專利名稱：屈服強(qiáng)度1100MPa以上超高強(qiáng)度鋼板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼鐵材料的制造方法，特別涉及屈服強(qiáng)度1100MPa以上超高強(qiáng)度鋼板及其制造方法。
背景技術(shù)：
國(guó)際上有關(guān)屈服強(qiáng)度在700MPa以上的超高強(qiáng)度鋼板的制造方法已經(jīng)形成多項(xiàng)專利，如住友金屬的專利JP 60121219和JP 89025371中，采用回火工藝生產(chǎn)高強(qiáng)鋼且鋼中硅含量為≤0.015％，鎳含量為1.00％～3.50％，鉻含量0.40％～1.20％；Exxonmobil Upstream Res公司申請(qǐng)的專利WO 200039352是一種低溫用鋼，用較低含碳量(0.03％～0.12％)和高鎳含量(不小于1.0％)的方法生產(chǎn)低溫韌性好的高強(qiáng)度鋼，其采用較低的冷卻速率(10℃/s)，其抗拉強(qiáng)度只能達(dá)到830MPa以上。
在Exxonmobil Upstream Res和新日鐵合作申請(qǐng)的低合金超高強(qiáng)度鋼板專利WO 9905335中，雖然采用在熱軋后只淬火不回火，但其成分中碳含量較低為0.05～0.10％。
在住友金屬的高強(qiáng)度鋼板專利中(JP 59159932)，采用在熱軋后直接淬火加回火的方法，而且在其成分設(shè)計(jì)中，采用的鈦的范圍較低為0.003～0.010％。
NIPPON KOKAN KK的“高強(qiáng)度厚鋼板的生產(chǎn)”專利(GB 2132225)中，通過控制水流量來控制熱軋后直接淬火的速率，生產(chǎn)的厚度大于25mm，其成分要求錳(0.40～1.20％)、鉻(0.20～1.50％)，并需控制酸溶鋁。
在埃克森美孚的“具有優(yōu)異低溫韌性的超高強(qiáng)度奧氏體時(shí)效鋼”的專利(98812446.7)中，其需要在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)控軋，熱軋后冷卻至Ms～Ms+100℃，不采用回火，抗拉強(qiáng)度只有830MPa以上，其常溫組織由2～10％(體積比)殘余奧氏體薄膜層以及約90～98％(體積比)的以細(xì)晶粒馬氏體和細(xì)晶粒下貝氏體為主的板條的顯微層狀組織組成。
在?？松梨诤妥∮呀饘俾?lián)合申請(qǐng)的“高抗拉強(qiáng)度鋼及其生產(chǎn)方法”的中國(guó)專利98802878.6中，鋼板的碳含量為0.02～0.10％，錳為0.2～2.5％，抗拉強(qiáng)度900MPa以上。
在瑞典SSAB公司生產(chǎn)的Weldox1100系列和德國(guó)迪林根生產(chǎn)的Dillimax系列高強(qiáng)鋼中，采用高鋁(總鋁范圍≥0.020％，實(shí)物鋁在0.055％左右)依靠鋁細(xì)化晶粒的方法提高鋼的強(qiáng)韌性。
在埃克森美孚的“具有優(yōu)異的低溫韌性的超高強(qiáng)度鋼”的專利(98812439.4)中，熱軋后淬火至低于約Ms+200℃，淬火速率為10～40℃/s，不僅其淬火速率較低，而且未采用熱軋后在線淬火。
由以上對(duì)比專利可知，這些專利存在以下一個(gè)或多個(gè)不足①加入了較高含量的昂貴合金元素，鋼材成本高。如JP 60121219和JP 89025371中加入的鎳為1.00％～3.50％，鉻含量0.40％～1.20％；WO 200039352中鎳含量不小于1.0％；②工藝復(fù)雜，工序成本高。如專利WO 9905335中碳含量較低為0.05～0.10％，專利GB 2132225中碳0.04％～0.16％，專利98802878.6中碳含量為0.02～0.10％，過低的碳含量造成煉鋼時(shí)脫碳時(shí)間長(zhǎng)，冶煉生產(chǎn)效率低；專利98812439.4、98812446.7中，不僅其淬火速率較低，而且未采用熱軋后在線淬火，降低了生產(chǎn)效率。瑞典SSAB公司生產(chǎn)的Weldox1100系列和德國(guó)迪林根生產(chǎn)的Dillimax系列高強(qiáng)鋼中，采用高鋁含量(不小于0.02％)，有以下若干缺點(diǎn)高鋁鋼鋼水在澆注時(shí)水口容易結(jié)瘤，容易將鋼包水口耐材帶入鋼水；過多的鋁會(huì)造成鋼中氧化鋁夾雜顯著增多，需要較長(zhǎng)的真空脫氣時(shí)間促使夾雜物上??；鋁細(xì)化晶粒的氮化鋁細(xì)小析出物在鋼板焊接時(shí)完全溶解，從而使焊接熱影響區(qū)晶粒粗大。③鋼板強(qiáng)度級(jí)別低。如專利WO 200039352和專利98812446.7，抗拉強(qiáng)度只能達(dá)到830MPa以上，專利98802878.6抗拉強(qiáng)度只能達(dá)到900MPa以上。
由于重載卡車、工程機(jī)械等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)車輛的載重和機(jī)械強(qiáng)度的要求不斷提高，同時(shí)也要求減輕自重，因此要求采用成本更低、強(qiáng)度級(jí)別更高、低溫沖擊韌性好的超高強(qiáng)度鋼板。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有良好低溫韌性的超高強(qiáng)度鋼板的制造方法，通過合理的合金成分設(shè)計(jì)和工藝控制，采用熱軋后直接淬火和回火工藝達(dá)到鋼板的屈服強(qiáng)度在1100MPa以上，其低溫沖擊韌性達(dá)到E級(jí)以上(即滿足～40℃的沖擊功不小于27J)，并具有良好的塑性和焊接性。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種屈服強(qiáng)度1100MPa以上超高強(qiáng)度鋼板，其成分為(重量百分比)C 0.10％～0.20％；Si≤0.6％；Mn 0.5％～2.5％；Al≤0.03％；N 0.001％～0.006％；B 0％～0.0025％；Ca 0％～0.006％；P≤0.015％；S≤0.005％；Ni 0.2％～1.2％、Cr 0％～0.8％、Cu 0％～0.5％和Mo 0％～0.6％中的一種或幾種以上；Ti 0.01％～0.03％、V 0％～0.1％和Nb 0.01％～0.1％中的一種或幾種以上；余鐵和不可避免雜質(zhì)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供一種制造屈服強(qiáng)度1100MPa以上超高強(qiáng)度鋼板的方法，其中所述鋼板具有權(quán)利要求1中鋼的化學(xué)組成，所述方法包括如下步驟1)將鋼坯加熱至1100～1250℃；2)在奧氏體可發(fā)生再結(jié)晶的溫度范圍內(nèi)，采用一個(gè)或多個(gè)道次，將所述鋼坯軋制成鋼板，總壓下率不低于50％；3)在奧氏體未發(fā)生再結(jié)晶即低于Tnr溫度但高于Ar3轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度范圍內(nèi)，采用一個(gè)或多個(gè)道次，將上述鋼板軋制成最終厚度的鋼板，總壓下率不低于50％，終軋溫度介于860～920℃之間；4)以不低于約20℃/s的冷卻速率將所述鋼板在線淬火，至低于約200～400℃的淬火終止溫度；
5)對(duì)淬火后的鋼板進(jìn)行回火以提高韌性，回火溫度為350～750℃。
進(jìn)一步，在全部的熱軋過程中，允許不采用轉(zhuǎn)鋼軋制。
再進(jìn)一步，在全部的熱軋過程中，允許使用一次或多次轉(zhuǎn)鋼軋制。
更進(jìn)一步，在熱軋終了時(shí)，允許先進(jìn)行空冷然后進(jìn)行水冷，空冷的終止溫度范圍為700～950℃。
碳(C)0.10％至0.20％碳含量的高低很大程度地決定了鋼板的強(qiáng)度級(jí)別，因?yàn)樘际菉W氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體、貝氏體等鋼中的強(qiáng)化相所必不可少的元素。碳是決定碳當(dāng)量大小的最主要的元素，而碳當(dāng)量是影響鋼的強(qiáng)度和焊接性等的重要指標(biāo)。本專利碳的控制范圍為0.10％至0.20％，是基于鋼的強(qiáng)韌性的匹配，碳低于0.10％則鋼中沒有足夠的碳化物和固溶碳，在奧氏體轉(zhuǎn)變過程中不利于形成足夠的強(qiáng)化相從而獲得鋼板的強(qiáng)度；反之，碳含量高于0.20％時(shí)，則鋼的塑性和韌性降低，焊接性也變差。
硅(Si)不大于0.6％硅對(duì)過冷奧氏體的穩(wěn)定性影響不大。硅在鋼中起固溶強(qiáng)化作用，并且含量較多時(shí)能抑制碳化物的析出，提高韌性。鋼中加硅能提高鋼質(zhì)純凈度和脫氧。
錳(Mn)0.5％至2.5％錳是提高貝氏體鋼淬透性的主要元素，降低貝氏體鋼的相變溫度，細(xì)化組織亞結(jié)構(gòu)，增大貝氏體鐵素體中碳的過飽和度，有利于強(qiáng)度的提高。
鋁(Al)不大于0.03％通常鋁在高強(qiáng)鋼中的作用包括和硅錳一樣起脫氧作用；鋁細(xì)化晶粒的作用。本發(fā)明鋼中只含少量的鋁或不含鋁(≤0.03％)，主要是因?yàn)橐环矫驿撝泄韬湾i的含量較高完全能夠替代鋁的脫氧作用；在鋼中加入微量的鈦，這樣鈦和銅、鈮等合金元素并配合工藝控制等措施共同起到細(xì)化晶粒的作用，而且微鈦處理對(duì)提高鋼的焊接性十分有利；另一方面，如果鋁含量太高則有諸多缺陷(上文已述)。
氮(N)0.001％至0.006％在加鈦的鋼中，適量的氮與鈦形成氮化鈦，這種易在高溫析出的第二相有利于強(qiáng)化基體，并提高鋼板的焊接性能。但如果氮高于0.0060％，氮與鈦的溶度積較高，在高溫時(shí)鋼中就形成氮化鈦，這樣的氮化鈦顆粒粗大且呈方形或長(zhǎng)方形，嚴(yán)重地?fù)p害鋼的塑性和韌性。
硼(B)0％至0.0025％硼的優(yōu)選范圍為0.0010％至0.0020％。硼在鋼中能夠提高鋼的淬透性和焊接性。
鈣(Ca)0％至0.006％適量的鈣能夠改變硫化物的形狀，減輕硫的不利影響。當(dāng)鋼中存在過量的鈦時(shí)，鈦可以和硫化合形成硫化鈦或碳硫化鈦，因此鈣的加入與否可以根據(jù)鈦的加入量和硫的含量而定。
鎳(Ni)0.2％至1.2％鎳可提高鋼的韌性，尤其是有低溫韌性要求的鋼。加入鎳可增加貝氏體或馬氏體邊界殘余奧氏體薄膜，提高塑韌性。且有利于回火后的組織細(xì)化。
銅(Cu)0％至0.5％銅的作用是固溶強(qiáng)化，量較多時(shí)可在適當(dāng)溫度回火后二次硬化，提高強(qiáng)度。對(duì)于非淬火鋼一般含量不高。
鉻(Cr)0％至0.8％鉻可使珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變曲線分離，中、低碳的條件下，能明顯右移先共析鐵素體和珠光體開始析出線，可代替部分錳和鉬。細(xì)化組織，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。鉻降低Bs/Ms值比錳大，有利于減少焊接裂紋傾向。鉻和錳元素配合，可獲得更高的淬硬性和淬透深度，提高鋼的力學(xué)性能。鉻比錳的偏析傾向小，用鉻代錳有利于減少鋼的芯部偏析，提高力學(xué)性能均勻性。
鉬(Mo)0％至0.6％加入鉬主要是為了提高強(qiáng)度。
鈦(Ti)0.01％至0.03％鈦可以與氮、碳和硫形成鈦的化合物?？刂其撝锈伒暮浚沟免佒饕c氮化合形成細(xì)小彌散的氮化鈦，剩余的鈦與硫、碳形成化合物。因此，適量的鈦不僅固定了鋼中的氮、而且還固定了鋼中的硫和部分碳。但鈦含量過高，不僅氮化鈦粗大，而且鋼中固溶的碳減少，不利于獲得良好的強(qiáng)韌性匹配?；w，而且顯著地提高鋼板的焊接性。
鈮(Nb)0.01％至0.1％；釩(V)0％至0.1％鈮和釩是強(qiáng)碳和氮的化合物形成元素。由于鋼中加入適量的鈦，鈦與氮的形成溫度較高，因此通過控制鈦、氮的含量，使得鈮和釩主要與碳化合。碳化釩和碳化鈮的析出溫度較氮化鈦和碳化鈦低，在熱軋時(shí)與熱軋工藝匹配，通過控制碳化鈮和碳化釩的析出來細(xì)化組織和提高強(qiáng)度和韌性。
磷(P)和硫(S)不高于0.015％和0.005％硫在鋼中與錳等化合形成塑性夾雜物硫化錳，尤其對(duì)鋼的橫向塑性和韌性不利，因此硫的含量應(yīng)盡可能地低。磷也是鋼中的有害元素，嚴(yán)重?fù)p害鋼板的塑性和韌性。
本發(fā)明采用相對(duì)其它專利更為適中的碳含量(0.10％至0.20％)，此碳含量既不是很低也不是很高，即可滿足煉鋼工序的要求，也可保證鋼板后續(xù)對(duì)焊接性能的要求。其中碳含量與鋼板中加入的Nb含量盡可能保證按相關(guān)公式，例如按溶度積公式Lg[Nb][C]＝2.96-7510/T，計(jì)算出的T小于1523K(1250℃)；如果加入V，則V和Nb的總含量也要保證按類似公式計(jì)算的T小于1523K，這是要保證鋼坯再加熱時(shí)所有碳氮化物完全溶解，以便在后續(xù)的軋制和冷卻過程中析出強(qiáng)化，充分發(fā)揮各元素的作用。加入的元素Ti與N含量盡可能保證Ti/N≥3.42，讓Ti完全固定N，使Nb能形成足夠的NbC強(qiáng)化；鋼中允許鈣處理，也允許不用鈣處理。如果進(jìn)行鈣處理，則加入的Ca與S含量盡可能保證Ca/S≥0.5～2.0，使硫化物完全球化或近似紡錘形，提高鋼板橫向沖擊性能。鋼中的Cu、Ni、Cr、Mo如果同時(shí)加入時(shí)，不可同時(shí)接近上限或者下限，這樣做的目的是保證強(qiáng)度和碳當(dāng)量。對(duì)以上所述元素的適當(dāng)控制，目的在于用較低的合金成本，精確的成分配比，簡(jiǎn)單的煉鋼、軋制與熱處理工藝獲得較好的力學(xué)、焊接等綜合性能。
鋼坯加熱到足夠高的溫度(1100～1250℃)使奧氏體組織均勻化，并使鋼中的鈮、釩和鈦等的碳化物充分溶解，而鈮、釩和鈦等的氮化物也有部分溶解以阻止原始奧氏體晶粒的長(zhǎng)大。
在奧氏體可發(fā)生再結(jié)晶的溫度范圍內(nèi)，采用一個(gè)或多個(gè)道次軋制成鋼坯，總壓下率不得低于50％。隨著軋制的進(jìn)行和溫度的降低，固溶于鋼中的微合金元素起著阻滯奧氏體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的作用，形變的奧氏體反復(fù)發(fā)生再結(jié)晶達(dá)到細(xì)化的目的。在軋制過程中，允許采用一次或多次轉(zhuǎn)鋼以提高成品鋼板的橫向塑性和韌性。
在低于奧氏體發(fā)生再結(jié)晶但高于Ar3轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度范圍內(nèi)，采用一個(gè)或多個(gè)道次并允許采用一次或多次轉(zhuǎn)鋼，將上述鋼板軋制成最終厚度的鋼板，總壓下率不低于50％，終軋溫度介于860～920℃之間。在軋制過程中，奧氏體不發(fā)生再結(jié)晶，而形成拉長(zhǎng)的奧氏體。在拉長(zhǎng)的奧氏體形變帶內(nèi)存在大量的位錯(cuò)，鈮、釩和鈦等固溶原子由于形變誘導(dǎo)而析出為碳化物和碳氮化物。
經(jīng)未再結(jié)晶區(qū)終軋后，鋼的組織由變形的奧氏體組成。終軋后的鋼板以不低于約20℃/s的冷卻速率直接淬火以獲得貝氏體、馬氏體或貝氏體與馬氏體的(可能會(huì)殘留部分奧氏體)混合組織。再經(jīng)350～750℃回火處理以改善鋼的韌性。
本發(fā)明具有成分設(shè)計(jì)易于實(shí)施和控制，工藝控制簡(jiǎn)便易行的特點(diǎn)，由于采用直接淬火，因而軋制周期短。經(jīng)回火后實(shí)現(xiàn)鋼板既具有超高的強(qiáng)度，又具有良好的低溫韌性。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的具體實(shí)施例參見表1、表2、表3。
表1實(shí)施例的化學(xué)成分(％)
表2實(shí)施例的工藝參數(shù)
表3實(shí)施例的力學(xué)性能
由表可見，五個(gè)實(shí)施例的屈服強(qiáng)度均大于1100MPa，延伸率大于等于13％，-40℃的沖擊功均大于32J，達(dá)到了1100E級(jí)的要求。
權(quán)利要求
1.屈服強(qiáng)度1100MPa以上超高強(qiáng)度鋼板，其成分為(重量百分比)C 0.10％～0.20％；Si≤0.6％；Mn 0.5％～2.5％；Al≤0.03％；N 0.001％～0.006％；B 0％～0.0025％；Ca 0％～0.006％；P≤0.015％；S≤0.005％；Ni 0.2％～1.2％、Cr 0％～0.8％、Cu 0％～0.5％和Mo 0％～0.6％中的一種或幾種以上；Ti 0.01％～0.03％、V 0％～0.1％和Nb 0.01％～0.1％中的一種或幾種以上；余鐵和不可避免雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的鋼板，其特征在于，Ti與N的含量為Ti/N≥3.42。
3.如權(quán)利要求1所述的鋼板，其特征在于，Ca與S的含量為Ca/S≥0.5～2.0。
4.制造屈服強(qiáng)度1100MPa以上超高強(qiáng)度鋼板的方法，其中所述鋼板具有權(quán)利要求1中鋼的化學(xué)組成，所述方法包括如下步驟1)將鋼坯加熱至1100～1250℃；2)在奧氏體可發(fā)生再結(jié)晶的溫度范圍內(nèi)，采用一個(gè)或多個(gè)道次，將所述鋼坯軋制成鋼板，總壓下率不低于50％；3)在奧氏體未發(fā)生再結(jié)晶即低于Tnr溫度但高于Ar3轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度范圍內(nèi)，采用一個(gè)或多個(gè)道次，將上述鋼板軋制成最終厚度的鋼板，總壓下率不低于50％，終軋溫度介于860～920℃之間；4)以不低于約20℃/s的冷卻速率將所述鋼板在線淬火，至低于約200～400℃的淬火終止溫度；5)對(duì)淬火后的鋼板進(jìn)行回火以提高韌性，回火溫度為350～750℃。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在全部的熱軋過程中，允許不采用轉(zhuǎn)鋼軋制。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在全部的熱軋過程中，允許采用一次或多次轉(zhuǎn)鋼軋制。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征是，熱軋過程熱軋終了時(shí)，允許先進(jìn)行空冷然后進(jìn)行水冷，空冷的終止溫度范圍為700～950℃。
全文摘要
屈服強(qiáng)度1100MPa以上超高強(qiáng)度鋼板，其成分為(重量百分比)C 0.10～0.20％；Si≤0.6％；Mn 0.5～2.5％；Al≤0.03％；N 0.001～0.006％；B 0～0.0025％；Ca 0～0.006％；P≤0.015％；S≤0.005％；Ni 0.2～1.2％、Cr 0～0.8％、Cu 0～0.5％和Mo 0～0.6％中的一種或幾種以上；Ti 0.01～0.03％、V 0～0.1％和Nb 0.01～0.1％中的一種或幾種以上；余鐵和不可避免雜質(zhì)。其方法為將鋼坯加熱至1100～1250℃；在奧氏體可發(fā)生再結(jié)晶區(qū)將鋼坯軋制成鋼板；在奧氏體未發(fā)生再結(jié)晶區(qū)將鋼板軋制，終軋溫度介于860～920℃之間；以不低于約20℃/s的冷卻速率在線淬火，至低于約200～400℃的淬火終止溫度；對(duì)淬火后的鋼板進(jìn)行回火。
文檔編號(hào)C22C38/54GK1840723SQ20051002475
公開日2006年10月4日 申請(qǐng)日期2005年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月30日
發(fā)明者孫全社, 張愛文, 張永嘉, 呂衛(wèi)東 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司