專利名稱：一種高強(qiáng)度高韌性鋼板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā) 明涉及一種鋼板及其制造方法，尤其涉及一種合金鋼板及其制造方法。
背景技術(shù)：
低合金高強(qiáng)度鋼作為一種重要的鋼鐵材料被廣泛地應(yīng)用于海洋工程、軍工器械、機(jī)械及船舶制造等行業(yè)。我國(guó)工業(yè)的飛速發(fā)展以及各類軍用及民用設(shè)備的復(fù)雜化、大型化及輕量化的趨勢(shì)對(duì)于低合金高強(qiáng)度鋼提出了更高的要求，即用于生產(chǎn)制造的低合金高強(qiáng)度鋼板不但要求具有更大的硬度及更高的強(qiáng)度，而且還要求其具有良好的低溫沖擊韌性。近幾十年來(lái)，海洋工程及船舶結(jié)構(gòu)用的高強(qiáng)度高韌性鋼板的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用發(fā)展得很快。低合金高強(qiáng)度鋼是在低合金高強(qiáng)度可焊接鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，此類鋼板的使用壽命可達(dá)到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼板使用壽命的數(shù)倍。低強(qiáng)度級(jí)別的海洋工程用鋼常采用TMCP(Thermc)Mechanical Control Process,熱機(jī)械控制工藝)或者正火工藝生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝較簡(jiǎn)單；而高強(qiáng)度級(jí)別的海洋工程用鋼一般采用軋后直接冷卻或淬火，或者離線淬火加回火工藝生產(chǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)中，在生產(chǎn)制造海洋工程及船體結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度高韌性鋼板時(shí)，一般采用添加較多的Cu、Ni、Cr和Mo等貴重合金元素，生產(chǎn)成本較高，目前高強(qiáng)度高韌性鋼板開(kāi)始向低成本經(jīng)濟(jì)型和高成本高性能的兩個(gè)不同方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)鋼廠生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼所加的合金元素多為V、Ti、Cr、Si、Mn、B、Re等我國(guó)資源豐富的元素，且添加量一般為彡3%。對(duì)于強(qiáng)度級(jí)別更高的海洋工程或船體結(jié)構(gòu)用鋼，還需要補(bǔ)充一定量的Cu、Ni、Cr、Mo等元素用來(lái)提高鋼板的強(qiáng)度級(jí)別和耐腐蝕性能。近幾年我國(guó)在高強(qiáng)度高韌性鋼板領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但不能提供用于-80°C甚至-100°C低溫沖擊有要求的海洋工程或船體結(jié)構(gòu)用鋼。公開(kāi)號(hào)為W0200039352，
公開(kāi)日為2000年7月6日，名稱為“一種具有超高強(qiáng)度且優(yōu)異的低溫韌性的鋼”的國(guó)際專利文獻(xiàn)，其公開(kāi)了一種低溫用鋼，用較低含碳量(O. 03% O. 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(qiáng)度鋼，其采用較低的冷卻速率(10°C /S)，其抗拉強(qiáng)度能達(dá)到930MPa以上。這種鋼材料的鎳含量高，并且還添加有Cu和Nb等貴金屬元素，因此生產(chǎn)制造成本是比較高的。公開(kāi)號(hào)為GB2132225，
公開(kāi)日為1984年7月4日，名稱為“生產(chǎn)制造強(qiáng)度厚鋼板”的英國(guó)專利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種厚度大于25_的鋼板，其采用在熱軋后通過(guò)控制水流量來(lái)控制直接淬火的冷卻速率然后回火的方法。其組分(重量百分比)為碳(O. 04% O. 16%)、鉻(O. 20 I. 50% )、鎳(O. 20 5. 00% )、鑰(O. 20 I. 00% )含量均高于本專利鉻(不大于O. 75%)、鎳(不大于O. 40%)、鑰(不大于O. 30% )含量，且至少加入V :0· 03 O. 15%，Ti :0. 03 O. 15%, Nb :0. 03 O. 15%中的一種。同樣，該鋼板需要添加微合金元素V、Nb。公開(kāi)號(hào)為CN1249006A，
公開(kāi)日為2000年3月29日，名稱為“高抗拉強(qiáng)度鋼及其生產(chǎn)方法”的中國(guó)專利文獻(xiàn)所涉及的鋼板主要用于生產(chǎn)管線，其碳含量為O. 02 O. 10%，錳為O. 2 2. 5%，需添加Cu、Ni、Cr、Mo和Nb，且其抗拉強(qiáng)度為900MPa左右，該鋼板在熱軋時(shí)采用低溫終軋甚至低到700°C，對(duì)軋機(jī)設(shè)備要求相應(yīng)提高，軋機(jī)的負(fù)荷量大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度高韌性鋼板及其制造方法，使得該種鋼板具有較高的強(qiáng)度，較大的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，較好的低溫沖擊韌性，優(yōu)質(zhì)的加工成型性及良好的冷彎性能等綜合力學(xué)性能。為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)度高韌性鋼板，其微觀組織為回火屈氏體組織，且其化學(xué)元素質(zhì)量百分含量為C :O. 04 O. 07%，Si:≤ O. 30%，
Mn :1. 4 I. 6%,Al :0. 02 O. 04%，Ti :0· 005 O. 020%，K O. 006%，余量為Fe和其他不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明所述的高強(qiáng)度高韌性鋼板，通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)，無(wú)需添加Cu、V和Nb等昂貴的合金元素，并少量添加Mn元素，結(jié)合改進(jìn)的制造工藝從而獲得具有回火屈氏體微觀組織的鋼板?；鼗鹎象w是馬氏體回火后的中間產(chǎn)物，消除了原馬氏體組織的微觀裂紋和內(nèi)應(yīng)力，獲得細(xì)小的鐵素體和碳化物的混合組織特征。該種微觀組織具有較高的彈性極限和韌性級(jí)別，具有此類微觀組織的鋼板在成型后具有較大的硬度，較高的強(qiáng)度和較強(qiáng)的韌性。本發(fā)明所述的高強(qiáng)度高韌性鋼板中各化學(xué)元素的設(shè)計(jì)原理如下碳碳是確保鋼板強(qiáng)度的關(guān)鍵元素。對(duì)于要在制造過(guò)程中獲得微觀組織為大部分馬氏體鋼板而言，碳是最重要的元素，其可以顯著地提高鋼板的淬透性。碳含量的提高能使強(qiáng)度和硬度上升，塑性下降，因此，若鋼板既要獲得較高的強(qiáng)度，又要具備較高的韌性，那么對(duì)于鋼板中的碳含量必須綜合考慮。為了保證鋼板優(yōu)良的焊接性和良好的低溫韌性，本發(fā)明鋼采用較低的碳含量，即O. 04 O. 07%。硅鋼中添加硅元素能提高鋼質(zhì)純凈度，并同時(shí)起到脫氧的作用。硅還可以在鋼中起固溶強(qiáng)化的作用。但是，當(dāng)硅含量過(guò)高時(shí)，會(huì)使鋼板加熱時(shí)的氧化皮粘度增大，出爐后除鱗困難，導(dǎo)致軋后鋼板表面出現(xiàn)嚴(yán)重的紅色氧化皮，從而致使鋼材料表面質(zhì)量劣化；同時(shí)鋼板含有較高的硅含量不利于成品鋼板的焊接性能。綜合硅元素對(duì)于鋼板各方面的影響，本發(fā)明中硅含量控制為< O. 30%。錳錳可以穩(wěn)定奧氏體組織，其能力僅次于合金元素鎳，同時(shí)其還是廉價(jià)的穩(wěn)定奧氏體與強(qiáng)化合金元素，并且錳還能增加鋼的淬透性，降低馬氏體形成的臨界冷速。不過(guò)，由于錳具有較高的偏析傾向，因而其含量不能太高，一般低碳微合金鋼中錳含量不超過(guò)2. 0%。綜合考慮到Mn元素與其他元素的協(xié)同作用，故將本發(fā)明錳的含量控制在I. 4 I. 6%的范圍之間。鋁鋁是強(qiáng)脫氧元素。脫氧后多余的鋁還可以和鋼中的氮元素能形成AlN析出物，提高鋼板的強(qiáng)度并且在后續(xù)的熱處理加熱工藝時(shí)，細(xì)化鋼的元素奧氏體晶粒度。為了保證鋼中的氧含量盡可能地低，本發(fā)明鋼中鋁的含量應(yīng)控制在O. 02 O. 04%。鈦鈦是強(qiáng)碳化物形成元素，在鋼中加入微量的Ti有利于固定鋼中的N，所形成的TiN能使鋼坯加熱時(shí)的奧氏體晶粒不過(guò)分長(zhǎng)大，細(xì)化原始奧氏體晶粒度。鈦在鋼中還可分別與碳和硫生成TiC、TiS、Ti4C2S2等化合物，它們以?shī)A雜物和第二相粒子的形式存在。由鈦元素生成的碳氮化析出物在焊接時(shí)還可阻止熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大，從而改善鋼板的焊接性能。在本發(fā)明中，將鈦含量設(shè)計(jì)為O. 005 O. 020%。氮氮是鋼中殘余的氣體元素，其在鋼中會(huì)和Al及微合金元素Nb、Ti、V等形成氮化物，提高強(qiáng)度，但會(huì) 損害鋼的韌性。本發(fā)明不利用N的析出強(qiáng)化，僅少量利用C形成碳化物強(qiáng)化鋼，主要利用相變強(qiáng)化及不完全回火獲得高強(qiáng)度和高韌性。因此，本發(fā)明要求氮含量低于 O. 006%ο在本技術(shù)方案中，硫和磷是主要的雜質(zhì)元素。其中硫在鋼中與錳等化合形成塑性?shī)A雜物硫化錳，尤其對(duì)鋼的橫向塑性和韌性均會(huì)產(chǎn)生不利影響，因此硫的含量應(yīng)盡可能地低。磷也是鋼中的有害元素，其也會(huì)嚴(yán)重?fù)p害鋼板的塑性和韌性。硫和磷均是不可避免的雜質(zhì)元素，應(yīng)該越低越好，進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的高強(qiáng)度高韌性鋼板中還包括Ni O. 05 O. 3%和MoO. 05 O. 3%的至少其中之一。由于鎳是穩(wěn)定奧氏體的元素，對(duì)提高強(qiáng)度沒(méi)有明顯的作用，但是鋼中若加一定含量的鎳，尤其是在調(diào)質(zhì)鋼中加鎳元素，能夠大幅提高鋼的韌性，特別是鋼板的低溫韌性。在本發(fā)明中添加的鎳元素不超過(guò)O. 30%。鑰能顯著地細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度和韌性。鑰能減少鋼板的回火脆性，同時(shí)回火時(shí)還能析出非常細(xì)小的碳化物，能夠顯著強(qiáng)化鋼板的基體。本發(fā)明中添加不超過(guò)O. 30%的鑰。相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了該高強(qiáng)度高韌性鋼板的制造方法，包括冶煉、鑄造、加熱、軋制、冷卻和回火步驟，獲得鋼板的微觀組織為回火屈氏體組織，其中回火步驟中以5 15°C /s速度加熱至530 570°C，回火時(shí)間為10 20s。在制造工藝方面，采用上述回火步驟有助于消除淬火時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力以及消除馬氏體板條內(nèi)或之間的微裂紋，淬火馬氏體經(jīng)回火后，馬氏體中過(guò)飽和的碳大部分或全部脫溶，彌散析出部分碳化物強(qiáng)化，基體馬氏體已開(kāi)始回復(fù)，最終獲得微觀組織為回火屈氏體組織，提高了鋼板的強(qiáng)塑性、韌性和冷彎性能。此外，上述鑄造步驟可以采用連鑄也可以采用模鑄，但是在模鑄后需將鑄坯初軋制成鋼還。進(jìn)一步地，在上述加熱步驟中，將板坯加熱至1150 1220°C。將加熱溫度控制在1150至1220°C的范圍之間，一方面是為了獲得均勻的奧氏體化組織，另一方面是為了使鈦、鑰等合金元素的化合物部分溶解。進(jìn)一步地，在上述軋制步驟中，在奧氏體再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行一道次或多道次的軋制，控制總壓下率彡70%，終軋溫度彡850°C。在奧氏體再結(jié)晶和未再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)進(jìn)行一道次或者多道次軋制，原因在于隨變形量的加大，鋼的晶粒會(huì)相應(yīng)細(xì)化，提高了鋼板的強(qiáng)度且改善了鋼板的韌性。進(jìn)一步地，在上述冷卻步驟中，軋后鋼板以彡500C /s的速度水冷至200 300°C。采取快速冷卻至較低溫度可以使鋼板中的大部分合金元素被固溶到馬氏體中。更進(jìn)一步地，在上述高強(qiáng)度高韌性鋼板的制造方法中，還包括將回火后的鋼板進(jìn)行空冷。
較之于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述的高強(qiáng)度高韌性鋼板其微觀組織為回火屈氏體組織，其具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)具有較大的硬度、較高的強(qiáng)度、較好的低溫沖擊韌性和優(yōu)良的冷彎性能，因此可廣泛適用于海洋工程及船體結(jié)構(gòu)用鋼領(lǐng)域；(2)無(wú)需添加Cu、V和Nb等合金元素，生產(chǎn)成本低；(3)本發(fā)明所述的高強(qiáng)度高韌性鋼板的制造方法，未增加任何工序難度。


圖I顯示了本發(fā)明所述的高強(qiáng)度高韌性鋼板實(shí)施例I的微觀組織。
具體實(shí)施例方式下面將根據(jù)具體實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明，但是具體實(shí)施例和相關(guān)說(shuō)明并不構(gòu)成對(duì)于本發(fā)明所述技術(shù)方案的不當(dāng)限定。實(shí)施例1-6按照下述步驟制造本發(fā)明所述的高強(qiáng)度高韌性鋼板，各步驟的具體工藝參數(shù)見(jiàn)表
2I)冶煉并進(jìn)行真空脫氣處理，控制各化學(xué)元素的配比如表I所示；2)連鑄,板還厚度為IOOmm ;3)加熱將板坯加熱至1150 1220°C ;4)軋制在奧氏體再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行多道次軋制，控制總壓下率彡70%,且終軋溫度彡850°C，軋制后的鋼板厚度為10-30mm ；5)冷卻將軋后的鋼板以≥500C /s快速水冷至200 300°C ；6)回火冷卻后的鋼板進(jìn)入在線感應(yīng)爐以5 15°C /s快速加熱至530 570°C，回火10 20s ；7)空冷將回火后的鋼板空冷至室溫。表I. (wt. %，余量為Fe和除S、P以外其他不可避免的雜質(zhì))
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度高韌性鋼板，其特征在于，其微觀組織為回火屈氏體組織，且其化學(xué)元素質(zhì)量百分含量為C :0. 04 O. 07%,Si :≤ O. 30%,Mn :I. 4 I. 6%, Al :0. 02 O. 04%,Ti :0. 005 O. 020%, K 0. 006%, 余量為Fe和其他不可避免的雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求I所述的高強(qiáng)度高韌性鋼板，其特征在于，還包括Ni和Mo中的至少其中之一，其中 Ni O. 05 O. 3%, Mo O. 05 O. 3%。
3.如權(quán)利要求I或2所述的高強(qiáng)度高韌性鋼板的制造方法，其特征在于，依次包括下列步驟冶煉、鑄造、加熱、軋制、冷卻和回火，獲得鋼板的微觀組織為回火屈氏體組織；其中回火步驟中以5 15°C /s的速度加熱至530 570°C，回火時(shí)間為10 20s。
4.如權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度高韌性鋼板的制造方法，其特征在于，所述鑄造步驟為連鑄。
5.如權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度高韌性鋼板的制造方法，其特征在于，所述鑄造步驟為模鑄，模鑄后的鑄坯初軋為鋼坯。
6.如權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度高韌性鋼板的制造方法，其特征在于，在所述加熱步驟中將板坯加熱至1150 1220°C。
7.如權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度高韌性鋼板的制造方法，其特征在于，在所述軋制步驟中在奧氏體再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行軋制，總壓下率≥70%，終軋溫度≥850°C。
8.如權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度高韌性鋼板的制造方法，其特征在于，在所述冷卻步驟中軋后鋼板以≥500C /s的速度水冷至200 300°C。
9.如權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度高韌性鋼板的制造方法，其特征在于，還包括在所述回火步驟之后的空冷步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高強(qiáng)度高韌性鋼板，其微觀組織為回火屈氏體組織，且其化學(xué)元素質(zhì)量百分含量為C0.04～0.07%，Si≤0.30%，Mn1.4～1.6%，Al0.02～0.04%，Ti0.005～0.020%，N≤0.006%，余量為Fe和其他不可避免的雜質(zhì)。相應(yīng)地，本發(fā)明還公開(kāi)了該高強(qiáng)度高韌性鋼板的制造方法。該高強(qiáng)度高韌性鋼板具有較具有較大的硬度，較高的強(qiáng)度，優(yōu)質(zhì)的低溫沖擊韌性，良好的加工成型性和優(yōu)良的冷彎性能。
文檔編號(hào)C21D8/02GK102965572SQ20121046969
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月19日
發(fā)明者張愛(ài)文 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司