一種釩、鈦復合添加的具有高疲勞強度的鋼板及制造方法

一種釩、鈦復合添加的具有高疲勞強度的鋼板及制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種釩、鈦復合添加的具有高疲勞強度的鋼板及其制造方法，屬于金屬材料技術領域。它包含退火馬氏體基體、殘余奧氏體以及貝氏體三相顯微組織結構，退火馬氏體基體具有板條結構，殘余奧氏體以薄膜狀分布于退火馬氏體板條之間，貝氏體以塊狀分布于原始奧氏體晶界上。所述顯微結構可以通過一種獨特的熱處理方法獲得，配合釩、鈦的科學配比獲得優異的耐疲勞性能和抗氫致延遲斷裂性能，鋼板疲勞強度≥780MPa。
【專利說明】
一種釩、鈦復合添加的具有高疲勞強度的鋼板及制造方法
技術領域
[0001] 本發明屬于金屬材料技術領域，涉及一種室溫組織為退火馬氏體基體、殘余奧氏 體和貝氏體復相組織的釩、鈦復合添加的具有高疲勞強度的鋼板及其制造方法。
【背景技術】
[0002] 工程機械行業是機械制造業的重要組成部分，也是機械工業中最年輕、發展最迅 速的行業。工程機械用鋼板主要供給機械、煤炭、運輸、礦山及各類工程施工等部門所需設 備中。隨著我國工程機械行業向"三高一大"方向發展，作為整機基礎的鋼結構件要求重量 更輕，壽命更高以及強度更高。近年來，隨著工業的飛速發展，高強度鋼被廣泛應用，從而使 結構的疲勞問題更加突出。這是因為高強度鋼在工程結構上的普及和使用，雖然其屈服應 力和極限應力較高，從強度角度增加了工程結構的承載能力，但由于疲勞強度與屈服強度 和極限強度幾乎無關，因而并沒有使其疲勞強度有明顯提高。高強度鋼一旦進入屈服狀態 后，其塑性儲備就大大減小，抵抗疲勞破壞的能力就大大降低。而焊接工藝在工程結構建造 中的普遍應用，造成在工程結構中不可避免地存在各種各樣的焊接缺陷，使得工程結構的 疲勞強度受到嚴重影響。因此，疲勞破壞作為工程結構失效的主要形式之一，正越來越受到 研究者們和各工程行業的重視，確保工程機械用高強鋼的疲勞性能是提高工程機械使用壽 命的首要前提。
[0003] 復相鋼中一般通過添加 Nb、V和Ti，利用細晶強化和析出強化提高鋼的性能。V和Ti 是強碳化物形成元素，能夠細化晶粒且具有良好的析出強化作用，與其它元素協同既能提 高鋼的強度也能改善鋼的韌性。V可以提高鋼的淬透性，溶入鐵素體中具有強化作用，可以 形成穩定的碳化物，細化晶粒，N可以強化V的作用。Ti是強碳化物形成元素，它和N，0，C都有 極強的親和力。Ti和C形成的碳化物結合力極強、極穩定、不易分解，只有當加熱溫度達到 1000°C以上時才開始緩慢溶入固溶體中，在未溶入前，TiC微粒有阻止晶粒長大的作用。Ti 也能溶入γ和α相中，形成固溶體，使鋼產生強化。V和Ti在提高強度的同時還可以抑制疲勞 裂紋的擴展。
[0004] 中國專利申請CN101139685A介紹了 一種高強度耐疲勞熱乳鋼材及其制造方法，屬 于特種鋼及其冶煉技術領域。該專利連鑄坯經高壓水除磷、加熱、熱乳、層流冷卻，卷取制得 成品。該專利通過添加 Nb、Ti微合金元素，制備出的鋼板的疲勞極限在應力比R = 0.76時達 到51 OMPa。該發明中鋼的疲勞強度適合制造低牌號的汽車結構件。
[0005] 中國專利申請CN1957100A介紹了一種耐疲勞裂紋擴展性優異的鋼板及其制造方 法，屬于低合金化鋼制造領域。該專利采用添加(^、附、0、]/[0、￥、1';[、13和稀土類元素中的一 種或兩種以上，經熱乳、冷乳后實施回火處理。該專利提高了針對在各種焊接結構件的焊接 部位內在的裂紋因受到反復應力而擴展的阻抗性。金相組織為鐵素體、珠光體、貝氏體和少 量馬氏體。該專利采用相變強化的成分設計思路，但最高抗拉強度在700MPa以下，而且多種 合金元素的添加使加工成本上升。
[0006] 中國專利申請CN103938092A介紹了一種高疲勞強度熱成型重型卡車橋殼鋼板及 其制造方法，滿足30~70噸的重型卡車使用。該專利設計低碳、高錳含量，加入鈮釩鈦和 0.18%的鉻元素，利用爐外精煉和脫氣精煉，改進鋼水純凈度，提高鋼材內在品質，獲得珠 光體、鐵素體金相組織。鋼板厚度為10~16mm，屈服強度510~560MPa，抗拉強度620~ 720MPa，延伸率17~22%。該發明采用了添加多元微合金元素 Nb-V-Ti-Cr，總量較高，成本 上升。
[0007] 綜上所述，目前企業生產的具有高疲勞性能的鋼板的強度一般較低，隨著社會經 濟的發展，鋼鐵工業所面臨的低碳經濟發展，以節省資源、節約能能和保護環境為主要目 標，同時輕量化技術也要求不斷改進材料的性能，這也是目前鋼鐵材料發展的趨勢。本發明 采用了一種獨特的熱處理方法，大大縮短了熱處理的時間，可以起到節能、高效的作用。由 于NbC的氫陷阱作用較VC弱，因此鋼中添加 V改善耐氫致延遲斷裂性能的效果優于Nb。此外， 我國蘊含豐富的V資源儲量，占全球總量的34%，居世界第一。按照釩和鈦的科學配比復合 加入鋼中之后，使得鋼板具有高的疲勞強度和抗氫致延遲斷裂性能，將其應用在工程機械 構件上，前景可觀。

【發明內容】

[0008] 為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種具有高的疲勞強度，且性能穩定 的釩、鈦復合添加的鋼板及其制造方法。
[0009] 一種釩、鈦復合添加的具有高疲勞強度的鋼板，其特征在于:所述鋼板具有退火馬 氏體基體、殘余奧氏體和貝氏體形成的三相顯微組織，所述殘余奧氏體以薄膜狀分布于退 火馬氏體板條之間；
[0010] 所述退火馬氏體基體>80%，殘余奧氏體為9~15%和少量的貝氏體組織。
[0011] 所述鋼板化學成分按重量百分比為:V 0.12~0.18%、Ti彡0.05%，V/Ti = 2.2~ 3.75。
[0012] 本發明的另一目的是提供上述釩、鈦復合添加的具有高疲勞強度的鋼板的制造方 法，其獨特的熱處理工藝步驟如下：
[0013] (1)將冷乳壓下率為45%~65%，板厚1.5~2.0mm的冷乳薄板升溫至完全奧氏體 化溫度900~930 °C，保溫100~200s，再以30~50 °C/s降溫至室溫得到板條馬氏體組織的淬 火板。
[0014] (2)將上述淬火板加熱至兩相區溫度750~860 °C，保溫100~200s，再以30~50 °C/ s降溫至貝氏體區溫度350~500°C，保溫200~500s，最后以30~50°C/s降溫至室溫。
[0015] C是奧氏體穩定元素，影響殘余奧氏體的穩定性。碳元素還使馬氏體的硬度得到提 尚，使鋼最終的抗拉強度升尚。
[0016] Si主要以固溶方式存在于TRIP鋼中，抑制貝氏體轉變期間滲碳體的形成，使C進一 步擴散到未轉變的奧氏體中，促使馬氏體開始轉變溫度Ms降低，形成富碳的殘余奧氏體。Si 的存在有利于獲得較多的殘余奧氏體，從而獲得大的相變誘導塑性。
[0017] Μη既能以固溶狀態存在，也可以進入滲碳體中取代一部分Fe原子，還能形成硫化 物。它的作用主要是增強奧氏體穩定性，延長其轉變孕育期，使鐵素體和貝氏體轉變容易控 制，同時也促使Ms降低，形成一定體積的富碳的殘余奧氏體。
[0018] V是鐵素體穩定元素，一般用來抑制TRIP鋼中的相變行為，并有析出強化的作用。V 是強碳化物構成元素，它在鋼中主要以微量固溶于鐵素體或形成碳氮化釩第二相這兩種形 式存在。
[0019] Ti與C的結合力強，在加熱過程中顯著降低C在奧氏體中的擴散速度，使奧氏體形 成速度大大降低，穩定的Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物強烈阻止奧氏體晶粒長大的傾向， 在冷乳過程中，析出TiC有沉淀強化作用;在回火過程中，Ti減緩C在α相中的擴散，減緩Fe、 Μη等碳化物的析出與長大，增加回火穩定性，并可能通過析出TiC而起到二次硬化的作用。
[0020] 本發明由于采用以上技術方案，使之釩、鈦復合添加的具有高疲勞強度的鋼板，其 疲勞強度彡780MPa，屈服強度>550MPa，抗拉強度>1000MPa，斷后伸長率30 %，強塑積彡 30GPa · % 〇
[0021] 進一步的作為優選的技術方案，上述所述釩、鈦復合添加的具有高疲勞強度的鋼 板，疲勞強度=810MPa，屈服強度=650MPa，抗拉強度=1050MPa，斷后伸長率A = 32%，強塑 積=33 · 6GPa · %。
[0022] 本發明采用釩、鈦科學配比復合添加，通過釩、鈦細化晶粒以及碳氮化物等的析出 改善了鋼板的強韌性，從而提高了鋼的綜合力學性能。尤其是采用該熱處理工藝，得到了彌 散分布于退火馬氏體板條之間的薄膜狀殘余奧氏體組織以及貝氏體組織，使鋼板的組織性 能更加穩定。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發明釩、鈦復合添加的具有高疲勞強度的鋼板的冷乳金相照片。
[0024] 圖2為本發明釩、鈦復合添加的具有高疲勞強度的鋼板的熱處理后金相照片。
[0025] 圖3為本發明釩、鈦復合添加的具有高疲勞強度的鋼板的熱處理后掃描照片。
【具體實施方式】
[0026] 下面以附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明。
[0027] 實施例1:
[0028] 首先按照上述成分范圍進行冶煉、連鑄，然后檢測鑄坯的成分，見表1。
[0029] 表1鑄坯的成分(wt·%)
[0030]
[0031] 具體工藝參數見表2。[0032] 表2具體工藝參數
[0033]
[0034]
[0035]按照表1和表2制得的高強塑積汽車用鋼的力學性能見表3。
[0036] 表3力學性能
[0037]
[0038] 按照表1和表2制得的高強塑積汽車用鋼的XRD結果見表4。
[0039]表4殘余奧氏體含量
[0040]
[0041] 從表3可以看出各個力學性能均達到所要求的性能指標，屈服強度為632MPa，抗拉 強度為l〇41MPa，伸長率為32.1%，強塑積33.4GPa · %。將實例1所得的鋼板在高頻疲勞試 驗機進行測試，加載方式為軸向動載，采用升降法測量材料在N=107周時的疲勞極限，頻率 約為100Hz。測定結果表明，實例1鋼板的疲勞極限為790MPa。金相和掃描照片如圖2、圖3所 示，薄膜狀殘余奧氏體分布于板條狀退火馬氏體之間，板條狀貝氏體呈塊狀分布。殘余奧氏 體體積分數為13.34%，殘余奧氏體含碳量為1.09%。
[0042] 實施例2:
[0043] 首先按照上述成分范圍進行冶煉、連鑄，然后檢測鑄坯的成分，見表5。
[0044] 表5鑄坯的成分(wt·%)
[0045]
[0046] 具體工藝參數見表6。
[0047] 表6具體工藝參數
[0048]
[0049] 按照表5和表6制得的高強塑積汽車用鋼的力學性能見表7。
[0050] 表7力學性能
[0051]
[0052]按照表5和表6制得的高強塑積汽車用鋼的殘余奧氏體含量見表8。
[0053]表8殘余奧氏體含量
[0054]
[0055]從表7可以看出各個力學性能均達到所要求的性能指標，屈服強度為649MPa，抗拉 強度為10741〇^，伸長率為31.6%，強塑積33.96?&*%。將實例2所得的鋼板在高頻疲勞試 驗機進行測試，加載方式為軸向動載，采用升降法測量材料在N=107周時的疲勞極限，頻率 約為100Hz。測定結果表明，實例2鋼板的疲勞極限為801MPa。金相和掃描照片如圖2、圖3所 示，薄膜狀殘余奧氏體分布于板條狀退火馬氏體之間，板條狀貝氏體呈塊狀分布。殘余奧氏 體體積分數為13.41 %，殘余奧氏體含碳量為1.08%。
[0056] 實施例3:
[0057]首先按照上述成分范圍進行冶煉、連鑄，然后檢測鑄坯的成分，見表9。
[0058] 表9鑄坯的成分(wt·%)
[0059]
-
[0060] 具體工藝參數見表10。
[0061 ] 表10具體工藝參數
[0062]
[0063]按照表9和表10制得的高強塑積汽車用鋼的力學性能見表11。
[0064] 表11力學性能
[0065]
[0066]按照表9和表10制得的高強塑積汽車用鋼的殘余奧氏體含量見表12。
[0067]表12殘余奧氏體含量
[0068]
[0069]從表11可以看出各個力學性能均達到所要求的性能指標，屈服強度為662MPa，抗 拉強度為11001?&，伸長率為31.9%，強塑積35.16?&*%。將實例3所得的鋼板在高頻疲勞 試驗機進行測試，加載方式為軸向動載，采用升降法測量材料在N=10 7周時的疲勞極限，頻 率約為100Hz。測定結果表明，實例3鋼板的疲勞極限為809MPa。金相和掃描照片如圖2、圖3 所示，薄膜狀殘余奧氏體分布于板條狀退火馬氏體之間，板條狀貝氏體呈塊狀分布。殘余奧 氏體體積分數為15.12 %，殘余奧氏體含碳量為0.97 %。
[0070]按照上述成分和工藝參數設計，各個力學性能均達到所要求的性能指標，疲勞強 度彡780MPa，屈服強度>550MPa，抗拉強度>1000MPa，斷后伸長率A彡30%，強塑積彡 30GPa · %。掃描金相照片如圖2所示，由退火馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體組成。鋼中存有 部分殘余奧氏體，使鋼在變形時發生TRIP效應，增加鋼的強塑性。綜上可見，本發明中鈮、釩 復合添加的汽車用鋼具有優異的強韌性能。
[0071]最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。盡管參 照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應該理解，對本發明的技術方 案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明 的權利要求范圍當中。
【主權項】
1. 一種釩、鈦復合添加的具有高疲勞強度的鋼板，其特征在于:所述鋼板具有退火馬氏 體基體、殘余奧氏體和貝氏體形成的三相顯微組織，所述殘余奧氏體以薄膜狀分布于退火 馬氏體板條之間； 所述退火馬氏體基體> 80 %，殘余奧氏體為9~15 %和少量的貝氏體組織。2. -種如權利要求1所述的釩、鈦復合添加的具有高疲勞強度的鋼板，其特征在于：其 化學成分按重量百分比為:V 0.12~0.18%、Ti彡0.05%，V/Ti = 2.2~3.75。3. -種如權利要求1或2所述的釩、鈦復合添加的具有高疲勞強度的鋼板的制造方法， 其特征在于鋼板熱處理工藝如下： (1) 將冷乳壓下率為45%~65%，板厚1.5~2.Omm的冷乳薄板加熱到完全奧氏體化溫 度900~930 °C，保溫100~200s，使之完全奧氏體化，然后再以30~50 °C/s快速冷卻至室溫， 使所述奧氏體相完全轉變為板條馬氏體組織，得到淬火板； (2) 將上述淬火板加熱至兩相區溫度750~860 °C，保溫100~200s，再以30~50°C/s降 溫至貝氏體區溫度350~500°C，保溫200~500s，最后以30~50°C/s降溫至室溫。4. 根據權利要求4所述釩、鈦復合添加的具有高疲勞強度的鋼板的的制造方法，其特征 在于:熱處理后的鋼板疲勞強度彡780MPa，屈服強度>550MPa，抗拉強度MOOOMPa，斷后伸長 率A彡30%，強塑積彡30GPa · %。
【文檔編號】C22C38/04GK105908093SQ201610390324
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月3日
【發明人】于浩, 李莉莉, 宋成浩, 盧軍
【申請人】北京科技大學