一種釩、鈦復(fù)合添加的具有高疲勞強(qiáng)度的鋼板及制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種釩、鈦復(fù)合添加的具有高疲勞強(qiáng)度的鋼板及其制造方法，屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域。它包含退火馬氏體基體、殘余奧氏體以及貝氏體三相顯微組織結(jié)構(gòu)，退火馬氏體基體具有板條結(jié)構(gòu)，殘余奧氏體以薄膜狀分布于退火馬氏體板條之間，貝氏體以塊狀分布于原始奧氏體晶界上。所述顯微結(jié)構(gòu)可以通過一種獨(dú)特的熱處理方法獲得，配合釩、鈦的科學(xué)配比獲得優(yōu)異的耐疲勞性能和抗氫致延遲斷裂性能，鋼板疲勞強(qiáng)度≥780MPa。
【專利說明】
一種釩、鈦復(fù)合添加的具有高疲勞強(qiáng)度的鋼板及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種室溫組織為退火馬氏體基體、殘余奧氏 體和貝氏體復(fù)相組織的釩、鈦復(fù)合添加的具有高疲勞強(qiáng)度的鋼板及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 工程機(jī)械行業(yè)是機(jī)械制造業(yè)的重要組成部分，也是機(jī)械工業(yè)中最年輕、發(fā)展最迅 速的行業(yè)。工程機(jī)械用鋼板主要供給機(jī)械、煤炭、運(yùn)輸、礦山及各類工程施工等部門所需設(shè) 備中。隨著我國工程機(jī)械行業(yè)向"三高一大"方向發(fā)展，作為整機(jī)基礎(chǔ)的鋼結(jié)構(gòu)件要求重量 更輕，壽命更高以及強(qiáng)度更高。近年來，隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，高強(qiáng)度鋼被廣泛應(yīng)用，從而使 結(jié)構(gòu)的疲勞問題更加突出。這是因?yàn)楦邚?qiáng)度鋼在工程結(jié)構(gòu)上的普及和使用，雖然其屈服應(yīng) 力和極限應(yīng)力較高，從強(qiáng)度角度增加了工程結(jié)構(gòu)的承載能力，但由于疲勞強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度 和極限強(qiáng)度幾乎無關(guān)，因而并沒有使其疲勞強(qiáng)度有明顯提高。高強(qiáng)度鋼一旦進(jìn)入屈服狀態(tài) 后，其塑性儲備就大大減小，抵抗疲勞破壞的能力就大大降低。而焊接工藝在工程結(jié)構(gòu)建造 中的普遍應(yīng)用，造成在工程結(jié)構(gòu)中不可避免地存在各種各樣的焊接缺陷，使得工程結(jié)構(gòu)的 疲勞強(qiáng)度受到嚴(yán)重影響。因此，疲勞破壞作為工程結(jié)構(gòu)失效的主要形式之一，正越來越受到 研究者們和各工程行業(yè)的重視，確保工程機(jī)械用高強(qiáng)鋼的疲勞性能是提高工程機(jī)械使用壽 命的首要前提。
[0003] 復(fù)相鋼中一般通過添加 Nb、V和Ti，利用細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化提高鋼的性能。V和Ti 是強(qiáng)碳化物形成元素，能夠細(xì)化晶粒且具有良好的析出強(qiáng)化作用，與其它元素協(xié)同既能提 高鋼的強(qiáng)度也能改善鋼的韌性。V可以提高鋼的淬透性，溶入鐵素體中具有強(qiáng)化作用，可以 形成穩(wěn)定的碳化物，細(xì)化晶粒，N可以強(qiáng)化V的作用。Ti是強(qiáng)碳化物形成元素，它和N，0，C都有 極強(qiáng)的親和力。Ti和C形成的碳化物結(jié)合力極強(qiáng)、極穩(wěn)定、不易分解，只有當(dāng)加熱溫度達(dá)到 1000°C以上時才開始緩慢溶入固溶體中，在未溶入前，TiC微粒有阻止晶粒長大的作用。Ti 也能溶入γ和α相中，形成固溶體，使鋼產(chǎn)生強(qiáng)化。V和Ti在提高強(qiáng)度的同時還可以抑制疲勞 裂紋的擴(kuò)展。
[0004] 中國專利申請CN101139685A介紹了 一種高強(qiáng)度耐疲勞熱乳鋼材及其制造方法，屬 于特種鋼及其冶煉技術(shù)領(lǐng)域。該專利連鑄坯經(jīng)高壓水除磷、加熱、熱乳、層流冷卻，卷取制得 成品。該專利通過添加 Nb、Ti微合金元素，制備出的鋼板的疲勞極限在應(yīng)力比R = 0.76時達(dá) 到51 OMPa。該發(fā)明中鋼的疲勞強(qiáng)度適合制造低牌號的汽車結(jié)構(gòu)件。
[0005] 中國專利申請CN1957100A介紹了一種耐疲勞裂紋擴(kuò)展性優(yōu)異的鋼板及其制造方 法，屬于低合金化鋼制造領(lǐng)域。該專利采用添加(^、附、0、]/[0、￥、1';[、13和稀土類元素中的一 種或兩種以上，經(jīng)熱乳、冷乳后實(shí)施回火處理。該專利提高了針對在各種焊接結(jié)構(gòu)件的焊接 部位內(nèi)在的裂紋因受到反復(fù)應(yīng)力而擴(kuò)展的阻抗性。金相組織為鐵素體、珠光體、貝氏體和少 量馬氏體。該專利采用相變強(qiáng)化的成分設(shè)計思路，但最高抗拉強(qiáng)度在700MPa以下，而且多種 合金元素的添加使加工成本上升。
[0006] 中國專利申請CN103938092A介紹了一種高疲勞強(qiáng)度熱成型重型卡車橋殼鋼板及 其制造方法，滿足30~70噸的重型卡車使用。該專利設(shè)計低碳、高錳含量，加入鈮釩鈦和 0.18%的鉻元素，利用爐外精煉和脫氣精煉，改進(jìn)鋼水純凈度，提高鋼材內(nèi)在品質(zhì)，獲得珠 光體、鐵素體金相組織。鋼板厚度為10~16mm，屈服強(qiáng)度510~560MPa，抗拉強(qiáng)度620~ 720MPa，延伸率17~22%。該發(fā)明采用了添加多元微合金元素 Nb-V-Ti-Cr，總量較高，成本 上升。
[0007] 綜上所述，目前企業(yè)生產(chǎn)的具有高疲勞性能的鋼板的強(qiáng)度一般較低，隨著社會經(jīng) 濟(jì)的發(fā)展，鋼鐵工業(yè)所面臨的低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以節(jié)省資源、節(jié)約能能和保護(hù)環(huán)境為主要目 標(biāo)，同時輕量化技術(shù)也要求不斷改進(jìn)材料的性能，這也是目前鋼鐵材料發(fā)展的趨勢。本發(fā)明 采用了一種獨(dú)特的熱處理方法，大大縮短了熱處理的時間，可以起到節(jié)能、高效的作用。由 于NbC的氫陷阱作用較VC弱，因此鋼中添加 V改善耐氫致延遲斷裂性能的效果優(yōu)于Nb。此外， 我國蘊(yùn)含豐富的V資源儲量，占全球總量的34%，居世界第一。按照釩和鈦的科學(xué)配比復(fù)合 加入鋼中之后，使得鋼板具有高的疲勞強(qiáng)度和抗氫致延遲斷裂性能，將其應(yīng)用在工程機(jī)械 構(gòu)件上，前景可觀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種具有高的疲勞強(qiáng)度，且性能穩(wěn)定 的釩、鈦復(fù)合添加的鋼板及其制造方法。
[0009] 一種釩、鈦復(fù)合添加的具有高疲勞強(qiáng)度的鋼板，其特征在于:所述鋼板具有退火馬 氏體基體、殘余奧氏體和貝氏體形成的三相顯微組織，所述殘余奧氏體以薄膜狀分布于退 火馬氏體板條之間；
[0010] 所述退火馬氏體基體>80%，殘余奧氏體為9~15%和少量的貝氏體組織。
[0011] 所述鋼板化學(xué)成分按重量百分比為:V 0.12~0.18%、Ti彡0.05%，V/Ti = 2.2~ 3.75。
[0012] 本發(fā)明的另一目的是提供上述釩、鈦復(fù)合添加的具有高疲勞強(qiáng)度的鋼板的制造方 法，其獨(dú)特的熱處理工藝步驟如下：
[0013] (1)將冷乳壓下率為45%~65%，板厚1.5~2.0mm的冷乳薄板升溫至完全奧氏體 化溫度900~930 °C，保溫100~200s，再以30~50 °C/s降溫至室溫得到板條馬氏體組織的淬 火板。
[0014] (2)將上述淬火板加熱至兩相區(qū)溫度750~860 °C，保溫100~200s，再以30~50 °C/ s降溫至貝氏體區(qū)溫度350~500°C，保溫200~500s，最后以30~50°C/s降溫至室溫。
[0015] C是奧氏體穩(wěn)定元素，影響殘余奧氏體的穩(wěn)定性。碳元素還使馬氏體的硬度得到提 尚，使鋼最終的抗拉強(qiáng)度升尚。
[0016] Si主要以固溶方式存在于TRIP鋼中，抑制貝氏體轉(zhuǎn)變期間滲碳體的形成，使C進(jìn)一 步擴(kuò)散到未轉(zhuǎn)變的奧氏體中，促使馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Ms降低，形成富碳的殘余奧氏體。Si 的存在有利于獲得較多的殘余奧氏體，從而獲得大的相變誘導(dǎo)塑性。
[0017] Μη既能以固溶狀態(tài)存在，也可以進(jìn)入滲碳體中取代一部分Fe原子，還能形成硫化 物。它的作用主要是增強(qiáng)奧氏體穩(wěn)定性，延長其轉(zhuǎn)變孕育期，使鐵素體和貝氏體轉(zhuǎn)變?nèi)菀卓?制，同時也促使Ms降低，形成一定體積的富碳的殘余奧氏體。
[0018] V是鐵素體穩(wěn)定元素，一般用來抑制TRIP鋼中的相變行為，并有析出強(qiáng)化的作用。V 是強(qiáng)碳化物構(gòu)成元素，它在鋼中主要以微量固溶于鐵素體或形成碳氮化釩第二相這兩種形 式存在。
[0019] Ti與C的結(jié)合力強(qiáng)，在加熱過程中顯著降低C在奧氏體中的擴(kuò)散速度，使奧氏體形 成速度大大降低，穩(wěn)定的Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物強(qiáng)烈阻止奧氏體晶粒長大的傾向， 在冷乳過程中，析出TiC有沉淀強(qiáng)化作用;在回火過程中，Ti減緩C在α相中的擴(kuò)散，減緩Fe、 Μη等碳化物的析出與長大，增加回火穩(wěn)定性，并可能通過析出TiC而起到二次硬化的作用。
[0020] 本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，使之釩、鈦復(fù)合添加的具有高疲勞強(qiáng)度的鋼板，其 疲勞強(qiáng)度彡780MPa，屈服強(qiáng)度>550MPa，抗拉強(qiáng)度>1000MPa，斷后伸長率30 %，強(qiáng)塑積彡 30GPa · % 〇
[0021] 進(jìn)一步的作為優(yōu)選的技術(shù)方案，上述所述釩、鈦復(fù)合添加的具有高疲勞強(qiáng)度的鋼 板，疲勞強(qiáng)度=810MPa，屈服強(qiáng)度=650MPa，抗拉強(qiáng)度=1050MPa，斷后伸長率A = 32%，強(qiáng)塑 積=33 · 6GPa · %。
[0022] 本發(fā)明采用釩、鈦科學(xué)配比復(fù)合添加，通過釩、鈦細(xì)化晶粒以及碳氮化物等的析出 改善了鋼板的強(qiáng)韌性，從而提高了鋼的綜合力學(xué)性能。尤其是采用該熱處理工藝，得到了彌 散分布于退火馬氏體板條之間的薄膜狀殘余奧氏體組織以及貝氏體組織，使鋼板的組織性 能更加穩(wěn)定。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明釩、鈦復(fù)合添加的具有高疲勞強(qiáng)度的鋼板的冷乳金相照片。
[0024] 圖2為本發(fā)明釩、鈦復(fù)合添加的具有高疲勞強(qiáng)度的鋼板的熱處理后金相照片。
[0025] 圖3為本發(fā)明釩、鈦復(fù)合添加的具有高疲勞強(qiáng)度的鋼板的熱處理后掃描照片。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面以附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0027] 實(shí)施例1:
[0028] 首先按照上述成分范圍進(jìn)行冶煉、連鑄，然后檢測鑄坯的成分，見表1。
[0029] 表1鑄坯的成分(wt·%)
[0030]
[0031] 具體工藝參數(shù)見表2。[0032] 表2具體工藝參數(shù)
[0033]
[0034]
[0035]按照表1和表2制得的高強(qiáng)塑積汽車用鋼的力學(xué)性能見表3。
[0036] 表3力學(xué)性能
[0037]
[0038] 按照表1和表2制得的高強(qiáng)塑積汽車用鋼的XRD結(jié)果見表4。
[0039]表4殘余奧氏體含量
[0040]
[0041] 從表3可以看出各個力學(xué)性能均達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，屈服強(qiáng)度為632MPa，抗拉 強(qiáng)度為l〇41MPa，伸長率為32.1%，強(qiáng)塑積33.4GPa · %。將實(shí)例1所得的鋼板在高頻疲勞試 驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，加載方式為軸向動載，采用升降法測量材料在N=107周時的疲勞極限，頻率 約為100Hz。測定結(jié)果表明，實(shí)例1鋼板的疲勞極限為790MPa。金相和掃描照片如圖2、圖3所 示，薄膜狀殘余奧氏體分布于板條狀退火馬氏體之間，板條狀貝氏體呈塊狀分布。殘余奧氏 體體積分?jǐn)?shù)為13.34%，殘余奧氏體含碳量為1.09%。
[0042] 實(shí)施例2:
[0043] 首先按照上述成分范圍進(jìn)行冶煉、連鑄，然后檢測鑄坯的成分，見表5。
[0044] 表5鑄坯的成分(wt·%)
[0045]
[0046] 具體工藝參數(shù)見表6。
[0047] 表6具體工藝參數(shù)
[0048]
[0049] 按照表5和表6制得的高強(qiáng)塑積汽車用鋼的力學(xué)性能見表7。
[0050] 表7力學(xué)性能
[0051]
[0052]按照表5和表6制得的高強(qiáng)塑積汽車用鋼的殘余奧氏體含量見表8。
[0053]表8殘余奧氏體含量
[0054]
[0055]從表7可以看出各個力學(xué)性能均達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，屈服強(qiáng)度為649MPa，抗拉 強(qiáng)度為10741〇^，伸長率為31.6%，強(qiáng)塑積33.96?&*%。將實(shí)例2所得的鋼板在高頻疲勞試 驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，加載方式為軸向動載，采用升降法測量材料在N=107周時的疲勞極限，頻率 約為100Hz。測定結(jié)果表明，實(shí)例2鋼板的疲勞極限為801MPa。金相和掃描照片如圖2、圖3所 示，薄膜狀殘余奧氏體分布于板條狀退火馬氏體之間，板條狀貝氏體呈塊狀分布。殘余奧氏 體體積分?jǐn)?shù)為13.41 %，殘余奧氏體含碳量為1.08%。
[0056] 實(shí)施例3:
[0057]首先按照上述成分范圍進(jìn)行冶煉、連鑄，然后檢測鑄坯的成分，見表9。
[0058] 表9鑄坯的成分(wt·%)
[0059]
-
[0060] 具體工藝參數(shù)見表10。
[0061 ] 表10具體工藝參數(shù)
[0062]
[0063]按照表9和表10制得的高強(qiáng)塑積汽車用鋼的力學(xué)性能見表11。
[0064] 表11力學(xué)性能
[0065]
[0066]按照表9和表10制得的高強(qiáng)塑積汽車用鋼的殘余奧氏體含量見表12。
[0067]表12殘余奧氏體含量
[0068]
[0069]從表11可以看出各個力學(xué)性能均達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，屈服強(qiáng)度為662MPa，抗 拉強(qiáng)度為11001?&，伸長率為31.9%，強(qiáng)塑積35.16?&*%。將實(shí)例3所得的鋼板在高頻疲勞 試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，加載方式為軸向動載，采用升降法測量材料在N=10 7周時的疲勞極限，頻 率約為100Hz。測定結(jié)果表明，實(shí)例3鋼板的疲勞極限為809MPa。金相和掃描照片如圖2、圖3 所示，薄膜狀殘余奧氏體分布于板條狀退火馬氏體之間，板條狀貝氏體呈塊狀分布。殘余奧 氏體體積分?jǐn)?shù)為15.12 %，殘余奧氏體含碳量為0.97 %。
[0070]按照上述成分和工藝參數(shù)設(shè)計，各個力學(xué)性能均達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，疲勞強(qiáng) 度彡780MPa，屈服強(qiáng)度>550MPa，抗拉強(qiáng)度>1000MPa，斷后伸長率A彡30%，強(qiáng)塑積彡 30GPa · %。掃描金相照片如圖2所示，由退火馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體組成。鋼中存有 部分殘余奧氏體，使鋼在變形時發(fā)生TRIP效應(yīng)，增加鋼的強(qiáng)塑性。綜上可見，本發(fā)明中鈮、釩 復(fù)合添加的汽車用鋼具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性能。
[0071]最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參 照實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，對本發(fā)明的技術(shù)方 案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明 的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種釩、鈦復(fù)合添加的具有高疲勞強(qiáng)度的鋼板，其特征在于:所述鋼板具有退火馬氏 體基體、殘余奧氏體和貝氏體形成的三相顯微組織，所述殘余奧氏體以薄膜狀分布于退火 馬氏體板條之間； 所述退火馬氏體基體> 80 %，殘余奧氏體為9~15 %和少量的貝氏體組織。2. -種如權(quán)利要求1所述的釩、鈦復(fù)合添加的具有高疲勞強(qiáng)度的鋼板，其特征在于：其 化學(xué)成分按重量百分比為:V 0.12~0.18%、Ti彡0.05%，V/Ti = 2.2~3.75。3. -種如權(quán)利要求1或2所述的釩、鈦復(fù)合添加的具有高疲勞強(qiáng)度的鋼板的制造方法， 其特征在于鋼板熱處理工藝如下： (1) 將冷乳壓下率為45%~65%，板厚1.5~2.Omm的冷乳薄板加熱到完全奧氏體化溫 度900~930 °C，保溫100~200s，使之完全奧氏體化，然后再以30~50 °C/s快速冷卻至室溫， 使所述奧氏體相完全轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l馬氏體組織，得到淬火板； (2) 將上述淬火板加熱至兩相區(qū)溫度750~860 °C，保溫100~200s，再以30~50°C/s降 溫至貝氏體區(qū)溫度350~500°C，保溫200~500s，最后以30~50°C/s降溫至室溫。4. 根據(jù)權(quán)利要求4所述釩、鈦復(fù)合添加的具有高疲勞強(qiáng)度的鋼板的的制造方法，其特征 在于:熱處理后的鋼板疲勞強(qiáng)度彡780MPa，屈服強(qiáng)度>550MPa，抗拉強(qiáng)度MOOOMPa，斷后伸長 率A彡30%，強(qiáng)塑積彡30GPa · %。
【文檔編號】C22C38/04GK105908093SQ201610390324
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】于浩, 李莉莉, 宋成浩, 盧軍
【申請人】北京科技大學(xué)