一種1500MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼及其生產(chǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域，具體涉及一種1500MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼及其生產(chǎn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，在能源、交通、機(jī)械等各領(lǐng)域，所使用的鋼鐵材料都要求具有較高的強(qiáng)度和 良好的沖擊韌性。隨著裝備向大型化和輕型化發(fā)展，對(duì)材料的強(qiáng)度、韌性以及性價(jià)比提出了 更高的要求。調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼由于具有較好的強(qiáng)韌性配合及性能穩(wěn)定性，已被廣泛應(yīng)用于各 類工程機(jī)械裝備中。但大多數(shù)調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼通常含有一定量的貴重元素 Cr、Mo、V等，且需 要離線淬火+回火熱處理才能達(dá)到較好的性能，因此導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高，制造工藝復(fù)雜。
[0003] 現(xiàn)有1500MPa級(jí)合金鋼是通過(guò)增加 C含量,或是通過(guò)添加一定量的貴重元素 Cr、 Mo等，或是通過(guò)離線調(diào)質(zhì)處理才能滿足高性能要求。
[0004] 中國(guó)專利CN102534387公開了一種1500MPa級(jí)高強(qiáng)韌性貝氏體/馬氏體鋼軌及 其制造方法，該鋼的主要成分為：c 0· 10-0. 40 %，Si 0· 80-2. 00 %，Mn L 20-2. 40 % %，Cr 0.50-1. 20%，Mo 0.20-0. 60%。該發(fā)明鋼通過(guò)添加了一定量的Cr和Mo來(lái)獲得1500MPa高 強(qiáng)度及高韌性，但Cr、Mo等貴重元素的添加，勢(shì)必導(dǎo)致合金成本的大大增加。
[0005] 中國(guó)專利CN101586207公開了一種1600MPa級(jí)機(jī)械結(jié)構(gòu)用熱軋線材及其制造方 法，其主要化學(xué)成分為：C 0.20-0· 30%，Si L 5-3.0%，Μη2· 0-4.0%，Mo 0.2-0· 3%，該發(fā) 明通過(guò)成分設(shè)計(jì)和軋制工藝的配合，以針狀馬氏體為主要組織，并含有貝氏體為特征的熱 軋線材，保證了線材具有較高的強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度在1600MPa以上。但該發(fā)明鋼Si、Mn含量 相對(duì)較高，并通過(guò)添加一定量的貴重元素 Mo來(lái)改善鋼的強(qiáng)韌性及耐蝕性，導(dǎo)致合金的成本 增加。
[0006] 中國(guó)專利CN1900343公開了一種耐延遲斷裂特性優(yōu)良的抗拉強(qiáng)度為1600MPa級(jí) 或以上的鋼及其成型品的制造方法，其主要化學(xué)成分為：C0. 20-0. 60%，Si彡0.50%，Mn 0· 10-3.0%，Al 0.005-0. 1%，Mo 3. 0-10%，另外加入一定量的 Cr、Ni、W、V、B、Ti、Nb、Cu 等合金元素來(lái)改善性能，由于Mo等貴重元素的含量較高，生產(chǎn)成本顯著增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種1500MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼及其生產(chǎn)方法，該高強(qiáng)度鋼不含 Cr、Mo、V等元素，不需離線淬火即可達(dá)到抗拉強(qiáng)度在1500MPa級(jí)，沖擊韌性AKu > 50J，具有 良好塑韌性，而且生產(chǎn)成本較低，制造工藝簡(jiǎn)單，可廣泛用于制造汽車、工程機(jī)械的零部件。
[0008] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0009] 本發(fā)明采用廉價(jià)的C、Si、Mn元素，并適當(dāng)添加微量的Ti、B等元素，熱軋后通過(guò) 適當(dāng)?shù)膹?qiáng)制冷卻和低溫回火，即可獲得一種抗拉強(qiáng)度在1500MPa、并兼有良好塑韌性的合金 鋼。
[0010] 具體的，本發(fā)明的一種1500MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼，其化學(xué)成分重量百分比為：C :0. 20? 0· 30% ;Si :1· 50 ?1. 80% ;Mn :2· 00 ?2. 50% ;Ti :0· 02 ?0· 06% ;B :0· 002 ?0· 005% ; Al :0. 015?0. 06% ;其余為Fe和不可避免的雜質(zhì),雜質(zhì)元素的總量< 0. 05% ;且上述元素 同時(shí)需滿足如下關(guān)系：〇. 04彡Ti/C彡0. 3。
[0011] 進(jìn)一步，所述1500MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼的抗拉強(qiáng)度在1500MPa級(jí)，沖擊韌性彡50J。
[0012] 所述1500MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼的顯微組織是細(xì)板條狀的回火馬氏體組織。
[0013] 在本發(fā)明鋼的成分設(shè)計(jì)中：
[0014] C :是保證鋼室溫強(qiáng)度和淬透性所必需的成分。C含量越高，強(qiáng)度越高，同時(shí)變形抗 力增大，塑韌性降低。當(dāng)C含量低于0. 20 %時(shí)，淬透性和強(qiáng)度不夠；C高于0. 30%，則韌性 變壞。因此，本發(fā)明的C含量范圍為0.20?0.30%。
[0015] Si :加入鋼中起到了脫氧和固溶強(qiáng)化的作用。固溶在基體中的Si可以影響位錯(cuò)的 交互作用，增加加工硬化速率。同時(shí)，Si在回火時(shí)能阻礙碳的擴(kuò)散，延緩馬氏體的分解及碳 化物的聚集長(zhǎng)大，顯著提高鋼的回火穩(wěn)定性及強(qiáng)度。當(dāng)Si含量低于1. 50%效果不明顯，含 量超過(guò)1. 80%后，加工性和韌性惡化。因此，本發(fā)明的Si含量范圍為1. 50?1. 80%。
[0016] Mn :具有固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化的作用。Mn使鋼的強(qiáng)度增加，而對(duì)韌性和塑性損害最 小的元素。增加鋼中的Mn含量，可使鋼的強(qiáng)度增加，但其含量過(guò)高時(shí)，會(huì)使相變溫度下降較 多，組織中將出現(xiàn)貝氏體，損害其韌性。為了提高淬透性并確保強(qiáng)度，Mn含量必須在2. 00% 以上，另一方面，若Mn含量過(guò)高，則鋼的韌性降低。因此，本發(fā)明的Mn含量范圍為2.00? 2. 50%。
[0017] Al :在鋼中起到了脫氧和細(xì)化晶粒的作用，同時(shí)在冶煉時(shí)加入鋼中，保證Ti、B的 收得率穩(wěn)定。當(dāng)Al加入量低于0.015%時(shí)，效果不明顯；Al加入量超過(guò)0.06%時(shí)，會(huì)使鋁 系夾雜物顆粒增大，力學(xué)性能變差。因此，本發(fā)明的Al含量范圍為0. 015?0. 06%。
[0018] Ti :在鋼中主要與C形成TiC以提高強(qiáng)度，細(xì)小的TiC可在加熱過(guò)程中阻止奧氏體 晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化組織，提高塑韌性。但Ti含量不能太高，否則TiC顆粒粗大，不僅不能夠有 效阻止晶粒長(zhǎng)大，而且會(huì)損害鋼的韌性。鋼中加 Ti的另一目的是固定鋼中的N元素，從而 避免N與B的結(jié)合而削弱B在鋼中的作用。因此，本發(fā)明的Ti含量范圍為0. 02?0. 06% 范圍。
[0019] B :是強(qiáng)烈提高淬透性元素，微量的B就可以顯著推遲珠光體轉(zhuǎn)變，提高獲得馬氏 體的可能性。但B含量低于0.002%時(shí)，提高淬透性的作用不明顯；B含量高于0.005%時(shí)， 鋼易產(chǎn)生熱脆，影響熱加工性能。因此，本發(fā)明的B含量范圍為0. 002?0. 005%。
[0020] 本發(fā)明鋼成分設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是：
[0021] 1)本發(fā)明鋼中C含量在0. 20?0. 30%，在保證獲得一定強(qiáng)韌性的前提下，通過(guò)加 入Mn、B等強(qiáng)烈推遲珠光體相變的元素，以利于產(chǎn)生馬氏體相變強(qiáng)化，但為了充分發(fā)揮B元 素的有效作用，必須加入Al、Ti以固定鋼中的N元素，減少B與N的結(jié)合幾率，增加固溶B 的作用，以使鋼在相對(duì)低的冷卻速度下獲得馬氏體組織。同時(shí)，Al、Ti形成的氮化物質(zhì)點(diǎn)可 以阻止晶粒的長(zhǎng)大，起到細(xì)化馬氏體組織的作用，提高鋼的韌性。
[0022] 2)本發(fā)明要保證鋼獲得良好的力學(xué)性能，還必須確保鋼中合適的TiC量，因?yàn)門iC 的量會(huì)大大影響奧氏體的合金化程度和奧氏體的晶粒尺寸，而Ti與C間的關(guān)系決定著鋼中 TiC的量，當(dāng)Ti/C>0. 3時(shí)，強(qiáng)度不合格率增加，Ti/C〈0. 04時(shí)，塑韌性不合格率增大。因此， 本發(fā)明控制0. 04彡Ti/C彡0. 3。
[0023] 3)本發(fā)明在低合金鋼中復(fù)合加入微量Ti+B元素，不僅能提高鋼的強(qiáng)度，而且還可 以改善鋼的塑性及減少缺口敏感性；添加較高的Si含量是考慮到Si在回火時(shí)能阻礙碳的 擴(kuò)散，延緩馬氏體的分解及碳化物的聚集長(zhǎng)大，顯著提高鋼的回火穩(wěn)定性及強(qiáng)度。然而，在 C含量為0.20?0.30%范圍的鋼中，Si > 1.80%時(shí)，不僅塑性降低，而且會(huì)大大降低鋼的 沖擊韌性，因此，本發(fā)明控制Si含量為1.50?1.80%。
[0024] 本發(fā)明的1500MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼的生產(chǎn)方法，包括如下步驟：
[0025] 1)冶煉、鑄造
[0026] 按上述成分煉鋼，精煉，模鑄成鋼錠或連鑄成鑄坯，采用低溫澆注，其中，模鑄澆注 溫度為1520?1530°C，連鑄澆注溫度1496?1506°C ;
[0027] 2)鋼錠或鑄坯加熱
[0028] 加熱溫度為1180?1230°C，保溫時(shí)間為2?4h。
[0029] 3)軋制
[0030] 開軋溫度為1080?1120°C，終軋溫度為820?900°C，乳制最后兩道次變形量均 彡18%，終軋后以彡35°C /S的冷速冷卻至300°C以下，隨后空冷至室溫。
[0031] 4)回火熱處理
[0032] 回火溫度為200?250°C，保溫時(shí)間為2?4h，即得到抗拉強(qiáng)度在1500MPa級(jí)，沖 擊韌性> 50J的高強(qiáng)度鋼，其顯微組織是細(xì)板條狀的回火馬氏體組織。
[0033] 進(jìn)一步，步驟1)冶煉時(shí)，鋼水在經(jīng)充分脫氧后再進(jìn)行合金化，合金化順序?yàn)椋?br>[0034] 本發(fā)明的生產(chǎn)方法中：
[0035] 本發(fā)明步驟1)冶煉工藝：冶煉時(shí)，造堿性渣，保證爐渣流動(dòng)性良好和渣色變白。 為了提高合金元素 Ti、B的收得率，鋼水在經(jīng)充分脫氧后再進(jìn)行合金化，合金化順序：加入 Fe-Ti前加入Al, Al按0· 6?0· 8Kg/t計(jì)算加入；加完Fe-Ti后再加入Al, Al按0· 4? 0. 6Kg/t計(jì)算加入；之后再將Fe-B用Al皮包好加入鋼水中。電