專利名稱：耐延遲斷裂高強度鋼的制作方法
技術領域：
本發明屬于合金鋼領域。主要適用于抗拉強度為1200～1400MPa，同時要求具有良好塑韌性和耐延遲斷裂抗力的高強度鋼。
隨著汽車、機械、建筑、輕工等各個生產部門的發展，對制造各類緊固件(如螺栓、螺釘、螺母等)使用的材料提出了高強度化的要求。但是，當用調質處理的低合金鋼制造的螺栓的抗拉強度超過約1200MPa時，延遲斷裂問題就變得十分突出，這是螺栓鋼高強度化時遇到的一個最主要的問題。因而目前實際使用螺栓的抗拉強度通常低于1200MPa。近年來，國際上開展了耐延遲斷裂高強度螺栓鋼的研究開發。如日本專利JP5-9563中的Cr-Ni-Mo螺栓鋼，具有1300MPa以上的強度，同時具有較好的耐延遲斷裂性能。但其Mn含量較高，對鋼的耐延遲斷裂性能特別不利，且較高含量的貴重元素Ni，使得鋼的成本較高。日本住友金屬開發的1300MPa級耐延遲斷裂的高強度螺栓鋼ADS3，由于C含量較高(0.49％)，鋼的韌性較差，同時螺栓的加工性能和延遲斷裂性能惡化(Kushida，鐵と鋼，1996，82297)。這些均在實際應用中受到了限制。
本發明的目的是提出一種抗拉強度為1200～1400MPa、且具有良好塑韌性和耐延遲斷裂性能的高強度鋼。
根據上述目的，本發明所采用的技術方案是(1)調整抗回火軟化能力強的元素Mo，提高回火溫度和晶界強度；(2)盡可能降低雜質元素P、S的含量，同時降低Mn、Si含量，抑制淬火鋼高溫回火時Mn和P的共偏聚，提高鋼的塑韌性和冷加工性能；(3)加入適量的稀土元素和Ti、Zr，對夾雜物進行變性和對氫起陷阱作用，進一步降低氫在晶界的偏聚；(4)加入少量Al、V、Nb等元素，生成彌散細小的碳氮化物以細化奧氏體晶粒，提高鋼的強度和塑韌性。
本發明鋼的具體化學成分(重量％)如下C0.30～0.45，Si≤0.01-0.09，Mn≤0.30，P≤0.015，S≤0.010，Cr0.50～1.50，Mo0.3～0.69，Nb0.005～0.10，RE0.002～0.040，Al0.005～0.05，N0.006～0.015，根據需求可加入0.005～0.19的Ti、Zr、V中的一種或兩種，余為Fe及不可避免的雜質。
各元素的作用及配比依據如下C淬火、回火后為了獲得所需的高強度，C含量須在0.20％以上，但過多的C含量會惡化鋼的韌性和工藝性，并增加延遲斷裂的敏感性，因而C含量控制為0.30～0.45％。
Si脫氧劑，但惡化鋼的冷加工性和耐延遲斷裂性能，控制其含量在0.09以下。
MnMn是脫氧和脫硫的有效元素，還可以提高鋼的淬透性和強度，但淬火鋼高溫回火時，Mn和P有強烈的晶界共偏聚傾向，促進回火脆性，因而控制Mn含量在0.30％以下。
PP能在鋼液凝固時形成微觀偏析，隨后在奧氏體化溫度加熱時偏聚在晶界，使鋼的脆性顯著增大，從而增加鋼的延遲斷裂敏感性，所以控制P的含量在0.015％以下。
S不可避免的不純物，形成MnS夾雜和在晶界偏析會惡化鋼的耐延遲斷裂性能，因而控制其含量在0.010％以下。
Cr能夠有效地提高鋼的淬透性和回火抗力，以獲得所需的高強度。含量小于0.50％難以起到上述作用，但含量超過1.50％則會惡化鋼的韌性和冷加工性。
MoMo在有效地提高鋼的淬透性和回火抗力的同時，還能夠強化晶界。含量小于0.30％難以起到上述作用，但含量超過0.70％則鋼的成本較高。因此控制其含量為0.30～0.69％。
RERE元素除有脫氧脫硫和對非金屬夾雜物變性處理的作用外，還能夠有效地捕集氫，減少氫和其它有害元素在晶界上的偏聚，降低氫的滲透擴散，可進一步降低高強度鋼延遲斷裂的敏感性。RE含量小于0.002％，起不到上述作用，但含量超過0.040％，則由于夾雜物增多，反而惡化鋼的耐延遲斷裂性能。控制其含量在0.002～0.040％。
Al能夠有效地脫氧和細化晶粒，含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超過0.05％則易形成的粗大氧化鋁夾雜，惡化鋼的塑韌性。Nb細化晶粒，提高鋼的韌性，含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超過0.10％則作用飽和。
NN能夠和Al、Nb、V等形成細小的氮化物細化晶粒，但過量的N會偏聚于晶界和形成粗大的夾雜物，所以其含量應控制在0.006～0.015％。
VV能夠細化晶粒，提高鋼的回火抗力，改善鋼的耐延遲斷裂性能。V含量小于0.05％難以起到上述作用，但含量超過0.20％則增加鋼的成本。
Ti除細化晶粒、析出強化和固定N、S的作用外，彌散析出的TiC是鋼中陷阱能最高的氫陷阱之一，能夠捕集氫使其均勻地分散在晶內，抑制氫的擴散，從而改善鋼的耐延遲斷裂性能。Ti含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超過0.20％則生成的粗大氮化物惡化鋼的塑韌性。
Zr其作用與Ti類似。
本發明鋼可采用電弧爐、高頻感應爐、真空感應爐冶煉，澆鑄成鋼錠或連鑄成坯，經開坯后軋制成棒線材等產品。
本發明鋼的熱處理制度與現有技術相似，本發明鋼經900℃，30分鐘的正火處理，加工成半成品，然后經850℃～950℃淬火和高溫回火后對產品進行了檢測后交貨。
本發明鋼與現有技術相比較，不僅抗拉強度高，而且塑韌性好、耐延遲斷裂性能優良，經濟效果好。
實施例根據本發明所設計的化學成分范圍，我們在50kg真空感應爐上冶煉了5爐本發明鋼和1爐對比鋼，此外還例舉出1爐商業鋼42CrMo作為對比鋼，其具體化學成分見表1所示。鋼水澆鑄成錠，并經鍛造制成棒材。試樣加工前經900℃、30分鐘正火處理，隨后加工成標準室溫拉伸試樣(L0＝5d0，d0＝5mm)及缺口拉伸延遲斷裂試樣(直徑d＝5mm，缺口處dN＝3mm，缺口60°±2°/0.15R±0.025)的毛坯。上述試樣經850℃～950℃淬火和不同溫度回火后加工至最終尺寸。熱處理制度和相應的強度性能見表2。
試樣是在室溫下進行的拉伸、沖擊和缺口拉伸延遲斷裂等試驗。實驗溶液為pH＝3.5±0.5的Walpole緩蝕液(16.4克無水醋酸鈉+15.4毫升一級品濃鹽酸+1000毫升脫離子水或蒸餾水)。如σf為發生斷裂的最小應力，σn為在規定的截止時間200小時內不發生斷裂的最大應力，則定義缺口拉伸臨界應力σc為σc＝1/2(σf＋σn)，為使測得的與實際值相差小于10％，要求σf-σn≤0.2σc。所得試驗結果列入了表2。
從表2可以看出，本發明鋼在1200～1400MPa的強度水平下較對比鋼在相同強度水平下的耐延遲斷裂性能和塑韌性顯著提高，并且在1200～1400MPa強度水平下的耐延遲斷裂性能仍優于對比鋼在1100～1200MPa強度水平下的耐延遲斷裂性能，呈現出優良的耐延遲斷裂性能和塑韌性。
在本發明實施例中，表1為本發明鋼與現有技術對比鋼的成份比較。表2為本發明鋼實施例與現有技術鋼的技術性能比較表。
表1本發明實施例與對比鋼的化學成分比較(重量％)
表2本發明實施例與對比鋼的熱處理制度、強度、塑韌性及耐延遲斷裂性能的比較
權利要求
1.一種抗拉強度在1200-1400Mpa，同時具有良好塑韌性和耐延遲斷裂性能的高強度鋼，其特征在于該鋼的具體化學成份為(重量％)C0.3-0.45，Si0.01-0.09，Mn≤0.3，P≤0.015，S≤0.01，Cr0.5-1.5，Mo0.3-0.69，Nb0.005-0.1，RE 0.002-0.04，Al0.005-0.05，N0.006-0.015，Ti、Zr、V中任意一種或兩種之和為0.005-0.19，其余為Fe及不可避免的雜質。
全文摘要
本發明屬于合金鋼領域。特別適用于抗拉強度為1200－1400Mpa和具有良好塑性和耐延遲斷裂性能的高強度鋼。本發明鋼的具體成分為(重量%)C0.3－0.45,Si0.01－0.09,Mn≤0.3,P≤0.015,S≤0.01,Cr 0.5－1.5,Mo0.3－0.69,Nb 0.005－0.1,RE 0.002－0.04,Al 0.005－0.05,N 0.006－0.015,Ti、Zr、V中任意一種或兩種之和為0.005－0.19,其余為Fe及不可避免的雜質。本發明鋼與現有技術鋼的性能比較;不僅抗拉強度高,而且塑韌性好,和耐延遲斷裂性能優良。
文檔編號C22C38/28GK1329178SQ0112951
公開日2002年1月2日 申請日期2001年6月22日 優先權日2001年6月22日
發明者翁宇慶, 惠衛軍, 董瀚, 陳思聯, 王毛球, 時捷 申請人:鋼鐵研究總院