CN111850413B - 一种易焊接耐疲劳的高强韧合金钢的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种易焊接耐疲劳的高强韧合金钢及其制备方法。所述合金钢包括以下质量百分含量的化学成分：C：0.30‑0.40％、Si：0.35‑0.50％、Cr：1.00‑1.50％、Mn：0.80‑0.95％、Mo：0.50‑0.65％、W：1.00‑1.35％、V：0.05‑0.15％、Cu：0.05‑0.10％、Ni：0.05‑0.20％、Al：0.01‑0.02％、Ca：0.0015‑0.0050％、P<0.01％、S<0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质。所述制备方法包括：炼钢、铸造、预热处理、轧制、热处理。本发明提供的钢材强度高、韧性好、易焊接、耐疲劳，可应用于大型结构件和管道。

Description

一种易焊接耐疲劳的高强韧合金钢的制备方法

技术领域

本发明涉及合金钢及其制备领域，特别涉及一种易焊接耐疲劳的高强韧合金钢及其制备方法。

背景技术

在基础建设领域，一方面，建设工程及其环境的复杂性不断增加，另一方面，对建设效率提出了更高要求，要在较短时间内完成复杂的基建工程，势必对工程机械提出更高的要求。以起重机为例，要具有吊装大型重物到很高地方的能力，其结构件必须大规格化、轻量化、精密化。随着工程机械的功能和力量不断增加，对结构件所用钢材的要求也越来越苛刻，不仅要有较好的强度、韧性、易焊接、耐疲劳，还有高的淬透性、均匀的力学性能以及在复杂环境服役的力学性能稳定性。提高碳及其他合金元素的含量是提高钢材强度的有效途径，但是，碳当量的提高对钢材的韧性、焊接性和耐疲劳性能都会造成不利影响。我国基础建设和工程机械制造处于国际领先水平，基础建设规模和建设速度均令世人震惊，各种工程机械起到了重要的支撑作用，但是，工程机械制造所需的高品质钢材却依赖进口，如何在兼顾强韧性的基础上提升钢材的焊接性能和耐疲劳性能，成为我国钢铁行业急需解决的关键问题。

公开号为CN108085617A的专利公开了一种钢材生产技术方案，采用低碳的成分设计和预硬化处理，为了保证钢的强度和淬透性，大幅增加了Mn、 Cr等合金元素含量，导致原材料成本增加，此外，该技术方案的生产工艺复杂，在奥氏体化过程中加热温度较高且保温时间长，导致生产能耗增加，且可能出现晶粒粗化现象。

公开号为CN102650021A的专利公开了一种贝氏体预硬型钢材的制备方法，采用低合金化的化学成分配方，通过提高Mn元素含量保证合金的强度，通过减少Cr、Mo元素含量提高合金的淬透性，为了避免形成较多的MnS而导致热脆，该发明的技术方案要求严格控制钢水的含S量，从而增加冶炼成本；此外，由于Cr、Mo元素的降低，容易导致钢材出现高温回火脆性，影响其后续加工。

公开号为CN105568173A的专利公开了一种高强韧耐热钢的技术方案，通过双真空熔炼、大锻造比成形，细化晶粒而同时提高强韧性，但是，该技术方案产品的室温冲击韧性仅有60J左右。

相比现有的技术方案，本发明采用中低碳低合金的成分设计方案，通过预热处理、轧制和淬火加两次回火的制备工艺，使钢材的强度与韧性、焊接性能、耐疲劳性能较好匹配，从而得到高性能的合金钢。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种易焊接耐疲劳的高强韧钢材及制备方法，使碳当量较低的合金钢在保证超高强度的前提下，兼顾好的韧性、焊接性和耐疲劳性能。

本发明的目的之一在于克服现有技术不足提供一种易焊接耐疲劳的高强韧钢材的成分设计方案

本发明一种易焊接耐疲劳的高强韧钢材，所述钢材包括如下质量百分含量的化学成分：其中C含量范围为0.30-0.40％，Si含量范围为0.35-0.50％，Cr 含量范围为1.00-1.50％，Mn含量范围为0.80-0.95％，Mo含量范围为0.50-0.65％， W含量范围为1.00-1.35％，V含量范围为0.05-0.l5％，Cu含量范围为0.05-0.10％， Ni含量范围为0.05-0.20％，Al含量范围为0.01-0.02％，Ca含量范围为 0.0015～0.0050％，P＜0.01％，S＜0.003％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

本发明C元素的含量在0.30～0.40wt％范围内，具体的，如0.30wt％， 0.31wt％，0.32wt％，0.33wt％，0.34wt％，0.35wt％，0.36wt％，0.37wt％，0.38wt％， 0.39wt％，0.40wt％；当C的含量大于等于0.30wt％时，可保证钢材具有较高的淬透性和足够的强度，但是，当C的含量高于0.40wt％时，会导致钢材的塑性和韧性显著下降，同时还会影响钢材的焊接性能和抗氢裂性能。

本发明Si元素的含量在0.35～0.50wt％范围内，具体的，如0.35wt％， 0.36wt％，0.37wt％，0.38wt％，0.39wt％，0.40wt％，0.41wt％，0.42wt％，0.43wt％，0.44wt％，0.45wt％，0.46wt％，0.47wt％，0.48wt％，0.49wt％，0.50wt％；Si 含量大于等于0.35wt％时，可以保证钢的淬透性和回火抗性，提高钢的强度，但是，Si含量高于0.50wt％时，容易导致冷脆，严重影响钢材的焊接质量。

本发明Mn元素的含量在0.80～0.95wt％范围内，具体的如，0.80wt％， 0.81wt％，0.82wt％，0.83wt％，0.84wt％，0.85wt％，0.86wt％，0.87wt％，0.88wt％， 0.89wt％，0.90wt％，0.91wt％；0.92wt％，0.93wt％，0.94wt％，0.95wt％，当 Mn的含量大于等于0.80wt％时，能充分发挥Mn的固溶强化作用，提高淬火钢中马氏体的比例，但是，当Mn的含量大于0.95wt％时，钢材的碳当量和冷裂纹敏感指数均会提高，不利于钢材的焊接。

本发明Cr元素的含量在1.00～1.50wt％范围内，具体的如，1.00wt％、 1.10wt％、1.20wt％、1.30wt％、1.40wt％和1.50wt％；当Cr的含量大于等于 1.00％wt％时，能保证钢的淬透性，并有利于高温抗氧化性能，但是，当Cr 的含量高于1.50wt％时，容易在晶界上析出粗大的碳化物，显著降低钢的韧性和焊接性能。

本发明Mo元素的含量在0.50～0.65wt％范围内，具体的，如0.50wt％， 0.55wt％，0.60wt％，0.65wt％；当Mo的含量大于等于0.50wt％时，能降低或抑制钢的高温回火脆性，使钢材可在较高温度回火，从而有效消除残余应力，提高塑韧性，但是，当Mo的含量高于0.65wt％时，对强度提高贡献不大，且会造成资源浪费。

本发明W元素的含量在1.00～1.35wt％范围内，具体的，如1.00wt％， 1.05wt％，1.10wt％，1.15wt％，1.20wt％，1.25wt％，1.30wt％，1.35wt％；当 W的含量大于等于1.00wt％时，能促进贝氏体转变，增强钢材的热强性和蠕变抗力，但是，当W的含量高于1.35wt％时，钢材的韧性会显著下降。

本发明V元素的含量在0.05～0.10wt％范围内，具体的，如0.05wt％， 0.06wt％，0.07wt％，0.08wt％，0.09wt％，0.10wt％；当V的含量大于等于0.05wt％时，有较好的沉淀强化效果，能提高钢的回火稳定性并有显著的二次硬化效果，但是，当V的含量超过0.10wt％时，对焊接性能和韧性有负面影响，钢材的冲击韧性会明显下降。

本发明Ni元素的含量在0.05～0.20wt％范围内，可扩大奥氏体相区，细化铁素体晶粒，使钢的基体组织在低温下易于交叉滑移，大幅度提高韧性。

本发明Cu元素的含量在0.05～0.10wt％范围内，Cu可与Ni协同作用，使钢表面形成钝化膜，防止H的侵入，提高合金钢的耐蚀性，同时改善钢材的焊接性能。

本发明Ca元素含量在0.0015～0.0050wt％范围内，在钢水中加入适量的 Ca进行钙化处理，将硫化物球化，提高钢的冲击韧性，但是，Ca含量过高容易生成对钢韧性有害的非金属夹杂物。

本发明Al元素含量在0.01～0.02wt％范围内，Al和O、N有极强的亲和力，能够起到积极的脱氧效果，并与N形成AlN，既能细化晶粒，又能起到固N 效果。

本发明中，S的含量＜0.003wt％，P的含量＜0.01wt％，通过严格控制S、 P等杂质元素获得高韧性，减少热裂和冷裂倾向，获得耐疲劳的焊接接头。

本发明的目的之二在于克服现有技术不足而提供一种易焊接耐疲劳的高强韧钢材的制备方法；所述制备方法包括如下步骤：按所述化学成分进行配料、熔炼和精炼，进行炉前快速成分分析，根据设计的材料组分配比进行成分调整，然后进行铸造、预热处理、轧制、热处理。

本发明所述预热处理包括非完全奥氏体化和等温退火。

本发明所述非完全奥氏体化温度为810-850℃，优选为820-840℃，保温时间为1-4h，优选为2-3h。

本发明所述等温退火温度为710-750℃，优选为720-740℃，保温时间2-5h，优选为3-4h；当退火温度低于710℃时，不能完全球化的珠光体呈现细片状，导致钢材硬度较高，不利于后续轧制处理，退火温度不高于750℃时，铁素体上均匀分布有细球状的渗碳体，珠光体为点状和小球状，能够有效抑制后续淬火加热时的晶粒长大。

本发明所述轧制为热轧，包括纵向轧制和横向轧制；所述纵向轧制的开轧温度为1030-1120℃，终轧温度为980-1010℃，压下率为30-40％；所述横向轧制的开轧温度为940-970℃，终轧温度为900-930℃，压下率为50-60％。本发明所述热处理包括淬火和两次回火。

本发明所述淬火温度为860～890℃，保温时间为1～2h，当奥氏体化温度低于860℃时，碳化物溶解较少，冷却后得到细针状和隐针状马氏体组织，虽然提高了钢材的强度，但韧性和焊接性能会明显降低；奥氏体化温度不高于 890℃，退火钢中二次渗碳体和合金碳化物溶解于奥氏体中，冷却后得到板条状马氏体组织，能够大幅提升钢材韧性和耐疲劳性能。

进一步的，本发明所述淬火温度为870～890℃，保温时间为1～1.5h，得到的组织由板条马氏体+少量残余奥氏体组成，回火后的钢材强韧性匹配更佳。

本发明所述两次回火的回火温度均为540～580℃，回火时间均为1～4h；当回火温度低于540℃时，原马氏体晶界比较明显，回火马氏体呈针状分布，钢材韧性仍有提升的空间，但是，当回火温度高于580℃时，再结晶的α铁素体明显长大，碳化物颗粒迅速聚集长大，组织界限模糊，会显著降低钢的强度和耐疲劳性能。

进一步的，本发明所述回火温度为550～570℃，回火时间为2～3h，回火组织为回火索氏体和细小弥散分布的粒状碳化物，很大程度保持着淬火马氏体的位向和细小板条形状，出现明显的胞状组织，具有较好的强韧性和耐疲劳性能，使用具有这种回火组织的合金钢为焊接母材，能够实现与焊接接头的良好强韧性匹配，且焊后热影响区不容易发生冷裂，能在较低预热温度的情况下进行焊接。

本发明的技术方案有如下有益效果：

1.本发明通过所述的预热处理，能够防止钢材轧制时开裂，并促使大量结晶核心形成，大幅减少常规退火后可能存在的链状碳化物等缺陷，使碳化物变得细小均匀，从而进一步提高钢材的综合性能。

2.本发明经过所述的两次回火，能在强度损失不大的前提下提高钢的韧性和焊接性能，实现强度与韧性的最佳匹配。

3.本发明通过优化的成分配方和热处理工艺，改善超高强钢的综合性能，同时节能降耗和降低成本，从而有较好的经济效益。

附图说明

图1为实施例13的热处理工艺示意图；

图2为实施例13经过预热处理和880℃淬火后的SEM照片；

图3为实施例13经过两次回火后的SEM照片。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和技术效果更加清楚，下面将结合附图及实施例进行具体描述，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

本发明针对现有的问题，提供了一种易焊接耐疲劳的高强韧合金钢及其制备方法，采用原料成本较低的化学成分配比，并如图1所示，通过预热处理和适当的调质工艺，获得了强韧性匹配且易焊接、耐疲劳的钢材。

表1列出了本技术方案实施例和对比例主要合金元素的质量百分数，对比例12没有添加Ni，实施例和对比例中的其它元素含量相同，其中Ca为 0.0025wt％，Cu为0.07wt％，Ni为0.15wt％，Al为0.015wt％，余量为Fe和不可避免的杂质，其中P<0.01wt％、S<0.003wt％。

表1实施例和对比例的主要合金元素质量百分数

按照确定的化学成分配比进行配料，熔料、脱磷后，进行炉外精炼、氩气搅拌，然后铸造成钢坯，预热处理后进行热轧，之后进行热处理。表2列出了实施例和对比例的热处理方案。

表2实施例和对比例的热处理方案

按照标准GB/T 228.1-2010测试屈服强度、抗拉强度和延伸率，按照GB/T 229-2007测试室温的横向冲击功，结果如表3所示。

表3实施例和对比例钢材的力学性能指标

由表3可看出，本发明实施例钢材的屈服强度均大于1050MPa，抗拉强度均大于1265MPa，硬度均大于37.4HRC，延伸率均大于16.5％，室温横向冲击功均大于183J。图2为实施例13经过预热处理和880℃淬火后的SEM照片，可以看出，采用非完全奥氏体化的预热处理，再进行轧制和淬火之后，马氏体板条组织相互交叉，残余奥氏体呈块状和长条状分布在马氏体板条之间，使得钢材的强度和硬度提高；图3为本发明实施例13经两次回火后的SEM照片，可以看出长条状残余奥氏体完全分解，奥氏体晶界和板条界面分布着大量细小弥散的点状和长条状渗碳体，且基体组织中分布着大量细小弥散的碳化物，提高了钢材的耐疲劳性能。

不在本发明范围之内的成分，或者未采用本发明提供的预热处理和热处理工艺，钢材的力学性能指标均较低，钢材在轧制和热处理过程中产生的缺陷难以消除，耐疲劳性能较差。例如，对比例1中预热处理温度过高，钢材强度和硬度偏低，耐疲劳性能较差；对比例3中预热处理温度过低，塑韧性较差；对比例10和11中只采用了一次回火，钢材韧性显著偏低，焊接性能较差；对比例4中C含量为0.16wt％，低于本发明提供的C含量的下限，强度明显降低；对比例6中Si的含量为0.58wt％，超过本发明提供的Si含量的上限，韧性降低明显。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种易焊接耐疲劳的高强韧合金钢的制备方法，其特征在于，所述合金钢由如下质量百分含量的化学成分组成：

C：0.30-0.40％；

Si：0.35-0.50％；

Cr：1.00-1.50％；

Mn：0.80-0.95％；

Mo：0.50-0.65％；

W：1.00-1.35％；

V：0.05-0.15％；

Cu：0.05-0.10％；

Ni：0.05-0.20％；

Al：0.01-0.02％；

Ca：0.0015-0.0050％；

P＜0.01％，S＜0.003％；

余量为Fe和不可避免的杂质；

所述制备方法包括如下步骤：按所述化学成分进行配料、初炼和精炼，进行炉前快速成分分析和成分调整，然后进行铸造、预热处理、轧制和热处理；

所述预热处理包括非完全奥氏体化和等温退火；所述非完全奥氏体化的加热温度为810-850℃，保温时间为1-4h；所述等温退火的退火温度为710-750℃，保温时间为2-5h；

所述热处理为淬火和两次回火，所述淬火是在860-890℃保温1-2h，然后水淬；所述两次回火的回火温度和回火时间相同，均为540-580℃保温1-4h，所述轧制为热轧，包括纵向轧制和横向轧制。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述非完全奥氏体化的加热温度为820-840℃，保温时间为2-3h。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述等温退火的退火温度为720-740℃，保温时间为3-4h。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纵向轧制的开轧温度为1030-1120℃，终轧温度为980-1010℃，压下率为30-40％。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述横向轧制的开轧温度为940-970℃，终轧温度为900-930℃，压下率为50-60％。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述淬火是在870-890℃保温1-1.5h，然后水淬。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述两次回火均为在550-570℃保温2-3h。

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