專利名稱：高強韌性低碳貝氏體厚鋼板及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，尤其涉及一種高強韌性低碳貝氏體厚鋼板及其生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
早期開發(fā)的低碳貝氏體鋼中Mn含量低，Cr、Ni元素含量較高，鋼的成本高，且對促進全部組織的貝氏體轉(zhuǎn)變效果不理想，因而鋼的強度級別不高，生產(chǎn)比較困難。
武漢鋼鐵集團公司一項申請?zhí)枮?7109312.1，名為“銅硼系低碳及超低碳貝氏體高強度鋼”的中國專利，其抗拉強度可以達到590N/mm2級別以上，含有達0.5％左右的Cu，但不含Ni，如果加熱溫度不當，鋼板表面很容易出現(xiàn)龜裂等缺陷，而且所能生產(chǎn)的鋼板厚度僅在16mm以下。該公司還生產(chǎn)一種DB685鋼板，軋后需要回火處理，增加了生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本，其成分中同時含有Mo和B元素，Mo元素的加入使成本提高且焊接性能變差。
北京科技大學(xué)申請了一項申請?zhí)枮?1115650.3，名為“一種用于高強度低合金鋼生產(chǎn)的弛豫-析出-控制相變技術(shù)”的中國專利，利用該項技術(shù)，可以獲得超細復(fù)合組織，采用少量元素，能夠獲得高強度、高韌性和低成本。該技術(shù)僅適用于屈服強度800N/mm2級別鋼板的生產(chǎn)，然而其Nb、Ti元素含量較高，重量百分比分別為0.091和0.08，給連鑄生產(chǎn)帶來很大的技術(shù)難度，不利于大工業(yè)化連鑄生產(chǎn)，且與N結(jié)合后過剩的Ti也會引起沖擊韌性的降低。該技術(shù)采用較高的鋼坯加熱溫度，會影響鋼的低溫韌性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，從市場需求的角度出發(fā)，提供一種成分設(shè)計合理、工藝簡單、低成本、高強度、高韌性、抗拉強度為600N/mm2和700N/mm2的低碳貝氏體厚鋼板。
本發(fā)明高強韌性低碳貝氏體厚鋼板的主要合金系為Mn-Cu-Ni-Nb-Ti-B，其化學(xué)成分含量(Wt％)為C0.04％～0.08％、Si 0.1％～0.5％、Mn1.4％～1.85％、Nb0.015％～0.060％、Ti0.005％～0.03％、B0.0005％～0.0030％、Cu0.10％～0.60％、Ni0.05％～0.6％、Al0.015％～0.05％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明所述低碳貝氏體鋼的抗拉強度為600N/mm2級別時，其化學(xué)成分含量(Wt％)為C0.04％～0.08％、Si 0.1％～0.5％、Mn1.4％～1.6％、Nb0.015％～0.060％、Ti 0.005％～0.03％、B0.0005％～0.0030％、Cu0.1％～0.30％、Ni0.05％～0.25％、Al0.015％～0.050％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明所述低碳貝氏體鋼的抗拉強度為700N/mm2級別時，其化學(xué)成分含量(Wt％)為C0.04％～0.08％、Si0.1％～0.5％、Mn1.55％～1.85％、Nb0.015％～0.06％、Ti0.005％～0.03％、B0.0007％～0.0025％、Cu0.35％～0.60％、Ni0.23％～0.6％、Al0.015％～0.050％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明之所以選擇以上合金元素的種類及含量主要在于(1)C碳對鋼的強度、韌性、焊接性能冶煉成本影響很大。碳低于0.04％鋼的強度達不到目標要求；碳高于0.08％，則生成組織中貝氏體組織減少，使延伸率和韌性下降，本發(fā)明確定最適宜的碳含量的范圍為0.04％～0.08％。
(2)Mn錳是提高強度和韌性的有效元素，對貝氏體轉(zhuǎn)變有較大的促進作用，而且成本十分低廉，因此在本發(fā)明中把Mn元素作為主要添加元素。故本發(fā)明錳含量限定在1.4％～1.85％之間，其中600N/mm2級別在1.4％～1.6％，700N/mm2級別在1.55％～1.85％。
(3)B硼元素是本發(fā)明中重要的成分，它能夠提高鋼的淬透性，加入極微量的硼就會有明顯的效果，顯著推遲奧氏體向鐵素體、珠光體的轉(zhuǎn)變，當有Nb同時存在時，硼的作用更加突出。當硼含量低于0.0005％時，提高淬透性的效果不大；當硼的含量為0.001％時，就會使鋼的組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w；高達0.003％時，淬透性達到飽和，此時可觀察到Fe23(CB)6的析出；高于0.003％，淬透性下降，鋼的韌性惡化，且會形成低熔點共晶體，集中于晶粒的邊界，這將引起熱脆性，增加熱壓力加工困難。故在本發(fā)明中將硼限定在0.0005％～0.0030％。
(4)Nb鈮是本發(fā)明的重要添加元素，它能夠有效地延遲變形奧氏體的再結(jié)晶，阻止奧氏體晶粒長大，提高奧氏體再結(jié)晶溫度，細化晶粒，同時改善強度和韌性；它與微量的硼元素復(fù)合作用，可以顯著地提高淬透性，促進貝氏體轉(zhuǎn)變。這是因為在僅添加B的情況下，軋制后常常在奧氏體晶界析出Fe23(CB)6，從而大大降低了B的作用，不能有效地延遲γ-α的轉(zhuǎn)變，Nb易與C結(jié)合，防止形成Fe23(CB)6，隨著Nb在鋼中的溶解度增大，形成貝氏體的趨勢增大。在本發(fā)明中將Nb含量限定在0.015％～0.06％范圍內(nèi)。
(5)Ti加入微量的鈦，是為了固定鋼中的氮元素，從而確保硼元素的提高淬透性效果。硼與氧、氮的親合力較大，如果加入的微量硼與鋼中的氧、氮起作用，硼的促進貝氏體轉(zhuǎn)變的作用將消失。因此，必須將鋼中氣體盡量降低，加入足夠量的鋁、鈦進行完全脫氧和固氮，才能充分發(fā)揮硼的有效作用。在最佳狀態(tài)下，鈦、氮形成氮化鈦，阻止鋼坯在加熱、軋制、焊接過程中晶粒的長大，改善母材和焊接熱影響區(qū)的韌性。鈦低于0.005％時，固氮效果差，超過0.03％時，固氮效果達到飽和，過剩的鈦將會使鋼的韌性惡化，不利于連鑄。當鋼中的Ti、N原子之比為1∶1時，TiN粒子最為細小且分布彌散，對高溫奧氏體晶粒的細化作用最強，不僅可獲得優(yōu)良的韌性，而且能夠?qū)崿F(xiàn)30KJ/cm以上的大線能量焊接。此時相應(yīng)于Ti、N重量之比為3.42，故在本發(fā)明中，結(jié)合轉(zhuǎn)爐冶煉鋼中N的含量，將鈦成分控制在0.005％到0.03％。最佳控制為Ti、N重量之比為3.42左右。
(6)Si硅是煉鋼脫氧的必要元素，也具有一定的固溶強化作用，當?shù)陀?.1％時，難于獲得充分的脫氧效果；超過0.5％時，鋼的清潔度下降，韌性降低，可焊性差。故在本發(fā)明中將硅限定在0.1％～0.5％的范圍內(nèi)。
(7)Al鋁是脫氧元素，可作為AlN形成元素，有效地細化晶粒，其含量不足0.01％時，效果較??；超過0.07％時，脫氧作用達到飽和；再高則對母材及焊接熱影響區(qū)韌性有害。所以，在本發(fā)明中將鋁含量限定在0.015％～0.050％之間。
(8)Cu銅不僅對焊接熱影響區(qū)硬化性及韌性沒有不良影響，又可使母材的強度提高，并使低溫韌性大大提高，還可提高耐蝕性。在低碳貝氏體鋼中加入銅，可利用Cu-B的綜合作用，來進一步提高鋼的淬透性，促進貝氏體的形成。但Cu含量高時，鋼坯加熱或熱軋時易產(chǎn)生裂紋，惡化鋼板表面性能，必須添加適量的Ni以阻止這種裂紋的產(chǎn)生。在本發(fā)明中，根據(jù)強度級別和鋼板厚度的不同，將銅含量控制在0.1％～0.6％之間。其中600N/mm2級別在0.1％～0.30％，700N/mm2級別在0.35％～0.6％％。
(9)Ni鎳對焊接熱影響區(qū)硬化性及韌性沒有不良影響，又可使母材的強度提高，并使低溫韌性大大提高。其為貴重元素，導(dǎo)致鋼的成本大幅度上升，經(jīng)濟性差。在本發(fā)明中添加Ni元素的目的主要是阻止含Cu量高的鋼坯在加熱或熱軋時產(chǎn)生裂紋的傾向。故在本發(fā)明中將Ni含量控制在0.05％～0.6％之間。其中600N/mm2級別在0.1％～0.3％，700N/mm2級別在0.23％～0.6％％。
(10)鋼中的雜質(zhì)元素的上限控制在P≤0.02％，S≤0.01％，以提高鋼的韌性。最好N≤0.006％，以避免形成硼的氮化物，使硼的淬透性失效，鋼質(zhì)越純凈效果更佳。
本發(fā)明所述低碳貝氏體厚鋼板的生產(chǎn)方法如下冶煉工藝采用轉(zhuǎn)爐冶煉，通過頂吹或頂?shù)讖?fù)合吹煉，深脫碳；采用RH或VD真空處理和LF爐處理，以降低O、H、N等有害氣體以及S的含量；添加合金元素，進行微合金化；結(jié)合鋼中S含量，通過喂Si-Ca線2～7m/噸鋼，進行Ca處理，以控制硫化物形態(tài)，提高延性和韌性，減小鋼板橫向和縱向性能差；連鑄采用電磁攪拌。
軋制工藝采用控軋控冷技術(shù)(TMCP)和弛豫-析出-控制相變技術(shù)(RPC)，軋前加熱溫度為1050℃～1190℃，以保證獲得細小的奧氏體晶粒，能有相當量的Nb溶入奧氏體，有利于軋后冷卻過程中貝氏體的形成；采用兩階段控軋，再結(jié)晶區(qū)軋制溫度≥1000℃，未再結(jié)晶區(qū)軋制溫度為950℃～(Ar3+0℃～80℃)；積累變形量大于50％；軋后弛豫時間10～120s；隨后加速冷卻，加速冷卻的速度范圍在3～30℃/S，加速冷卻的終冷溫度控制在Bs點以下0～150℃，最佳終冷溫度在670℃～500℃之間；最后空冷。
本發(fā)明以成本低廉的Mn元素作為主要添加元素，將Cu、Ni、Nb、B等元素對貝氏體轉(zhuǎn)變的作用充分聯(lián)合應(yīng)用，不含成本較高的Mo元素，生產(chǎn)時不需要回火處理，工藝簡單；該鋼種碳含量低，低溫韌性好，韌脆轉(zhuǎn)折溫度在-80℃以下，焊接性能優(yōu)良，可以實現(xiàn)20～50KJ/cm以上的大線能量焊接。焊接前不需預(yù)熱，焊接后不需熱處理，而且具有優(yōu)良的冷彎成型性能；采用TMCP+RPC工藝，既提高了鋼的強度，又降低了成本。本發(fā)明采用較低的鋼坯加熱溫度，既節(jié)約能源，又提高了鋼的低溫韌性。軋成12mm～60mm厚度的鋼板后，產(chǎn)品可以廣泛應(yīng)用于工程機械、采挖機械、重型汽車、容器、舟橋、船舶、集裝箱及海洋設(shè)施等領(lǐng)域。
具體實施例方式
按照本發(fā)明設(shè)計的化學(xué)成分進行了冶煉連鑄，抗拉強度為600N/mm2級別和700N/mm2級別低碳貝氏體厚鋼板的實際化學(xué)成分如表1所示。本發(fā)明實施例所用的連鑄板坯厚度為230mm，在厚板廠進行了板坯加熱，加熱溫度為1180℃，在4300厚板軋機進行兩階段控制軋制，中間坯厚度保證了未再結(jié)晶區(qū)積累變形量在60％～70％。根據(jù)成品板厚不同，第二階段開軋溫度在930～830℃。按照本發(fā)明的生產(chǎn)工藝制造出的不同厚度鋼板的實物性能檢驗結(jié)果見表2。
從表2數(shù)據(jù)中可以看出，該鋼種具有高強度、高韌性、冷彎性能優(yōu)良等特點，加之化學(xué)成分設(shè)計采用了低的含碳量，焊接性能非常良好，從而使其成為綜合性能十分優(yōu)良、用途十分廣泛的高強度鋼種。
表1、本發(fā)明厚鋼板的冶煉成分實例(Wt％)

表2、本發(fā)明厚鋼板的實物性能

權(quán)利要求
1.一種高強韌性低碳貝氏體厚鋼板，其特征在于其化學(xué)成分含量(Wt％)為C0.04％～0.08％、Si0.1％～0.5％、Mn1.4％～1.85％、Nb0.015％～0.060％、Ti0.005％～0.03％、B0.0005％～0.0030％、Cu0.10％～0.60％、Ni0.05％～0.6％、Al0.015％～0.05％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低碳貝氏體厚鋼板，其特征在于抗拉強度為600N/mm2級別時，其化學(xué)成分含量(Wt％)為C0.04％～0.08％、Si0.1％～0.5％、Mn1.4％～1.6％、Nb0.015％～0.060％、Ti0.005％～0.03％、B0.0005％～0.0030％、Cu0.1％～0.30％、Ni0.05％～0.25％、Al0.015％～0.050％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低碳貝氏體厚鋼板，其特征在于抗拉強度為700N/mm2級別時，其化學(xué)成分含量(Wt％)為C0.04％～0.08％、Si0.1％～0.5％、Mn1.55％～1.85％、Nb0.015％～0.06％、Ti0.005％～0.03％、B0.0007％～0.0025％、Cu0.35％～0.60％、Ni0.23％～0.6％、Al0.015％～0.050％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述低碳貝氏體厚鋼板的生產(chǎn)方法，其特征在于鋼經(jīng)轉(zhuǎn)爐冶煉后，采用真空處理和LF處理，再進行微合金化和Ca處理，連鑄時采用電磁攪拌，軋制時采用控軋控冷技術(shù)和弛豫-析出-控制相變技術(shù)，軋前加熱溫度為1050℃～1190℃，采用兩階段控軋，再結(jié)晶區(qū)軋制溫度≥1000℃，未再結(jié)晶區(qū)軋制溫度控制在950℃～(Ar3+0℃～80℃)，積累變形量大于50％；軋后弛豫時間10～120s，隨后加速冷卻，加速冷卻速度范圍在3～30℃/S，加速冷卻的終冷溫度控制在Bs點以下0～150℃，之后空冷。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低碳貝氏體厚鋼板的生產(chǎn)方法，其特征在于所述終冷溫度為670℃～500℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低碳貝氏體厚鋼板的生產(chǎn)方法，其特征在于所述Ca處理是根據(jù)鋼中S含量，喂Si-Ca線2～7m/噸鋼。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高強韌性低碳貝氏體厚鋼板及其生產(chǎn)方法，其化學(xué)成分含量(Wt％)為C 0.04％～0.08％、Si 0.1％～0.5％、Mn 1.4％～1.85％、Nb 0.015％～0.060％、Ti 0.005％～0.03％、B 0.0005％～0.0030％、Cu 0.10％～0.60％、Ni 0.05％～0.6％、Al 0.015％～0.05％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明以成本低廉的Mn元素作為主要添加元素，將Cu、Ni、Nb、B等元素對貝氏體轉(zhuǎn)變的作用充分聯(lián)合應(yīng)用，不含成本較高的Mo元素；該鋼種碳含量低，低溫韌性好，韌脆轉(zhuǎn)折溫度在－80℃以下，焊接性能優(yōu)良，焊接前不需預(yù)熱，焊接后不需熱處理，而且具有優(yōu)良的冷彎成型性能。采用TMCP+RPC工藝，不需要回火處理，工藝簡單，既提高了鋼的強度，又降低了成本，產(chǎn)品可以廣泛應(yīng)用于工程機械、采挖機械、重型汽車、容器、舟橋、船舶、集裝箱及海洋設(shè)施等領(lǐng)域。
文檔編號C22C33/00GK1786247SQ20041009679
公開日2006年6月14日 申請日期2004年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月8日
發(fā)明者侯華興, 賀信萊, 于功利, 趙素華, 郝森, 尚成嘉, 張萬山, 魯強, 馬玉璞, 張濤, 楊軍, 王學(xué)敏 申請人:鞍山鋼鐵集團公司, 北京科技大學(xué)