一種屈服強(qiáng)度大于1300MPa的超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種屈服強(qiáng)度大于1300MPa的超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板，所述鋼板的成分包括按質(zhì)量百分比計(jì)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(fā)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(yōu)選地，所述鋼板的屈服強(qiáng)度大于1300MPa，抗拉強(qiáng)度大于1500MPa，延伸率大于10.0％，?40℃沖擊功大于40J。本發(fā)明還提供了所述鋼板的制備工藝。本發(fā)明的鋼板具有高強(qiáng)度、高韌塑性、良好的成型性和焊接性等特點(diǎn)，適用于大型起重機(jī)吊臂、混凝土泵車臂架、港口龍門吊、軍用坦克等裝備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件制造。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超高強(qiáng)鋼領(lǐng)域，具體而言，涉及一種屈服強(qiáng)度大于1300MPa的超高強(qiáng)度 結(jié)構(gòu)鋼板及其制備方法。 一種屈服強(qiáng)度大于1300MPa的超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板及其制備 方法
【背景技術(shù)】
[0002] 超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼板被廣泛工程機(jī)械、港口機(jī)械、礦山機(jī)械和軍工產(chǎn)品等裝備的 制造，如超大型起重機(jī)、混凝土輸送栗車、軍用坦克等關(guān)鍵裝備零部件，該類鋼板不但要求 具有極高的強(qiáng)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(jī)械制造工業(yè)的飛速發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)日益向大型化、輕量化和長壽化，高 強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)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(qiáng)度及高強(qiáng)度 條件下的韌性要求越來越高。由于該類鋼材的強(qiáng)度極高，韌塑性尤其難以保證；同時(shí)，該類 鋼板制造的結(jié)構(gòu)件大部分以焊接的方式連接，且需要承受復(fù)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(jī)械制造工業(yè)為了提高 效率，減輕自重，減少能耗的需要，屈服強(qiáng)度1000 MPa的高強(qiáng)度鋼板已不能滿足需求，研制與 開發(fā)屈服強(qiáng)度1300MPa高級別的結(jié)構(gòu)用鋼板對于相關(guān)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(guān)于高強(qiáng)度鋼的專利報(bào)道，但大部分均是作為非結(jié)構(gòu)件使用，無需 同時(shí)保證超高的強(qiáng)硬度、良好的韌塑性和優(yōu)異的焊接性能。作為結(jié)構(gòu)件使用時(shí)，已有專利的 屈服強(qiáng)度均在IlOOMPa級及以下級別。
[0005] 鑒于此，特提出本發(fā)明。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)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(yán)格控制，可以在保證超高強(qiáng)度和良好韌塑性的同時(shí)，滿足良好焊接性能的要求。
[0007] 本發(fā)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(qiáng)度高， 同時(shí)具有良好的人塑性和優(yōu)異的焊接性能，可以作為結(jié)構(gòu)件使用。
[0008] 本發(fā)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(yán) 格控制條件，可以將剛才加工制成超高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)用鋼板。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，特采用以下技術(shù)方案：
[0010] 本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種鋼材，所述鋼的成分包括按重量百分比計(jì)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(fā)明的主要化學(xué)成分的選擇和控制理由如下：
[0012] 碳:鋼板獲得高的強(qiáng)度和硬度的關(guān)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(fā)明通過控制碳元素含量為0.18-0.23%，既保證 獲得超高的強(qiáng)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(zhì)純凈度和脫氧。硅在鋼中起固溶強(qiáng)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(qiáng)度和硬度，且能提尚奧氏體的穩(wěn)定 性。但硅元素含量過高會導(dǎo)致鋼的韌性下降，且高硅含量的鋼板加熱時(shí)的氧化皮粘度較大， 出爐后除鱗困難，導(dǎo)致乳后鋼板表面紅色氧化皮嚴(yán)重、表面質(zhì)量較差。綜合考慮硅元素各方 面的影響，本發(fā)明硅元素的含量為〇. 05-0.25%。
[0014]錳:錳元素能夠擴(kuò)到奧氏體區(qū)，穩(wěn)定奧氏體組織，其能力僅次于合金元素鎳，是廉 價(jià)的穩(wěn)定奧氏體和強(qiáng)化合金元素，同時(shí)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(dāng)錳元素添加量過多時(shí)，極易與鋼中的硫元素相結(jié)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(fā)明中錳元素的含量應(yīng)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(yīng)盡可能地低。磷也是鋼中的有害元素，嚴(yán)重?fù)p害鋼板 的塑性和韌性。對于本發(fā)明而言，硫和磷均是不可避免的雜質(zhì)元素，應(yīng)該越低越好，考慮到 鋼廠實(shí)際的煉鋼水平，本發(fā)明要求PS0.0 13%、SS0.00 3%。
[0016] 鎳:穩(wěn)定奧氏體的元素，對提高強(qiáng)度沒有明顯的作用。在調(diào)質(zhì)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(fā)明可添加不超 過2.00 %的鎳元素。
[0017] 鉬:鉬元素能顯著地細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度和韌性。鉬元素能減少鋼的回火脆性，同 時(shí)回火時(shí)還能析出非常細(xì)小的碳化物，顯著強(qiáng)化鋼的基體。由于鉬元素是非常昂貴的戰(zhàn)略 合金元素，所以本發(fā)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(guī)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(jià)格便宜，添 加少量的硼可以顯著的節(jié)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(fā)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(yōu)選地，所述鋼板的成分包括按重量百分比計(jì)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(fā)明的另一個(gè)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(yōu)選地，所述鋼板的屈服強(qiáng)度大于1300MPa，抗拉強(qiáng)度大于1500MPa，延伸率大于 10.0%，-40°C沖擊功彡40J。
[0021] 本發(fā)明的鋼材制造的鋼板，在具有超高屈服強(qiáng)度的同時(shí)具有良好的韌塑性和焊接 性能，優(yōu)選地，所述鋼板的屈服強(qiáng)度大于1380MPa
[0022] 本發(fā)明的另一個(gè)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(jìn)行潔凈鋼冶煉，對鋼水進(jìn)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(jìn)行熱處理；
[0026]其中，所述步驟2)中的乳制為在奧氏體再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)分別進(jìn)行的兩階段 乳制。
[0027]本發(fā)明的工藝條件明確、便于重現(xiàn)，在冶煉步驟中優(yōu)選采用轉(zhuǎn)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(yōu)選地，所述加熱溫度為1150_1230°C。
[0029] 優(yōu)選地，所述乳制的乳制道次大于三次，在所述奧氏體再結(jié)晶區(qū)的終乳溫度為 1000-1100°C，在所述奧氏體未再結(jié)晶區(qū)的乳制的終乳溫度為800-950°C。
[0030] 優(yōu)選地，所述乳制在900°C以下的累積壓下率大于60%。
[0031]優(yōu)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(yōu)選地，所述熱處理為回火處理，回火溫度為100_300°C。
[0033] 優(yōu)選地，所述冷卻為空冷，冷卻至室溫后進(jìn)行熱處理，優(yōu)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(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：
[0035] 1.本發(fā)明得到的超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼板屈服強(qiáng)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(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的同時(shí)， 還具有優(yōu)異韌塑性和成型性。
[0036] 2.本發(fā)明中嚴(yán)格控制合金元素 Mn、Cr、Ni、Mo的加入量，在保證超高強(qiáng)度和良好韌 塑性的同時(shí)，滿足了良好焊接性能的要求，并降低了生產(chǎn)成本。
[0037] 3.本發(fā)明在工藝上采用控制冷卻或離線熱處理的方式生產(chǎn)，其中控冷或離線淬火 時(shí)只需較小的冷速即可得到本發(fā)明需要的組織。
[0038] 4.本發(fā)明得到的組織主要為馬氏體組織，主要通過細(xì)化的板條馬氏體組織的高硬 度和良好的韌性來提高強(qiáng)度和保證良好的韌塑性。
[0039]本發(fā)明具有以上顯著的優(yōu)點(diǎn)，因此更適合工程機(jī)械、港口機(jī)械、礦山機(jī)械和軍工產(chǎn) 品等裝備的制造，替代低級別的產(chǎn)品可以增加裝備使用壽命、降低裝備重量。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)闡述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將 會理解，下列實(shí)施例僅用于說明發(fā)明，而不應(yīng)視為限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例中未注明具體 條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進(jìn)行。所用儀器或設(shè)備未注明生產(chǎn)商者，均為常 規(guī)鋼廠所擁有或可以通過市集購買獲得的常規(guī)產(chǎn)品。
[0041] -種本發(fā)明所述的適用于屈服強(qiáng)度大于1300MPa的超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼及其制造方 法，連鑄坯選擇的厚度為150~400mm。
[0042] 按本發(fā)明鋼種的化學(xué)成分要求，并結(jié)合所述的制造工藝，以制造不同規(guī)格的超高 強(qiáng)度鋼板。具體的成分如下：
[0043]表1本發(fā)明各實(shí)施例的化學(xué)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(jìn)仃 超尚強(qiáng)度鋼板的生廣，具體實(shí)施如下：
[0046] 實(shí)施例1
[0047]將按表1配比冶煉完成的鋼水經(jīng)真空脫氣處理后進(jìn)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(jìn)行奧氏體再結(jié)晶乳制和未再結(jié)晶區(qū)乳制， 其中再結(jié)晶區(qū)終乳溫度為l〇〇〇°C，未再結(jié)晶區(qū)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(jìn)行回火處理，回火溫度為280°C。
[0048] 實(shí)施例2
[0049] 將按表1配比冶煉完成的鋼水經(jīng)真空脫氣處理后進(jìn)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(jìn)行奧氏體再結(jié)晶乳制和未再結(jié)晶區(qū)乳制， 其中再結(jié)晶區(qū)終乳溫度為IlOOcC，未再結(jié)晶區(qū)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(jìn)行回火處理，回火溫度為220°C。
[0050] 實(shí)施例3
[0051]將按表1配比冶煉完成的鋼水經(jīng)真空脫氣處理后進(jìn)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(jìn)行奧氏體再結(jié)晶乳制和未再結(jié)晶區(qū)乳制， 其中再結(jié)晶區(qū)終乳溫度為IOHTC，未再結(jié)晶區(qū)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(jìn)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(shí)施例4
[0053]將按表1配比冶煉完成的鋼水經(jīng)真空脫氣處理后進(jìn)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(jìn)行奧氏體再結(jié)晶乳制和未再結(jié)晶區(qū)乳制， 其中再結(jié)晶區(qū)終乳溫度為1020°C，未再結(jié)晶區(qū)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(jìn)行離線淬火處理，離線熱處理時(shí)淬火溫度為940°C，回火溫度 為230。。。
[0054] 實(shí)施例5
[0055] 將按表1配比冶煉完成的鋼水經(jīng)真空脫氣處理后進(jìn)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(jìn)行奧氏體再結(jié)晶乳制和未再結(jié)晶區(qū)乳制， 其中再結(jié)晶區(qū)終乳溫度為l〇〇〇°C，未再結(jié)晶區(qū)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(jìn)行離線淬火處理，離線熱處理時(shí)淬火溫度為860°C，回火溫度 為 210。。。
[0056]對實(shí)施例中的鋼板的力學(xué)性能進(jìn)行測試，其中強(qiáng)度按照GB/T228-2002金屬材料室 溫拉伸試驗(yàn)方法進(jìn)行，低溫沖擊韌性按GB/T 229-2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法測 定，硬度按照GB/T231.1-2009方法測定，得到的結(jié)果見表2所示。
[0057]表2本發(fā)明鋼板的力學(xué)性能
[0060] 由上表可以看出，本發(fā)明的得到的超高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性能為：屈服強(qiáng)度大于 1300MPa，抗拉強(qiáng)度大于1500MPa，延伸率大于10.0 %，-40 °C沖擊功大于40J。
[0061] 可見本發(fā)明涉及的超高強(qiáng)度鋼具有良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的成型性能。
[0062] 盡管已用具體實(shí)施例來說明和描述了本發(fā)明，然而應(yīng)意識到，在不背離本發(fā)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(quán)利要求中 包括屬于本發(fā)明范圍內(nèi)的所有這些變化和修改。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種屈服強(qiáng)度大于1300MPa級超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板及其制造方法，其特征在于，所述鋼 板的成分包括按質(zhì)量百分比計(jì)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(jù)權(quán)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(jì)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(quán)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(yōu)選地，所述鋼板的屈服強(qiáng)度大于1300MPa，抗拉強(qiáng)度大于1500MPa，延伸率 大于10.0%，-40°C沖擊功彡40J 〇4. 權(quán)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(jìn)行潔凈鋼冶煉，對鋼水進(jìn)行連鑄或模鑄得到鋼還或鋼錠； 2) 加熱，熱乳； 3) 冷卻并進(jìn)行熱處理； 其中，所述步驟2)中的乳制為在奧氏體再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)分別進(jìn)行的兩階段乳 制。5. 根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jié)晶區(qū)的終乳溫度為1000-1100°C，在所述奧氏體未再結(jié)晶區(qū)的乳制的終乳溫度 為800-950 Γ。7. 根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jìn)行熱處 理，優(yōu)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(fā)明人】鄧想濤, 王昭東, 溫長飛, 付天亮, 王國棟, 劉麗華, 閆強(qiáng)軍, 陳林恒, 姜在偉
【申請人】東北大學(xué), 南京鋼鐵股份有限公司