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CN104480406A - 一种低合金高强高韧钢板及其制造方法 - Google Patents

一种低合金高强高韧钢板及其制造方法 Download PDF

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CN104480406A
CN104480406A CN201410707715.0A CN201410707715A CN104480406A CN 104480406 A CN104480406 A CN 104480406A CN 201410707715 A CN201410707715 A CN 201410707715A CN 104480406 A CN104480406 A CN 104480406A
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temperature
composite
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袁向前
李红斌
焦四海
姚连登
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Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Original Assignee
Baoshan Iron and Steel Co Ltd
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Abstract

一种低合金高强高韧钢板及其制造方法，其成分质量百分比为：C0.08～0.25％；Si 0.10～1.00％；Mn 0.50～2.00％；P<0.020％；S<0.010％；Cr0.10～2.00％；Mo 0～1.00％；Ni 0～2.00％；Nb 0.010～0.080％；V≤0.10％；Ti≤0.060％；B 0.0005～0.0040％；Al 0.010～0.080％；Ca 0.010～0.080％；N≤0.0080％；O≤0.0080％；H≤0.0004％，其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素需满足：0.20％≤(Cr/5+Mn/6+50B)≤0.55％，0.02％≤(Mo/3+Ni/5+2Nb)≤0.45％，0.01％≤(Al+Ti)≤0.13％。本发明钢板的布氏硬度390～460HB，屈服强度900～1100MPa，抗拉强度1100～1400MPa，延伸率11～15％，-40℃夏比V型纵向冲击功≥40J，板厚可达100mm以上，实现了高强度、高硬度和高韧性的匹配，并具有良好的机械加工性能。

Description

一种低合金高强高韧钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种低合金高强高韧钢板及其制造方法。
背景技术
工程、采矿、冶金等机械设备通常需要高强度、高硬度、高韧性等特点的钢板，如推土机、挖掘机、刮板运输机部件等。同时，大型破碎机及大型挖掘机等特殊设备需要大厚度钢板，厚度可达100mm以上。针对工业化生产而言，一般采用连铸方式生产连铸坯，进而通过轧制方式得到一定厚度的钢板，一般连铸坯厚度为200～300mm，生产的大厚度、高强硬度钢板往往存在心部质量难以保证，很难完全满足工况的需求；采用铸造方式生产铸件，则存在合金含量高、内部质量差、使用过程中易开裂等缺点，大幅降低产品的使用寿命；采用模铸方式生产，虽然可以生产大厚度钢板，但其存在生产工序长、成材率低、生产成本高等缺点，不利于产品市场推广。
中国专利CN1140205A公开了一种中高碳中合金耐磨钢，采用铸造工艺生产，其碳及合金元素(Cr、Mo等)含量较高，这必然导致焊接性能与机械加工性能较差，使用寿命较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种低合金高强高韧钢板及其制造方法，该高强高韧钢板的力学性能为：布氏硬度390～460HB，屈服强度900～1100MPa，抗拉强度1100～1400MPa，延伸率11～15％，-40℃夏比V型纵向冲击功≥40J，板厚可达100mm以上。该钢的微观组织为马氏体+残余奥氏体或马氏体+贝氏体+残余奥氏体，实现了高强度、高硬度和高韧性的匹配，并具有良好的机械加工性能，有益于工程上的广泛应用。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
本发明的低合金高强高韧钢板，其化学成分质量百分为：C：0.08～0.25％；Si：0.10～1.00％；Mn：0.50～2.00％；P：<0.020％；S：<0.010％；Cr：0.10～2.00％；Mo：0～1.00％；Ni：0～2.00％；Nb：0.010～0.080％；V：≤0.10％；Ti：≤0.060％；B：0.0005～0.0040％；Al：0.010～0.080％；Ca：0.010～0.080％；N：≤0.0080％；O：≤0.0080％；H：≤0.0004％；其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素同时需满足如下关系：0.20％≤(Cr/5+Mn/6+50B)≤0.55％，0.02％≤(Mo/3+Ni/5+2Nb)≤0.45％，0.01％≤(Al+Ti)≤0.13％。
进一步，本发明的低合金高强高韧钢板的布氏硬度为390～460HB，屈服强度为900～1100MPa，抗拉强度为1100～1400MPa，延伸率为11～15％，-40℃夏比V型纵向冲击功≥40J，板厚可达100mm以上。
又，本发明的低合金高强高韧钢板的微观组织为马氏体+残余奥氏体或马氏体+贝氏体+残余奥氏体。
在本发明钢的成分设计中，主要化学元素作用如下：
碳：碳是钢中最基本、最重要的元素，通过固溶强化和析出强化提高钢的强度、硬度和耐磨性能。碳含量过高，对钢的韧性和焊接性能不利；碳含量过低，降低钢的力学性能和耐磨性能。因此，碳含量控制在0.08～0.25％。
硅：硅是钢中有益脱氧剂，能与钢中钙、铝一起形成易于上浮的钙铝硅酸盐夹杂物，提高钢质纯净度。硅固溶在铁素体和奥氏体中提高它们的硬度和强度，然而，硅含量过高会导致钢的韧性急剧下降。因此，硅含量控制在0.10～1.00％。
锰：锰提高钢的淬透性，但锰含量较高时，有使晶粒粗化的倾向，容易导致铸坯中出现偏析和裂纹。因此，锰含量控制在0.50～2.00％。
铬：铬可以提高钢的淬透性，并提高钢的强度和硬度。铬在回火时能阻止或减缓碳化物的析出与聚集，可以提高钢的回火稳定性。因此，铬含量控制在0.10～2.00％。
钼：钼可以细化晶粒，提高强度和韧性。钼是减小回火脆性的元素，可以提高回火稳定。但，钼含量过高会大幅增加成本。因此，钼含量控制在0～1.00％。
镍：镍具有明显降低冷脆转变温度的作用，但含量过高易导致钢板表面氧化皮难以脱落，且成本显著增加。因此，镍含量控制在0～2.00％。
铌：铌通过晶粒细化提高钢的强度和韧性。因此，铌含量控制在0.010～0.080％。
钒：钒的加入主要是为了细化晶粒，使钢坯在加热阶段奥氏体晶粒不至于生长的过于粗大，以致在随后的多道次轧制过程中，可以使钢的晶粒得到进一步细化，提高钢的强度和韧性。因此，钒含量≤0.10％。
钛：钛是强碳化物形成元素之一，与碳形成细微的TiC颗粒。TiC颗粒细小，分布在晶界，达到细化晶粒的效果，较硬的TiC颗粒提高钢的耐磨性。但是，钛含量过高会降低钢的韧性。因此，钛含量≤0.060％。
硼：硼增加钢的淬透性，但含量过高将导致热脆现象，影响钢的焊接性能及热加工性能。因此，硼含量控制在0.0005～0.0040％。
铝：铝可细化钢的晶粒，固定钢中的氮和氧，减轻钢对缺口的敏感性。因此，铝含量控制在0.010～0.080％。
钙：钙对铸钢中夹杂物的变质具有显著作用，铸钢中加入适量钙可将铸钢中的长条状硫化物夹杂转变为球状的CaS或(Ca，Mn)S夹杂，钙所形成的氧化物及硫化物夹杂密度小，易于上浮排除。因此，钙含量控制在0.010～0.080％。
磷与硫：在耐磨钢中，硫与磷均为有害元素，它们的含量要严格控制。因此，磷含量≤0.020wt.％，硫含量≤0.010wt.％。
氮、氧、氢：钢中过多的氧、氮和氢对钢的性能尤其对焊接性、冲击韧性和抗裂性是十分不利的，降低钢板的质量及使用寿命，但控制过严会大幅增加生产成本。因此，氮含量≤0.0080％，氧含量≤0.0080％，氢含量≤0.0004％。
本发明控制0.010％≤Al+Ti≤0.13％：钛均能形成细小颗粒进而细化晶粒，铝可以保证细小钛颗粒的形成，充分发挥钛的细化晶粒作用，故铝和钛的含量需满足如下关系：0.010％≤Al+Ti≤0.13％。
本发明控制0.20％≤(Cr/5+Mn/6+50B)≤0.55％：在本发明中，铬、锰和硼主要提高钢的淬透性，但各元素对钢的淬透性的影响效果不同。因此，本发明以“Cr/5+Mn/6+50B”表示为影响钢种淬透性的当量，通过此当量来合理控制各合金元素的含量和配比，得到最佳效果：既不会由于含量过低而降低钢的淬透性，又不会因含量过高而富裕量过大，造成合金元素的浪费，降低钢的韧性、焊接性能等。
本发明控制0.02％≤(Mo/3+Ni/5+2Nb)≤0.45％：在本发明中，钼、镍和铌主要提高钢的韧性，但各元素的对钢的韧性的影响效果不同。因此，本发明以“Mo/3+Ni/5+2Nb”表示为影响钢种韧性的当量，通过此当量来合理控制各合金元素的含量和配比，得到最佳效果：既不会由于含量过低而降低钢的韧性，又不会因含量过高而富裕量过大，造成合金元素的浪费、大幅提高钢的合金成本，甚至降低钢的焊接性能等。
本发明的低合金高强高韧钢板的制造方法，具体包括如下步骤：
(1)冶炼、铸造
按下述成分冶炼、铸造成连铸坯，低合金高强高韧钢板的化学成分质量百分比为：C：0.08～0.25％；Si：0.10～1.00％；Mn：0.50～2.00％；P：<0.020％；S：<0.010％；Cr：0.10～2.00％；Mo：0～1.00％；Ni：0～2.00％；Nb：0.010～0.080％；V：≤0.10％；Ti：≤0.060％；B：0.0005～0.0040％；Al：0.010～0.080％；Ca：0.010～0.080％；N：≤0.0080％；O：≤0.0080％；H：≤0.0004％；其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素同时需满足如下关系：0.20％≤(Cr/5+Mn/6+50B)≤0.55％，0.02％≤(Mo/3+Ni/5+2Nb)≤0.45％，0.01％≤(Al+Ti)≤0.13％。
(2)复合
采用机械法对连铸坯的待复合面进行表面氧化铁皮清理，再对连铸坯待复合面的四条边进行坡口加工；叠合2层以上的连铸坯，对连铸坯贴合面进行四周焊接封闭，并抽取真空，得到复合板坯。
(3)复合板坯加热和轧制
复合板坯加热温度为1000～1250℃，保温1～5h；对复合板坯进行复合轧制，其中，开轧温度为1000～1150℃，终轧温度为780～980℃。
(4)在线冷却：轧后直接水冷至室温～450℃之间。
或(4)热处理：复合板坯轧后直接空冷至室温，然后再进行离线淬火和回火热处理，淬火温度为850～950℃，钢板心部达到温后的保温时间为10～90min；回火温度为100～450℃，钢板心部达到温后的保温时间为30～120min。
进一步，步骤(1)中所述铸造采用连铸工艺，连铸拉坯速度≤1.0m/min。
本发明制造工艺过程的影响如下：
本发明保证连铸拉坯速度≤1.0M/min，达到铸坯内部成分均匀和表面质量良好的效果。
复合：机械加工和焊接封闭抽取真空处理板坯是顺利轧制的基础，若复合不当将降低钢板力学性能，缩短钢板使用寿命，甚至在轧制过程中出现板坯开裂现象。
板坯加热：板坯加热温度和保温时间是保证板坯顺利轧制的重要前提，需要严格控制。连铸坯或初轧钢坯的加热温度控制在1000℃～1250℃之间，保温时间在1-5h：在保证奥氏体晶粒不长大的情况下，获得均匀的奥氏体化组织，尤其使复合截面实现冶金结合，确保顺利轧制，保证钢板力学性能及防止钢板开裂。
板坯轧制和在线冷却：轧制温度和停冷温度是保证钢板组织和性能的重要参数。其中，控制开轧温度为1000～1150℃，终轧温度为780～980℃时，可以使变形奥氏体易于均匀化，轧后钢板直接水冷后获得均匀组织，保证钢板厚度的均匀性。
离线淬火和回火：若钢板采用离线淬火和回火热处理，则需要对热处理温度、保温时间严格控制，以保证钢板性能。其中，淬火温度为800～950℃，钢板心部达到温后保温10～90min；回火温度为100～450℃，钢板心部达到温后保温30～120min。
经检测，本发明的低合金高强高韧钢板的力学性能为：布氏硬度为390～460HB，屈服强度为900～1100MPa，抗拉强度为1100～1400MPa，延伸率为11～15％，-40℃夏比V型纵向冲击功≥40J，板厚可达100mm以上。该钢的微观组织为马氏体和残余奥氏体或马氏体和贝氏体及残余奥氏体。可见，本发明控制碳和合金元素含量以及各热处理工艺得到的钢板成本低、工艺简单、强硬度高，低温韧性佳，机械加工性能优异，易焊接，适用于各种机械设备、尤其是大厚度设备中易磨损部件。
本发明的有益效果：
1)化学成分上，本发明以低碳低合金为主，充分利用Cr、Mo、Nb、Ti等微合金元素的细化、强化等特点，保证钢板具有良好的力学性能和优异的焊接性能等。
2)生产工艺上，本发明采用两块/几块铸坯进行复合组坯，解决了厚规格坯料的供料问题。复合后的复合坯料，在原来单块连铸坯的基础之上厚度增加了1倍或几倍，坯料厚度增加后，其产品厚度也增加。通过控制TMCP工艺中的开、终轧温度及停冷温度等工艺参数，提高产品的组织细化、强化效果，进而减少碳和合金元素含量，得到力学性能和焊接性能等均十分优异的钢板。此外，该工艺还具有生产流程短、效率高、节约能源、成本低等特点。
3)生产工艺上，本发明也可采用离线淬火+回火工艺生产，可通过淬火温度、淬火时间和回火温度、回火时间等参数的合理搭配得到性能优异的大厚度耐磨钢板。本发明所涉及的产品生产工艺合理，工艺参数范围较宽，适于工业生产。
4)生产规格上，本发明采用复合轧制方式，可以生产质量优异的大厚度耐磨钢板，厚度可达100mm以上，满足了大型破碎机及大型挖掘机等特殊设备对大厚度钢板的需求。
5)从产品性能上看，本发明的低合金高强高韧性钢板的布氏硬度为390～460HB，屈服强度为900～1100MPa，抗拉强度为1100～1400MPa，延伸率为11～15％，-40℃夏比V型纵向冲击功≥40J，具有高强度、高硬度、高低温韧性等优点，并具有良好的焊接性能。
6)显微组织上看，本发明的低合金高强度高韧性钢板充分利用合金元素添加及控轧控冷工艺得到细小均匀的马氏体+残余奥氏体或马氏体+贝氏体+残余奥氏体，有益于钢板强、硬度及韧性的良好匹配。
附图说明
图1为本发明实施例4钢板基体组织的金相照片。
图2为本发明实施例4钢板复合界面处组织的金相照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
表1为本发明钢板实施例1-6和对比例1的化学成分，具体工艺参数如表2所示，力学性能如表3所示。
实施例1-6的钢板和对比例1(对比例1为专利CN1865481A中实施例2)的钢板的制造方法为：将相应的冶炼原料依次按照如下步骤进行：冶炼→铸造→复合→加热→轧制→轧后直接冷却，或冶炼→铸造→复合→加热→轧制→淬火→回火。
从表3中可知，本发明钢板的布氏硬度：390～460HB，屈服强度：900～1100MPa，抗拉强度：1100～1400MPa，延伸率：11～15％，-40℃夏比V型纵向冲击功：40～80J。由此说明本发明的钢板具有高强、高硬、高韧性等特点，综合性能优异，特别是优于对比例1的钢板力学性能。
图1、2分别给出了实施例4钢板基体组织、复合界面处组织的金相照片，可以看出通过复合方式轧制及轧后直接冷却后两块板坯结合良好，未出现不合、开裂等缺陷，可确保钢板力学性能和使用寿命。
表3 实施例1-6及对比例1的力学性能

Claims (8)

1.一种低合金高强高韧钢板，其成分质量百分比为：C：0.08～0.25％；Si：0.10～1.00％；Mn：0.50～2.00％；P：<0.020％；S：<0.010％；Cr：0.10～2.00％；Mo：0～1.00％；Ni：0～2.00％；Nb：0.010～0.080％；V：≤0.10％；Ti：≤0.060％；B：0.0005～0.0040％；Al：0.010～0.080％；Ca：0.010～0.080％；N：≤0.0080％；O：≤0.0080％；H：≤0.0004％；其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素同时需满足如下关系：0.20％≤(Cr/5+Mn/6+50B)≤0.55％，0.02％≤(Mo/3+Ni/5+2Nb)≤0.45％，0.01％≤(Al+Ti)≤0.13％。
2.根据权利要求1所述的低合金高强高韧钢板，其特征在于，所述低合金高强高韧钢板的布氏硬度为390～460HB，屈服强度为900～1100MPa，抗拉强度为1100～1400MPa，延伸率为11～15％，-40℃夏比V型纵向冲击功≥40J。
3.根据权利要求1或2所述的低合金高强高韧钢板，其特征在于，所述低合金高强高韧钢板的微观组织为马氏体+残余奥氏体或马氏体+贝氏体+残余奥氏体。
4.一种低合金高强高韧钢板的制造方法，包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按下述成分冶炼、铸造成连铸坯，低合金高强高韧钢板的化学成分质量百分比为：C：0.08～0.25％；Si：0.10～1.00％；Mn：0.50～2.00％；P：<0.020％；S：<0.010％；Cr：0.10～2.00％；Mo：0～1.00％；Ni：0～2.00％；Nb：0.010～0.080％；V：≤0.10％；Ti：≤0.060％；B：0.0005～0.0040％；Al：0.010～0.080％；Ca：0.010～0.080％；N：≤0.0080％；O：≤0.0080％；H：≤0.0004％；其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素同时需满足如下关系：0.20％≤(Cr/5+Mn/6+50B)≤0.55％，0.02％≤(Mo/3+Ni/5+2Nb)≤0.45％，0.01％≤(Al+Ti)≤0.13％；
2)复合采用机械法对连铸坯的待复合面进行表面氧化铁皮清理，再对连铸坯待复合面的四条边进行坡口加工；叠合2层以上的连铸坯，对连铸坯贴合面进行四周焊接封闭，并抽取真空，得到复合板坯；
3)复合板坯加热和轧制复合板坯加热温度为1000～1250℃，保温1～5h；对复合板坯进行复合轧制，其中，开轧温度为1000～1150℃，终轧温度为780～980℃；
4)在线冷却轧后直接水冷至室温～450℃之间。
5.一种低合金高强高韧钢板的制造方法，包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按下述成分冶炼、铸造成连铸坯，低合金高强高韧钢板的化学成分质量百分比为：C：0.08～0.25％；Si：0.10～1.00％；Mn：0.50～2.00％；P：<0.020％；S：<0.010％；Cr：0.10～2.00％；Mo：0～1.00％；Ni：0～2.00％；Nb：0.010～0.080％；V：≤0.10％；Ti：≤0.060％；B：0.0005～0.0040％；Al：0.010～0.080％；Ca：0.010～0.080％；N：≤0.0080％；O：≤0.0080％；H：≤0.0004％；其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素同时需满足如下关系：0.20％≤(Cr/5+Mn/6+50B)≤0.55％，0.02％≤(Mo/3+Ni/5+2Nb)≤0.45％，0.01％≤(Al+Ti)≤0.13％；
2)复合
采用机械法对连铸坯的待复合面进行表面氧化铁皮清理，再对连铸坯待复合面的四条边进行坡口加工；叠合2层以上的连铸坯，对连铸坯贴合面进行四周焊接封闭，并抽取真空，得到复合板坯；
3)复合板坯加热和轧制复合板坯加热温度为1000～1250℃，保温1～5h；对复合板坯进行复合轧制，其中，开轧温度为1000～1150℃，终轧温度为780～980℃；
4)热处理
轧后直接空冷至室温，然后再离线淬火和回火热处理，淬火温度为850～950℃，钢板心部到温后的保温时间为10～90min；回火温度为100～450℃，钢板心部到温后的保温时间为30～120min。
6.根据权利要求4或5所述的低合金高强高韧钢板的制造方法，其特征在于，步骤(1)中所述铸造采用连铸工艺，连铸拉坯速度≤1.0m/min。
7.根据权利要求4-6任一项所述的低合金高强高韧钢板的制造方法，其特征在于，所述低合金高强高韧钢板的布氏硬度为390～460HB，屈服强度为900～1100MPa，抗拉强度为1100～1400MPa，延伸率为11～15％，-40℃夏比V型纵向冲击功≥40J。
8.根据权利要求7所述的低合金高强高韧钢板的制造方法，其特征在于，所述低合金高强高韧钢板的微观组织为马氏体+残余奥氏体或马氏体+贝氏体+残余奥氏体。
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