一種屈服強度大于1300MPa的超高強度結構鋼板及其制備方法

一種屈服強度大于1300MPa的超高強度結構鋼板及其制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種屈服強度大于1300MPa的超高強度結構鋼板，所述鋼板的成分包括按質量百分比計的以下組分：C：0.18?0.23％、Si：0.05?0.25％、Mn：0.60?1.00％、P≤0.013％、S≤0.003％、Nb：0.010?0.060％、V：0.010?0.060％、Mo：0.20?0.70％、B：0.0008?0.0025％，Ti：0.000?0.015％、Cr：0.00?0.70％、Ni：0.51?2.00％。本發明還提供了所述鋼材制備的鋼板，所述鋼板中馬氏體的含量大于90％，優選地，所述鋼板的屈服強度大于1300MPa，抗拉強度大于1500MPa，延伸率大于10.0％，?40℃沖擊功大于40J。本發明還提供了所述鋼板的制備工藝。本發明的鋼板具有高強度、高韌塑性、良好的成型性和焊接性等特點，適用于大型起重機吊臂、混凝土泵車臂架、港口龍門吊、軍用坦克等裝備關鍵結構件制造。
【技術領域】
[0001]本發明涉及超高強鋼領域，具體而言，涉及一種屈服強度大于1300MPa的超高強度 結構鋼板及其制備方法。 一種屈服強度大于1300MPa的超高強度結構鋼板及其制備 方法
【背景技術】
[0002] 超高強度結構用鋼板被廣泛工程機械、港口機械、礦山機械和軍工產品等裝備的 制造，如超大型起重機、混凝土輸送栗車、軍用坦克等關鍵裝備零部件，該類鋼板不但要求 具有極高的強度，還要求良好的韌塑性、焊接性能和抗疲勞性能。
[0003] 隨著我國機械制造工業的飛速發展，工程結構日益向大型化、輕量化和長壽化，高 強度結構鋼應用越來越廣泛，受到了科技界和工程界的高度重視，對鋼材的強度及高強度 條件下的韌性要求越來越高。由于該類鋼材的強度極高，韌塑性尤其難以保證；同時，該類 鋼板制造的結構件大部分以焊接的方式連接，且需要承受復雜多變的周期載荷，因此該類 鋼材還要求具良好的焊接性能、較高疲勞極限和一定的冷成形性。機械制造工業為了提高 效率，減輕自重，減少能耗的需要，屈服強度1000 MPa的高強度鋼板已不能滿足需求，研制與 開發屈服強度1300MPa高級別的結構用鋼板對于相關裝備的減重及提高使用壽命、降低原 材料消耗等均具有重要意義。
[0004] 目前，已有不少關于高強度鋼的專利報道，但大部分均是作為非結構件使用，無需 同時保證超高的強硬度、良好的韌塑性和優異的焊接性能。作為結構件使用時，已有專利的 屈服強度均在IlOOMPa級及以下級別。
[0005] 鑒于此，特提出本發明。

【發明內容】

[0006] 本發明的第一目的在于提供一種鋼材，所述鋼材的成分中合金元素 Mn、Cr、Ni、Mo 的加入量嚴格控制，可以在保證超高強度和良好韌塑性的同時，滿足良好焊接性能的要求。
[0007] 本發明的第二目的在于提供使用所述鋼材制備的鋼板，所述鋼板的屈服強度高， 同時具有良好的人塑性和優異的焊接性能，可以作為結構件使用。
[0008] 本發明的第三目的在于提供所述鋼板的制備工藝，所述工藝采用特殊的工序，嚴 格控制條件，可以將剛才加工制成超高強度的結構用鋼板。
[0009] 為了實現本發明的上述目的，特采用以下技術方案：
[0010] 本發明的一個方面涉及一種鋼材，所述鋼的成分包括按重量百分比計的以下組 分：C:0.18-0.23%、Si :0.05-0.25%、Μη:0· 60-1.00%、P彡0.013%、S彡0.003%、Nb: 0.010-0.060%、V:0.010-0.060%、Mo 0.20-0.70%、B:0.0008-0.0025%，Ti :0·000-0.015%、Cr:0.00-0.70%、Ni:0.51-2.00%。
[0011] 本發明的主要化學成分的選擇和控制理由如下：
[0012] 碳:鋼板獲得高的強度和硬度的關鍵元素。對于要獲得組織為90%及以上馬氏體 組織的鋼板而言，碳是最重要的元素，碳元素可以顯著提高鋼板的淬透性。但由于碳元素的 增加，會降低鋼板的塑性和焊接性能。本發明通過控制碳元素含量為0.18-0.23%，既保證 獲得超高的強度，又使得鋼板具備良好的韌塑性和焊接性能。
[0013]硅:鋼中加入硅元素能夠提高鋼質純凈度和脫氧。硅在鋼中起固溶強化作用，其在 奧氏體中的溶解度$父大，提尚娃含量有利于提尚鋼的強度和硬度，且能提尚奧氏體的穩定 性。但硅元素含量過高會導致鋼的韌性下降，且高硅含量的鋼板加熱時的氧化皮粘度較大， 出爐后除鱗困難，導致乳后鋼板表面紅色氧化皮嚴重、表面質量較差。綜合考慮硅元素各方 面的影響，本發明硅元素的含量為〇. 05-0.25%。
[0014]錳:錳元素能夠擴到奧氏體區，穩定奧氏體組織，其能力僅次于合金元素鎳，是廉 價的穩定奧氏體和強化合金元素，同時錳元素能夠增加鋼的淬透性，降低馬氏體形成的臨 界冷速。然而，當錳元素添加量過多時，極易與鋼中的硫元素相結合形成硫化錳夾雜，從而 降低了材料的韌塑性，尤其是降低了抗疲勞性能。本發明中錳元素的含量應控制在0.60-1.00%。錳在鋼中還和鋁一起共同起到脫氧的作用。
[0015] 硫和磷:硫在鋼中與錳等化合形成塑性夾雜物硫化錳，尤其對鋼的抗疲勞性能及 橫向塑性和韌性不利，因此硫的含量應盡可能地低。磷也是鋼中的有害元素，嚴重損害鋼板 的塑性和韌性。對于本發明而言，硫和磷均是不可避免的雜質元素，應該越低越好，考慮到 鋼廠實際的煉鋼水平，本發明要求PS0.0 13%、SS0.00 3%。
[0016] 鎳:穩定奧氏體的元素，對提高強度沒有明顯的作用。在調質鋼中加入鎳元素能夠 大幅提高鋼的韌性尤其是低溫韌性，但由于鎳屬于貴重合金元素，所以本發明可添加不超 過2.00 %的鎳元素。
[0017] 鉬:鉬元素能顯著地細化晶粒，提高強度和韌性。鉬元素能減少鋼的回火脆性，同 時回火時還能析出非常細小的碳化物，顯著強化鋼的基體。由于鉬元素是非常昂貴的戰略 合金元素，所以本發明中可添加不超過〇. 70 %的鉬。
[0018] 硼:淬透性元素，對提高鋼板淬透性尤其是厚規格鋼板的淬透性有著重要作用。鋼 中添加少量的硼元素即可起到較大的增加鋼板的淬透性，且硼元素資源富有，價格便宜，添 加少量的硼可以顯著的節省錳、鎳、鉻、鉬等貴重的合金元素添加，但過多的硼元素會增加 晶界的偏聚，從而降低鋼鐵材料的韌塑性。在本發明中，硼元素的含量為 ：〇.〇〇〇8_ 0.0025%，既可以保證良好的淬透性，還可以避免在晶界周圍偏聚影響韌塑性能。
[0019] 優選地，所述鋼板的成分包括按重量百分比計的以下組分：C:0.19-0.22%、Si: 0.10-0.20% ^Mn :0.60-0.90% . 010% ^ S^O . 002% ^Nb ： 0.010-0.060% ^ V： 0.010- 0.060% ^Mo 0.20-0.70% ^B：0.0008-0.0025% ,Ti :0.000-0.015% ^Cr：0.00-0.45% ^Ni ： 0.70-1.40% 〇
[0020] 本發明的另一個方面涉及使用所述鋼材制備的鋼板，所述鋼板中馬氏體的含量大 于90%，優選地，所述鋼板的屈服強度大于1300MPa，抗拉強度大于1500MPa，延伸率大于 10.0%，-40°C沖擊功彡40J。
[0021] 本發明的鋼材制造的鋼板，在具有超高屈服強度的同時具有良好的韌塑性和焊接 性能，優選地，所述鋼板的屈服強度大于1380MPa
[0022] 本發明的另一個方面涉及所述鋼板的制備工藝，所述工藝包括以下工序：
[0023] 1)按元素比例取原料進行潔凈鋼冶煉，對鋼水進行連鑄或模鑄得到鋼還或鋼錠；
[0024] 2)加熱，熱乳；
[0025] 3)冷卻并進行熱處理；
[0026]其中，所述步驟2)中的乳制為在奧氏體再結晶區和未再結晶區分別進行的兩階段 乳制。
[0027]本發明的工藝條件明確、便于重現，在冶煉步驟中優選采用轉爐吹煉和真空處理， 其目的在于確保鋼液的基本成分要求，去除鋼中的氧、氮、氫等有害氣體。
[0028] 優選地，所述加熱溫度為1150_1230°C。
[0029] 優選地，所述乳制的乳制道次大于三次，在所述奧氏體再結晶區的終乳溫度為 1000-1100°C，在所述奧氏體未再結晶區的乳制的終乳溫度為800-950°C。
[0030] 優選地，所述乳制在900°C以下的累積壓下率大于60%。
[0031]優選地，所述步驟3)中的冷卻為控制冷卻，冷卻速度要求為多8 °C/s，終冷溫度< IOOcC0
[0032] 優選地，所述熱處理為回火處理，回火溫度為100_300°C。
[0033] 優選地，所述冷卻為空冷，冷卻至室溫后進行熱處理，優選地，所述熱處理是離線 熱處理，其中，所述離線熱處理的淬火溫度為810-950°C，回火溫度為100-300°C。
[0034] 與現有技術相比，本發明的有益效果為：
[0035] 1.本發明得到的超高強度結構用鋼板屈服強度大于1300MPa，延伸率大于 10.0%，-40°C沖擊功大于40J，180°冷彎不開裂，具有超高的屈服強度和抗拉強度的同時， 還具有優異韌塑性和成型性。
[0036] 2.本發明中嚴格控制合金元素 Mn、Cr、Ni、Mo的加入量，在保證超高強度和良好韌 塑性的同時，滿足了良好焊接性能的要求，并降低了生產成本。
[0037] 3.本發明在工藝上采用控制冷卻或離線熱處理的方式生產，其中控冷或離線淬火 時只需較小的冷速即可得到本發明需要的組織。
[0038] 4.本發明得到的組織主要為馬氏體組織，主要通過細化的板條馬氏體組織的高硬 度和良好的韌性來提高強度和保證良好的韌塑性。
[0039]本發明具有以上顯著的優點，因此更適合工程機械、港口機械、礦山機械和軍工產 品等裝備的制造，替代低級別的產品可以增加裝備使用壽命、降低裝備重量。
【具體實施方式】
[0040] 下面結合具體實施例對本發明的實施方案進行詳細闡述，但是本領域技術人員將 會理解，下列實施例僅用于說明發明，而不應視為限制本發明的范圍。實施例中未注明具體 條件者，按照常規條件或制造商建議的條件進行。所用儀器或設備未注明生產商者，均為常 規鋼廠所擁有或可以通過市集購買獲得的常規產品。
[0041] -種本發明所述的適用于屈服強度大于1300MPa的超高強度結構鋼及其制造方 法，連鑄坯選擇的厚度為150~400mm。
[0042] 按本發明鋼種的化學成分要求，并結合所述的制造工藝，以制造不同規格的超高 強度鋼板。具體的成分如下：
[0043]表1本發明各實施例的化學成分(wt%)
L〇〇45」所治爍的鋼坯按所還的萬法，米用控乳控冷或控乳空冷+離線熱處理的萬法進仃 超尚強度鋼板的生廣，具體實施如下：
[0046] 實施例1
[0047]將按表1配比冶煉完成的鋼水經真空脫氣處理后進行連鑄，連鑄坯厚度200mm，將 鋼坯加熱至1210 °C的爐溫，保溫180min后出爐進行奧氏體再結晶乳制和未再結晶區乳制， 其中再結晶區終乳溫度為l〇〇〇°C，未再結晶區終乳溫度為820°C，鋼板的最終乳制厚度為 16mm。乳后以約8°C/s的冷速冷卻至室溫，然后進行回火處理，回火溫度為280°C。
[0048] 實施例2
[0049] 將按表1配比冶煉完成的鋼水經真空脫氣處理后進行連鑄，連鑄坯厚度220mm，將 鋼坯加熱至1200 °C的爐溫，保溫200min后出爐進行奧氏體再結晶乳制和未再結晶區乳制， 其中再結晶區終乳溫度為IlOOcC，未再結晶區終乳溫度為800°C，鋼板的最終乳制厚度為 12mm。乳后以約25°C/s的冷速冷卻至室溫，然后進行回火處理，回火溫度為220°C。
[0050] 實施例3
[0051]將按表1配比冶煉完成的鋼水經真空脫氣處理后進行連鑄，連鑄坯厚度150mm，將 鋼坯加熱至1180 °C的爐溫，保溫180min后出爐進行奧氏體再結晶乳制和未再結晶區乳制， 其中再結晶區終乳溫度為IOHTC，未再結晶區終乳溫度為950°C，鋼板的最終乳制厚度為 8mm。乳后空冷至室溫，然后進行離線熱處理，其中，淬火溫度為810°C，回火處理的回火溫度 為IOO cC 〇 [0052] 實施例4
[0053]將按表1配比冶煉完成的鋼水經真空脫氣處理后進行連鑄，連鑄坯厚度150mm，將 鋼坯加熱至1150Γ的爐溫，保溫170min后出爐進行奧氏體再結晶乳制和未再結晶區乳制， 其中再結晶區終乳溫度為1020°C，未再結晶區終乳溫度為810°C，鋼板的最終乳制厚度為 l〇mm，乳后空冷至室溫，然后進行離線淬火處理，離線熱處理時淬火溫度為940°C，回火溫度 為230。。。
[0054] 實施例5
[0055] 將按表1配比冶煉完成的鋼水經真空脫氣處理后進行連鑄，連鑄坯厚度150mm，將 鋼坯加熱至1230 °C的爐溫，保溫180min后出爐進行奧氏體再結晶乳制和未再結晶區乳制， 其中再結晶區終乳溫度為l〇〇〇°C，未再結晶區終乳溫度為808°C，鋼板的最終乳制厚度為 7mm，乳后空冷至室溫，然后進行離線淬火處理，離線熱處理時淬火溫度為860°C，回火溫度 為 210。。。
[0056]對實施例中的鋼板的力學性能進行測試，其中強度按照GB/T228-2002金屬材料室 溫拉伸試驗方法進行，低溫沖擊韌性按GB/T 229-2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法測 定，硬度按照GB/T231.1-2009方法測定，得到的結果見表2所示。
[0057]表2本發明鋼板的力學性能
[0060] 由上表可以看出，本發明的得到的超高強度鋼的力學性能為：屈服強度大于 1300MPa，抗拉強度大于1500MPa，延伸率大于10.0 %，-40 °C沖擊功大于40J。
[0061] 可見本發明涉及的超高強度鋼具有良好的力學性能和優異的成型性能。
[0062] 盡管已用具體實施例來說明和描述了本發明，然而應意識到，在不背離本發明的 精神和范圍的情況下可以作出許多其它的更改和修改。因此，這意味著在所附權利要求中 包括屬于本發明范圍內的所有這些變化和修改。
【主權項】
1. 一種屈服強度大于1300MPa級超高強度結構鋼板及其制造方法，其特征在于，所述鋼 板的成分包括按質量百分比計的以下組分< :0.18-0.23%、3丨：0.05-0.25%、]?11:0.60-1.00%、P彡0.013%、S彡0.003%、Nb:0.010-0.060%、V:0.010-0.060%、Mo:0.20-0.70%、 Β:0·0008-0·0025%，Ti :0·000-0.015%、Cr :0·00-0· 70%、Ni :0.51-2.00%。2. 根據權利要求1所述的鋼材，其特征在于，所述鋼材的成分包括按重量百分比計的以 下組分：C:0.19-0.22%、Si :0.10-0.20%、Mn:0.60-0.90% K0.010%、S彡0.002%、Nb: 0.010-0.060% ^V： 0.010-0.060% ^M〇0.20-0.70% :0.0008-0.0025% ,Ti ：0.000- 0.015%、Cr:0.00-0.45%、Ni:0.70-1.40%。3. 使用權利要求1或2所述的鋼材制備的鋼板，其特征在于，所述鋼板中馬氏體組織的 含量大于90 %，優選地，所述鋼板的屈服強度大于1300MPa，抗拉強度大于1500MPa，延伸率 大于10.0%，-40°C沖擊功彡40J 〇4. 權利要求3中所述的鋼板的制備工藝，其特征在于，所述工藝包括以下工序： 1) 按元素比例取原料進行潔凈鋼冶煉，對鋼水進行連鑄或模鑄得到鋼還或鋼錠； 2) 加熱，熱乳； 3) 冷卻并進行熱處理； 其中，所述步驟2)中的乳制為在奧氏體再結晶區和未再結晶區分別進行的兩階段乳 制。5. 根據權利要求4所述的工藝，其特征在于，所述加熱溫度為1150-1230°C。6. 根據權利要求4所述的工藝，其特征在于，所述乳制的乳制道次大于三道次，在所述 奧氏體再結晶區的終乳溫度為1000-1100°C，在所述奧氏體未再結晶區的乳制的終乳溫度 為800-950 Γ。7. 根據權利要求4所述的工藝，其特征在于，所述乳制在900°C以下的累積壓下率大于 60% 〇8. 根據權利要求4所述的工藝，其特征在于，所述步驟3)中的冷卻為控制冷卻，冷卻速 度要求彡8 °C /s，終冷溫度< 100 °C。9. 根據權利要求8所述的工藝，其特征在于，所述熱處理為回火處理，回火溫度為100-300。。。10. 根據權利要求4所述的工藝，其特征在于，所述冷卻為空冷，冷卻至室溫后進行熱處 理，優選地，所述熱處理是離線熱處理，其中，所述離線熱處理的淬火溫度為810-950°C，回 火溫度為100-300 °C。
【文檔編號】C22C38/14GK106086657SQ201610711541
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月24日
【發明人】鄧想濤, 王昭東, 溫長飛, 付天亮, 王國棟, 劉麗華, 閆強軍, 陳林恒, 姜在偉
【申請人】東北大學, 南京鋼鐵股份有限公司