會形成粗大的TiN，使鋼板在受力時的疲勞性能降低，因此，本發明中的Ti含量控制在0. 003 0. 02wt%範圍內。
在優化成分的基礎上，本發明還限定成分中的C和Mn，使其需滿足O. 23Ν +0. 32Mo+0. 49Si+0. 17Cr_153. 21B ( C+Mn/2 (0. 49Ν +0. 64Mo+0. 76Si+0. 53Cr_132. 61B ；此外，鋼板的淬透性係數Qm需滿足Qm = I. 379C+0. 218Si+l. 253Mn+2. 113Mo+0. 879Cr+0. 411Ν +101. 21B ；2. 77 ^ Qm ^ 4. 92 ；C+Mn/2的範圍設計是優化C和Mn與其它元素的配比。淬透性係數的計算方法體現了不同合金元素對鋼板淬透性的影響程度，如Mo元素增加會導致鋼板淬透性明顯增加，但Si元素增加對鋼板淬透性的影響相對不明顯。鋼板淬透性增加，則在相同的冷卻條件下，會形成強度更高的組織。採用給定的淬透性係數的計算公式和範圍，可在保證鋼板強韌性的基礎上，具有較低的碳當量。通過上述限定條件，可生產具有碳當量不大於O. 60%的高強韌鋼板。另外，為了實現本發明的目的，本發明還提供該種屈服強度1150MPa級鋼板的製造方法，其包括下列步驟⑴冶煉；(2)澆鑄；(3)加熱鋼坯加熱至中心溫度達到1020 1220°C ；鋼板的在1020 1220°C溫度下加熱奧氏體化，保溫一段時間後出爐軋制，在此溫度區間加熱，可獲得均勻的奧氏體組織，使合金元素部分或全部溶解在鋼中。(4)軋制a)第一階段在高於再結晶溫度下對鋼坯進行軋制，軋制完成後，將鋼坯置放於棍道上待溫；b)第二階段當鋼坯待溫至770 850°C時，開始第二階段軋制，其終軋溫度為760 840。。；軋制分為第一階段和第二階段軋制。第一階段軋制在出加熱爐後進行。第一階段軋制後在輥道上待溫至770 850°C，開始第二階段軋制，第二階段軋制的終軋溫度為760 840°C。第一階段軋制過程中，奧氏體發生動態再結晶、靜態再結晶和動態回復的過程，從而細化了奧氏體晶粒。第二階段軋制過程中，奧氏體中富集了大量的位錯，為冷卻過程中發生的相變提供了大量的形核位置。(5)冷卻以15 45°C /s的速度將鋼板冷卻至彡300°C ；鋼板在軋制後進入水冷裝置，以15 45°C /s的速度冷卻至彡300°C。鋼板冷卻到指定溫度後，進入回火爐。較快的冷卻速率使鋼板迅速進入過冷區域，在較低溫度發生相變。較低溫度下，相變的驅動力增加，C和合金元素原子的擴散能力減弱，因此會形成細化的微觀組織。本發明所述成分工藝形成以細化的貝氏體和馬氏體為基體，分布著殘餘奧氏體的微觀組織。(6)在線回火熱處理以3 15°C/s的速度將鋼板升溫至回火溫度200 530°C，保溫5 180s後，空冷。鋼板在冷卻後進入在線回火感應加熱爐，在線回火的升溫速率為3 15°C /s，升溫至回火溫度200 530°C，保溫5 180s後，空冷。在線回火加熱速率很快，碳化物析出的熱力學驅動力較大，保溫時間較短，使碳化物粗化過程縮短。感應加熱快速回火後會形成細小的碳氮化物析出，有利於鋼板的低溫韌性。採用本發明所述的C、Nb、V、Ti等成分，在所述奧氏體化溫度1020 1220°C加熱，可使部分碳化物溶解，未溶解的氮化物會抑制奧氏體晶粒粗化，溶解的合金元素會在軋制和冷卻過程中實現細化最終微觀組織的目的。本發明所述的Cr、Mo含量，結合兩階段軋制溫度和回火工藝，可形成細化的貝氏體+馬氏體的微觀組織，獲得良好的力學性能。本發明所述的Al和Ti含量，結合奧氏體化溫度和回火溫度，可細化奧氏體晶粒，形成具有較高強度且有良好低溫韌性的組 織。本發明的Ni、Mn、Si、B含量，結合兩階段軋制和冷卻工藝，可提高鋼板的低溫衝擊韌性。本發明所採用優化的成分和工藝體系，可生產出碳當量CEV ( 0. 60%的屈服強度1150MPa級高強韌鋼板。碳當量是影響焊接的重要參數。通常認為碳當量大於0.60%的鋼板的焊接性能差，難以實現採用焊接工藝連接結構件。碳當量小於等於0.60%的鋼板，可以通過焊接手段連接。碳當量越低，焊接越容易。歐標10025-6 :2004和國標GB/T16270 :2009限定屈服強度960MPa鋼板的碳當量CEV為彡0. 82%。本發明中，鋼板的屈服強度為1150MPa，並且碳當量 CEV ^ 0. 60%o優選地，在上述屈服強度1150MPa級鋼板的製造方法中，空冷採用冷床冷卻。採用本發明所述的技術方案具有以下優點(I)本發明所述的屈服強度1150MPa級鋼板的屈服強度彡1150MPa，抗拉強度彡1200MPa，夏氏衝擊功Akv (-400C )彡60J，碳當量CEV ( 0. 60%，具有優良的焊接性能；(2)本發明所述的屈服強度1150MPa級鋼板的製造方法採用控制軋制、控制冷卻和在線回火熱處理工藝，工藝流程短，從而節約了鋼板生產的成本；(3)由於本發明所述的屈服強度1150MPa級鋼板的成分與工藝設計合理，從實施效果來看，工藝制度比較寬鬆，可以在配備有感應加熱爐的中、厚鋼板產線上穩定生產。
圖I為本發明所述的屈服強度1150MPa級鋼板在一種實施方式下的光學顯微鏡照片。圖2為本發明所述的屈服強度1150MPa級鋼板在一種實施方式下的掃描電鏡照片。
具體實施例方式實施例1-6製造本發明所述的屈服強度1150MPa級鋼板的具體步驟如下(本案實施例1_6中各鋼種化學成分見表I)(I)冶煉採用真空感應爐、轉爐或電爐冶煉，冶煉後通過精煉和脫氣處理。需要注意的是，冶煉包括但不僅限於上述冶煉方法及處理工序，本案實施例採用真空感應爐冶煉，化學光譜法測定最終成分；；(2)澆鑄採用立式連鑄、立彎式連鑄、弧形連鑄、模鑄、定向凝固或電渣重熔等方式。需要注意的是，澆鑄包括但不僅限於上述澆鑄方式，本案實施例採用模鑄方式澆鑄在耐材鋼錠模中，澆鑄過熱度為25±20°C (3)加熱鋼坯加熱至中心溫度達到1020 1220°C ；(4)軋制a)第一階段在高於再結晶溫度下對鋼坯進行軋制，軋制完成後，將鋼坯置放於棍道上待溫；b)第二階段當鋼坯待溫至770 850°C時，開始第二階段軋制，其終軋溫度為760 840。。；(5)冷卻以15 45°C /s的速度將鋼板冷卻至彡300°C ；(6)在線回火熱處理以3 15°C/s的速度將鋼板升溫至回火溫度200 530°C，保溫5 180s後，冷床冷卻。表I.(餘量為Fe和其他不可避免的雜質，wt% )
權利要求
1.一種屈服強度1150MPa級鋼板，其特徵在於，化學成分質量百分配比是C 0. 14 O. 17wt%,Si 0. 10 O. 30wt%,Mn :0. 80 I. 20wt%,P ·.( O. 015wt%,S (O. 003wt%,Cr 0. 30 O. 50wt%,Mo :0. 40 O. 70wt%,Ni :1. I 2. 2wt%,Nb :0. 01 O. 06wt%,V 0. 04 O. 06wt%,Ti :0. 003 O. 02wt%,Al :0. 03 O. 07wt%,B :0. 0006 O. 0020wt%，餘量為Fe和其他不可避免的雜質。
所述屈服強度1150MPa級鋼板還應滿足O. 23Ν +0. 32Mo+0. 49Si+0. 17Cr-153. 21B ( C+Mn/2 (O.49Ν +0. 64Mo+0. 76Si+0. 53Cr-132. 61B ； 以及 2.77 ≤ Qm ≤4. 92 ； 式中，Qm為淬透性係數，其滿足Qm = I. 379C+0. 218Si+l. 253Mn+2. 113Mo+0. 879Cr+0. 411Ν +101. 21B。
2.如權利要求I所述的屈服強度1150MPa級鋼板的製造方法，其特徵在於， 包括下列步驟 (1)冶煉； (2)澆鑄； (3)加熱:鋼坯加熱至中心溫度達至IJ1020 12200C ； (4)軋制 a)第一階段在高於再結晶溫度下對鋼坯進行軋制，軋制完成後， 將鋼坯置放於輥道上待溫； b)第二階段當鋼坯待溫至770 850°C時，開始第二階段軋制，其終軋溫度為760 840 0C ； (5)冷卻以15 450C/s的速度將鋼板冷卻至≤3000C ； (6)在線回火熱處理以3 15°C/s的速度將鋼板升溫至回火溫度200 530°C，保溫5 180s後，空冷。
3.如權利要求2所述的屈服強度1150MPa級鋼板的製造方法，其特徵在於，所述空冷採用冷床冷卻。
全文摘要
本發明公開了一種屈服強度1150MPa級鋼板，其化學成分質量百分配比是C0.14～0.17wt％、Si0.10～0.30wt％、Mn0.80～1.20wt％、P≤0.015wt％、S≤0.003wt％、Cr0.30～0.50wt％、Mo0.40～0.70wt％、Ni1.1～2.2wt％、Nb0.01～0.06wt％、V0.04～0.06wt％、Ti0.003～0.02wt％、Al0.03～0.07wt％、B0.0006～0.0020wt％，餘量為Fe和其他不可避免的雜質。所述屈服強度1150MPa級鋼板還應滿足0.23Ni+0.32Mo+0.49Si+0.17Cr-153.21B≤C+Mn/2≤0.49Ni+0.64Mo+0.76Si+0.53Cr-132.61B；以及2.77≤Qm≤4.92。該鋼板的屈服強度≥1150MPa，抗拉強度≥1200MPa，夏氏衝擊功Akv(-40℃)≥60J，碳當量CEV≤0.60％，具有優良的焊接性能。
文檔編號C21D8/02GK102618800SQ20121009150
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月30日 優先權日2012年3月30日
發明者姚連登, 焦四海, 趙四新 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司