專利名稱：屈服強度960MPa以上超高強度鋼板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼鐵材料的制造方法，特別涉及超高強度鋼板及其制造方法。
背景技術(shù)：
國際上有關(guān)屈服強度在700MPa以上的超高強度鋼板的制造方法已經(jīng)形成多項專利，如住友金屬的專利JP 60121219和JP 89025371中，采用回火工藝生產(chǎn)高強鋼且鋼中硅含量為≤0.015％，鎳含量為1.00％～3.50％，鉻含量0.40％～1.20％。
Exxonmobil Upstream Res公司申請的專利WO 200039352是一種低溫用鋼，用較低含碳量(0.03％～0.12％)和高鎳含量(不小于1.0％)的方法生產(chǎn)低溫韌性好的高強度鋼，其采用較低的冷卻速率(10℃/s)，其抗拉強度只能達到830MPa以上。在Exxonmobil Upstream Res和新日鐵合作申請的低合金超高強度鋼板專利WO 9905335中，雖然采用在熱軋后只淬火不回火，但其成分中碳含量較低為0.05-0.10％，本專利碳含量為0.08％～0.18％，軋后直接加速冷卻，可不回火，有明顯差異。
在住友金屬的高強度鋼板專利中(JP 59159932)，采用在熱軋后直接淬火加回火的方法，而且在其成分設(shè)計中，采用的鈦的范圍較低為0.003-0.010％。
NIPPON KOKAN KK的“高強度厚鋼板的生產(chǎn)”專利(GB 2132225)中，通過控制水流量來控制熱軋后直接淬火的速率，生產(chǎn)的厚度大于25mm，且需要回火。其成分中碳(0.04％～0.16％)、錳(0.40～1.20％)，鉻(0.20～1.50％)、鎳(0.20～5.00％)、鉬(0.20～1.00％)、鋁(0.01～0.10％)。
在?？松梨诘摹熬哂袃?yōu)異低溫韌性的超高強度奧氏體時效鋼”的專利(98812446.7)中，其需要在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)控軋，熱軋后冷卻至Ms～Ms+100℃，不采用回火，抗拉強度只有830MPa以上，其常溫組織2-10vol％奧氏體薄膜層以及約90-98vol％的以細晶粒馬氏體和細晶粒下貝氏體為主的板條的顯微層狀組織。
在?？松梨诤妥∮呀饘俾?lián)合申請的“高抗拉強度鋼及其生產(chǎn)方法”的中國專利98802878.6中，鋼板的碳含量為0.02-0.10％，錳為0.2-2.5％，抗拉強度900MPa以上。
在瑞典SSAB公司生產(chǎn)的對應(yīng)的Weldox960系列和德國迪林根生產(chǎn)的Dillimax系列高強鋼中，均采用高鋁(不小于0.018％)的方法依靠鋁細化晶粒提高鋼的強韌性。
由以上對比專利可知，這些專利存在以下一個或多個不足①加入了較高含量的昂貴合金元素，鋼材成本高。如JP 60121219和JP 89025371中加入的鎳為1.00％～3.50％，鉻含量0.40％～1.20％；WO 200039352中鎳含量不小于1.0％；②工藝復(fù)雜，工序成本高。如專利WO 9905335中碳含量較低為0.05-0.10％，專利GB 2132225中碳0.04％～0.16％，專利98802878.6中碳含量為0.02-0.10％，過低的碳含量造成煉鋼時脫碳時間長，煉鋼爐勞動生產(chǎn)率低；專利JP 60121219、JP 89025371、JP 59159932和GB 2132225均采用了回火工藝，增加了一道工序，提高了工序成本。瑞典SSAB公司生產(chǎn)的Weldox960系列和德國迪林根生產(chǎn)的Dillimax系列高強鋼中，均采用高鋁含量(不小于0.018％)，有以下若干缺點高鋁鋼鋼水在澆注時水口容易結(jié)瘤，容易將鋼包水口耐材帶入鋼水；過多的鋁會造成鋼中氧化鋁夾雜顯著增多，需要較長的吹氬時間促使夾雜物上浮；鋁細化晶粒的氮化鋁細小析出物在鋼板焊接時完全溶解，從而使焊接熱影響區(qū)晶粒粗大。③鋼板強度級別低。如專利WO 200039352和專利98812446.7，抗拉強度只能達到830MPa以上，專利98802878.6抗拉強度只能達到900MPa以上。
由于重載卡車、工程機械等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對車輛的載重和機械的強度的要求不斷提高，同時也要求減輕自重，因此要求采用成本更低、強度級別更高、低溫沖擊韌性好的超高強度鋼板。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有良好低溫韌性的超高強度熱軋鋼板的制造方法，通過合理的合金成分設(shè)計和工藝控制，采用軋后加速冷卻(ACC)工藝達到鋼板的屈服強度在960MPa以上，其低溫沖擊韌性達到E級以上(即滿足-40℃的沖擊功不小于27J)，并具有良好的塑性和焊接性。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案屈服強度960MPa以上超高強度鋼板，其成分為(重量百分比)C 0.08％～0.18％；Si≤0.6％；Mn 0.5％～2.0％；Al≤0.018％；N≤0.008％；B≤0.0025％；Ca 0％～0.006％；P≤0.015％；S≤0.005％；Ni≤1.0％、Cr≤0.8％、Cu≤0.5％和Mo≤0.6％中的一種或幾種以上；Ti 0.01％～0.03％、V≤0.1％和Nb 0.01％～0.1％中的一種或幾種以上；余鐵和不可避免雜質(zhì)。
本發(fā)明所述的超高強度鋼板的生產(chǎn)方法，包括如下步驟1)冶煉、鑄造形成鋼坯；2)將鋼坯加熱至1100～1250℃；3)在奧氏體可發(fā)生再結(jié)晶的溫度范圍內(nèi)，采用一個或多個道次，將所述鋼坯軋制成鋼板；4)在奧氏體未發(fā)生再結(jié)晶即低于Tnr溫度但高于Ar3轉(zhuǎn)變點的溫度范圍內(nèi)，采用一個或多個道次，將上述鋼板軋制成最終厚度的鋼板，終軋溫度介于860～920℃之間；5)以不低于約5℃/s的冷卻速度將所述鋼板在線冷卻至低于Ms～Ms+100℃的冷卻終止溫度；
進一步，步驟3中，在奧氏體可發(fā)生再結(jié)晶的溫度范圍內(nèi)軋制的壓下率不小于60％。
步驟4中，在低于奧氏體發(fā)生再結(jié)晶但高于Ar3轉(zhuǎn)變點的溫度范圍內(nèi)軋制的壓下率不小于50％對冷卻后的鋼板可進行回火以提高性能，回火溫度為350～550℃。
熱軋過程熱軋終了時，先進行空冷然后進行水冷，空冷的終止溫度范圍為750～920℃。
碳碳含量的高低很大程度地決定了鋼板的強度級別，因為碳是奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體、貝氏體等鋼中的強化相所必不可少的元素。碳是決定碳當量大小的最主要的元素，而碳當量是影響鋼的強度和焊接性等的重要指標。本發(fā)明碳的控制范圍為0.08％至0.18％，是基于鋼的強韌性的匹配，碳低于0.08％則鋼中沒有足夠的碳化物和固溶碳，在奧氏體轉(zhuǎn)變過程中不利于形成足夠的強化相從而獲得鋼板的強度；反之，碳含量高于0.18％時，則鋼的塑性和韌性降低，焊接性也變差。
硅對過冷奧氏體的穩(wěn)定性影響不大。硅在鋼中起固溶強化作用，并且含量較多時能抑制碳化物的析出，提高韌性。鋼中加硅能提高鋼質(zhì)純凈度和脫氧。
錳提高貝氏體鋼淬透性的主要元素，降低貝氏體鋼的相變溫度，細化組織亞結(jié)構(gòu)，增大貝氏體鐵素體中碳的過飽和度，有利于強度的提高。
氮在加鈦的鋼中，適量的氮與鈦形成氮化鈦，這種易在高溫析出的第二相有利于強化基體，并提高鋼板的焊接性能。但如果氮過高，如高于0.0060％，會在鋼中形成粗大的氮化鈦，或者過多的固溶氮，這將會嚴重地損害鋼的塑性和韌性。
鈦鈦可以與氮、碳和硫形成鈦的化合物?？刂其撝锈伒暮浚沟免佒饕c氮化合形成細小彌散的氮化鈦，剩余的鈦與硫、碳形成化合物。因此，適量的鈦不僅固定了鋼中的氮、而且還固定了鋼中的硫和部分碳。但鈦含量過高大于0.03％，會造成氮化鈦粗大夾雜，惡化鋼的性能，而且鋼中固溶的碳減少，不利于獲得良好的強韌性匹配。鈦含量過低小于0.01％則起不到細化晶粒的作用。因此適量的鈦(0.01％～0.03％)可以顯著細化晶粒而且顯著地提高鋼板的焊接性。Ti/N一般為3.42，同時還要看鋼中的硫含量，本鋼種希望硫越少越好。
硫和磷硫在鋼中與錳等化合形成塑性夾雜物硫化錳，尤其對鋼的橫向塑性和韌性不利，因此硫的含量應(yīng)盡可能地低。磷也是鋼中的有害元素，嚴重損害鋼板的塑性和韌性。
鈮和釩鈮和釩是強碳和氮的化合物形成元素。由于鋼中加入適量的鈦，鈦與氮的形成溫度較高，因此通過控制鈦、氮的含量，使得鈮和釩主要與碳化合。碳化釩和碳化鈮的析出溫度較氮化鈦和碳化鈦低，在熱軋時與熱軋工藝匹配，通過控制碳化鈮和碳化釩的析出來細化組織和提高強度和韌性。
鉬使珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變曲線分離，有效地右移鐵素體和珠光體開始析出線，對貝氏體的開始析出線影響不大，有利于貝氏體組織的獲得，提高貝氏體淬透性。加入鉬，可以細化顯微組織，提高韌性。
鎳提高鋼的韌性，尤其是有低溫韌性要求的鋼。加入鎳可增加貝氏體或馬氏體邊界殘余奧氏體薄膜，提高塑韌性。且有利于回火后的組織細化。
銅固溶強化，量較多時可在適當溫度回火后二次硬化，提高強度。對于非淬火鋼一般含量不高。
鉻可使珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變曲線分離，中、低碳的條件下，能明顯右移先共析鐵素體和珠光體開始析出線，可代替部分錳和鉬。細化組織，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。鉻降低Bs/Ms值比錳大，有利于減少焊接裂紋傾向。鉻和錳元素配合，可獲得更高的淬硬性和淬透深度，提高鋼的力學性能。鉻比錳的偏析傾向小，用鉻代錳有利于減少鋼的芯部偏析，提高力學性能均勻性。
鈣適量的鈣能夠改變硫化物的形狀，減輕硫的不利影響。當鋼中存在過量的鈦時，鈦可以和硫化合形成硫化鈦或碳硫化鈦，因此鈣的加入與否可以根據(jù)鈦的加入量和硫的含量而定。
硼微量硼固溶于基體中將使鋼的所有中溫組織轉(zhuǎn)變強烈推遲，它和鉬復(fù)合加入將使鋼在很寬的冷速范圍內(nèi)得到貝氏體，但當其含量太高時會形成碳(氮)化物，故其含量一般小于0.0025％。
鋁本發(fā)明鋼只含少量或不含此元素，采用鈦以及其它元素和工藝方法等措施來細化晶粒和提高焊接性。鋁是鋼中的主要脫氧元素，有利于細化晶粒，一般的鋼中均含有一定量。瑞典SSAB公司生產(chǎn)的Weldox960系列和德國迪林根生產(chǎn)的Dillimax系列高強鋼中，采用高鋁(不小于0.018％)的方法依靠鋁細化晶粒提高鋼的強韌性。但鋁細化晶粒有諸多缺點(上文已述)。本發(fā)明不采用鋁，鋁可小于0.018％，加入其它細晶元素Ti、V、Nb等和利用生產(chǎn)工藝上的手段來細化組織，此種細化晶粒方法有利于后續(xù)的鋼板焊接。
本發(fā)明采用相對其它專利更為適中的碳含量(0.08％至0.18％)，此碳含量既不是很低也不是很高，即可滿足煉鋼工序的要求，也可保證鋼板后續(xù)對焊接性能的要求。其中C含量與鋼板中加入的Nb含量盡可能保證按溶度積公式Lg[Nb][C]＝2.96-7510/T計算的T小于1523K(1250℃)；如果加入V，也要保證按類似公式計算的T小于1523K，這是要保證鋼坯再加熱時所有碳氮化物完全溶解，以便在后續(xù)的軋制和冷卻過程中析出強化，充分發(fā)揮各元素的作用。加入的元素Ti與N含量保證Ti/N≥3.42，讓Ti完全固定N，使Nb能形成足夠的NbC強化；加入的Ca與S含量保證Ca/S≥0.5～2.0，使硫化物完全球化或近似紡錘形，提高鋼板橫向沖擊、冷彎性能。鋼中的Cu、Ni、Cr、Mo如果同時加入時，不可同時接近上限或者下限，這樣做的目的是保證強度和碳當量。對以上所述元素的適當控制，目的在于用較低的合金成本，精確的成分配比，簡單的煉鋼、軋制與冷卻工藝獲得較好的力學、焊接等綜合性能。
鋼坯加熱到充分高的溫度(1100～1250℃)使奧氏體組織均勻化，以及鋼中的鈮、釩和鈦等的碳化物充分溶解，而氮化鈦也會有部分溶解以阻止原始奧氏體晶粒的長大。在奧氏體可發(fā)生再結(jié)晶的溫度范圍內(nèi)，采用一個或多個道次軋制鋼坯，期間允許采用一次或多次轉(zhuǎn)鋼以提高成品鋼板的橫向塑性和韌性，此溫度區(qū)間的壓下率不小于60％。這樣，固溶于鋼中的微合金元素起著阻滯奧氏體動態(tài)再結(jié)晶的作用，形變的奧氏體發(fā)生再結(jié)晶并達到細化的目的。
在低于奧氏體發(fā)生再結(jié)晶但高于Ar3轉(zhuǎn)變點的溫度范圍內(nèi)，采用一個或多個道次并允許采用一次或多次轉(zhuǎn)鋼，將上述鋼板軋制成最終厚度的鋼板，此溫度區(qū)間的壓下率不小于50％。終軋溫度介于860～920℃之間。在軋制過程中，奧氏體不發(fā)生再結(jié)晶，而形成拉長的奧氏體。在拉長的奧氏體晶內(nèi)存在大量的形變帶，鈮、釩和鈦等固溶原子由于形變誘導而析出為碳化物和碳氮化物。
經(jīng)未再結(jié)晶區(qū)終軋后，鋼的組織由變形的奧氏體組成。終軋后的鋼板以不低于約5℃/s的冷卻速度在線加速冷卻以獲得貝氏體、馬氏體或貝氏體馬氏體(可能會殘留部分奧氏體)混合組織?？筛郊?50～550℃回火處理以改善鋼的韌性。
本發(fā)明的有益效果所述的成分設(shè)計易于實施和控制，工藝控制簡便易行，由于采用軋后加速冷卻，因而軋制周期短，鋼板變形小。鋼板屈服強度高，具有良好的低溫韌性，可附加回火提高鋼板性能。
具體實施例方式
本發(fā)明的具體實施例參見表1、2、3。
表1實施例化學成分(wt％)

表2

上述實施例橫向的力學性能見表3。由表可見，實施例的屈服強度均大于960MPa，延伸率大于等于12％，-40℃的沖擊功均大于27J，達到了960E級的要求。
表3實施例力學性能(橫向)

權(quán)利要求
1.屈服強度960MPa以上超高強度鋼板，其成分為(重量百分比)C 0.08％～0.18％；Si≤0.6％；Mn 0.5％～2.0％；Al≤0.018％；N≤0.008％；B≤0.0025％；Ca 0％～0.006％；P≤0.015％；S≤0.005％；Ni≤1.0％、Cr≤0.8％、Cu≤0.5％和Mo≤0.6％中的一種或幾種以上；Ti 0.01％～0.03％、V≤0.1％和Nb 0.01％～0.1％中的一種或幾種以上；余鐵和不可避免雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求2所述的屈服強度960MPa以上超高強度鋼板，其特征是，Ti/N≥3.42。
3.如權(quán)利要求2所述的屈服強度960MPa以上超高強度鋼板，其特征是，Ca/S≥0.5～2.0。
4.屈服強度960MPa以上超高強度鋼板的生產(chǎn)方法，包括如下步驟1)按上述成分冶煉、鑄造形成鋼坯；2)將鋼坯加熱至1100～1250℃；3)在奧氏體可發(fā)生再結(jié)晶的溫度范圍內(nèi)，采用一個或多個道次，將所述鋼坯軋制成鋼板；4)在奧氏體未發(fā)生再結(jié)晶區(qū)即低于Tnr溫度但高于Ar3轉(zhuǎn)變點的溫度范圍內(nèi)，采用一個或多個道次，將上述鋼板軋制成最終厚度的鋼板，終軋溫度介于860～920℃之間；5)以不低于約5℃/s的冷卻速度將所述鋼板在線冷卻至低于Ms～Ms+100℃的冷卻終止溫度。
5.如權(quán)利要求4所述的超高強度鋼板的生產(chǎn)方法，其特征是，在步驟3中，在奧氏體可發(fā)生再結(jié)晶的溫度范圍內(nèi)軋制的壓下率不小于60％。
6.如權(quán)利要求4所述的超高強度鋼板的生產(chǎn)方法，其特征是，在步驟4中，在低于奧氏體發(fā)生再結(jié)晶但高于Ar3轉(zhuǎn)變點的溫度范圍內(nèi)軋制的壓下率不小于50％。
7.如權(quán)利要求4所述的超高強度鋼板的生產(chǎn)方法，其特征是，對冷卻后的鋼板進行回火，回火溫度為350～550℃。
8.如權(quán)利要求4所述的超高強度鋼板的生產(chǎn)方法，其特征是，熱軋過程熱軋終了時，先進行空冷然后進行水冷，空冷的終止溫度750～920℃。
全文摘要
屈服強度960MPa以上超高強度鋼板，其成分為(重量百分比)C 0.08～0.18％；Si≤0.6％；Mn 0.5～2.0％；Al≤0.018％；N≤0.008％；B≤0.0025％；Ca 0～0.006％；P≤0.015％；S≤0.005％；Ni≤1.0％、Cr≤0.8％、Cu≤0.5％和Mo≤0.6％中的一種或幾種以上；Ti 0.01～0.03％、V≤0.1％和Nb 0.01～0.1％中的一種或幾種以上；余鐵和不可避免雜質(zhì)。其生產(chǎn)方法將鋼坯加熱至1100～1250℃；在奧氏體可發(fā)生再結(jié)晶區(qū)將鋼坯軋制成鋼板；在奧氏體未發(fā)生再結(jié)晶區(qū)將鋼板軋制成最終厚度的鋼板，終軋溫度860～920℃；以不低于約5℃/s的冷卻速度將鋼板冷卻至低于Ms～Ms+100℃的冷卻終止溫度；對冷卻后的鋼板進行回火以提高性能。
文檔編號C21D7/00GK1840724SQ20051002477
公開日2006年10月4日 申請日期2005年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月30日
發(fā)明者張愛文, 孫全社, 張永嘉, 呂衛(wèi)東 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司