專(zhuān)利名稱(chēng)：耐延遲斷裂高強(qiáng)度鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域。主要適用于抗拉強(qiáng)度為1200～1400MPa，同時(shí)要求具有良好塑韌性和耐延遲斷裂抗力的高強(qiáng)度鋼。
隨著汽車(chē)、機(jī)械、建筑、輕工等各個(gè)生產(chǎn)部門(mén)的發(fā)展，對(duì)制造各類(lèi)緊固件(如螺栓、螺釘、螺母等)使用的材料提出了高強(qiáng)度化的要求。但是，當(dāng)用調(diào)質(zhì)處理的低合金鋼制造的螺栓的抗拉強(qiáng)度超過(guò)約1200MPa時(shí)，延遲斷裂問(wèn)題就變得十分突出，這是螺栓鋼高強(qiáng)度化時(shí)遇到的一個(gè)最主要的問(wèn)題。因而目前實(shí)際使用螺栓的抗拉強(qiáng)度通常低于1200MPa。近年來(lái)，國(guó)際上開(kāi)展了耐延遲斷裂高強(qiáng)度螺栓鋼的研究開(kāi)發(fā)。如日本專(zhuān)利JP5-9563中的Cr-Ni-Mo螺栓鋼，具有1300MPa以上的強(qiáng)度，同時(shí)具有較好的耐延遲斷裂性能。但其Mn含量較高，對(duì)鋼的耐延遲斷裂性能特別不利，且較高含量的貴重元素Ni，使得鋼的成本較高。日本住友金屬開(kāi)發(fā)的1300MPa級(jí)耐延遲斷裂的高強(qiáng)度螺栓鋼ADS3，由于C含量較高(0.49％)，鋼的韌性較差，同時(shí)螺栓的加工性能和延遲斷裂性能惡化(Kushida，鐵と鋼，1996，82297)。這些均在實(shí)際應(yīng)用中受到了限制。
本發(fā)明的目的是提出一種抗拉強(qiáng)度為1200～1400MPa、且具有良好塑韌性和耐延遲斷裂性能的高強(qiáng)度鋼。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是(1)調(diào)整抗回火軟化能力強(qiáng)的元素Mo，提高回火溫度和晶界強(qiáng)度；(2)盡可能降低雜質(zhì)元素P、S的含量，同時(shí)降低Mn、Si含量，抑制淬火鋼高溫回火時(shí)Mn和P的共偏聚，提高鋼的塑韌性和冷加工性能；(3)加入適量的稀土元素和Ti、Zr，對(duì)夾雜物進(jìn)行變性和對(duì)氫起陷阱作用，進(jìn)一步降低氫在晶界的偏聚；(4)加入少量Al、V、Nb等元素，生成彌散細(xì)小的碳氮化物以細(xì)化奧氏體晶粒，提高鋼的強(qiáng)度和塑韌性。
本發(fā)明鋼的具體化學(xué)成分(重量％)如下C0.30～0.45，Si≤0.01-0.09，Mn≤0.30，P≤0.015，S≤0.010，Cr0.50～1.50，Mo0.3～0.69，Nb0.005～0.10，RE0.002～0.040，Al0.005～0.05，N0.006～0.015，根據(jù)需求可加入0.005～0.19的Ti、Zr、V中的一種或兩種，余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
各元素的作用及配比依據(jù)如下C淬火、回火后為了獲得所需的高強(qiáng)度，C含量須在0.20％以上，但過(guò)多的C含量會(huì)惡化鋼的韌性和工藝性，并增加延遲斷裂的敏感性，因而C含量控制為0.30～0.45％。
Si脫氧劑，但惡化鋼的冷加工性和耐延遲斷裂性能，控制其含量在0.09以下。
MnMn是脫氧和脫硫的有效元素，還可以提高鋼的淬透性和強(qiáng)度，但淬火鋼高溫回火時(shí)，Mn和P有強(qiáng)烈的晶界共偏聚傾向，促進(jìn)回火脆性，因而控制Mn含量在0.30％以下。
PP能在鋼液凝固時(shí)形成微觀偏析，隨后在奧氏體化溫度加熱時(shí)偏聚在晶界，使鋼的脆性顯著增大，從而增加鋼的延遲斷裂敏感性，所以控制P的含量在0.015％以下。
S不可避免的不純物，形成MnS夾雜和在晶界偏析會(huì)惡化鋼的耐延遲斷裂性能，因而控制其含量在0.010％以下。
Cr能夠有效地提高鋼的淬透性和回火抗力，以獲得所需的高強(qiáng)度。含量小于0.50％難以起到上述作用，但含量超過(guò)1.50％則會(huì)惡化鋼的韌性和冷加工性。
MoMo在有效地提高鋼的淬透性和回火抗力的同時(shí)，還能夠強(qiáng)化晶界。含量小于0.30％難以起到上述作用，但含量超過(guò)0.70％則鋼的成本較高。因此控制其含量為0.30～0.69％。
RERE元素除有脫氧脫硫和對(duì)非金屬夾雜物變性處理的作用外，還能夠有效地捕集氫，減少氫和其它有害元素在晶界上的偏聚，降低氫的滲透擴(kuò)散，可進(jìn)一步降低高強(qiáng)度鋼延遲斷裂的敏感性。RE含量小于0.002％，起不到上述作用，但含量超過(guò)0.040％，則由于夾雜物增多，反而惡化鋼的耐延遲斷裂性能?？刂破浜吭?.002～0.040％。
Al能夠有效地脫氧和細(xì)化晶粒，含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超過(guò)0.05％則易形成的粗大氧化鋁夾雜，惡化鋼的塑韌性。Nb細(xì)化晶粒，提高鋼的韌性，含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超過(guò)0.10％則作用飽和。
NN能夠和Al、Nb、V等形成細(xì)小的氮化物細(xì)化晶粒，但過(guò)量的N會(huì)偏聚于晶界和形成粗大的夾雜物，所以其含量應(yīng)控制在0.006～0.015％。
VV能夠細(xì)化晶粒，提高鋼的回火抗力，改善鋼的耐延遲斷裂性能。V含量小于0.05％難以起到上述作用，但含量超過(guò)0.20％則增加鋼的成本。
Ti除細(xì)化晶粒、析出強(qiáng)化和固定N、S的作用外，彌散析出的TiC是鋼中陷阱能最高的氫陷阱之一，能夠捕集氫使其均勻地分散在晶內(nèi)，抑制氫的擴(kuò)散，從而改善鋼的耐延遲斷裂性能。Ti含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超過(guò)0.20％則生成的粗大氮化物惡化鋼的塑韌性。
Zr其作用與Ti類(lèi)似。
本發(fā)明鋼可采用電弧爐、高頻感應(yīng)爐、真空感應(yīng)爐冶煉，澆鑄成鋼錠或連鑄成坯，經(jīng)開(kāi)坯后軋制成棒線(xiàn)材等產(chǎn)品。
本發(fā)明鋼的熱處理制度與現(xiàn)有技術(shù)相似，本發(fā)明鋼經(jīng)900℃，30分鐘的正火處理，加工成半成品，然后經(jīng)850℃～950℃淬火和高溫回火后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了檢測(cè)后交貨。
本發(fā)明鋼與現(xiàn)有技術(shù)相比較，不僅抗拉強(qiáng)度高，而且塑韌性好、耐延遲斷裂性能優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)效果好。
實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的化學(xué)成分范圍，我們?cè)?0kg真空感應(yīng)爐上冶煉了5爐本發(fā)明鋼和1爐對(duì)比鋼，此外還例舉出1爐商業(yè)鋼42CrMo作為對(duì)比鋼，其具體化學(xué)成分見(jiàn)表1所示。鋼水澆鑄成錠，并經(jīng)鍛造制成棒材。試樣加工前經(jīng)900℃、30分鐘正火處理，隨后加工成標(biāo)準(zhǔn)室溫拉伸試樣(L0＝5d0，d0＝5mm)及缺口拉伸延遲斷裂試樣(直徑d＝5mm，缺口處dN＝3mm，缺口60°±2°/0.15R±0.025)的毛坯。上述試樣經(jīng)850℃～950℃淬火和不同溫度回火后加工至最終尺寸。熱處理制度和相應(yīng)的強(qiáng)度性能見(jiàn)表2。
試樣是在室溫下進(jìn)行的拉伸、沖擊和缺口拉伸延遲斷裂等試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)溶液為pH＝3.5±0.5的Walpole緩蝕液(16.4克無(wú)水醋酸鈉+15.4毫升一級(jí)品濃鹽酸+1000毫升脫離子水或蒸餾水)。如σf為發(fā)生斷裂的最小應(yīng)力，σn為在規(guī)定的截止時(shí)間200小時(shí)內(nèi)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，則定義缺口拉伸臨界應(yīng)力σc為σc＝1/2(σf＋σn)，為使測(cè)得的與實(shí)際值相差小于10％，要求σf-σn≤0.2σc。所得試驗(yàn)結(jié)果列入了表2。
從表2可以看出，本發(fā)明鋼在1200～1400MPa的強(qiáng)度水平下較對(duì)比鋼在相同強(qiáng)度水平下的耐延遲斷裂性能和塑韌性顯著提高，并且在1200～1400MPa強(qiáng)度水平下的耐延遲斷裂性能仍?xún)?yōu)于對(duì)比鋼在1100～1200MPa強(qiáng)度水平下的耐延遲斷裂性能，呈現(xiàn)出優(yōu)良的耐延遲斷裂性能和塑韌性。
在本發(fā)明實(shí)施例中，表1為本發(fā)明鋼與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比鋼的成份比較。表2為本發(fā)明鋼實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)鋼的技術(shù)性能比較表。
表1本發(fā)明實(shí)施例與對(duì)比鋼的化學(xué)成分比較(重量％)
表2本發(fā)明實(shí)施例與對(duì)比鋼的熱處理制度、強(qiáng)度、塑韌性及耐延遲斷裂性能的比較
權(quán)利要求
1.一種抗拉強(qiáng)度在1200-1400Mpa，同時(shí)具有良好塑韌性和耐延遲斷裂性能的高強(qiáng)度鋼，其特征在于該鋼的具體化學(xué)成份為(重量％)C0.3-0.45，Si0.01-0.09，Mn≤0.3，P≤0.015，S≤0.01，Cr0.5-1.5，Mo0.3-0.69，Nb0.005-0.1，RE 0.002-0.04，Al0.005-0.05，N0.006-0.015，Ti、Zr、V中任意一種或兩種之和為0.005-0.19，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域。特別適用于抗拉強(qiáng)度為1200－1400Mpa和具有良好塑性和耐延遲斷裂性能的高強(qiáng)度鋼。本發(fā)明鋼的具體成分為(重量%)C0.3－0.45,Si0.01－0.09,Mn≤0.3,P≤0.015,S≤0.01,Cr 0.5－1.5,Mo0.3－0.69,Nb 0.005－0.1,RE 0.002－0.04,Al 0.005－0.05,N 0.006－0.015,Ti、Zr、V中任意一種或兩種之和為0.005－0.19,其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明鋼與現(xiàn)有技術(shù)鋼的性能比較;不僅抗拉強(qiáng)度高,而且塑韌性好,和耐延遲斷裂性能優(yōu)良。
文檔編號(hào)C22C38/28GK1329178SQ0112951
公開(kāi)日2002年1月2日 申請(qǐng)日期2001年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月22日
發(fā)明者翁宇慶, 惠衛(wèi)軍, 董瀚, 陳思聯(lián), 王毛球, 時(shí)捷 申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院