專利名稱：具有優良耐蝕性和抗疲勞性的超高強度鋼及其制造方法
技術領域：
本發明涉及微合金化鋼的制造領域，特別是指一種具有優良耐蝕性和抗疲勞性的超高強度鋼、以及該超高強度鋼的熱軋板和中厚板的制造方法。用該超高強度鋼板可制造出優質的工程機械，特別是煤礦用液壓支架和起重設備。
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，如翻斗車、挖掘機、推土機、載重汽車、各類起重設備、以及煤礦液壓支架等等。這些工程機械制造所需的焊接結構部件用材，通常稱為工程機械用鋼。隨著世界能源日益趨緊，減重、節能、降耗是工程機械制造行業急需解決的新課題，因而促進了工程機械用鋼向高強度鋼方向發展。特別是起重設備和煤礦用液壓支架，其質量的好壞直接關系到人的生命和財產安全，其所使用的鋼材要求具有超高強度、優良的耐蝕性能和抗疲勞性能。
在本發明申請之前，申請號為200310105914.6的中國發明專利申請公開說明書介紹了一種微合金化鋼及其應用，其不足之處是采用該方法制備出的鋼板，抗拉強度僅在590MPa左右，強度偏低，另外該微合金化鋼中沒有可提高鋼材耐蝕性和抗疲勞性的銅、鉻、鉬等合金，因而其耐蝕性和抗疲勞性不高，用于制備起重設備和煤礦用液壓支架時容易產生斷裂破壞，安全性能較差。申請號為98807716.7的中國發明專利申請公開說明書介紹了一種具有優異韌性的可焊接超高強度鋼的制造方法，其不足之處在于采用該方法制造出的是厚度不超過25mm、抗拉強度在900MPa左右的管路用鋼，其鋼板厚度較窄，強度也不足，另外其制造工藝采用軋后直接淬火處理，沒有進行回火消除殘余應力，所制得的鋼板在運輸或貯藏過程中容易發生翹曲變形，這種變形對于超高強度鋼而言是難以消除的，因而不能滿足起重設備和煤礦用液壓支架制造所需的平坦度要求，甚至無法加工使用。由此可見，采用如上所述微合金化鋼制造出的鋼板，其強度偏低，耐蝕性和抗疲勞性也較差，不能滿足起重設備和煤礦用液壓支架制造所需的超高強度、優良耐蝕性和抗疲勞性的材質要求；而采用如上所述可焊接超高強度鋼制造出的鋼板，其厚度較窄，強度也不足，在運輸或貯藏過程中可能會發生變形，也不能滿足起重設備和煤礦用液壓支架制造的要求。
發明內容
本發明的目的就是要提供一種微合金元素含量少、生產成本低、不僅具有良好的塑韌性、而且具有優良的耐蝕性和抗疲勞性的超高強度鋼，以及該超高強度鋼的熱軋板和中厚板的制造方法，以滿足優質工程機械特別是煤礦用液壓支架和起重設備制造的需要。
為實現上述目的，本發明所設計的具有優良耐蝕性和抗疲勞性的超高強度鋼，其化學成份按重量百分數計為C0.05～0.12、Si0.05～0.50、Mn1.10～1.70、P≤0.015、S≤0.010、Nb0.025～0.070、V0.005～0.080、Mo0.20～0.50、Ni0.30～0.80、Ti0.005～0.025、Cu0.25～0.80、B0.0005～0.0020、Cr0.10～0.70，余量為Fe及不可避免的夾雜；該鋼同時還滿足碳當量Ceq(％)≤0.65，熱敏感系數Pcm(％)≤0.30，其中Ceq(％)＝C+Mn/6+(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15；Pcm(％)＝C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Mo/15+Ni/60+V/10+5B。
上述具有優良耐蝕性和抗疲勞性的超高強度鋼的化學成份中，最好按重量比滿足Ni/Cu為0.80～1.20，以克服含銅鋼的熱脆性，改善該鋼的表面質量。
上述具有優良耐蝕性和抗疲勞性的超高強度鋼的化學成份中，最好按重量百分數計滿足Cu+Cr+Ni≥0.80，以使該鋼獲得優良的耐蝕性能和抗疲勞性能。
上述具有優良耐蝕性和抗疲勞性的超高強度鋼的熱軋板的制造方法包括如下步驟按超純凈鋼工藝進行冶煉、鐵水脫硫、轉爐頂底復合吹煉、鋼包吹氬精煉、真空處理、澆注成板坯和控軋控冷處理，使鋼的化學成份、碳當量Ceq(％)和熱敏感系數Pcm(％)滿足上述要求。其中控軋控冷處理是將所澆注成的板坯加熱至1100℃～1200℃；先粗軋，每道次壓下率為20％～30％，總壓下率為60％～80％，粗軋結束溫度為980℃～1050℃；再精軋，精軋開軋溫度為900℃～950℃，中間道次壓下率為15％～25％，最后兩道次壓下率為10％～15％，終軋溫度為780℃～850℃；鋼板軋后采用層流冷卻，冷卻速度為15℃/s～35℃/s，卷取溫度為530℃～620℃，制得熱軋板。
上述具有優良耐蝕性和抗疲勞性的超高強度鋼的中厚板的制造方法包括以下步驟按超純凈鋼工藝進行冶煉、鐵水脫硫、轉爐頂底復合吹煉、鋼包吹氬精煉、真空處理、澆注成板坯、控制軋制加調質熱處理，使鋼的化學成份、碳當量Ceq(％)和熱敏感系數Pcm(％)滿足上述要求。其中控制軋制加調質熱處理是將所澆注成的板坯以9min/cm～11min/cm的加熱速度均勻加熱至1150℃～1250℃；先粗軋，開軋溫度為1100℃～1200℃，在980℃～1200℃進行5～9道次軋制，每道次壓下率為12％～15％，累計壓下率為40％～60％；粗軋結束后用水急冷到940℃～960℃；再在780℃～950℃進行6～10道次精軋，每道次壓下率為12％～25％，終軋溫度為750℃～850℃；鋼板軋后進行淬火，加熱溫度為900℃～950℃，保溫時間為1.5min/mm～2.5min/mm，以15℃/s～35℃/s的冷卻速度將鋼板冷卻至Ms轉變點以下，冷卻介質為水；最后對淬火后的鋼板進行回火，加熱溫度為500℃～620℃，保溫時間為1.8min/mm～3.0min/mm，空冷至室溫，制得中厚板。
本發明具有優良耐蝕性和抗疲勞性的超高強度鋼中各合金成份的作用機理如下本發明的碳(C)含量為0.05％～0.12％，碳是鋼中不可缺少的提高鋼材強度的元素之一，為了保證高韌性和可焊性，將碳含量限定在0.12％以下，既可提高鋼的強度又可提高鋼的焊接性能。
本發明的錳(Mn)含量是根據產品軋制時的冷卻速度、規格和性能確定的，添加1.10％～1.70％的錳，可降低奧氏體轉變成鐵素體的相變溫度，擴大熱加工溫度區域，有利于細化鐵素體晶粒尺寸，提高鋼的屈服強度和沖擊韌性。
本發明的磷(P)含量≤0.015％、硫(S)含量≤0.010％。磷在鋼中具有容易造成偏析、惡化焊接性能、顯著降低鋼的低溫沖擊韌性、提高脆性轉變溫度等不利影響。硫易與錳結合生成MnS夾雜，硫還影響鋼的低溫沖擊韌性。因此，本發明應盡量減少磷、硫元素對鋼性能的不利影響，通過對鐵水進行深脫硫預處理、真空處理等手段，控制磷、硫含量，從而減輕其不利影響。
本發明的銅(Cu)含量為0.25％～0.80％，銅是本發明鋼中主要的強化元素之一，在奧氏體化溫度下，銅能夠完全固溶，在水淬冷卻過程中，銅被保留在過飽和的固溶體中，通過時效處理析出細小彌散的ε-Cu顆粒，產生強烈沉淀強化。
為了防止含銅鋼的熱脆性，可添加不低于0.8倍銅含量的鎳(Ni)。鎳在本發明中同時還具有提高鐵素體基體強度與韌性的作用，可降低韌脆轉變溫度。
本發明的鉻(Cr)、銅、鎳總含量至少不低于0.80％，鎳、銅、鉻組合既可提高本發明鋼的強度，又可提高其耐蝕性和抗疲勞性。
本發明選擇鈦(Ti)含量為0.005％～0.025％，鈦是一種強烈的碳化物和氮化物形成元素，在鋼重新加熱中阻止奧氏體晶粒長大，在高溫奧氏體區粗軋時TiN和TiC析出，可有效抑制奧氏體晶粒長大，另外鋼板在焊接過程中，鋼中的TiN和TiC粒子能顯著阻止熱影響區晶粒長大，從而改善鋼板的焊接性能。
本發明的鈮(Nb)含量為0.025％～0.070％，微量的鈮能顯著細化晶粒并提高本發明鋼的抗拉強度。鈮在控軋過程中，通過抑制再結晶和阻止晶粒長大，可細化奧氏體晶粒尺寸。在軋后冷卻過程中，NbC和NbN微小質點析出，可起沉淀強化的作用。
本發明的釩(V)含量為0.005％～0.080％，釩具有與鈮相似的效果，但沒有鈮那么顯著，其在500℃～700℃溫度回火時，以VC和VN微小質點析出，可起沉淀強化的作用。
本發明的鉬(Mo)含量為0.20％～0.50％，鉬能夠有效地延長珠光體轉變的孕育期，使鐵素體和珠光體區域右移，但對貝氏體的相變影響很小。因此使得本發明鋼經奧氏體化后在連續快速冷卻時，可以獲得貝氏體組織。當鋼中含碳量很低時，這種微細結構的貝氏體和針狀鐵素體組織，能夠保證鋼具有良好的延伸性。在高強度低合金鋼中，屈服強度隨鉬加入量的增加而提高。
本發明的硼(B)含量為0.0005％～0.0020％，硼的少量加入，會顯著提高鋼的淬透性，硼在鋼從高溫冷至室溫的過程中阻止軟相鐵素體和珠光體的形成，促進硬化相貝氏體和馬氏體的形成。
試驗表明，本發明的超高強度鋼的屈服強度(ReL)≥880MPa，抗拉強度(Rm)≥980MPa，-40℃ V型缺口夏比沖擊功≥150J。與現有技術相比，不僅具有顯著提高的強度指標，而且具有優異的低溫韌性，以及優良的耐蝕性能和抗疲勞性能；其焊接性能優良，可進行埋弧焊、手工焊和氣體保護焊；其綜合力學性能極其卓越，不易斷裂和破壞，使用安全可靠，能滿足優質煤礦用液壓支架或起重設備的制造要求。同時，它還可廣泛用作其它工程機械行業所需的超高強度結構鋼。
具體實施例方式
以下結合具體實施例對本發明具有優良耐蝕性和抗疲勞性的超高強度鋼及其制造方法作進一步的詳細描述本發明具有優良耐蝕性和抗疲勞性的超高強度鋼的幾種具體實施例的化學成份列于表1中。這幾種超高強度鋼的制造方法如下在煉鋼廠80噸轉爐上進行頂底復合吹煉，采用鐵水深脫硫技術，使鐵水中的S≤0.005％，鋼水經過吹氬氣后，再經過真空處理，使鋼中的化學成份滿足表1的要求，余量為Fe及不可避免的夾雜。再將滿足表1要求的鋼水澆注成200mm～300mm×1550mm斷面的板坯。然后將該板坯分別送至熱連軋廠和中厚板廠，在2250mm軋機上采用控軋控冷處理的熱連軋生產工藝，將其軋制成熱軋板；在2800mm軋機上采用控制軋制加調質熱處理的中厚板生產工藝，將其軋制成中厚板。其中采用控軋控冷處理的熱連軋生產工藝時，為充分發揮微合金元素在鋼中的作用，最好利用大功率軋機的設備能力，減少軋制道次，提高道次壓下率。先將板坯加熱至1100℃～1200℃，粗軋每道次壓下率為20％～30％，總壓下率為60％～80％，使之奧氏體晶粒細化到15μm以下，粗軋結束溫度為980℃～1050℃。粗軋后進行精軋，精軋開軋溫度為900℃～950℃，中間道次壓下率為15％～25％，最后兩道次壓下率為10％～15％，終軋溫度為780℃～850℃。軋后采用層流冷卻，冷卻速度為15℃/s～35℃/s。最后進行卷取，卷取溫度為530℃～620℃，讓細小彌散的Nb(C、N)、V(C、N)微小質點和ε-Cu顆粒充分析出，產生強烈沉淀強化，制得板厚為3mm～20mm的熱軋板。
采用控制軋制加調質熱處理的中厚板生產工藝時，先將板坯以9min/cm～11min/cm的加熱速度均勻加熱至1150℃～1250℃；粗軋開軋溫度為1100℃～1200℃，在980℃～1200℃的再結晶區進行5～9道次軋制，每道次壓下率為12％～15％，總壓下率為40％～60％，可使奧氏體晶粒細化到20μm。粗軋結束后采用1～2道次高壓水沖洗急冷到940℃～960℃，然后空冷15s～30s，使板坯內外溫度均勻化。接著進入精軋階段，在780℃～950℃進行6～10道次精軋，每道次壓下率為12％～25％，終軋溫度為750℃～850℃，軋制成板厚為10mm～60mm的鋼板。鋼板軋后進行淬火，加熱溫度為900℃～950℃，保溫時間為1.5min/mm～2.5min/mm，以15℃/s～35℃/s的冷卻速度將鋼板冷卻至Ms轉變點以下，冷卻介質為水。再對淬火后鋼板進行回火，加熱溫度為500℃～620℃，保溫時間為1.8min/mm～3.0min/mm，空冷至室溫，制得板厚為10mm～60mm的中厚板。
本發明超高強度鋼的中厚板的生產工藝參數和試驗結果列于表2、表3中。本發明超高強度鋼的熱軋板的生產工藝參數和試驗結果列于表4中。
實施例列舉了三種成份的本發明超高強度鋼，分別對應于各表中的成份編號1、2、3。試驗分別按熱軋板和中厚板兩種工藝生產，其中成份編號1、3的鋼均軋制了較厚和較薄兩種規格。從表3和表4反映出的性能來看，各成份的10mm～60mm中厚板和3mm～20mm熱軋板都能滿足屈服強度(ReL)≥880MPa、抗拉強度(Rm)≥980MPa、-40℃V型缺口夏比沖擊功≥150J的指標，尤其適于作為制造煤礦用液壓支架和起重設備的超高強度鋼。
表1本發明鋼的化學成分(wt％)
表2本發明鋼的中厚板制備方法
表3本發明鋼的中厚板試驗結果
表4本發明鋼的熱軋板制備方法及試驗結果
注表2、3、4的成份編號1、2、3與表1中的成份編號1、2、3為對應關系。
權利要求
1.一種具有優良耐蝕性和抗疲勞性的超高強度鋼，其特征在于該鋼的化學成份按重量百分數計為C0.05～0.12、Si0.05～0.50、Mn1.10～1.70、P≤0.015、S≤0.010、Nb0.025～0.070、V0.005～0.080、Mo0.20～0.50、Ni0.30～0.80、Ti0.005～0.025、Cu0.25～0.80、B0.0005～0.0020、Cr0.10～0.70，余量為Fe及不可避免的夾雜；該鋼同時還滿足碳當量Ceq(％)≤0.65，熱敏感系數Pcm(％)≤0.30，其中Ceq(％)＝C+Mn/6+(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15；Pcm(％)＝C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Mo/15+Ni/60+V/10+5B。
2.根據權利要求1所述的具有優良耐蝕性和抗疲勞性的超高強度鋼，其特征在于該鋼的化學成份中，按重量比Ni/Cu為0.80～1.20。
3.根據權利要求1或2所述的具有優良耐蝕性和抗疲勞性的超高強度鋼，其特征在于該鋼的化學成份中，按重量百分數計滿足Cu+Cr+Ni≥0.80。
4.一種權利要求1所述的具有優良耐蝕性和抗疲勞性的超高強度鋼的熱軋板的制造方法，包括按超純凈鋼工藝進行冶煉、鐵水脫硫、轉爐頂底復合吹煉、鋼包吹氬精煉、真空處理、澆注成板坯、控軋控冷處理的步驟，其特征在于所述控軋控冷處理是將所澆注成的板坯加熱至1100℃～1200℃；先粗軋，每道次壓下率為20％～30％，總壓下率為60％～80％，粗軋結束溫度為980℃～1050℃；再精軋，精軋開軋溫度為900℃～950℃，中間道次壓下率為15％～25％，最后兩道次壓下率為10％～15％，終軋溫度為780℃～850℃；鋼板軋后采用層流冷卻，冷卻速度為15℃/s～35℃/s，卷取溫度為530℃～620℃，制得熱軋板。
5.一種權利要求1所述的具有優良耐蝕性和抗疲勞性的超高強度鋼的中厚板的制造方法，包括按超純凈鋼工藝進行冶煉、鐵水脫硫、轉爐頂底復合吹煉、鋼包吹氬精煉、真空處理、澆注成板坯、控制軋制加調質熱處理的步驟，其特征在于所述控制軋制加調質熱處理是將所澆注成的板坯以9min/cm～11min/cm的加熱速度均勻加熱至1150℃～1250℃；先粗軋，開軋溫度為1100℃～1200℃，在980℃～1200℃進行5～9道次軋制，每道次壓下率為12％～15％，累計壓下率為40％～60％；粗軋結束后用水急冷到940℃～960℃；再在780℃～950℃進行6～10道次精軋，每道次壓下率為12％～25％，終軋溫度為750℃～850℃；鋼板軋后進行淬火，加熱溫度為900℃～950℃，保溫時間為1.5min/mm～2.5min/mm，以15℃/s～35℃/s的冷卻速度將鋼板冷卻至Ms轉變點以下，冷卻介質為水最后對淬火后的鋼板進行回火，加熱溫度為500℃～620℃，保溫時間為1.8min/mm～3.0min/mm，空冷至室溫，制得中厚板。
全文摘要
本發明公開了一種具有優良耐蝕性和抗疲勞性的超高強度鋼及其制造方法。其組份按重量百分數計為C0.05～0.12、Si0.05～0.50、Mn1.10～1.70、P≤0.015、S≤0.010、Nb0.025～0.070、V0.005～0.080、Mo0.20～0.50、Ni0.30～0.80、Ti0.005～0.025、Cu0.25～0.80、B0.0005～0.0020、Cr0.10～0.70，余量為Fe及不可避免的夾雜；該鋼同時還滿足碳當量Ceq(％)≤0.65，熱敏感系數Pcm(％)≤0.30。該鋼的制造方法包括按超純凈鋼工藝進行冶煉、鐵水脫硫、轉爐頂底復合吹煉、真空處理、澆注成板坯等步驟，再采用中厚板生產工藝或熱連軋生產工藝，軋制成中厚板或熱軋板。該鋼的屈服強度≥880MPa、抗拉強度≥980MPa、－20℃V型缺口夏比沖擊功≥100J，尤其適于作為制造煤礦用液壓支架和起重設備的超高強度用鋼。
文檔編號C22C33/04GK1888120SQ20061001966
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月20日 優先權日2006年7月20日
發明者陸在學, 張云燕, 鄭琳, 郭愛民 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司