專利名稱：一種屈服強度1100MPa級高強度鋼板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有良好低溫韌性的超高強度鋼板，具體涉及屈服強度IlOOMPa級高強度鋼板及其制造方法。
背景技術(shù)：
高強度鋼板應(yīng)用與煤礦機械如煤礦液壓支架等、工程機械如履帶式起重機、工程起重機和混凝土泵車等和船用大型浮吊等裝備。機械結(jié)構(gòu)通常在大負荷及復(fù)雜環(huán)境中服役，因此機械結(jié)構(gòu)用高強度鋼板要求鋼板有較高的強度和良好的低溫韌性。目前歐標EN10025和國標16270涉及的高強度鋼板，其屈服強度最高達到960MPa。目前超大型工程機械如大噸位的履帶式起重機和工程起重機等，均需使用屈服強度IlOOMPa級鋼板。 選取適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分，結(jié)合優(yōu)化的控制軋制控制冷卻或淬火回火工藝，可生產(chǎn)滿足機械制造用戶需求的高強度鋼板。采用控軋控冷方式生產(chǎn)高強度鋼板，在軋制和冷卻過程中控制難度較大，影響鋼板力學(xué)性能的整體均勻性。采用淬火回火工藝生產(chǎn)高強度鋼板，通過合金元素和碳元素的含量提高鋼板的淬透性，使鋼板在冷卻過程中形成馬氏體組織。馬氏體是碳固溶在鐵原子體心立方晶格中，使bcc晶格沿C軸方向延伸形成的正方晶格，此類的組織具有較高的強度和硬度。馬氏體以切邊相變方式形成，相變的前沿為一列滑動位錯，切邊會造成表面浮凸效應(yīng)，由晶體切邊造成馬氏體組織應(yīng)變貯存能較大，達到1000J/mol甚至更高。切邊形成的馬氏體組織細小，馬氏體片層之間缺陷密度較大。較大的缺陷密度是微裂紋形合長大源，在受力作用下可形成微裂紋，微裂紋長大使得鋼板并沿晶界迅速斷裂，因此具有馬氏體組織的高強度鋼板的低溫沖擊功較低。因此，需通過優(yōu)化成分和工藝，開發(fā)具有良好強韌性匹配的高強度鋼板。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種屈服強度IlOOMPa級超高強度鋼板及其制造方法，采用調(diào)質(zhì)熱處理工藝，屈服強度達IlOOMPa級的超高強度鋼板，該鋼板具有良好的低溫韌性。為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種屈服強度IlOOMPa級高強度鋼板，其化學(xué)成分重量百分比為C :0. 15 0. 25%Si :0. 10 0. 50%Mn :0. 60 1. 20%P :彡 0.013%S :彡 0.003%Cr 0. 20^0. 55%Mo :0. 20 0. 70%Ni :0. 60 2. 00%Nb 0"0. 07%
V :(To. 07%B :0. 0006 0. 0025%Al :0. Ol 0. 08%Ti :0. 003 0. 06%H 0. 00018%N^O. 0040%O 彡 0. 0030%其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，
且，碳當(dāng)量CEQ ( 0. 60% ;獲得回火馬氏體組織，鋼板的屈服強度彡llOOMPa、抗拉強度彡1250MPa、夏氏沖擊功Akv (-40°C)彡50J。在本發(fā)明成分設(shè)計中C :C填加到鋼中，提高鋼板的淬透性，使鋼板在淬火冷卻過程中形成硬度較高的馬氏體組織。C含量提高，則馬氏體硬度增加，相應(yīng)地鋼板的強度增加，但會導(dǎo)致韌性下降。C含量增加，會導(dǎo)致鋼板的焊接性能變差，綜合強韌性和焊接性能，本發(fā)明專利中，設(shè)定碳含量為 0. 15 0. 25%。Si :Si在鋼中以置換方式替代Fe原子，阻礙位錯運動，提高鋼板的強度性能。Si可降低C在鐵素體的中擴散能力，因此在回火時適量的Si可避免形成粗大的碳化物在缺陷處析出。Si含量較高會惡化鋼板的焊接性能。因此對鋼板本發(fā)明中的Si含量控制為Si :0. 10 0. 50%OMn Mn是弱碳化物形成元素，鋼中的Mn主要以固溶形式存在。鋼板在淬火過程中，Mn會抑制擴散型相變，提高鋼板的淬透性，形成細化的馬氏體組織，此類組織具有良好的強韌性匹配。Mn含量較高會導(dǎo)致鋼板中有Mn偏析，惡化鋼板內(nèi)部組織，同時可能形成較大的MnS夾雜，導(dǎo)致超聲波探傷不合。本發(fā)明中加入0. 6(Tl. 20%的Mn，有利于提高鋼板的淬透性，并減小中心偏析對鋼板的影響。P :鋼中P在晶界偏聚，會降低晶界的結(jié)合能，降低鋼板的低溫沖擊性能。P和Mn共同存在會加劇鋼的回火脆性。在晶界偏聚的P會使鋼板在受到?jīng)_擊載荷的作用時發(fā)生沿晶斷裂，形成較大的解理面，降低鋼板在受到?jīng)_擊時吸收的能量。P會惡化鋼的焊接性能，因此對于焊接而言，需要盡量低的P含量來保證焊接性。本發(fā)明中加入不超過0. 013%的P，保證超高強度鋼板有良好的低溫沖擊性能。S :S在S鐵素體和奧氏體中的溶解度很小，在鋼液凝固過程中，S會發(fā)生偏聚，形成較多的硫化物夾雜，危害鋼板的超聲波探傷性能和低溫沖擊性能。焊接過程中，S容易導(dǎo)致熱裂紋，同時由于S易氧化，生成SO2氣體逸出，在焊接金屬中產(chǎn)生氣孔和疏松。本發(fā)明中加入不超過0. 003%的S，保證鋼板具有良好的低溫沖擊性能及強韌性匹配。Cr =Cr填加到鋼中，會抑制鋼板的擴散型相變，提高鋼板的淬透性，形成硬化的馬氏體組織，獲得具有較高強度的鋼板。Cr含量過高，會導(dǎo)致鋼板的焊接性能降低，因此本發(fā)明中加入0. 20、. 55%的Cr，保證鋼板的強度和焊接性能。Mo :Mo會提高鋼板的淬透性,使鋼板在淬火過程中形成馬氏體。如果淬火速度較快，且在較低溫度范圍回火，則Mo主要以固溶形式存在于鋼中，起到固溶強化效果。鋼中填加一定含量的Mo，會提高鋼板的強度，而不會惡化鋼板的低溫沖擊性能，但較高的Mo會惡化鋼板焊接性能，因此本發(fā)明專利中加入0. 20-0. 70%的Mo，以獲得強韌性和焊接性能的匹配。Nb =Nb加入鋼中，起到對鋼板再結(jié)晶的抑制作用，使鋼板在較低溫度再結(jié)晶，細化奧氏體，從而達到細化最終組織的目的。Nb含量較高，會在晶界處形成較粗大的NbC顆粒，導(dǎo)致鋼板的低溫沖擊性能惡化。配合其它合金元素，本發(fā)明中加入(T0. 07%的Nb以保證鋼板的力學(xué)性能。Ni =Ni在鋼中以固溶形式存在，在本發(fā)明的成分體系中，Ni以Fe-Ni-Mn的FCC相存在，降低層錯能，提高鋼板的低溫沖擊性能。Ni屬于貴重金屬，較高的Ni含量會導(dǎo)致鋼板生產(chǎn)成本增加，因此本發(fā)明中加入0. 6(T2. 00%的Ni以保證鋼板的力學(xué)性能和具有較低成本。V :V與C形成VC，細小的VC會·對位錯起到一定的阻礙作用，提高鋼板的強度，但V含量較多會形成粗化的VC顆粒，降低鋼板的沖擊性能，本發(fā)明中結(jié)合其它合金元素，加入(To. 07%的V以保證鋼板的力學(xué)性能。B :合金元素B會提高鋼板的淬透性，使鋼板在淬火冷卻時更容易形成細化的馬氏體組織，提高鋼板的力學(xué)性能。B含量過高，會導(dǎo)致較多的B在晶界富集，降低晶界結(jié)合能，導(dǎo)致鋼板的低溫沖擊韌性降低。因此，本發(fā)明中B的加入量為0. 0006、. 0025%。Al A1在煉鋼時形成細小的AlN析出，在隨后的冷卻過程中抑制奧氏體晶粒長大，達到奧氏體細化晶粒、提高鋼在低溫下的韌性的目的。Al含量過高會導(dǎo)致較大的Al的氧化物形成，使鋼板超聲波探傷不合，因此本發(fā)明中加入0. oro. 08%的Al提高鋼板的韌性。Ti :。Ti與鋼中的C和N形成化合物，TiN的形成溫度為1400°C以上，通常在液相或S鐵素體中析出，實現(xiàn)細化奧氏體晶粒的目的。Ti含量過高,會形成粗大的TiN析出，導(dǎo)致鋼板的沖擊性能和疲勞性能降低，因此本發(fā)明中的Ti含量控制在0. 003、. 06%。H :H受到鋼板中刃型位錯靜水壓力場的作用，會在缺陷處聚集，形成氫脆。強度級別IlOOMPa及以上鋼板中，缺陷較多，如H含量過高，則在鋼板淬火和回火熱處理后，缺陷處富集較多的H原子，形成H分子，導(dǎo)致鋼板發(fā)生延遲斷裂，因此本發(fā)明中的H含量控制在不超過 0. 00018%。N，0 N在鋼種形成AlN或TiN，起到細化奧氏體晶粒的作用，但N含量增減會導(dǎo)致其在缺陷處富集，影響鋼板低溫沖擊功，因此N含量控制在不超過0. 0040%。0與鋼種的Al形成A1203、TiO等，為保證鋼板組織均勻性和低溫沖擊功，0含量不超過0. 0030%。碳當(dāng)量與鋼板的焊接性能有密切關(guān)系，通常采用公式CEQ =C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15，計算鋼板的碳當(dāng)量。為保證鋼板的焊接性能，本發(fā)明鋼板碳當(dāng)量CEQ ( 0. 60%。本發(fā)明化學(xué)成分涉及采用優(yōu)化的成分體系，合理利用的合金元素的作用，例如在提高碳含量時，采用低Mn、Ni等合金元素以保證碳當(dāng)量不大于0. 60%。Cr、Mo和Ni元素優(yōu)化控制，以獲得強韌性的良好匹配?？刂芇、S、N、0和H的含量，保證鋼板的低溫沖擊韌性。生產(chǎn)具有較好焊接性能和強韌性匹配的屈服強度IlOOMPa級高強度鋼板。本發(fā)明的屈服強度IlOOMPa級超高強度鋼板的制造方法，其包括如下步驟4)冶煉、澆鑄，按上述成分冶煉，澆鑄采用模鑄或連鑄成鋼坯；
5)加熱、軋制，加熱溫度105(Tl250°C，在軋制過程中，鋼坯出加熱爐后開始軋制，軋制到指定厚度后空冷或緩冷；6)淬火、回火淬火熱處理的奧氏體化溫度為850 950°C,奧氏體化后米用水淬處理；回火熱處理溫度160_350°C，回火后空冷。本發(fā)明鋼板在1050°C 1250°C加熱奧氏體化。加熱過程中，Nb、V和Ti的碳氮化物、Cr和Mo的碳化物部分或全部溶解于奧氏體中，在隨后的軋制和冷卻過程中，Nb、V和Ti形成細小的碳氮化物，釘軋奧氏體晶界，細化鋼板軋態(tài)組織。Cr和Mo固溶在奧氏體中，提高鋼板的淬透性。固溶在奧氏體中的Cr和Mo在淬火時提高馬氏體的淬硬性，形成具有細化馬氏體板條的高強韌微觀組織。鋼板軋制冷卻后加熱到85(T950°C保溫后淬火。加熱過程中，碳化物形成元素Nb、V、Ti、Cr和Mo的碳氮化物部分溶解。部分未溶解的碳氮化物釘軋奧氏體晶界，避免奧氏體晶粒過于粗大，降低最終鋼板的沖擊韌性。在淬火冷卻過程中，固溶在奧氏體中的合金元素提高鋼板的淬透性，使得最終馬氏體更加細小，此類組織具有超高強度和良好的韌性。淬火后的鋼板在16(T350°C做回火熱處理。淬火過程中，鋼板發(fā)生馬氏體相變，形成缺陷密度較大的馬氏體組織，鋼板內(nèi)部有較大的應(yīng)變應(yīng)變能，內(nèi)應(yīng)力分布不均勻。為改善鋼板的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，并保證較好的力學(xué)性能，需在合適的溫度回火。在本發(fā)明所述回火溫度范圍內(nèi)，即可降低鋼板的內(nèi)部應(yīng)力，有利于鋼板的后繼加工成型，同時可保證鋼板具有良好的強韌性。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比專利公開號WO 1999005335的高強鋼板，采用C :0. 05-0. 10%和Mn :1. 7-2. 1%的低碳高Mn成分體系和控軋控冷工藝獲得了抗拉強度大于930MPa鋼板。中國專利CN101497971 “一種高強度調(diào)質(zhì)鋼及其生產(chǎn)方法”，采用C :0. 07-0. 11%，Mn :1. 48-1. 60%, Ni :0. 18-0. 40%的微合金成分體系，采用兩階段軋制、ACC、淬火+回火的工藝路線，開發(fā)了屈服強度彡670MPa，抗拉強度彡770MPa的高強度鋼板。以上兩個專利的合金元素含量與本發(fā)明不同，且本發(fā)明所述產(chǎn)品達到的強度性能優(yōu)于上述專利。中國專利CN1840723A公開了 “屈服強度IlOOMPa以上超高強度鋼板及其制造方法”，此專利采用了低Al的合金成分設(shè)計，且規(guī)定了較高Mn含量上限，含有合金元素Ca，其它合金元素設(shè)計時未考慮其對碳當(dāng)量的影響。本發(fā)明采用較高的Al含量細化晶粒，不含合金元素Ca，規(guī)定了 N、O、H等間隙原子元素的含量，并通過合適的成分配比，可滿足碳當(dāng)量C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15 ( 0. 60%，具有更好的焊接性能。中國專利CN1840723A采用在線淬火+回火工藝，本發(fā)明采用淬火+回火的工藝路線，可生產(chǎn)具有更好組織和力學(xué)性能均勻性的鋼板，因此本發(fā)明從成分設(shè)計和工藝設(shè)計均優(yōu)于上述專利。本發(fā)明的屈服強度彡llOOMPa，抗拉強度彡1250MPa，均遠高于上述發(fā)明專利，且碳當(dāng)量<0. 60%，具有良好的焊接性能，且本發(fā)明采用淬火加回火的熱處理工藝，成分和工藝均具有創(chuàng)造性。、
本發(fā)明的有益效果I、通過合理設(shè)計化學(xué)成分并結(jié)合工藝，開發(fā)出屈服強度IlOOMPa級超高強度鋼板，此鋼在低溫下具有良好韌性。鋼板淬火后采用低溫回火工藝，消除了鋼板的內(nèi)應(yīng)力并保證鋼板的低溫沖擊性能。2、鋼板的成分和工藝設(shè)計合理，工藝窗口寬松，可以在中厚板產(chǎn)線上實現(xiàn)批量商業(yè)化生產(chǎn)。3、本發(fā)明生產(chǎn)的鋼板屈服強度彡llOOMPa、抗拉強度彡1250MPa、夏氏沖擊功Akv(-40°C) ^ 50J，碳當(dāng)量< 0. 60%。鋼板具有超高強度和強韌性匹配，且碳當(dāng)量較低，具有良好的焊接性能。


圖I為本發(fā)明實施例3鋼板的微觀組織形貌(500X )照片。圖2為本發(fā)明實施例3鋼板的微觀組織形貌(200X )照片。
具體實施例方式以下用實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明作更詳細的描述。這些實施例僅僅是對本發(fā)明最佳實施方式的描述，并不對本發(fā)明的范圍有任何限制。本發(fā)明鋼板實施例的成分見表I。在加熱過程中，加熱溫度為105(Tl250°C。軋制過程時，鋼板出爐后開始軋制。冷卻過程中，鋼板空冷或緩冷。淬火過程中奧氏體化溫度為85(T950°C?；鼗饻囟葹?6(T350°C。實施例I按表2所示的化學(xué)成分電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉，并澆鑄成連鑄坯或鋼錠，將連鑄坯或鋼錠加熱至1050°C，開軋溫度為1020°C，道次變形率為5 30%，終軋溫度為860°C，成品鋼板厚度為8mm。軋制后空冷。淬火加熱溫度為850°C?；鼗饻囟葹?50°C。實施例2實施方式同實施例1，其中加熱溫度為1080°C，開軋溫度為1060°C，道次變形率為5 30%，終軋溫度為870°C，成品鋼板厚度為10mm。軋制后空冷。淬火加熱溫度為880°C?；鼗饻囟葹?20°C。實施例3實施方式同實施例1，其中加熱溫度為1110°C，開軋溫度為1100°C，道次變形率為5 30%，終軋溫度為930°C，成品鋼板厚度為12mm。軋制后空冷。淬火加熱溫度為900°C。回火溫度為280°C。實施例4實施方式同實施例1，其中加熱溫度為1150°C，開軋溫度為1100°C，道次變形率為5 30%，終軋溫度為1050°C，成品鋼板厚度為15mm。軋制后空冷。淬火加熱溫度為910°C?；鼗饻囟葹?40°C。實施例5實施方式同實施例1，其中加熱溫度為1180°C，開軋溫度為1110°C，道次變形率為5 30%，終軋溫度為990°C，成品鋼板厚度為20mm。軋制后空冷。淬火加熱溫度為920°C?；鼗饻囟葹?00°C。實施例6實施方式同實施例1，其中加熱溫度為1250°C，開乳溫度為1200°C，道次變形率為5 30%，終乳溫度為1010°C，成品鋼板厚度為30mm。乳制后緩冷。淬火加熱溫度為95(TC。回火溫度為160°C。表I實施例化學(xué)成分(wt. %)
權(quán)利要求
1.一種屈服強度IlOOMPa級高強度鋼板，其化學(xué)成分重量百分比為 C :0. 15 0. 25% Si :0. 10 0. 50% Mn :0. 6(Tl. 20% P≤ 0. 013% S≤ 0. 003%Cr 0. 20、. 55%Mo 0. 20、. 70% Ni 0. 60 2. 00%Nb :0 0. 07% V :0 0. 07%B 0. 0006 0. 0025%Al 0. oro. 08% Ti 0. 003^0. 06% h ≤0. 00018%N ≤ 0.0040%0 ≤ 0.0030% 其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)， 且，碳當(dāng)量CEQ ≤ 0. 60% ;獲得回火馬氏體組織，鋼板的屈服強度≥llOOMPa、抗拉強度≥1250MPa、夏氏沖擊功 Akv (-40°C)≥ 50J。
2.如權(quán)利要求I所述的屈服強度IlOOMPa級超高強度鋼板的制造方法，其包括如下步驟 .1)冶煉、澆鑄， 按上述成分冶煉，澆鑄采用模鑄或連鑄成鋼坯； .2)加熱、軋制， 加熱溫度105(Tl250°C，在軋制過程中，鋼坯出加熱爐后開始軋制，軋制到指定厚度后空冷或緩冷； .3)淬火、回火 淬火熱處理的奧氏體化溫度為85(T950°C，奧氏體化后采用水淬處理；回火熱處理溫度16(T350°C，回火后空冷。
全文摘要
一種屈服強度1100MPa級高強度鋼板及其制造方法，其成分重量百分比為C0.15~0.25%、Si0.10~0.50%、Mn0.60~1.20%、P≤0.013%、S≤0.003%、Cr0.20~0.55%、Mo0.20~0.70%、Ni0.60~2.00%、Nb0~0.07%、V0~0.07%、B0.0006~0.0025%、Al0.01~0.08%、Ti0.003~0.06%、H≤0.00018%、N≤0.0040%、O≤0.0030%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，且碳當(dāng)量滿足CEQ≤0.60%。采用淬火加回火熱處理，獲得回火馬氏體組織。本發(fā)明鋼板的屈服強度≥1100MPa、抗拉強度≥1250MPa、夏氏沖擊功Akv(-40℃)≥50J，且具有良好的強韌性。
文檔編號C21D8/02GK102747303SQ201210223610
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者姚連登, 姜洪生, 趙四新 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司