CN104846293A - 高强韧性钢板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强韧性钢板，钢中化学成分及重量百分比为：C：0.032～0.11％，Si：0.10～0.26％，Mn：1.51～1.80％，Nb：0.03～0.06％，Ti：0.012～0.020％，V≤0.052％、Mo≤0.20％，Ni≤0.40％，Cr≤0.30％，Cu≤0.15％，P≤0.018％，S≤0.0020％，其余为Fe和不可避免杂质。本发明还公开了这种高强韧性钢板的制备方法，包括如下步骤：1)铸坯；2)加热；3)轧制；4)冷却；5)热处理；6)空冷。本发明热轧工艺简单，热处理温度低，保温时间短，能耗低，降低生产了成本，得到了质量更为优良的产品，提高了产率。
Description
技术领域
本发明涉及合金钢及其炼钢、轧钢和热处理技术，特别是指一种高强韧性钢板及其制备方法。
背景技术
材料性能控制技术的发展是一个不断提高钢板强度和韧性的过程。过去，钢板的高强度和高韧性是通过合金化及热处理实现的。然而，合金化会带来生产成本高、焊接性能差等一系列问题，从而使板厚和韧性受到了限制。从20世纪60年代始，建立了利用控制轧制温度来细化晶粒的控制轧制技术(CR)，该技术对减少合金、提高钢板焊接性能等方面发挥了很大的作用。
在较低温度下，运用CR技术.能得到高强度高韧性钢，但生产率低。由于CR是基于晶粒细化的过程.虽然能提高屈服强度和韧性，但没有合金化，不能提高抗拉强度因此，这种工艺不能有效地提高钢板的焊接性。70年代后期，研究工作直接转到TMCP技术的开发上，通过CR及加速冷却(ACC)，控制奥氏体相向铁素体相转变，从而提高钢板强度和韧性，减少合金消耗，提高焊接性能。目前这种技术正广泛用于各个用钢领域，包括造船业、海上钻井平台用钢、管线钢和建筑用钢。
TMCP技术的开发，有效解决了钢板强度和韧性的问题，但同时也带来了钢板板形问题。特别是屈服强度大于480MPa的钢板，由于必须采用快速冷却，才能达到性能要求，在快速冷却过程中，特别是轧制板形较差，又没有预矫设备的情况下，冷却后的钢板存在板形瓢曲的现象，同时也造成了钢板性能的不均匀。
为解决上述问题，公开号CN1487101A的中国发明专利申请公开了一种提高现有针状铁素体管线钢强度的方法，其方法为：在现有热机械控制轧制生产过程后增加析出强化热处理过程，热处理温度为550℃～650℃，保温时间为1～10h，其热处理过程可以是轧后冷却到550℃～650℃的温度，也可以是在热处理炉中重新加热到550℃～650℃。此方法的热处理时间较长，浪费能源，如果是冷却到550℃～650℃的温度进行保温，操作上存在困难。
公开号CN101906569B的中国发明专利公开了一种热处理方法制备的抗大变形管线钢及其制备方法，其钢化学成分为：C：0.02～0.12％、Mn：0.5～2.0％、Si≤0.25％、S≤0.01％、P≤0.02％、Nb≤0.11％、V≤0.08％、Ti≤0.05％、Al≤0.06％、N≤0.012％、Cu≤0.50％、Cr≤0.60％、Mo≤0.50％、Ni≤0.60％、B≤0.005％、Ca≤0.01，其余为铁及不可避免的杂质。CEⅡW：0.3～0.45％、CEpcm≤0.20％。其制造方法为：在热处理炉中加热钢至700～950℃，保温6～15min，以1～400℃/S的速度冷却到室温，同时进行室温至500℃回火，得到高抗拉强度、低屈服强度、低屈强比、高均匀延伸率、高应变硬化指数的抗大变形管线钢。此方法所提供的化学成分太过宽泛，没有可操作性，同时发明中没有提供具体的轧钢工艺。
因此，提供一种便于操作、可以使钢板性能均匀的高强韧性钢板的制备方法显得十分必要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有背景技术的不足之处，而提供一种高强韧性钢板和一种便于操作、可以使钢板性能均匀的高强韧性钢板的制备方法。
本发明的目的是通过如下措施来达到的：一种高强韧性钢板，钢中化学成分及重量百分比为：C：0.032～0.11％，Si：0.10～0.26％，Mn：1.51～1.80％，Nb：0.03～0.06％，Ti：0.012～0.020％，V≤0.052％、Mo≤0.20％，Ni≤0.40％，Cr≤0.30％，Cu≤0.15％，P≤0.018％，S≤0.0020％，其余为Fe和不可避免杂质。
优选地，钢中化学成分及重量百分比为：C：0.032～0.056％，Si：0.22～0.26％，Mn：1.65～1.80％，Nb：0.045～0.06％，Ti：0.018～0.020％，V≤0.030％、Mo≤0.18％，Ni≤0.18％，Cr≤0.26％，Cu≤0.04％，P≤0.012％，S≤0.0012％，其余为Fe和不可避免杂质。
进一步地，钢中化学成分及重量百分比为：C：0.046％，Si：0.24％，Mn：1.72％，Nb：0.052％，Ti：0.018％，V：0.018％、Mo：0.18％，Ni：0.18％，Cr：0.26％，Cu：0.04％，P：0.012％，S：0.0010％，其余为Fe和不可避免杂质。
更进一步地，高强韧性钢板的屈服强度为486～560MPa、抗拉强度为545～682MPa、断后伸长率为30～44％、-20℃冲击吸收功为185～362J。
上述化学成分的作用如下：
C：碳是钢中最经济、最基本的强化元素，固溶强化和析出强化对提高钢板的强度有明显作用，但提高碳含量对钢的延性、韧性和焊接性有负面的影响，高强韧钢的发展过程是不断降低碳含量的过程，因此，本发明的碳含量控制在0.032～0.11％。
Si：硅起固溶强化作用，同时避免因添加过量导致钢板的塑、韧性显著恶化。
Mn：锰元素可以提高钢的强度，但是含量高时，将降低钢的低温韧性。
Nb：铌是微合金化钢中最主要的元素之一，对晶粒细化的作用十分明显。铌可以显著提高钢的奥氏体再结晶温度，扩大未再结晶区范围，便于实现高温轧制。铌还可以抑制奥氏体晶粒长大，具有显著地细晶强化和析出强化作用。但是，在高强度贝氏体钢中，添加过量的铌会促使M-A岛的形成，降低焊接热影响区的韧性。因此，本发明的铌含量控制在0.03～0.06％。
Ti：钛是强固N元素，细小的TiN粒子可有效的阻止铸坯再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时还可以改善焊接热影响区的冲击韧性。
Mo：钼显著推迟奥氏体向铁素体的转变，抑制铁素体和珠光体的形成，促进具有高密度位错亚结构的贝氏体/针状铁素体的形成。使得钢在轧制后一个较宽的冷却速度范围内能够得到贝氏体/针状铁素体组织。但是，过量的钼会导致钢的低温韧性恶化，且钼属于贵重金属，加入量增加会显著提高钢的制造成本。因此，本发明的钼含量控制为Mo≤0.20％。
Ni：镍能够有效提高钢的淬透性，具有一定的固溶强化作用，还能显著改善钢的低温韧性，Ni的加入只要是改善Cu在钢种易引起的热脆性，且对韧性有利，镍属于贵重金属，加入量增加会显著提高钢的制造成本。因此，本发明的镍含量控制为Ni≤0.40％
Cu：可通过固溶强化作用提高钢的强度，同时，铜改善钢的耐蚀性。
Cr：铬通过固溶强化和晶粒细化提高强度。
P：磷元素增加回火脆性及冷脆敏感性。
S：硫元素增加钢的热脆性，然而，硫含量高时，对焊接性能不利。因此，本发明的硫含量控制为S≤0.0020％。
一种高强韧性钢板的制备方法，包括如下步骤：
1)转炉冶炼并连铸成厚度为200～300mm的铸坯；
2)将步骤1)所得的铸坯加热到1150～1200℃；
3)将步骤2)加热后的铸坯进行粗轧和精轧：
在粗轧阶段，控制粗轧开轧温度为1080～1110℃，粗轧道次的压下率为15～20％，粗轧的总压下率为60～70％；
在精轧阶段，控制精轧开轧温度不高于1025℃，并控制精轧最后两道次的压下率为12～16％，终轧温度控制在780～850℃；
4)冷却步骤3)轧制后的钢板，控制开冷温度为730～800℃，然后以5～40℃/s的冷却速度将钢板冷却至300～650℃，再空冷至室温；
5)将步骤4)冷却后的钢板热处理，控制热处理温度为400～500℃，热处理保温时间为20～30min；
6)将步骤5)热处理后的钢板空冷至室温，即得高强韧性钢板。
优选地，步骤5)中，控制热处理温度为400～450℃，热处理保温时间为20～25min；
控制粗轧开轧温度1080～1110℃，可以保证钢板在高温大压下下，晶粒充分破碎；
控制粗轧道次压下率为15～20％，钢板在未再结晶温度区，奥氏体的晶粒充分破碎，同时可以抑制晶粒的过度长大；
控制钢板的精轧开轧温度不高于1050℃，可以保证不同规格钢板的终轧温度和开冷温度达标。
控制精轧最后两道次的压下率为12～16％，可以保证钢板在发生相变前的晶粒充分细化。
控制钢板的开冷温度为730～800℃，可以保证不同级别的钢板得到不同的组织状态，高钢级得到贝氏体组织，低级别钢板得到铁素体+珠光体+贝氏体组织。
控制钢板的热处理温度400～500℃，优选为400～450℃，保温时间为20～30min，优选为20～25min，使钢板中有析出物析出，钢板的屈服强度不越上限，同时避免晶粒长大导致钢板性能下降。
更进一步地，高强韧性钢板的制备方法，包括如下步骤：
1)转炉冶炼并连铸成厚度为250mm的铸坯；
2)将步骤1)所得的铸坯加热到1191℃；
3)将步骤2)加热后的铸坯进行粗轧和精轧：
在粗轧阶段，控制粗轧开轧温度为1095℃，粗轧道次的压下率为17％，粗轧的总压下率为65％；
在精轧阶段，控制精轧开轧温度880℃，并控制精轧最后两道次的压下率均为15％，终轧温度控制在808℃；
4)冷却步骤3)轧制后的钢板，控制开冷温度为730℃，然后以30℃/s的冷却速度将钢板冷却至500℃，再空冷至室温；
5)将步骤4)冷却后的钢板热处理，控制热处理温度为410℃，热处理保温时间为22min；
6)将步骤5)热处理后的钢板空冷至室温，即得高强韧性钢板。
按上述条件制成的钢板的屈服强度560MPa、抗拉强度585MPa、断后伸长率42.5％和-20℃冲击吸收功362J，性能好。同时，其性能比只进行到步骤4)没有经过热处理条件下制成的钢板也得到了意想不到的提升，具体地，屈服强度提高95MPa，抗拉强度提高45MPa，断后伸长率提高10％，-20℃冲击吸收功提高106J。
本发明的优点在于：
其一，本发明的热处理工序明显提高了钢板的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和-20℃冲击吸收功，对于薄规格的钢板，解决了板形不合格和性能不均匀的问题；对于厚规格的钢板，使钢板的性能得到了有效的提升，有效的解决了没有预矫和冷矫设备时引起的板形和性能不均匀、不合格的现象，同时得到了质量更为优良的产品，提高了产率；
其二，本发明热轧工艺简单，热处理温度低，保温时间短，能耗低，降低生产了成本。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
本发明高强韧性钢板包括5组实施例及2组对比例，实施例及对比例中钢中具体化学成分及重量百分比如表1所示。
表1本发明各实施例及对比例的化学成分(wt％)
高强韧性钢板的制备方法，包括如下步骤：
1)转炉冶炼并连铸成厚度为200～300mm的铸坯；
2)将步骤1)所得的铸坯加热到1150～1200℃；
3)将步骤2)加热后的铸坯进行粗轧和精轧：
在粗轧阶段，控制粗轧开轧温度为1080～1110℃，粗轧道次的压下率为15～20％，粗轧的总压下率为60～70％；
在精轧阶段，控制精轧开轧温度不高于1025℃，并控制精轧最后两道次的压下率为12～16％，终轧温度控制在780～850℃；
4)冷却步骤3)轧制后的钢板，控制开冷温度为730～800℃，然后以5～40℃/s的冷却速度将钢板冷却至300～650℃，再空冷至室温；
5)将步骤4)冷却后的钢板热处理，控制热处理温度为400～500℃，热处理保温时间为20～30min；
6)将步骤5)热处理后的钢板空冷至室温，即得高强韧性钢板。
5组实施例及2组对比例中的主要工艺参数：铸坯厚度、铸坯加热温度、粗轧开轧温度、道次的压下率、精轧开轧温度、最后两道次的压下率、终轧温度、开冷温度、冷却速度、热处理温度、热处理保温时间、产品厚度的具体数据如表2所示。其中，实施例的主要工艺参数均对应在上述数据范围内，而对比例中热处理温度与热处理保温时间不在上述数据范围内。
表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表
按实施例所述条件制成的钢板与只进行到步骤4)没有经过热处理条件下制成的钢板对比，测试后屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和-20℃冲击吸收功数据如表3所示。
表3本发明各实施例及对比例的性能结果列表
从表3可以看出：实施例1～5按实施例所述条件制成的钢板的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和-20℃冲击吸收功比只进行到步骤4)没有经过热处理条件下制成的钢板均得到了不同程度的提升。具体地，屈服强度提高46～95MPa，抗拉强度提高25～57MPa，断后伸长率提高3～11％，-20℃冲击吸收功提高79～106J。
对比例经过热处理制成的钢板的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和-20℃冲击吸收功比只进行到步骤4)没有经过热处理条件下制成的钢板也得到了不同程度的提升，但是幅度较实施例小，具体地，屈服强度提高1～7MPa，抗拉强度提高5MPa，断后伸长率提高0.5％，-20℃冲击吸收功提高3～4J。
由此可见，热处理均会使钢板的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和-20℃冲击吸收功比得到一定程度的提升；热处理温度对钢板的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和-20℃冲击吸收功比提升幅度的大小影响很大。
本发明高强韧性钢板的制备方法，轧制后，热处理温度控制在400～500℃，保温时间控制在20～30min，钢板的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和-20℃冲击吸收功比的提升均达到了意想不到的技术效果。
其它未经详细说明的部分均为现有技术。
Claims (7)
1.一种高强韧性钢板，其特征在于：钢中化学成分及重量百分比为：C：0.032～0.11％，Si：0.10～0.26％，Mn：1.51～1.80％，Nb：0.03～0.06％，Ti：0.012～0.020％，V≤0.052％、Mo≤0.20％，Ni≤0.40％，Cr≤0.30％，Cu≤0.15％，P≤0.018％，S≤0.0020％，其余为Fe和不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的高强韧性钢板，其特征在于：钢中化学成分及重量百分比为：C：0.032～0.056％，Si：0.22～0.26％，Mn：1.65～1.80％，Nb：0.045～0.06％，Ti：0.018～0.020％，V≤0.030％、Mo≤0.18％，Ni≤0.18％，Cr≤0.26％，Cu≤0.04％，P≤0.012％，S≤0.0012％，其余为Fe和不可避免杂质。
3.根据权利要求2所述的高强韧性钢板，其特征在于：钢中化学成分及重量百分比为：C：0.046％，Si：0.24％，Mn：1.72％，Nb：0.052％，Ti：0.018％，V：0.018％、Mo：0.18％，Ni：0.18％，Cr：0.26％，Cu：0.04％，P：0.012％，S：0.0010％，其余为Fe和不可避免杂质。
4.根据权利要求1或2或3所述的高强韧性钢板，其特征在于：高强韧性钢板的屈服强度为486～560MPa、抗拉强度为545～682MPa、断后伸长率为30～44％、-20℃冲击吸收功为185～362J。
5.根据权利要求1所述的高强韧性钢板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)转炉冶炼并连铸成厚度为200～300mm的铸坯；
2)将步骤1)所得的铸坯加热到1150～1200℃；
3)将步骤2)加热后的铸坯进行粗轧和精轧：
在粗轧阶段，控制粗轧开轧温度为1080～1110℃，粗轧道次的压下率为15～20％，粗轧的总压下率为60～70％；
在精轧阶段，控制精轧开轧温度不高于1025℃，并控制精轧最后两道次的压下率为12～16％，终轧温度控制在780～850℃；
4)冷却步骤3)轧制后的钢板，控制开冷温度为730～800℃，然 后以5～40℃/s的冷却速度将钢板冷却至300～650℃，再空冷至室温；
5)将步骤4)冷却后的钢板热处理，控制热处理温度为400～500℃，热处理保温时间为20～30min；
6)将步骤5)热处理后的钢板空冷至室温，即得高强韧性钢板。
6.根据权利要求5所述的高强韧性钢板的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中，控制热处理温度为400～450℃，热处理保温时间为20～25min。
7.根据权利要求5或6所述的高强韧性钢板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)转炉冶炼并连铸成厚度为250mm的铸坯；
2)将步骤1)所得的铸坯加热到1191℃；
3)将步骤2)加热后的铸坯进行粗轧和精轧：
在粗轧阶段，控制粗轧开轧温度为1095℃，粗轧道次的压下率为17％，粗轧的总压下率为65％；
在精轧阶段，控制精轧开轧温度880℃，并控制精轧最后两道次的压下率均为15％，终轧温度控制在808℃；
4)冷却步骤3)轧制后的钢板，控制开冷温度为730℃，然后以30℃/s的冷却速度将钢板冷却至500℃，再空冷至室温；
5)将步骤4)冷却后的钢板热处理，控制热处理温度为410℃，热处理保温时间为22min；
6)将步骤5)热处理后的钢板空冷至室温，即得高强韧性钢板。
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