CN101812640A - 一种自生复合高强度厚钢板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种自生复合高强度厚钢板及其制造方法，其成分质量百分比为：C0.1-0.2％，Mn 1.2-1.8％，Si 0.2-0.3％，P≤0.015％，S≤0.002％，Cu 0.15-0.2％，Ni 0.2-0.25％，Nb 0.02-0.03％，Ti 0.01-0.015％，Al≤0.04％，N≤50ppm，O≤20ppm，其余为Fe和不可避免杂质；其中，碳当量Ceq＝C+(Mn+Si)/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5，碳当量0.36～0.58；钢板厚度50～400mm。本发明生产钢锭底部几乎没有负偏析，断面浓度几乎与钢水浓度相等，而钢锭上部形成正偏析；利用钢中的溶质元素C、Mn等通过固溶强化可以大大提高钢的抗拉强度、屈服强度。通过从底部开始的单向凝同制造技术，利用凝固终了C、Mn等元素的偏析，提高钢坯上部强度。
Description
技术领域
本发明涉及复合钢板及其制造方法，特别涉及一种自生复合高强度厚钢板及其制造方法。
背景技术
随着现代工业的发展，对复合材料的需求日益增大，复合材料的研究、应用也得到了快速的发展。常用的复合钢板坯生产是由至少一层基本钢和一层以上的其它钢交替紧密叠加而制成，这种方法可以制造不同材质的复合钢板，但其轧制难度大、生产工艺复杂。
中国专利申请号200410018300.9公开了通过超高温度梯度高速定向凝固制备出规则纤维状定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生复合材料，其研究方法为共晶复合材料的制备提供了新的思路，但是，这种方法需要有超高温度梯度高速定向凝固条件，在应用到大尺寸产品中实现困难。
金属在凝固过程中，只能当液相和固相中溶质完全扩散均匀时才能达到绝对平衡凝固。但是，绝对的凝固条件在生产中是不可能遇到的，因为溶质的扩散系数只有温度扩散的10-3～10-5倍，特别是溶质在固相中的扩散系数更小，因此，当溶质还未来得及扩散时，温度早已降低得很多，而使固-液界面大大向前推进，新成分的固相又已结晶出来。在实际生产凝固过程中产生溶质再分布，必然产生宏观偏析和显微偏析。普通钢锭不可避免的存在着V型偏析、倒V型偏析、疏松等缺陷，这些往往会使钢板质量出现问题，因此生产中常常要杜绝或减少这种宏观偏析的形成，以提高产品质量。
但是通过从底部开始的单向凝固制造技术，钢锭的偏析行为与以前的钢锭差异非常大，钢锭底部几乎没有负偏析，断面浓度几乎与钢水浓度相等，而钢锭的上部存在正偏析，这个正符合开始凝固部分浓度低、最后部分浓度高的正偏析形成特征。另一方面，钢的强化机制理论说明了钢中的溶质元素C、N、Mn等通过固溶强化可以使钢的抗拉强度、屈服强度大大提高。根据试验结果表明，每增加0.1％C能使抗拉强度平均提高70MPa，屈服强度平均提高28MPa。因此可以利用正偏析区溶质浓度的增加来提高钢的强度，从而生产自生复合高强度钢板。
发明内容
本发明的目的是提供一种自生复合高强度厚钢板及其制造方法，在以底部开始的单向凝固制造技术基础上，利用凝固终了C、Mn等元素在钢锭上部的偏析，以形成大量的碳化物，从而获得足够的硬度，并保证足够的焊接适应性，最终提高钢板上部强度与耐磨性能，而下部钢板作为基体钢板满足强度要求，又具有良好的韧性，从而生产自生复合高强度厚钢板。
为达到上述目的，本发明的技术方案是，
化学成分满足：C：0.1-0.2％，Mn：1.2-1.8％，Si：0.2-0.3％，P：≤0.015％，S：≤0.002％，Cu：0.15-0.2％，Ni：0.2-0.25％，Nb：0.02-0.03％，Ti：0.01-0.015％，Al：≤0.04％，N≤50ppm，O≤20ppm，其余为Fe和不可避免的杂质，碳当量0.36～0.58。适合于生产厚度规格50～400mm的钢板。其中，碳当量Ceq＝C+(Mn+Si)/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5。
钢锭的浇铸通过特厚板坯单向凝固装置，制造厚度规格从300～800mm，锭重最大可达80吨的单向凝固钢锭。
浇铸过程中工艺控制要求如下：
浇铸开始时底部冷却底盘通水进行冷却，保证从底部冷却带出的热量大于90％；
浇铸开始时保持小于2吨/分钟较慢的浇铸速度，逐步加快到2～5吨/分钟，浇铸速度的控制有利于控制钢液的液面波动；
浇铸钢水达到浇铸总量的1/2～2/3时加入模铸颗粒保护渣，以防止保护渣上浮不彻底而形成夹杂物，降低钢的质量；
发热板事前放在钢锭模顶部，浇注终了人工推入，加装完成后盖顶盖，保证钢水上部热量。
其次，钢锭的轧制工艺流程为：加热炉→除鳞→低速大压下轧制→冷却。
热轧工艺为：钢锭加热到1120～1200℃，保温12～15小时；为保证咬入角和变形渗透性，开始轧制时采用约1～3m/s的轧制速度进行低速大压下轧制，再结晶阶段轧制道次变形量15～35％，未再结晶阶段累积变形量≥45％；轧后以5～10℃/秒冷至500℃后缓冷。
本发明的有益效果是，
1.化学成分以控制碳当量为目标，设计成分碳当量为0.36～0.58，可满足焊接性能的要求。
2.浇铸时底部通水强冷、四周绝热、顶部加发热板，有效保证钢液单向凝固条件，使成分偏析于钢锭顶部，形成提高强度的复合层。与传统钢锭相比，偏析层的位置改变，有效保证轧后钢板Z向性能。
3.由单向凝固浇铸生产的复合钢板，基体与高强度层成分沿厚度方向梯度变化，有效保证复合层与基体的结合能力。
4.控制浇铸速度和保护渣加入时间，有效控制钢液强烈对流和液面波动，防止卷渣，有利于夹杂物控制，提高钢质。
5.轧制过程采用低速大压下轧制，有利于轧制变形深入板厚中部，提高板厚方向组织均匀性，有效保证钢板Z向性能。
附图说明
图1为本发明实施例2钢锭厚度方向硬度分布；
图2为本发明给出的复合层抗拉强度与基体的比较。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明作进一步描述。
本发明自生复合高强度厚钢板实施例化学成分参见表1，
表1单位：wt％
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | Cu | Ni | Nb | Al | Ti | Oppm | Nppm |
| 1 | 0.10 | 0.220 | 1.20 | 0.015 | 0.0018 | 0.15 | 0.25 | 0.024 | 0.036 | 0.013 | 16 | 40 |
| 2 | 0.15 | 0.265 | 1.43 | 0.015 | 0.0018 | 0.16 | 0.24 | 0.024 | 0.037 | 0.013 | 16 | 40 |
| 3 | 0.20 | 0.270 | 1.76 | 0.015 | 0.0018 | 0.18 | 0.24 | 0.024 | 0.036 | 0.012 | 16 | 40 |
| 4 | 0.13 | 0.210 | 1.22 | 0.014 | 0.0017 | 0.15 | 0.20 | 0.021 | 0.038 | 0.010 | 18 | 42 |
| 5 | 0.18 | 0.295 | 1.80 | 0.012 | 0.0020 | 0.20 | 0.25 | 0.029 | 0.035 | 0.015 | 19 | 45 |
| 6 | 0.16 | 0.24 | 1.52 | 0.015 | 0.0019 | 0.17 | 0.21 | 0.026 | 0.037 | 0.014 | 16 | 40 |
通过单向凝固装置浇铸了厚度为500mm厚的钢锭，轧制成厚度为100mm的钢板，轧制工艺参数参见表2：
表2
| 实施例 | 加热温度℃ | 粗轧终了温度℃ | 精轧终了温度℃ | 精轧累计变形量％ | 轧制速度m/s | 冷却速度℃/s |
| 1 | 1150 | 950 | 850 | 45 | 1.5 | 5 |
| 2 | 1150 | 950 | 850 | 50 | 1.5 | 7 |
| 3 | 1150 | 950 | 850 | 50 | 1 | 10 |
| 4 | 1120 | 900 | 800 | 55 | 3 | 8 |
| 5 | 1200 | 980 | 880 | 55 | 2 | 10 |
| 6 | 1160 | 960 | 860 | 50 | 2.5 | 8 |
对钢锭顶部进行了光谱化学成份测试，分析了C的偏析情况，钢锭厚度方向C浓度分布参见表3：
表3单位：wt％
| 位置 | 例1 | 例2 | 例3 |
| 距离顶部10mm | 0.28 | 0.35 | 0.45 |
| 距离顶部20mm | 0.25 | 0.30 | 0.41 |
| 距离顶部50mm | 0.24 | 0.28 | 0.37 |
| 距离顶部100mm | 0.20 | 0.25 | 0.31 |
| 基体 | 0.12 | 0.15 | 0.21 |
参见图1，其显示了实施例2钢锭厚度方向硬度分布，从中看出，硬度值从钢锭顶部至底部有两个区域，一个是距离钢锭顶部100mm以上硬度高区域，另一个是硬度值稳定区域。钢锭硬度的不同是由于不同位置碳元素等浓度的不同而造成的，因此也说明了通过单向凝固浇铸的钢锭，偏析层位于钢锭顶部，与表3中的成分分析相一致。
钢锭轧制成厚度为100mm的钢板，轧制后钢板基体(实施例2)的力学性能参见表4：
表4
参见图2，其给出了复合层抗拉强度与基体的比较，从中看出，适当调整碳、锰等固溶强化元素量和提高轧后钢板的冷却速度，可以提高基体强度的同时，进一步提高复合层的强度。
Claims (3)
1.一种自生复合高强度厚钢板，其成分质量百分比为：C：0.1-0.2％，Mn：1.2-1.8％，Si：0.2-0.3％，P≤0.015％，S≤0.002％，Cu：0.15-0.2％，Ni：0.2-0.25％，Nb：0.02-0.03％，Ti：0.01-0.015％，Al≤0.04％，N≤50ppm，O≤20ppm，其余为Fe和不可避免的杂质；其中，碳当量Ceq＝C+(Mn+Si)/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5，碳当量0.36～0.58；钢板厚度50～400mm。
2.如权利要求1所述的自生复合高强度厚钢板的制造方法，其包括如下步骤：
1)按上述成分冶炼、浇铸成钢锭；
浇铸开始时保持小于2吨/分钟的浇铸速度，逐步加快到2～5吨/分钟；
浇铸钢水达到浇铸总量的1/2～2/3时加入模铸颗粒保护渣，以防止保护渣上浮不彻底而形成夹杂物，降低钢的质量；
2)热轧，
钢锭加热到1120～1200℃，保温12～15小时，然后除鳞；为保证咬入角和变形渗透性，开始轧制时采用1～3m/s的轧制速度进行低速大压下轧制，再结晶阶段轧制道次变形量15～35％，未再结晶阶段累积变形量≥45％；轧后以5～10℃/秒冷至500℃后缓冷。
3.如权利要求2所述的自生复合高强度厚钢板的制造方法，其特征是，浇铸采用特厚板坯单向凝固装置，制造厚度规格从300～800mm，锭重最大可达80吨的单向凝固钢锭。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20111123 Termination date: 20140223 |