一种抗拉强度1300MPa级薄规格超高强钢板及其制造方法与流程

一种抗拉强度1300mpa级薄规格超高强钢板及其制造方法
技术领域
1.本发明涉及金属材料制造技术领域，具体涉及一种抗拉强度1300mpa级薄规格超高强钢板及其制造方法。


背景技术：

2.近年来，工程机械用钢发展迅速，高强度结构钢被视为工程机械行业的关键材料，广泛应用于起重机、履带吊、装载机等大型装备的关键部位。这些部位因承载力大、受力情况复杂、使用环境苛刻等条件，主要使用屈服强度在700mpa～900mpa甚至1000mpa以上的高强度结构钢，以达到轻量化、安全高效、节能环保的行业发展需求。然而越来越高的强度往往会带来韧性的下降，无法满足高载重、高频率的复杂应用环境，尤其是北方寒冷地区，零下十几度甚至几十度的低温环境，给工程机械用钢带来了巨大的挑战，如何使其兼具高强度和优异的低温韧性是目前工程机械用钢发展的方向之一。
3.中国专利申请201611081233.4公开一种屈服强度1100mpa级高强钢的制造方法，-40℃冲击功≥27j，仅仅以满足国家标准为要求，性能富余量不明确。
4.中国专利申请201910539444.5涉及一种屈服强度1100mpa级的焊接结构贝氏体高强钢及其制备方法，c含量仅为0.05％～0.09％，实际生产中炼钢控制难度较大；终轧温度740℃过低，对轧机能力要求极严；且-40℃冲击功为38～56j，性能富余量较低，不利于实际应用。
5.中国专利申请201110096170.0涉及一种屈服强度1100mpa～1200mpa级超高强钢及其生产方法，-40℃冲击值为21～34j，性能富余量较低，不利于实际应用；其次，8mm厚度钢板的回火保温时间为90～180分钟，保温时间过长，不利于节能环保及生产效率的提高。
6.基于此，现有钢板未能达到高强度与优异低温韧性的良好匹配，同时也没能考虑到在工业大批量生产中实现的难易程度、节能环保以及生产效率等方面的实际问题。


技术实现要素：

7.针对现有钢板未能达到高强度与优异低温韧性的良好匹配的技术问题，本发明提供一种低温韧性优异的抗拉强度1300mpa级薄规格超高强钢板及其制造方法，通过简化成分设计，不添加mo、cu、v等贵重合金元素，大量降低贵重合金成本；通过洁净化冶炼、连铸、轧制和热处理等工序，生产出屈服强度≥1120mpa、抗拉强度≥1300mpa、断后伸长率≥11％、低温冲击韧性优异的钢板，具有成本低廉、质量稳定、工艺简单、易于工业化大批量生产的特点。
8.第一方面，本发明提供一种抗拉强度1300mpa级薄规格超高强钢板的制造方法，包括如下步骤：
9.(1)冶炼：按重量百分比计，熔炼化学成分为c：0.10％～0.15％、si：0.30％～0.55％、mn：1.00％～1.40％、p≤0.010％、s≤0.003％、ni：2.00～3.50％、cr：0.80％～1.20％、nb：0.025％～0.050％、ti：0.008％～0.035％、als：0.030％～0.070％、b：
0.0015％～0.0035％、o≤0.0025％、n≤0.0030％、h≤0.0002％，其余为铁及不可避免的杂质，碳当量(cev)＝c mn/6 (ni cu)/15 (cr mo v)/5≤0.75％；
10.(2)连铸；
11.(3)加热：加热时间按照2.5～4.0h，加热后出炉温度控制在1200～1280℃；
12.(4)轧制：采用两阶段轧制，第一阶段不进行展宽，不改变晶粒变形方向，始终保持纵向延展，第一阶段开轧温度1100～1200℃；第二阶段开轧温度≥950℃，终轧温度800～850℃得到厚度为5～20mm的钢板；
13.(5)热处理：淬火加热温度870～930℃，保温时间30～50min，出炉后水淬至室温；回火加热温度为150～300℃，保温时间为35～60min，出炉空冷，得到成品。
14.进一步的，所述步骤(2)控制中间包过热度在10～25℃，全程保护浇注，对铸坯堆垛缓冷。
15.进一步的，所述步骤(2)的堆垛缓冷采用热坯下铺上盖方式，四周用热坯包围，避免吹风，冷却时间为60h以上。
16.进一步的，所述步骤(2)的连铸坯厚度为150mm。
17.进一步的，对于成品厚度为[5,8]mm的钢板，所述步骤(3)的出炉温度控制在1240～1280℃。
[0018]
进一步的，对于成品厚度为[5,8]mm的钢板，所述步骤(4)的第一阶段开轧温度1160～1200℃；第二阶段开轧温度1080～1120℃，采用卷轧工艺，当钢板在第二阶段轧制过程中厚度≤20mm时进卷取炉，卷取炉内的温度为880～920℃，终轧温度810～850℃。对于成品厚度为[5,8]mm的钢板，采取卷轧轧制方式，保证了超薄规格钢板整体温度的均匀性，有利于钢板板形控制，避免因温度不均匀造成钢板板形问题。
[0019]
进一步的，对于成品厚度为(8,20]mm的钢板，所述步骤(3)的出炉温度控制在1200～1240℃。
[0020]
进一步的，对于成品厚度为(8,20]mm的钢板，所述步骤(4)的第一阶段开轧温度1100～1140℃；第二阶段开轧温度≥950℃，终轧温度800～840℃。
[0021]
进一步的，所述步骤(4)还包括连铸坯加热后进行高压水除鳞，除鳞水压力≥24mpa。
[0022]
第二方面，本发明提供一种采用上述制造方法生产的抗拉强度1300mpa级薄规格超高强钢板。
[0023]
进一步的，所述抗拉强度1300mpa级薄规格超高强钢板的屈服强度≥1120mpa，抗拉强度≥1300mpa，断后伸长率≥11％。
[0024]
进一步的，厚度为[5,8]mm的钢板的-40℃冲击吸收功≥40j；
[0025]
厚度为(8,12)mm的钢板的-40℃冲击吸收功≥60j；
[0026]
厚度为[12,20]mm的钢板的-40℃冲击吸收功≥80j。
[0027]
主要合金元素及其数量在本发明钢中的作用：
[0028]
碳(c)：当碳含量较高时，由于马氏体点较低，淬火后得到孪晶马氏体数量增加，导致钢的韧性、塑性恶化，淬裂倾向也增大；另一方面，钢的碳含量提高会增加淬火马氏体中过饱和碳含量，这些过饱和碳在回火过程中将以碳化物形式沿马氏体的某些晶面析出，导致钢的脆性增加，难以满足高韧性的要求。但碳含量较低，很难在钢中获得高强度，必须采
取其它方式加以弥补。因此，本发明设定的最佳碳含量为0.10％～0.15％。
[0029]
硅(si)：本发明中硅含量控制在0.30％～0.55％，硅主要以固溶强化形式提高钢的强度，超过0.55％时，会造成钢的韧性下降。
[0030]
锰(mn)：mn是脱氧和脱硫的有效元素，还可以提高钢的淬透性和强度，其对淬透性的增强作用高于cr、mo、ni。mn的不利一面是增大钢的过热敏感性，晶粒易粗大；淬火钢高温回火时，mn和p有强烈的晶界共偏聚倾向，促进回火脆性，因而应控制mn含量，以1.0％～1.40％为宜。
[0031]
铌(nb)：nb能降低钢的过热敏感性和回火脆性，具有重要的细晶强化作用，能与钢中的碳氮结合生成碳化物和碳氮化物，达到沉淀强化目的。本发明设定的最佳铌含量为0.025％～0.050％。
[0032]
铬(cr)：由于cr既能固溶于铁素体和奥氏体中，又能与钢中的c形成多种碳化物。cr固溶于奥氏体时，可提高钢的淬透性。当cr与c形成复杂碳化物，并在钢中弥散析出时，可起到弥散强化作用。由于cr提高淬透性和固溶强化的作用，能提高钢在热处理状态下的强度和硬度。铬和锰元素配合，可获得更高的淬硬性和淬透深度，提高钢的力学性能。铬比锰的偏析倾向小，用铬代锰有利于减少钢的芯部偏析，提高力学性能均匀性。因此可根据对强塑性的要求，确定合适的cr含量。本发明设定的最佳铬含量为0.80％～1.20％。
[0033]
镍(ni)：为保证厚钢板的淬透性和低温韧性，需加入2.00％～3.50％的ni，利用ni增加层错能，促进低温下螺旋位错的交滑移，减少应力集中以提高钢的韧性。
[0034]
铝(al)：铝是脱氧元素，可作为aln形成元素，有效地细化晶粒，其含量不足0.01％时，效果较小；超过0.070％时，脱氧作用达到饱和；再高则对母材及焊接热影响区韧性有害。由于钢中添加经济的b提高钢的淬透性，在加b之前钢水必须充分脱氧、定氮，因此成分中必须有足够的al，以保证钢中的钛、硼不被氧化，获得有效的酸溶硼。
[0035]
钛(ti)：钛可形成细小的钛的碳、氮化物颗粒，在板坯再加热过程中可通过阻止奥氏体晶粒的粗化从而得到较为细小的奥氏体显微组织。另外，钛的氮化物颗粒的存在可抑制焊接热影响区的晶粒粗化。因而，钛可同时提高基体金属和焊接热影响区的低温韧性。它可以阻止游离氮由于形成了硼的氮化物而对钢的淬透性产生的不利影响，其加入量以不超过0.035％较为合适。
[0036]
硼(b)：微量硼能使钢的淬透性显著提高。硼含量太高，会促进脆性颗粒fe
23
(c,b)6(铁的硼碳化物)或feb的形成。硼可用作昂贵合金元素的替代品来促进沿整个钢板厚度方向上的显微组织均匀性。硼也可增大钼对钢淬透性的提高作用，因而硼的加入可使低碳当量的钢获得高的强度。同样地，钢中加硼提供了将钢的高强度同良好可焊性和抗冷脆能力相结合的潜在优点。硼也可提高晶界强度进而提高抵抗氢致晶间断裂的能力。但必须保证合理的al、ti、b含量设计，通过调铝加钛使得钢水充分脱氧、定氮，保证有效硼含量。本发明设定的最佳b含量为0.0015％～0.0035％。
[0037]
本发明的有益效果在于：
[0038]
(1)采用低成本多元微合金化成分cr-ni-nb-ti-b体系成分设计，不添加cu、mo、v等贵重合金元素，降低了合金成本。
[0039]
(2)轧制过程第一阶段采用不展宽轧制方式，区别于常规粗轧阶段进行展宽的轧制方式，有利于晶粒的纵向延展，晶界面积增加，形核点增多，有利于细化晶粒，提高钢板纵
向冲击韧性，从而保证钢板具有优异的低温韧性。
[0040]
(3)采用较低温度的终轧模式，以达到均匀组织、细化晶粒、改善钢板表面质量的目的，为后续热处理做好组织准备，最终获得高性能钢板。
[0041]
采用本发明生产的5～20mm钢板强度高、低温韧性优异、质量稳定，钢的抗拉强度达到1300mpa以上水平。厚度为[5,8]mm的钢板-40℃冲击吸收功≥40j，厚度为(8,12)mm的钢板-40℃冲击吸收功≥60j，厚度为[12,20]的钢板-40℃冲击吸收功≥80j。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]
图1是实施例1钢板的典型金相组织图片。
[0044]
图2是实施例2钢板的典型金相组织图片。
具体实施方式
[0045]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0046]
实施例1
[0047]
一种厚度为6mm的抗拉强度1300mpa级超高强钢板，由如下制造方法生产：
[0048]
(1)冶炼：按重量百分比计，熔炼化学成分为c：0.12％、si：0.36％、mn：1.21％、p：0.006％、s：0.001％、ni：2.4％、cr：0.84％、nb：0.035％、ti：0.015％、als：0.044％、b：0.0020％、o：0.0016％、n：0.0024％、h：0.00013％，其余为铁及不可避免的杂质，cev＝0.66％，严格控制s、p、o、n、h等有害元素及夹杂物；
[0049]
(2)连铸：中间包过热度控制在10～20℃，全程保护浇注；铸坯厚度为150mm，对铸坯堆垛缓冷68h，采用热坯下铺上盖，四周用热坯包围，避免吹风；
[0050]
(3)加热：加热时间按照2.9h，加热后出炉温度控制在1277℃；
[0051]
(4)轧制：连铸坯加热后进行高压水除鳞，除鳞水压力≥24mpa，采用两阶段轧制，第一阶段不进行展宽，不改变晶粒变形方向，始终保持纵向延展，第一阶段开轧温度1184℃，高温阶段均加大压下量提高变形渗透率，减少精轧道次；第二阶段开轧温度1109℃，采用卷轧工艺，卷取炉内的温度为910℃，终轧温度816℃，得到厚度为6mm的钢板；
[0052]
(5)热处理：淬火加热温度895℃，保温时间35min，出炉后水淬至室温；回火加热温度为260℃，保温时间为40min，出炉空冷，得到成品。
[0053]
对该钢板的力学性能进行测试，结果如下表1所示。
[0054]
表1实施例1钢板的力学性能
[0055][0056]
实施例2
[0057]
一种厚度为20mm的抗拉强度1300mpa级超高强钢板，由如下制造方法生产：
[0058]
(1)冶炼：按重量百分比计，熔炼化学成分为c：0.14％、si：0.45％、mn：1.35％、p：0.007％、s：0.001％、ni：2.8％、cr：0.95％、nb：0.044％、ti：0.018％、als：0.044％、b：0.0026％、o：0.0019％、n：0.0023％、h：0.00012％，其余为铁及不可避免的杂质，cev＝0.74％，严格控制s、p、o、n、h等有害元素及夹杂物；
[0059]
(2)连铸：中间包过热度控制在10～20℃，全程保护浇注；铸坯厚度为150mm，对铸坯堆垛缓冷70h，采用热坯下铺上盖，四周用热坯包围，避免吹风；
[0060]
(3)加热：加热时间按照3.5h，加热后出炉温度控制在1226℃；
[0061]
(4)轧制：连铸坯加热后进行高压水除鳞，除鳞水压力≥24mpa，采用两阶段轧制，第一阶段不进行展宽，不改变晶粒变形方向，始终保持纵向延展，第一阶段开轧温度1105℃；第二阶段开轧温度982℃，终轧温度824℃，得到厚度为50mm的钢板；
[0062]
(5)热处理：淬火加热温度920℃，保温时间45min，出炉后水淬至室温；回火加热温度为220℃，保温时间为60min，出炉空冷，得到成品。
[0063]
对该钢板的力学性能进行测试，结果如下表2所示。
[0064]
表2实施例2钢板的力学性能
[0065][0066]
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。