專利名稱：一種屈服強度1100MPa級高強度鋼板及其制造方法
技術領域：
本發明涉及具有良好低溫韌性的超高強度鋼板，具體涉及屈服強度IlOOMPa級高強度鋼板及其制造方法。
背景技術：
高強度鋼板應用與煤礦機械如煤礦液壓支架等、工程機械如履帶式起重機、工程起重機和混凝土泵車等和船用大型浮吊等裝備。機械結構通常在大負荷及復雜環境中服役，因此機械結構用高強度鋼板要求鋼板有較高的強度和良好的低溫韌性。目前歐標EN10025和國標16270涉及的高強度鋼板，其屈服強度最高達到960MPa。目前超大型工程機械如大噸位的履帶式起重機和工程起重機等，均需使用屈服強度IlOOMPa級鋼板。 選取適當的化學成分，結合優化的控制軋制控制冷卻或淬火回火工藝，可生產滿足機械制造用戶需求的高強度鋼板。采用控軋控冷方式生產高強度鋼板，在軋制和冷卻過程中控制難度較大，影響鋼板力學性能的整體均勻性。采用淬火回火工藝生產高強度鋼板，通過合金元素和碳元素的含量提高鋼板的淬透性，使鋼板在冷卻過程中形成馬氏體組織。馬氏體是碳固溶在鐵原子體心立方晶格中，使bcc晶格沿C軸方向延伸形成的正方晶格，此類的組織具有較高的強度和硬度。馬氏體以切邊相變方式形成，相變的前沿為一列滑動位錯，切邊會造成表面浮凸效應，由晶體切邊造成馬氏體組織應變貯存能較大，達到1000J/mol甚至更高。切邊形成的馬氏體組織細小，馬氏體片層之間缺陷密度較大。較大的缺陷密度是微裂紋形合長大源，在受力作用下可形成微裂紋，微裂紋長大使得鋼板并沿晶界迅速斷裂，因此具有馬氏體組織的高強度鋼板的低溫沖擊功較低。因此，需通過優化成分和工藝，開發具有良好強韌性匹配的高強度鋼板。

發明內容
本發明的目的在于提供一種屈服強度IlOOMPa級超高強度鋼板及其制造方法，采用調質熱處理工藝，屈服強度達IlOOMPa級的超高強度鋼板，該鋼板具有良好的低溫韌性。為達到上述目的，本發明的技術方案是一種屈服強度IlOOMPa級高強度鋼板，其化學成分重量百分比為C :0. 15 0. 25%Si :0. 10 0. 50%Mn :0. 60 1. 20%P :彡 0.013%S :彡 0.003%Cr 0. 20^0. 55%Mo :0. 20 0. 70%Ni :0. 60 2. 00%Nb 0"0. 07%
V :(To. 07%B :0. 0006 0. 0025%Al :0. Ol 0. 08%Ti :0. 003 0. 06%H 0. 00018%N^O. 0040%O 彡 0. 0030%其余為Fe和不可避免的雜質，
且，碳當量CEQ ( 0. 60% ;獲得回火馬氏體組織，鋼板的屈服強度彡llOOMPa、抗拉強度彡1250MPa、夏氏沖擊功Akv (-40°C)彡50J。在本發明成分設計中C :C填加到鋼中，提高鋼板的淬透性，使鋼板在淬火冷卻過程中形成硬度較高的馬氏體組織。C含量提高，則馬氏體硬度增加，相應地鋼板的強度增加，但會導致韌性下降。C含量增加，會導致鋼板的焊接性能變差，綜合強韌性和焊接性能，本發明專利中，設定碳含量為 0. 15 0. 25%。Si :Si在鋼中以置換方式替代Fe原子，阻礙位錯運動，提高鋼板的強度性能。Si可降低C在鐵素體的中擴散能力，因此在回火時適量的Si可避免形成粗大的碳化物在缺陷處析出。Si含量較高會惡化鋼板的焊接性能。因此對鋼板本發明中的Si含量控制為Si :0. 10 0. 50%OMn Mn是弱碳化物形成元素，鋼中的Mn主要以固溶形式存在。鋼板在淬火過程中，Mn會抑制擴散型相變，提高鋼板的淬透性，形成細化的馬氏體組織，此類組織具有良好的強韌性匹配。Mn含量較高會導致鋼板中有Mn偏析，惡化鋼板內部組織，同時可能形成較大的MnS夾雜，導致超聲波探傷不合。本發明中加入0. 6(Tl. 20%的Mn，有利于提高鋼板的淬透性，并減小中心偏析對鋼板的影響。P :鋼中P在晶界偏聚，會降低晶界的結合能，降低鋼板的低溫沖擊性能。P和Mn共同存在會加劇鋼的回火脆性。在晶界偏聚的P會使鋼板在受到沖擊載荷的作用時發生沿晶斷裂，形成較大的解理面，降低鋼板在受到沖擊時吸收的能量。P會惡化鋼的焊接性能，因此對于焊接而言，需要盡量低的P含量來保證焊接性。本發明中加入不超過0. 013%的P，保證超高強度鋼板有良好的低溫沖擊性能。S :S在S鐵素體和奧氏體中的溶解度很小，在鋼液凝固過程中，S會發生偏聚，形成較多的硫化物夾雜，危害鋼板的超聲波探傷性能和低溫沖擊性能。焊接過程中，S容易導致熱裂紋，同時由于S易氧化，生成SO2氣體逸出，在焊接金屬中產生氣孔和疏松。本發明中加入不超過0. 003%的S，保證鋼板具有良好的低溫沖擊性能及強韌性匹配。Cr =Cr填加到鋼中，會抑制鋼板的擴散型相變，提高鋼板的淬透性，形成硬化的馬氏體組織，獲得具有較高強度的鋼板。Cr含量過高，會導致鋼板的焊接性能降低，因此本發明中加入0. 20、. 55%的Cr，保證鋼板的強度和焊接性能。Mo :Mo會提高鋼板的淬透性,使鋼板在淬火過程中形成馬氏體。如果淬火速度較快，且在較低溫度范圍回火，則Mo主要以固溶形式存在于鋼中，起到固溶強化效果。鋼中填加一定含量的Mo，會提高鋼板的強度，而不會惡化鋼板的低溫沖擊性能，但較高的Mo會惡化鋼板焊接性能，因此本發明專利中加入0. 20-0. 70%的Mo，以獲得強韌性和焊接性能的匹配。Nb =Nb加入鋼中，起到對鋼板再結晶的抑制作用，使鋼板在較低溫度再結晶，細化奧氏體，從而達到細化最終組織的目的。Nb含量較高，會在晶界處形成較粗大的NbC顆粒，導致鋼板的低溫沖擊性能惡化。配合其它合金元素，本發明中加入(T0. 07%的Nb以保證鋼板的力學性能。Ni =Ni在鋼中以固溶形式存在，在本發明的成分體系中，Ni以Fe-Ni-Mn的FCC相存在，降低層錯能，提高鋼板的低溫沖擊性能。Ni屬于貴重金屬，較高的Ni含量會導致鋼板生產成本增加，因此本發明中加入0. 6(T2. 00%的Ni以保證鋼板的力學性能和具有較低成本。V :V與C形成VC，細小的VC會·對位錯起到一定的阻礙作用，提高鋼板的強度，但V含量較多會形成粗化的VC顆粒，降低鋼板的沖擊性能，本發明中結合其它合金元素，加入(To. 07%的V以保證鋼板的力學性能。B :合金元素B會提高鋼板的淬透性，使鋼板在淬火冷卻時更容易形成細化的馬氏體組織，提高鋼板的力學性能。B含量過高，會導致較多的B在晶界富集，降低晶界結合能，導致鋼板的低溫沖擊韌性降低。因此，本發明中B的加入量為0. 0006、. 0025%。Al A1在煉鋼時形成細小的AlN析出，在隨后的冷卻過程中抑制奧氏體晶粒長大，達到奧氏體細化晶粒、提高鋼在低溫下的韌性的目的。Al含量過高會導致較大的Al的氧化物形成，使鋼板超聲波探傷不合，因此本發明中加入0. oro. 08%的Al提高鋼板的韌性。Ti :。Ti與鋼中的C和N形成化合物，TiN的形成溫度為1400°C以上，通常在液相或S鐵素體中析出，實現細化奧氏體晶粒的目的。Ti含量過高,會形成粗大的TiN析出，導致鋼板的沖擊性能和疲勞性能降低，因此本發明中的Ti含量控制在0. 003、. 06%。H :H受到鋼板中刃型位錯靜水壓力場的作用，會在缺陷處聚集，形成氫脆。強度級別IlOOMPa及以上鋼板中，缺陷較多，如H含量過高，則在鋼板淬火和回火熱處理后，缺陷處富集較多的H原子，形成H分子，導致鋼板發生延遲斷裂，因此本發明中的H含量控制在不超過 0. 00018%。N，0 N在鋼種形成AlN或TiN，起到細化奧氏體晶粒的作用，但N含量增減會導致其在缺陷處富集，影響鋼板低溫沖擊功，因此N含量控制在不超過0. 0040%。0與鋼種的Al形成A1203、TiO等，為保證鋼板組織均勻性和低溫沖擊功，0含量不超過0. 0030%。碳當量與鋼板的焊接性能有密切關系，通常采用公式CEQ =C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15，計算鋼板的碳當量。為保證鋼板的焊接性能，本發明鋼板碳當量CEQ ( 0. 60%。本發明化學成分涉及采用優化的成分體系，合理利用的合金元素的作用，例如在提高碳含量時，采用低Mn、Ni等合金元素以保證碳當量不大于0. 60%。Cr、Mo和Ni元素優化控制，以獲得強韌性的良好匹配。控制P、S、N、0和H的含量，保證鋼板的低溫沖擊韌性。生產具有較好焊接性能和強韌性匹配的屈服強度IlOOMPa級高強度鋼板。本發明的屈服強度IlOOMPa級超高強度鋼板的制造方法，其包括如下步驟4)冶煉、澆鑄，按上述成分冶煉，澆鑄采用模鑄或連鑄成鋼坯；
5)加熱、軋制，加熱溫度105(Tl250°C，在軋制過程中，鋼坯出加熱爐后開始軋制，軋制到指定厚度后空冷或緩冷；6)淬火、回火淬火熱處理的奧氏體化溫度為850 950°C,奧氏體化后米用水淬處理；回火熱處理溫度160_350°C，回火后空冷。本發明鋼板在1050°C 1250°C加熱奧氏體化。加熱過程中，Nb、V和Ti的碳氮化物、Cr和Mo的碳化物部分或全部溶解于奧氏體中，在隨后的軋制和冷卻過程中，Nb、V和Ti形成細小的碳氮化物，釘軋奧氏體晶界，細化鋼板軋態組織。Cr和Mo固溶在奧氏體中，提高鋼板的淬透性。固溶在奧氏體中的Cr和Mo在淬火時提高馬氏體的淬硬性，形成具有細化馬氏體板條的高強韌微觀組織。鋼板軋制冷卻后加熱到85(T950°C保溫后淬火。加熱過程中，碳化物形成元素Nb、V、Ti、Cr和Mo的碳氮化物部分溶解。部分未溶解的碳氮化物釘軋奧氏體晶界，避免奧氏體晶粒過于粗大，降低最終鋼板的沖擊韌性。在淬火冷卻過程中，固溶在奧氏體中的合金元素提高鋼板的淬透性，使得最終馬氏體更加細小，此類組織具有超高強度和良好的韌性。淬火后的鋼板在16(T350°C做回火熱處理。淬火過程中，鋼板發生馬氏體相變，形成缺陷密度較大的馬氏體組織，鋼板內部有較大的應變應變能，內應力分布不均勻。為改善鋼板的內應力狀態，并保證較好的力學性能，需在合適的溫度回火。在本發明所述回火溫度范圍內，即可降低鋼板的內部應力，有利于鋼板的后繼加工成型，同時可保證鋼板具有良好的強韌性。本發明與現有技術相比專利公開號WO 1999005335的高強鋼板，采用C :0. 05-0. 10%和Mn :1. 7-2. 1%的低碳高Mn成分體系和控軋控冷工藝獲得了抗拉強度大于930MPa鋼板。中國專利CN101497971 “一種高強度調質鋼及其生產方法”，采用C :0. 07-0. 11%，Mn :1. 48-1. 60%, Ni :0. 18-0. 40%的微合金成分體系，采用兩階段軋制、ACC、淬火+回火的工藝路線，開發了屈服強度彡670MPa，抗拉強度彡770MPa的高強度鋼板。以上兩個專利的合金元素含量與本發明不同，且本發明所述產品達到的強度性能優于上述專利。中國專利CN1840723A公開了 “屈服強度IlOOMPa以上超高強度鋼板及其制造方法”，此專利采用了低Al的合金成分設計，且規定了較高Mn含量上限，含有合金元素Ca，其它合金元素設計時未考慮其對碳當量的影響。本發明采用較高的Al含量細化晶粒，不含合金元素Ca，規定了 N、O、H等間隙原子元素的含量，并通過合適的成分配比，可滿足碳當量C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15 ( 0. 60%，具有更好的焊接性能。中國專利CN1840723A采用在線淬火+回火工藝，本發明采用淬火+回火的工藝路線，可生產具有更好組織和力學性能均勻性的鋼板，因此本發明從成分設計和工藝設計均優于上述專利。本發明的屈服強度彡llOOMPa，抗拉強度彡1250MPa，均遠高于上述發明專利，且碳當量<0. 60%，具有良好的焊接性能，且本發明采用淬火加回火的熱處理工藝，成分和工藝均具有創造性。、
本發明的有益效果I、通過合理設計化學成分并結合工藝，開發出屈服強度IlOOMPa級超高強度鋼板，此鋼在低溫下具有良好韌性。鋼板淬火后采用低溫回火工藝，消除了鋼板的內應力并保證鋼板的低溫沖擊性能。2、鋼板的成分和工藝設計合理，工藝窗口寬松，可以在中厚板產線上實現批量商業化生產。3、本發明生產的鋼板屈服強度彡llOOMPa、抗拉強度彡1250MPa、夏氏沖擊功Akv(-40°C) ^ 50J，碳當量< 0. 60%。鋼板具有超高強度和強韌性匹配，且碳當量較低，具有良好的焊接性能。


圖I為本發明實施例3鋼板的微觀組織形貌(500X )照片。圖2為本發明實施例3鋼板的微觀組織形貌(200X )照片。
具體實施例方式以下用實施例結合附圖對本發明作更詳細的描述。這些實施例僅僅是對本發明最佳實施方式的描述，并不對本發明的范圍有任何限制。本發明鋼板實施例的成分見表I。在加熱過程中，加熱溫度為105(Tl250°C。軋制過程時，鋼板出爐后開始軋制。冷卻過程中，鋼板空冷或緩冷。淬火過程中奧氏體化溫度為85(T950°C。回火溫度為16(T350°C。實施例I按表2所示的化學成分電爐或轉爐冶煉，并澆鑄成連鑄坯或鋼錠，將連鑄坯或鋼錠加熱至1050°C，開軋溫度為1020°C，道次變形率為5 30%，終軋溫度為860°C，成品鋼板厚度為8mm。軋制后空冷。淬火加熱溫度為850°C。回火溫度為350°C。實施例2實施方式同實施例1，其中加熱溫度為1080°C，開軋溫度為1060°C，道次變形率為5 30%，終軋溫度為870°C，成品鋼板厚度為10mm。軋制后空冷。淬火加熱溫度為880°C。回火溫度為320°C。實施例3實施方式同實施例1，其中加熱溫度為1110°C，開軋溫度為1100°C，道次變形率為5 30%，終軋溫度為930°C，成品鋼板厚度為12mm。軋制后空冷。淬火加熱溫度為900°C。回火溫度為280°C。實施例4實施方式同實施例1，其中加熱溫度為1150°C，開軋溫度為1100°C，道次變形率為5 30%，終軋溫度為1050°C，成品鋼板厚度為15mm。軋制后空冷。淬火加熱溫度為910°C。回火溫度為240°C。實施例5實施方式同實施例1，其中加熱溫度為1180°C，開軋溫度為1110°C，道次變形率為5 30%，終軋溫度為990°C，成品鋼板厚度為20mm。軋制后空冷。淬火加熱溫度為920°C。回火溫度為200°C。實施例6實施方式同實施例1，其中加熱溫度為1250°C，開乳溫度為1200°C，道次變形率為5 30%，終乳溫度為1010°C，成品鋼板厚度為30mm。乳制后緩冷。淬火加熱溫度為95(TC。回火溫度為160°C。表I實施例化學成分(wt. %)
權利要求
1.一種屈服強度IlOOMPa級高強度鋼板，其化學成分重量百分比為 C :0. 15 0. 25% Si :0. 10 0. 50% Mn :0. 6(Tl. 20% P≤ 0. 013% S≤ 0. 003%Cr 0. 20、. 55%Mo 0. 20、. 70% Ni 0. 60 2. 00%Nb :0 0. 07% V :0 0. 07%B 0. 0006 0. 0025%Al 0. oro. 08% Ti 0. 003^0. 06% h ≤0. 00018%N ≤ 0.0040%0 ≤ 0.0030% 其余為Fe和不可避免的雜質， 且，碳當量CEQ ≤ 0. 60% ;獲得回火馬氏體組織，鋼板的屈服強度≥llOOMPa、抗拉強度≥1250MPa、夏氏沖擊功 Akv (-40°C)≥ 50J。
2.如權利要求I所述的屈服強度IlOOMPa級超高強度鋼板的制造方法，其包括如下步驟 .1)冶煉、澆鑄， 按上述成分冶煉，澆鑄采用模鑄或連鑄成鋼坯； .2)加熱、軋制， 加熱溫度105(Tl250°C，在軋制過程中，鋼坯出加熱爐后開始軋制，軋制到指定厚度后空冷或緩冷； .3)淬火、回火 淬火熱處理的奧氏體化溫度為85(T950°C，奧氏體化后采用水淬處理；回火熱處理溫度16(T350°C，回火后空冷。
全文摘要
一種屈服強度1100MPa級高強度鋼板及其制造方法，其成分重量百分比為C0.15~0.25%、Si0.10~0.50%、Mn0.60~1.20%、P≤0.013%、S≤0.003%、Cr0.20~0.55%、Mo0.20~0.70%、Ni0.60~2.00%、Nb0~0.07%、V0~0.07%、B0.0006~0.0025%、Al0.01~0.08%、Ti0.003~0.06%、H≤0.00018%、N≤0.0040%、O≤0.0030%，其余為Fe和不可避免的雜質，且碳當量滿足CEQ≤0.60%。采用淬火加回火熱處理，獲得回火馬氏體組織。本發明鋼板的屈服強度≥1100MPa、抗拉強度≥1250MPa、夏氏沖擊功Akv(-40℃)≥50J，且具有良好的強韌性。
文檔編號C21D8/02GK102747303SQ201210223610
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月29日 優先權日2012年6月29日
發明者姚連登, 姜洪生, 趙四新 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司