本發(fā)明屬于鋼鐵冶金領域，具體涉及一種淬火態(tài)交貨冷彎性能優(yōu)良屈服強度大于1100MPa超高強度鋼板及其生產方法。
背景技術：
：工程機械，是指礦山開采和各類工程施工用的設備，如鉆機、電鏟、電動輪翻斗車、挖掘機、裝載機、推土機、各類起重機及煤礦液壓支架等機械設備的總稱。近年來，隨著全球范圍內大型、特大型礦山、核電、水壩等工程機械常見項目不斷增多，為保證施工的方便與快捷，工程機械設備進一步向大型化發(fā)展。同時為了延長壽命、減輕自重、降低能源消耗，屈服強度1100MPa以上的超高強度工程機械用鋼板需求日益增長。該鋼種由于使用環(huán)境苛刻，受力條件復雜，對鋼材質量有極其嚴格的要求。其生產難點主要表現在：（1）強韌性匹配難度極大。通常，隨著鋼鐵材料強度的提高，其韌性呈明顯下降趨勢。屈服強度1100MPa的超高強度鋼是目前我國工程機械領域里強度級別最高的鋼種，其-40℃超低溫韌性很難得到保證。（2）優(yōu)良焊接性能難以獲得。為保證超高強度，需要在成分設計時，適當加入合金元素，而過多的合金元素，必然帶來焊接性能的惡化。（3）板型控制困難。該類鋼板為了獲得超高強度，需要進行淬火處理以得到馬氏體組織。而在馬氏體相變過程中會產生大量內應力，導致鋼板邊部、心部出現波浪，無法達到使用要求。（4）鋼板冷彎性能難以保證。鋼板強度越高，折彎抗性越大，越容易產生裂紋。該類鋼種在實際使用過程中經常需要進行90°冷彎，如何抑制裂紋的產生是個難題。屈服強度＞1100MPa的鋼板目前國內尚無鋼鐵企業(yè)可進行批量生產供貨，主要依賴于進口。中國專利CN103882332A介紹了一種屈服強度1100MPa以上級低溫回火型高強鋼板，厚度范圍覆蓋10~40mm。該發(fā)明通過添加大量的貴金屬Ni（含量0.8%~1.0%）來達到解決強韌性匹配的問題，經濟性較差。同時，由于在實際應用中，1100MPa級高強鋼板大量采用4-10mm超薄鋼板來減輕設備自重，該發(fā)明未給出10mm以下鋼板淬火板型問題的解決方案。中國專利CN102181788A介紹了一種屈服強度1100-1200MPa級超高強度鋼卷。該發(fā)明采用添加Ni（0~0.55%）+Cu（0~0.035%）的方法來改善低溫韌性，-40℃夏比沖擊功值為21~34J，不能完全滿足工程應用≥27J的要求。同時，該發(fā)明基于50kg真空小鋼錠的試制結果，在實際大生產過程中性能控制如何，尚有待檢驗。中國專利CN100372962C提供了一種在線淬火+回火的方法來生產屈服強度1100MPa高強鋼板。該發(fā)明Ni含量0.2%~1.2%，采用低Al設計（Al≤0.03%），通過控制Ti/N≥3.42來增加B對鋼板的淬透性。但由于在線淬火鋼板和離線淬火相比，板頭板尾淬火溫度存在一定差異，導致整板性能均勻性較差，實際應用存在一定的局限性。中國專利CN104513936A涉及1100MPa級高強鋼板中Ni含量為0.3%~1.50%，Ti/N控制在3.7~7.0，同時提出Ca/S控制在1.0~3.0之間來凈化鋼中有害元素S。鋼板的焊接性通過控制碳當量Ceq在0.53~0.62之間來保證。發(fā)明專利CN102560274A涉及高強鋼板中Ni含量為0.20%-0.50%。中國專利CN102747303B中1100MPa高強鋼板Ni含量高達0.6~2.0%。綜上所述，目前涉及屈服強度1100MPa級超高強鋼板的現有技術主要有：（1）采用淬火（或在線淬火）+回火的方式獲得回火馬氏體達到超高強度；（2）采用Ni或Ni+Cu等貴重金屬來提高鋼板低溫沖擊韌性，解決強韌性匹配問題，經濟性較差；（3）采用Ti+B處理同時控制Ti/N比來增加鋼板淬透性；（4）提出Ca/S范圍來控制鋼種有害元素S，提高潔凈度；（5）通過化學成分設計控制碳當量Ceq在一定范圍內來改善鋼板焊接性能。這些技術主要聚焦于鋼板強韌性匹配和焊接性能問題的解決，對于鋼板板型控制及折彎性能等應用問題的解決沒有很好的辦法。技術實現要素：本發(fā)明的目的在于提供一種強韌性優(yōu)良、低溫沖擊韌性良好、板型質量良好及具有優(yōu)良整板折彎性能的屈服強度大于1100MPa的淬火型超高強度鋼板及其生產方法。本發(fā)明解決上述問題所采用的技術方案為：一種冷彎性能優(yōu)良屈服強度大于1100MPa的鋼板，該鋼板的化學成分按質量百分比計為，C：0.15～0.20%，Si：0.10～0.40%，Mn：1.00～1.40%，Nb：0.010～0.040%，V：0.020～0.050%，Ti:≤0.010%,Al：0.04～0.08%，Ni：≤0.1%，Cu：≤0.1%，Cr：0.20～0.60%，Mo：0.20～0.60%，B：0.001～0.005%，Ca：0.001～0.005%，P：≤0.010%，S：≤0.003%，O：≤0.002%，N：≤0.004%，H：≤0.00015%，余量為Fe及不可避免的雜質元素。上述鋼板厚度為4～20mm。顯微組織為馬氏體，晶粒尺寸≤30um。鋼板力學性能滿足：屈服強度＞1100MPa，抗拉強度＞1200MPa，延伸率≥10%；-40℃夏比沖擊功≥30J；d=3a，180°實驗室GB/T232冷彎測試合格，d折彎直徑，a為鋼板厚度；b≥500mm，r=3a，90°工業(yè)冷彎成型無裂紋，b為鋼板寬度，r為冷彎半徑，a為鋼板厚度；鋼板板型良好，不平度≤5mm/m。本發(fā)明中鋼成分的限定理由闡述如下：C：碳的高低很大程度決定了鋼板的強度級別和焊接性能。碳含量低，焊接性好，但固溶碳少，淬透性低，不利于形成足夠的馬氏體強化相從而獲得超高強度；碳含量高，淬火馬氏體轉變完全，強度高，但鋼板韌性、塑性降低，焊接性差。基于鋼板強韌性匹配和焊接性需要，本發(fā)明中碳含量控制為0.15～0.20%。Si：本發(fā)明中主要起固溶強化作用。含量過高會惡化馬氏體高強鋼的韌性，同時表面質量下降，控制在0.10～0.40%之間。Mn：在所述鋼中具有推遲奧氏體向鐵素體轉變的作用，促進馬氏體轉變，提高淬透性。當錳的含量較低，上述作用不顯著，鋼板強度和韌性偏低等。過高則又會引起連鑄坯偏析形成MnS、韌性差和可焊性降低，故本發(fā)明中考慮到合金的綜合加入，規(guī)定錳含量加入量介于1.00～1.40%的范圍內。Nb：Nb的溶質拖曳作用和納米級析出物Nb(C,N)對奧氏體晶界的釘扎作用，在加熱時抑制奧氏體晶粒的長大。添加量小于0.010%時效果不明顯，大于0.040%時韌性降低，導致連鑄坯產生表面裂紋。因此，本發(fā)明規(guī)定鈮含量應介于0.010～0.040%的范圍內。V：VN、V(C、N)一方面在加熱過程中阻礙奧氏體晶粒的長大，起到細化晶粒的作用；另一方面這些納米級的細小彌散分布的析出物可以顯著提高鋼板的強度。添加量低于0.02%時，析出強化不明顯；添加量大于0.050%時析出物數量較多，韌性降低。因此，本發(fā)明規(guī)定鈮含量應介于0.020～0.050%的范圍內。Ti：Ti與N具有極強的親和力。在含B鋼中通常會加入微量的Ti元素，通過控制Ti/N≥3.42，促進TiN的形成，避免BN的晶界析出，確保B元素對鋼板的淬透性。但TiN形成溫度在1400℃以上，通常在液相中析出，尺寸較為粗大，很容易達到微米級，且析出物堅硬多帶有尖角，不易變形，導致鋼板軋制過程中易出現微裂紋，對鋼板的低溫沖擊性能和整板折彎性能不利；因此本發(fā)明中不允許加入Ti元素，并明確控制Ti含量≤0.010%。Al：由于本發(fā)明中不允許添加Ti元素，因此Al元素被用來固定鋼中的氮元素，從而達到保護B元素淬透性的作用和細化奧氏體晶粒的作用。由于除了N元素外，Al元素與O元素也具有極強的親和力，部分Al元素會由于脫氧而被消耗，因此較低的Al元素含量對于固N保B及細化晶粒的作用不明顯。本發(fā)明規(guī)定Al含量不低于0.04%。同時由于Al含量過高，會導致過多的Al2O3夾雜物的形成，使得鋼板超聲波探傷不合，因此本發(fā)明規(guī)定Al含量不高于0.08%。Ni、Cu：是提高鋼淬透性的元素，也是有效提高鋼的低溫韌性的最常用元素。但由于價格較高，經濟性較差，本發(fā)明主要采取細晶強化來提高鋼板低溫韌性，取消Ni、Cu的加入(Ni、Cu作為殘余元素≤0.1%存在于鋼板中)，大大提高了發(fā)明鋼種的成本競爭力。Cr：是提高鋼淬透性的元素，能夠抑制多邊形鐵素體和珠光體的形成，促進低溫組織貝氏體或馬氏體的轉變，提高鋼的強度。但Cr含量過高將影響鋼的韌性，降低鋼板的焊接性能。故本發(fā)明中鉻含量控制在0.20～0.60%。Mo：是提高鋼淬透性的元素，有利于淬火時全馬氏體的形成。鋼種添加一定含量的Mo會提高鋼板的強度，而不會影響鋼板的低溫沖擊性能。Mo高溫下會與C形成碳化物顆粒，具有抗焊接接頭軟化的作用。但Mo含量太高會導致碳當量增加，惡化焊接性能。本發(fā)明中鉻含量控制在0.20～0.60%。B：本發(fā)明加入0.001～0.005%的微量B，其主要目的是提高鋼板的淬透性，從而減少其他貴重金屬的添加量，降低成本。超過0.005%的B很容易產生偏析，形成硼化物，嚴重惡化鋼板韌性和降低淬透性。Ca：微量Ca處理是本發(fā)明鋼種的必要處理環(huán)節(jié)。0.001～0.005%的Ca不僅可以降低硫化物帶來的性能危害，還可以是尖銳的Al2O3夾雜變性為球性低熔點夾雜，從而減少鋼板軋制過程中硬質夾雜物尖角處微裂紋的產生，提高鋼板沖擊韌性和折彎性能。P、S：硫和磷是鋼種有害元素，對材料塑性和韌性有不利影響，并影響焊接性能。本發(fā)明規(guī)定P：≤0.010%，S：≤0.003%。O、N：有害氣體元素，含量高，夾雜物多，降低鋼板塑性、韌性和折彎性能。本發(fā)明嚴格控制O含量不高于0.002%；N含量不高于0.004%。H：有害氣體元素。H含量高，易產生白點，降低鋼板塑韌性，嚴重危害鋼板使用性能。H致延遲裂紋是高強鋼切割、冷彎等應用過程產生失效的主要原因之一。本發(fā)明為提高整版彎曲性能，嚴格控制H含量在0.00015%以內。本發(fā)明另提供上述冷彎性能優(yōu)良屈服強度大于1100MPa超高強度鋼板的制備方法，具體工藝如下，冶煉工藝：采用電爐或轉爐方式冶煉，然后送入LF精煉爐進行精煉，并經過VD或RH真空處理。Ca處理工藝：為提高鋼板整板折彎性能，鋼水真空處理后要求進行必要的Ca處理。Ca的加入量控制在0.001～0.005%之內。為有效降低硫化物的對彎曲性能的危害，要求控制1.0≤Ca/S≤4.0；為了降低硬質Al2O3夾雜導致彎曲裂紋產生的風險，要求控制處理后鋼夾雜物中Ca/Al比處于0.74～2.22之間，易于夾雜物上浮及變性為球形復合夾雜物，減少Al2O3夾雜硬質尖角對折彎性能的影響。Ca處理后夾雜物控制A、B、C、D類總級別≤3.0。連鑄工藝：為了控制鋼板內部疏松、偏析，進行低過熱度澆注，全程氬氣保護澆注，以及動態(tài)輕壓下控制。澆鑄溫度控制在液相線溫度TL以上5～25℃,其中TL=1536-78C-7.6Si-4.9Mn-34P-30S-3.6Al-5Cu-1.3Cr-3.1Ni-2.0Mo-2.0V-18Ti℃；輕壓下區(qū)間控制在0.3≤fs≤0.95，其中fs為鑄坯中固相份數，以保證鑄坯中心偏析不高于C1.0級。擴氫處理工藝：鑄坯下線后，必須進行入坑或加罩擴氫處理。擴氫開始溫度要求控制在600-700℃，時間不得低于24小時。加熱軋制工藝：將鑄坯進入步進式加熱爐，加熱至1180-1250℃,加熱時間為8-15min/cm，使鋼中的合金元素充分固溶以保證最終產品的成份及性能的均勻性。由于鋼板未添加Ni、Cu等元素，因此有必要采用控軋控冷的方法來細化晶粒從而提高鋼板低溫沖擊韌性。鋼坯出爐后經高壓水除鱗處理后進行粗軋+精軋兩階段控制軋制。粗軋的開軋溫度介于1050-1100℃。粗軋后三道單道次壓下率≥15%。待溫厚度≥3.0H，其中H為成品厚度。精軋開軋溫度介于850-950℃。軋制完成之后，對于12mm及以上鋼板過ACC機組進行加速冷卻，12mm以內鋼板實行空冷，冷卻返紅溫度控制在630-750℃。進行帶溫矯直：由于鋼板淬火前的板型對淬火后鋼板性能的均勻性、殘余應力的大小以及淬火后板型有著重要的影響，從而進一步影響到鋼板整板的折彎性能，因此，鋼板軋制后要求進行溫矯。溫矯后鋼板不平度≤14mm/m。淬火熱處理工藝：軋制后鋼板進行淬火處理，淬火溫度880～930℃，爐溫到溫后保溫時間為20～60min。為保證鋼板的均勻性，溫度控制精度為±10℃。進行強力冷矯直：本發(fā)明采用強力冷矯代替低溫回火進行去應力處理。強力冷矯直后要求鋼板不平度≤5mm/m。與現有技術相比，本發(fā)明的特點在于：本發(fā)明采用無Ni、Cu等貴重合金成分設計，大量節(jié)省合金成本。本發(fā)明采用常用元素Al代替合金元素Ti進行固N保B處理，降低了Ti的夾雜物粒子對沖擊及折彎性能的影響，同時大大降低了合金成本；本發(fā)明采用的Ca處理方法不僅控制Ca/S比，同時控制夾雜物中Ca/Al比，能有效降低硫化物和硬質Al2O3夾雜含量，并對其進行改性，有效提高鋼板韌性和折彎性能。本發(fā)明采用的低過熱度及動態(tài)輕壓下工藝，能有效降低鋼板中心疏松及偏析，鋼板厚度方向成分均勻，性能穩(wěn)定。本發(fā)明采用真空處理及鑄坯擴氫處理，H含量低≤0.00015%，大大降低了鋼板切割延遲裂紋及折彎裂紋的發(fā)生風險。本發(fā)明采用兩階段控軋控冷，保證粗軋后3道次壓下率≥15%，冷卻返紅溫度控制在630-750℃，充分細化原始奧氏體晶粒尺寸，確保淬火后得到細小的馬氏體組織，晶粒尺寸≤30um，從而保證-40℃沖擊功≥30J。本發(fā)明采用軋后鋼板帶溫矯直處理，通過控制不平度≤14mm/m，保證淬火前鋼板平整，從而達到鋼板淬火的均勻性，大大降低鋼板淬火后殘余應力，確保板型和鋼板整板性能的均勻性；本發(fā)明采用強力冷矯直代替低溫回火去除淬火殘余應力，降低了生產成本，加快了生產節(jié)奏，同時鋼板板型良好，不平度≤5mm/m，提高了整板冷彎性能。本發(fā)明方法，可以推廣應用至其它高強度鋼板，如高強海工船板用鋼、高層建筑用鋼、橋梁用鋼、工程機械用鋼、壓力容器用鋼等。附圖說明圖1是本發(fā)明實施例2的試驗鋼典型組織金相圖片（100X）；圖2是本發(fā)明實施例4的試驗鋼典型組織SEM電鏡掃描圖片（2000X）；圖3是本發(fā)明實施例2的試驗鋼實驗室折彎后形貌照片。具體實施方式以下結合實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。本發(fā)明的超高強度鋼的生產工藝流程為：轉爐或電爐煉鋼->LF精煉->VD或RH真空脫氣->Ca處理->連鑄->鑄坯脫氫處理->加熱->軋制->冷卻->帶溫矯直->淬火->強力矯直本發(fā)明實施例1-4的屈服強度大于1100MPa超高強度鋼板的生產方法，包括如下步驟：（1）冶煉：采用150噸轉爐冶煉，然后送入LF爐進行精煉并經過RH真空脫氣處理，破空進行Ca處理，成分控制見表1。（2）連鑄：將冶煉的鋼水澆鑄成150mm厚的連鑄坯。澆鑄溫度控制在液相線以上5-25℃。澆鑄過程中實施動態(tài)輕壓下。連鑄工藝參數見表2。（3）鑄坯擴氫處理：連鑄板坯入坑進行緩冷擴氫，入坑溫度及緩冷時間見表2。（4）軋制：將步驟（3）所得連鑄坯放入步進式加熱爐，加熱至1180~1250℃，加熱時間為8-15min/cm，使鋼中的合金元素充分固溶以保證最終產品的成份及性能的均勻性。鋼坯出爐后經高壓水除鱗處理后進行粗軋+精軋兩階段控制軋制。粗軋的開軋溫度介于1050-1100℃，采用大壓下量軋制，粗軋后三道道次壓下率≥15%。待溫厚度≥3.0H。精軋開軋溫度介于850-950℃。軋制完成之后過ACC機組進行加速冷卻，冷卻返紅溫度為630-750℃。隨后鋼板進行溫矯，矯直后不平度控制≤14mm/m。相關工藝參數見表3。（5）淬火：鋼板淬火溫度為910±10℃,保溫時間為20~60min，淬火介質為水。（6）強力冷矯：淬火后鋼板進入4000噸強力冷矯機進行強力冷矯。控制冷矯后不平度≤5mm/m。（7）將矯直后鋼板進行橫向拉伸、縱向沖擊及整板彎曲試驗。具體成分、工藝參數見表1-表3。各實例樣板對應的性能見表4、5。圖1、2給出了實施例1、4試驗鋼的微觀組織照片。成品鋼板的微觀組織為均一的馬氏體組織，晶粒細小，尺寸在10-20um?？梢?，通過兩階段控軋控冷細化原始奧氏體晶粒，確保淬火后得到細小的馬氏體組織，在滿足鋼板強度的同時，充分保證了鋼板的低溫沖擊韌性。實施例1的試驗鋼板厚度5mm。板型十分良好，不平度≤3mm/m。圖3為實施例2的試驗鋼板按國標GB/T232實驗室180°折彎后的形貌。折彎直徑d=3a。折彎后未見裂紋，表面良好。實施例1、4試驗鋼90°整板冷彎成型后，鋼板寬b≥500mm，長L=2000mm。冷彎半徑r=3.0a，其中a為鋼板厚度。冷彎后鋼板表面良好，未出現裂紋。本發(fā)明采用控軋控冷和淬火+強力冷矯工藝，從化學成分設計、母材組織、夾雜物、中心偏析、淬火溫度及時間等角度進行控制，保證在實現超高強度的同時，鋼的延伸率、-40℃低溫沖擊韌性良好，同時可以獲得良好的版型和優(yōu)良的整板折彎性能。表1實施例超強鋼板的化學成分（wt%）實施例CSiMnPSCrMoNbVAlBCaONH10.150.251.350.0090.0020.550.40.030.030.0550.00150.00250.00150.00350.000120.170.251.30.0060.00150.400.350.020.0250.0450.0020.0020.00120.0030.0001530.180.351.250.0070.0010.550.260.0250.0350.0650.00160.0020.00090.00330.000140.190.31.10.010.0010.350.450.020.0350.0550.00250.0020.00080.00280.0001表2連鑄工藝控制實施例鑄坯厚度mm過熱度℃動態(tài)輕壓下區(qū)間fs擴氫起始溫度℃擴氫時間hour1、2、3、415016~220.3-0.9570036表3軋制工藝控制實施例產品厚度規(guī)格，mm鑄坯加熱溫度，℃粗軋后三道次壓下率待溫厚度，mm精軋開軋溫度，℃返紅溫度，℃15120030%+28%+32%20940700210120031%+31%+29%35920680315122026%+30%+29%45900650420122025%+28%+31%60880645表4各實施例拉伸、沖擊性能表5各實施例冷彎性能當前第1頁1 2 3