專利名稱：一種具有低屈服比的超高強韌鋼板及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種鋼板及其制造方法，尤其涉及一種超高強韌鋼板及其制造方法。
技術背景
高強韌鋼板廣泛應用于機械結構、建筑橋梁和工程結構。鋼板的力學性能包括屈服強度、抗拉強度、延伸率和低溫沖擊功等。在選用機械結構和建筑橋梁等結構件用鋼板時，通常以屈服強度為基準并給予一定的安全系數。屈服強度和抗拉強度之比稱為屈強比， 在工程應用中屈強比主要體現為當結構件在受到超過屈服強度的極限應力時，鋼板從屈服開始到完全失效過程的安全性系數。如果鋼板的屈強比較低，則當鋼板受到高于屈服強度的應力時，鋼板在應力達到抗拉強度導致材料斷裂或結構失穩之前，具有較寬的安全范圍。 如果鋼板的屈強比較高，則當鋼板在達到屈服強度之后，鋼板會迅速達到抗拉強度而發生斷裂。因此，對于結構件安全性能要求較高的情況下，需要采用具有低屈服強度的鋼板。例如，高層建筑的鋼結構、水電壓力鋼管和煤礦液壓支架等結構件，這樣遇到類似于地震、山體滑坡和塌方等自然災害時，低屈強比的鋼板可吸收更多能量，延緩結構破壞時間或避免結構徹底破壞，防止次生災害的發生，降低人員生命的威脅。
鋼板的屈服現象明顯時，屈服強度采用上屈服強度、下屈服強度表示；鋼板的屈服現象不明顯時，屈服強度采用O. 2%塑性變形的強度Rpa2表示。低碳鋼板的上屈服強度是由于間隙原子在位錯附近形成柯垂爾氣團，阻礙位錯開始運動；在位錯開動之后，柯垂爾氣團的作用消失，需要在鋼板上施加的力減小，則形成下屈服。如果位錯開動包括了柯垂爾氣團及位錯環和位錯墻的交互作用等，則屈服現象不明顯。屈服強度代表著大尺度范圍位錯增殖和運動而使滑移帶變寬的應力。部分文獻認為屈服強度是可運動的刃型位錯全部滑出晶體對應的應力，而抗拉強度是材料在拉伸過程中可抵抗的最大應力，通常伴隨著微裂紋的形核長大和擴展。
具有低屈強比鋼板的設計和制造，通常采用軟相和硬相結合的微觀組織來獲得具有較低屈服強度和較高的抗拉強度。例如
公布號為W02007/051080，
公開日為2007年5月3日，名稱為“具有低屈服比、高韌性和優異可焊性的高強度雙相鋼”的專利文獻，其提供了一種具有軟和硬相復合顯微組織的雙相高強度鋼，其復合顯微組織可提供低的屈服比、高的應變能力、優異可焊性及高韌性，其化學成分包括 C 0. 03-0. 12%, Ni 0. 1-1. 0%、Nb 0. 005-0. 05%、Ti 0. 005-0. 03%、 Mo 0. 1-0. 6%、Mn 0. 5-2. 5%、Cu :彡1. 0%、Cr1. 0%、Ca :彡 O. 01%,還包括可選元素 V (O. 1%、B ·.( O. 002%,Mg ·.( O. 006%,N :彡 O. 010%,Si ·.( O. 5%、Cu ·.(1. 0%、A1 ·.( O. 06%、 P O. 015%、S O. 004%。該雙相鋼包括約10體積％至約60體積％的主要由細晶粒鐵素體構成的第一相或組分。該第一相具有平均晶粒尺寸約5微米或更小的鐵素體。該雙相鋼還包括約40體積％至約90體積％的第二相或組分，所述第二相或組分包括細晶粒馬氏體、細晶粒下貝氏體、細晶粒粒狀貝氏體、細晶粒退化上貝氏體或它們的任何混合物。
公開號為CN 101045977A，
公開日為2007年10月3日，名稱為“800MPA級高韌性低屈服比厚鋼板及其制造方法”的中國專利文獻，公開了一種高強韌低屈服比厚鋼板及其制造方法，其化學成分包括 C 0. 05-0. 09%、Si 0. 35-0. 45%、Mn 1. 5-1. 90%、Ni 0. 30-0. 70%、 Nb :0. 04-0. 08%、Al :0. 02-0. 04%、T1:0. 01-0. 04%,該鋼板具有低屈強比且抗拉強度大于 800MPa。
公開號為CN1924065A,
公開日為2007年3月7曰，名稱為“700MPA級高韌性低屈服比厚鋼板及其制造方法”的中國專利文獻也公開了一種鋼板，其化學成分質量百分比為C0. 03 O. 06，SiO. 35 O. 55，Mnl. 00 1. 55，NiO. 50 O. 70，NbO. 02 O. 06， A10. 02 O. 04，TiO. 01 O. 04，V0. 04 O. 07，CuO. 50 O. 70，余量為 Fe 和不可避免雜質。其制造方法包括A.冶煉并澆鑄成坯；B.加熱至1180 1220°C;C.軋制，開軋溫度為 1050 1100°C，軋件厚度到達成品鋼板厚度的2 3倍時，在輥道上待溫至920 960°C， 隨后進行第二階段軋制，道次變形量5 15麗，道次變形率10 25% ;終軋溫度820 8800C ；D.軋制結束，空冷60 120秒鐘，然后加速冷卻，以10 20°C /秒速度冷卻至460 600°C，鋼板出水后空冷。
由此可見，隨著機械鋼結構向著大型化及復雜化發展，為了達到鋼結構增強減重及節能降耗的目的，需要鋼板的強度不斷增加并具有較低的屈服比。發明內容
本發明的目的在于提供一種具有低屈服比的超高強韌鋼板及其制造方法，該鋼板抗拉強度級別高，且具備較低屈服比，從而能夠滿足機械結構、建筑橋梁和工程結構等領域對于鋼板低屈強韌及增強減重的雙向要求。
為實現上述發明目的，本發明提供了一種具有低屈服比的超高強韌鋼板，其化學元素質量百分含量為
C :0. 18-0. 34%,
Si 0. 10-0. 40%,
Mn 0. 50-1. 40%,
Cr 0. 20-0. 70%,
Mo 0. 30-0. 90%,
Nb 0-0. 06%,
Ni 0. 50-2. 40%,
V 0-0. 06%,
Ti 0. 002-0. 04%,
Al 0. 01-0. 08%,
B 0. 0006-0. 0020%,
N 彡 O. 0060%,`
O 彡 O. 0040%,
Ca 0-0. 0045%,
余量為Fe和其他不可避免的雜質。
進一步地，本發明所述的具有低屈服比的超高強韌鋼板的碳當量滿足 CEV 彡 O. 75%，其中碳當量 CEV = C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15。
在成分設計方面，本發明所述的具有低屈服比的超高強韌鋼板中的各化學元素的設計原理為
C C能擴大鋼板的奧氏體相區，控制C元素在鋼中的含量可獲得不同微觀組織和力學性能的鋼板。C元素在鋼中的添加量不同，鋼板發生相變的類型也會隨之不同。如C元素和合金元素合量較低，則發生鐵素體、珠光體等擴散型相變。如C元素和合金元素含量較高，則發生馬氏體轉變。當馬氏體轉變時，C原子固溶在Fe原子的晶格中，使晶體的c軸延長，發生Fcc (面心立方晶格)_Hcp (密排六方晶格)的轉變。C原子通過改變晶體結構，大幅度地提高了鋼板的強度。奧氏體穩定性隨著C原子增加而提高，鋼板在快速冷卻后可獲得馬氏體和殘余奧氏體組織，降低鋼板的屈強比。但是，C元素含量過高，則會使得鋼板的塑性和韌性下降。綜合考慮C元素對于鋼板對強韌性和強塑性的影響，本發明中的C含量控制為 O. 18-0. 34%。
S1:當Si添加到鋼中時，其可以通過置換原子固溶強化提高鋼板的強度，但Si含量過高，會增加鋼板焊接時的熱裂紋傾向。所以，本發明中的Si含量設計為O. 10-0. 40%。
Mn C和Mn元素通常聯合應用以獲得具有良好力學性能的鋼板。Mn元素添加到本發明的鋼板中，通過固溶強化來提高鋼板的強韌性。由于本發明的鋼板中所添加的C含量相對較高，為了保證鋼板的碳當量和焊接性能，故本發明中所加入的Mn為O. 50-1. 40%，用以調節該鋼板的屈強比和強韌性。
Cr :Cr可以提高鋼板的淬透性，使鋼板在冷卻時形成馬氏體組織。可Cr含量過高會增加鋼板的碳當量，惡化鋼板焊接性能。因此，本發明中的Cr含量控制為O. 20-0. 70%。
Mo :Mo可以有效抑制擴散性相變，使鋼板在冷卻時形成強度較高的低溫相變組織。Mo含量較低時，對鋼板擴散性相變抑制的效果未充分發揮，使得鋼板在冷卻時不能得到更多的馬氏體組織，從而降低鋼板的強度。Mo含量過高時，導致碳當量增加，惡化鋼板的焊接性能。因而，本發明將Mo含量控制為O. 30- 0. 90%。
Nb :添加到鋼中的Nb可抑制奧氏體晶界運動，使鋼板在較高溫度下發生再結晶。 在較高溫度奧氏體化時，固溶到奧氏體中的Nb會在軋制時由于應變誘導析出效應，在位錯和晶界處形成NbC顆粒，抑制晶界運動，提高鋼板的強韌性。當Nb含量過高時，則可能形成粗大的NbC，惡化鋼板的低溫沖擊性能。因此，本發明中加入不大于O. 06%的Nb以控制鋼板的力學性能。
N1:Ni在鋼中能與Fe形成固溶體，通過降低晶格的層錯而提高鋼板韌性。為了獲得具有良好低溫韌性的高強度鋼板，需在鋼板中加入一定的Ni，Ni會增加奧氏體的穩定性，使得鋼板在冷卻過程中形成馬氏體和殘余奧氏體組織，降低鋼板的屈強比。如果Ni含量過高，一方面會使板坯在加熱時形成難以去除的氧化膜，影響鋼板表面質量；另一方面會增加鋼板的生產成本。因此，本發明中的Ni含量應設定在O. 50-2. 40%范圍之間。
V:V作為合金元素加入鋼中，其通過固溶強化和MC型碳化物的析出強化效果來提高鋼板的強韌性。但V元素含量過高時，MC型碳化物會在熱處理過程中發生粗化，從而影響鋼板的低溫韌性。因此，在本發明中加入不大于O. 06%的V元素用來保證鋼板的力學性倉泛。
T1:Ti在鋼液中形成氮化物，隨后在較低的溫度范圍形成氧化物和碳化物。不過，Ti含量過高會導致鋼液中形成粗大的TiN。TiN顆粒為立方形，顆粒的角部容易導致應力集中，即為裂紋的形成源。綜合考慮Ti在鋼中的作用，本發明中的Ti含量控制為 O. 002-0. 04%O
Al :A1加入鋼中，通過形成氧化物和氮化物細化晶粒。為了達到細化晶粒及提高鋼板的韌性并保證其焊接性能的目的，在本發明中需要加入Al的含量為O. 01-0. 08%ο
B B在鋼板中的晶界富集從而降低晶界能量，使鋼板在冷卻過程中形成低溫相變組織。B加入鋼中，并結合C和合金元素含量，可以形成具有高強度的馬氏體組織，進而獲得具備良好的強度性能的鋼板。但是，B含量過高，則會在馬氏體晶界富集，降低鋼板的低溫沖擊性能和疲勞性能。因此，本發明中B的加入量為O. 0006-0. 0020%。
N :N可與鋼中的T1、Nb和V形成氮化物。鋼板在奧氏體化過程中，未溶解的氮化物會阻礙奧氏體的晶界運動，實現細化奧氏體晶粒的效果。如N元素含量過高，則N與Ti 會形成粗大的TiN，惡化鋼板的力學性能。同時，N原子還會在鋼中的缺陷處富集，形成氣孔和疏松，進一步惡化鋼板的力學性能。因此，在本發明中的N含量控制為不大于O. 0060%。
O 0在鋼中與Al、Si和Ti形成氧化物。鋼板在加熱奧氏體化過程中，Al的氧化物會起到抑制奧氏體長大，細化晶粒的作用。不過，O含量較多的鋼板在焊接時具有熱裂紋傾向。因而，本發明中的O含量應控制為不大于O. 0040%O
Ca :Ca加入鋼中，與S元素形成CaS，起到球化硫化物的作用，提高鋼板的低溫沖擊刃性。本發明中的Ca含量需控制為不大于O. 0045%。
相應地，本發明還提供了該具有低屈服比的超高強韌鋼板的制造方法，其包括冶煉、澆鑄、加熱、軋制、冷卻、淬火和回火步驟，獲得鋼板的微觀組織為細化馬氏體和殘余奧氏體，其中加熱步驟中將板坯加熱至1080 1250°C;淬火步驟的淬火溫度為860 940°C ； 回火步驟的回火溫度為150 350°C。
在制造工藝方面，本發明所述具有低屈服比的超高強韌鋼板的制造方法，對加熱、 淬火及回火等工藝步驟中的溫度進行相應控制，并結合元素成分設計，使得化學元素的成分設計和制造工藝之間產生關聯影響。在加熱過程中，將溫度控制在1080-1250°C之間實現奧氏體化。在加熱過程主要是碳氮化物溶解和奧氏體晶粒長大過程。如Nb、V、T1、Cr和 Mo等碳化物形成元素的所形成的碳化物或碳氮化物部分溶解于鋼中，合金元素原子通過擴散而固溶在奧氏體中。在軋制過程中，部分碳氮化物通過應變誘導析出效應在缺陷處形核長大，細化最終晶粒，從而提高鋼板力學性能。在淬火過程中，溫度設定在860-940°C之間， 因為在此溫度區間加熱保溫，可有效控制碳化物形成元素(如Nb、V、T1、Cr和Mo等元素) 的碳氮化物的部分溶解及奧氏體晶粒長大的尺寸。在回火過程中，將加熱爐內溫度控制為 150-350°C進行回火處理。鋼板的回火一般可分為四個階段1)在100°C回火時，正方點陣的馬氏體中析出ε碳化物，馬氏體的正方度降低，含碳O. 3%以下的鋼中不形成ε碳化物， 僅在位錯等缺陷附近形成細微的碳化物；2)在235°C附近時，殘余奧氏體轉變為下貝氏體和馬氏體；3)在300°C左右時，ε碳化物轉變為滲碳體；4)在400 450°C溫度時，碳和鐵的擴散系數升高，滲碳體顆粒粗化。本發明采用在溫度150-350°C左右進行回火，在細化的馬氏體板條邊緣形成細化的碳化物析出，鋼板中位錯密度很高的地方發生異號位錯湮滅， 降低鋼板的內應力，提高鋼板的塑性。此時，回火溫度的控制可使部分殘余奧氏體保留在鋼板中，降低了鋼板最終屈服比，同時使鋼板具有較高的抗拉強度。
在上述具有低屈服比的超高強韌鋼板的制造方法中， 軋制后的鋼板空冷或水冷。
進一步地，在上述具有低屈服比的超高強韌鋼板的制造方法中，淬火后的鋼板水冷。
進一步地，在上述具有低屈服比的超高強韌鋼板的制造方法中，回火后的鋼板空冷。
與現有技術方案相比，由于采用了合理的成分設計和優化的制造工序使得本發明所述的具有低屈服比的超高強韌鋼板，所具備的優點為1)碳當量CEV較低，合金元素較少；2)屈強比小于O. 85 ;3)抗拉強度大于1500MPa ;3)屈服強度大于1200MPa ;4)延伸率大于10% ;5)優良的各項力學性能。
本發明所述的具有低屈服比的超高強韌鋼板的制造方法，通過優化溫度控制，不增加任何工序難度和步驟的情況下，就可以獲得細化馬氏體組織和殘余奧氏體的軟硬結合的微觀組織，以獲得力學性能理想的具有低屈服比的超高強韌鋼板，工藝制度比較寬松，可廣泛應用于結構安全性要求較高的工程構件制造領域的穩定生產。


圖1顯示了實施例4所涉及的具有低屈服比的超高強韌鋼板在光學顯微鏡下的微觀組織。
具體實施方式
下面將根據具體實施例和說明書附圖對本發明的技術方案作進一步解釋，但該解釋并不構成對本發明的不當限定。
實施例1-6
采用下述步驟制造本發明所述的具有低屈服比的超高強韌鋼板
I)冶煉，控制各化學元素的質量百分含量的配比，具體如表I所示；
2)澆鑄；
3)加熱將板坯加熱至1080 1250°C ；
4)軋制軋制后的鋼板空冷或水冷；
5)冷卻冷卻至室溫；
6)淬火淬火溫度為860 940°C，淬火后水冷；
7)回火回火溫度為150 350°C，回火后空冷。
圖1顯示了本案實施例4的具有低屈服比的超高強韌鋼板在光學顯微鏡下的微觀組織。
表I 實施例1 -6中的具有低屈服比的超高強韌鋼板的各組分的質量百分配比 (wt. %，余量為Fe和其他不可避免的雜質)
權利要求
1.一種具有低屈服比的超高強韌鋼板，其特征在于，其化學元素質量百分含量為C 0. 18-0. 34%,Si 0. 10-0. 40%,Mn :0. 50-1. 40%,Cr :0. 20-0. 70%,Mo :0. 30-0. 90%,Nb 0-0. 06%,N1:0. 50-2. 40%,V :0-0. 06%,Ti 0. 002-0. 04%,Al 0. 01-0. 08%,B 0. 0006-0. 0020%,N^O. 0060%,O 彡 O. 0040%,Ca 0-0. 0045%,余量為Fe和其他不可避免的雜質。
2.如權利要求1所述的具有低屈服比的超高強韌鋼板，其特征在于，其碳當量滿足 CEV ( O. 75%，其中碳當量 CEV = C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15。
3.如權利要求1或2所述的具有低屈服比的超高強韌鋼板，其特征在于，其微觀組織為細化馬氏體和殘余奧氏體。
4.如權利要求1或2所述的具有低屈服比的超高強韌鋼板的制造方法，其特征在于，包括冶煉、澆鑄、加熱、軋制、冷卻、淬火和回火步驟，獲得鋼板的微觀組織為細化馬氏體和殘余奧氏體，其中加熱步驟中將板坯加熱至1080 1250°C ;淬火步驟的淬火溫度為860 9400C ;回火步驟的回火溫度為150 350°C。
5.如權利要求4所述的具有低屈服比的超高強韌鋼板的制造方法，其特征在于，軋制后的鋼板空冷或水冷。
6.如權利要求4所述的具有低屈服比的超高強韌鋼板的制造方法，其特征在于，淬火后的鋼板水冷。
7.如權利要求4所述的具有低屈服比的超高強韌鋼板的制造方法，其特征在于，回火后的鋼板空冷。
8.如權利要求4所述的具有低屈服比的超高強韌鋼板的制造方法，其特征在于，其碳當量滿足 CEV 彡 O. 75%，其中碳當量 CEV = C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15。
全文摘要
本發明公開了一種具有低屈服比的超高強韌鋼板，其化學元素質量百分含量為C0.18-0.34%，Si0.10-0.40%，Mn0.50-1.40%，Cr0.20-0.70%，Mo0.30-0.90%，Nb0-0.06%，Ni0.50-2.40%，V0-0.06%，Ti0.002-0.04%，Al0.01-0.08%，B0.0006-0.0020%，N≤0.0060%，O≤0.0040%，Ca0-0.0045%，余量為Fe和其他不可避免的雜質。相應地，本發明還公開了該鋼板的制造方法加熱溫度為1080～1250℃；淬火溫度為860～940℃；回火溫度為150～350℃。
文檔編號C21D1/18GK103060715SQ201310022288
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月22日 優先權日2013年1月22日
發明者趙四新, 姜洪生, 姚連登 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司