一種屈服強度大于1400MPa超高強鋼板及其生產方法與流程

本發明屬于鋼鐵冶金領域，具體涉及一種具有良好低溫韌性的屈服強度大于1400mpa超高強度鋼板及其制造方法。
背景技術：
：高強度鋼板廣泛應用于工程機械、礦山采運行業結構件，如大型工程起重機吊臂、礦山采煤機液壓支架等。為了延長壽命、減輕自重、降低能源消耗，工程機械設備進一步向大型化發展，工程機械用鋼板的強度級別也不斷攀升。目前屈服強度960mpa級鋼板已實現國產化；屈服強度1100mpa級鋼板正逐步取代進口；屈服強度1300mpa鋼板，國外已實現工程應用，國內尚處于研發階段。而屈服強度1400mpa及以上鋼板，世界范圍內的研發及報道較少。中國專利cn105039886a介紹了一種1400mpa級超高強合金鋼及其制造方法。該鋼種抗拉強度＞1400mpa，屈服強度在1200mpa左右。中國專利cn103667884b研發了一種1400mpa級低屈服強比高延伸率冷軋超高強汽車用鋼。該鋼種屈服強度僅為500～900mpa，不能用于大型工程機械設備。中國專利cn104532156a報道了一種屈服強度1300mpa級調制高強鋼，屈服強度1300～1400mpa，抗拉強度≥1500mpa。該專利采用單機架或熱連軋后快速冷卻到bs以下，并在貝氏體轉變區域450℃～bs進行卷曲，通過得到細小的貝氏體組織，改善鋼的韌性。但該工藝需要額外添加特殊卷曲設備及后續的開平設備，普通平軋鋼廠無法進行生產；同時卷曲及后續的開平處理導致成本大幅上升，并且卷曲后再開平，影響鋼板不平度，這對超高強度鋼板的實際應用推廣造成了一定的困難。該專利
背景技術：
中同時描述了一種采用q+p生產的屈服強度1400mpa級的超高強度鋼板，其組織為超細板條馬氏體+納米級板條殘余奧氏體及沉淀析出的碳化物。由于復相組織在實際工業化生產中各相比例難以精確和穩定控制，因此批量生產難度很大。技術實現要素：本發明的目的在于提供一種具有良好低溫韌性的屈服強度大于1400mpa的超高強度鋼板及其制造方法。本發明解決上述問題所采用的技術方案為：一種屈服強度大于1400mpa超高強鋼板，該鋼板的化學成分包括c：0.22～0.30%，si：0.10～0.50%，mn：0.8～1.40%，nb：0.010～0.040%，v：0.020～0.050%，ti:≤0.008%，al：0.05～0.09%，ni：0.8～2.0%，cr：0.30～0.70%，mo：0.30～0.70%，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。本申請鋼板的厚度為4～20mm。成品鋼板的微觀組織為均一的回火馬氏體組織，晶粒細小，尺寸≤30um。的主要力學性能：屈服強度＞1400mpa，抗拉強度＞1600mpa，延伸率≥8%；-40℃夏比沖擊功≥30j；板型良好，鋼板不平度≤4mm/m。鋼板化學成分的設計原理是：c：碳的高低很大程度決定了鋼板的強度級別和低溫韌性。碳含量低，鋼板韌性好，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。基于鋼板強韌性匹配，本發明中碳含量控制為0.22～0.30%。si：本發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0.10～0.50%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，故本發明中考慮到合金的綜合加入，規定錳含量加入量介于0.8～1.40%的范圍內。nb和v：微合金元素，與c、n等元素形成納米級析出物，在加熱時抑制奧氏體晶粒的長大。nb可以提高未再結晶溫度，擴大控制軋制窗口；v再回火中可以提高鋼的強度。本發明規定鈮含量為0.010～0.040%；v含量范圍為0.020～0.050%。ti：ti與n具有極強的親和力。在調制高強鋼中通常添加一定量的ti元素，通過控制ti/n比，來保護鋼種的b原子，使得b充分固溶，提高淬透性（比如在專利cn104532156a中控制3.7≤ti/n≤7.0）。但tin在凝固過程中的析出物尺寸較大，堅硬多帶有尖角，不易變形，對鋼板低溫沖擊韌性有害；本發明對抗拉強度1400mpa級含ti0.02%和不含ti兩種調制高強鋼的低溫沖擊韌性進行了研究。結果見圖1，圖2。研究表明去除ti后，鋼板沖擊最小值從20j以上提高到了38j以上，沖擊平均值提高了38%。效果明顯。因此本發明中不允許加入ti元素，并明確控制ti含量≤0.008%。al：具有細化奧氏體晶粒的作用。較低的al元素含量對于細化晶粒的作用不明顯。通常調制高強鋼al含量控制在0.03%左右。由于本發明不允許添加ti，因此al元素需要起到固定鋼中n元素的作用，來保護固溶b元素的淬透性。因此本發明規定al含量不得低于0.05%。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，因此本發明規定al含量不高于0.09%。ni：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，本發明ni含量為0.8～2.0%。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。故本發明中鉻含量控制在0.30～0.70%。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。本發明中鉻含量控制在0.30～0.70%。b：本發明加入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處理是本發明鋼種的必要處理環節。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。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。本發明規定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。本發明為提高整板低溫沖擊韌性，嚴格控制h含量在0.00015%以內。本發明的另一目的是提供屈服強度大于1400mpa超高強鋼板的制備方法，包括如下步驟：冶煉工藝：采用電爐或轉爐冶煉，然后送入lf精煉爐進行精煉，精煉后進行第一階段ca處理（加入50%ca絲），并經過vd或rh高真空處理，真空處理過程中鋼水循環，大幅度提高ca與夾雜物接觸的幾率，提高鋼水潔凈度，真空度要求不高于67pa，處理時間不低于20min；破空后，進行第二階段ca處理，喂入剩余ca絲線，ca處理后，鋼水必須采用底吹氬軟攪拌10min鐘以上，確保夾雜物充分變形及上浮；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，以及動態輕壓下控制，澆鑄過熱度控制在5～25℃；輕壓下區間控制在0.35≤fs≤0.95，其中fs為鑄坯中固相份數，總壓下量不得低于4mm，保證鑄坯中心偏析不高于c1.0級；板坯緩冷工藝：鑄坯下線后，必須進行緩冷處理。鑄坯要求堆垛入坑或加罩，緩冷開始溫度要求不低于600℃，控制為600～700℃，時間≥48小時，控制板坯冷卻速度≤2.5℃/小時，保證板坯高溫區停留時間，提高擴氫速率，同時降低中心偏析。加熱軋制工藝：采用雙機架兩階段控制軋制，將鑄坯送入步進式加熱爐，加熱至1180～1250℃，待心部溫度到達表面溫度時開始保溫，保溫時間不低于1小時，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：細化晶粒，提高強度和韌性，粗軋的開軋溫度介于1050-1100℃，粗軋后三道道次壓下率≥15%，待溫厚度≥2.5h，其中h為成品厚度；精軋開軋溫度介于850～950℃，軋至成品厚度，軋制完成后鋼板過acc機組進行加速冷卻，控制冷卻終冷溫度在600～750℃。本申請將粗軋終冷溫度控制在600℃以上，大大降低了鋼板的殘余應力，避免鋼板發生瓢曲，有效改善鋼板的板型及平直度，為后續淬火板型控制及性能均勻性控制提供了良好的基礎。淬火熱處理工藝：軋制后鋼板進行離線淬火處理，淬火溫度880～930℃，爐溫到溫后保溫30～60min。為保證鋼板的均勻性，溫度控制精度為±10℃，確保獲得均勻的淬火馬氏體組織。回火熱處理工藝：鋼板淬火后，需要在150～250℃進行低溫回火，待鋼板心部到溫后，回火保溫30～150min，去除鋼板內應力，保證鋼板強韌性最佳匹配。強力冷矯：鋼板回火后采用強力冷矯，控制鋼板不平度≤4mm/m。該工序進一步去除鋼板淬火應力，確保用戶切割后不會產生鋼板變形。本發明與現有技術相比：本發明采用無ti成分設計，大大降低了合金成本，同時提高了鋼板沖擊韌性；本發明采用兩階段ca處理，精煉后，真空處理前添加50%ca絲，進行一階段ca處理，利用真空處理時的鋼水循環充分變性夾雜物；真空處理后添加剩余ca絲，進行二階段ca處理和底吹氬氣軟攪拌，進一步促進夾雜物上浮，提高鋼水潔凈度，增加鋼板低溫韌性。本發明采用低過熱度及動態輕壓下工藝，著重控制輕壓下量不低于4mm，充分降低鋼板中心疏松及偏析，提高鋼板低溫韌性及厚度方向成分、性能穩定。本發明采用高真空及板坯擴氫處理，重點控制板坯冷卻速度≤2.5℃/小時，保證板坯在高溫區間的停留時間，在提高鋼板低溫韌性的同時，大大降低鋼板切割裂紋的發生風險。本發明采用雙機架平軋工藝，工序簡單。通過兩階段控制軋制，粗軋后三道次壓下率≥15%，充分細化原始奧氏體晶粒尺寸，嚴格控制鋼板終冷溫度在600℃以上，大大減少鋼板殘余應力導致的瓢曲，提高鋼板不平度。本發明采用適宜的淬火及150～250℃低溫回火工藝，可生產屈服強度＞1400mpa，抗拉強度＞1600mpa，延伸率≥8%的超高強度鋼板，-40℃沖擊功≥30j。本發明調制后采用強力冷矯，控制鋼板不平度≤4mm/m。該工序進一步去除鋼板淬火應力，確保用戶切割后不會產生鋼板變形。本發明方法，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是含ti0.02%抗拉強度1400mpa級超高強度鋼沖擊功；圖2是不含ti抗拉強度1400mpa級超高強度鋼沖擊功；圖3是本發明實施例1的試驗鋼典型組織金相圖片（500x）；圖4是本發明實施例2的試驗鋼典型組織sem電鏡掃描圖片（1000x）。具體實施方式以下結合實施例對本發明作進一步詳細描述。本發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高真空脫氣->ca處理->連鑄->鑄坯緩冷處理->加熱->軋制->淬火->低溫回火。本發明實施例1-2的屈服強度大于1400mpa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，精煉后喂入50%ca絲進行一階段ca處理；經過rh高真空脫氣處理，破空加入剩余50%ca絲進行二階段ca處理并采用底吹氬軟攪拌12min。化學成分控制見表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輕壓下。連鑄工藝參數見表2；（3）鑄坯緩冷處理：連鑄板坯入坑進行緩冷擴氫，入坑溫度，緩冷速度及時間見表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240min。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≥2.5h。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，冷卻終冷溫度為600-750℃。相關工藝參數見表3。（5）淬火：鋼板淬火溫度為900±10℃，保溫時間為30～60min，淬火介質為水。（6）回火：鋼板回火溫度為220±10℃，保溫時間為30～150min。（7）強力冷矯：回火后鋼板進入4000噸強力冷矯機進行矯直。控制冷矯后不平度≤4mm/m。（8）冷矯后鋼板進行橫向拉伸、縱向沖擊試驗。具體成分、工藝參數見表1～3。各實例樣板對應的性能見表4。圖3、4給出了實施例1、2試驗鋼的微觀組織照片。成品鋼板的微觀組織為均一的回火馬氏體組織，晶粒細小，尺寸≤30um。可見，通過兩階段控軋控冷和合適的淬火工藝參數選擇，使得原始奧氏體晶粒充分細化，淬火后得到細小的馬氏體組織，在滿足鋼板超高強度的同時，充分保證了鋼板的低溫沖擊韌性。本發明采用高潔凈度煉鋼連鑄工藝，控軋控冷，離線淬火+回火，及強力冷矯工藝，從化學成分設計、母材組織、夾雜物、中心偏析、淬回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，同時鋼板板型良好，切割后不變形，為工程設備進一步大型化、輕量化提供了可行性，具有批量生產及應用的優勢和前景。表1實施例超強鋼板的化學成分（wt%）表2連鑄工藝控制表3軋制工藝控制實施例產品厚度規格，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，℃終冷溫度，℃110122029%+30%+31%35920690220122026%+28%+30%60860625表4本發明實施例拉伸、沖擊及不平度除上述實施例外，本發明還包括有其他實施方式，凡采用等同變換或者等效替換方式形成的技術方案，均應落入本發明權利要求的保護范圍之內。當前第1頁12