CN105908093A - 一种钒、钛复合添加的具有高疲劳强度的钢板及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钒、钛复合添加的具有高疲劳强度的钢板及其制造方法，属于金属材料技术领域。它包含退火马氏体基体、残余奥氏体以及贝氏体三相显微组织结构，退火马氏体基体具有板条结构，残余奥氏体以薄膜状分布于退火马氏体板条之间，贝氏体以块状分布于原始奥氏体晶界上。所述显微结构可以通过一种独特的热处理方法获得，配合钒、钛的科学配比获得优异的耐疲劳性能和抗氢致延迟断裂性能，钢板疲劳强度≥780MPa。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，涉及一种室温组织为退火马氏体基体、残余奥氏体和贝氏体复相组织的钒、钛复合添加的具有高疲劳强度的钢板及其制造方法。
背景技术
工程机械行业是机械制造业的重要组成部分，也是机械工业中最年轻、发展最迅速的行业。工程机械用钢板主要供给机械、煤炭、运输、矿山及各类工程施工等部门所需设备中。随着我国工程机械行业向“三高一大”方向发展，作为整机基础的钢结构件要求重量更轻，寿命更高以及强度更高。近年来，随着工业的飞速发展，高强度钢被广泛应用，从而使结构的疲劳问题更加突出。这是因为高强度钢在工程结构上的普及和使用，虽然其屈服应力和极限应力较高，从强度角度增加了工程结构的承载能力，但由于疲劳强度与屈服强度和极限强度几乎无关，因而并没有使其疲劳强度有明显提高。高强度钢一旦进入屈服状态后，其塑性储备就大大减小，抵抗疲劳破坏的能力就大大降低。而焊接工艺在工程结构建造中的普遍应用，造成在工程结构中不可避免地存在各种各样的焊接缺陷，使得工程结构的疲劳强度受到严重影响。因此，疲劳破坏作为工程结构失效的主要形式之一，正越来越受到研究者们和各工程行业的重视，确保工程机械用高强钢的疲劳性能是提高工程机械使用寿命的首要前提。
复相钢中一般通过添加Nb、V和Ti，利用细晶强化和析出强化提高钢的性能。V和Ti是强碳化物形成元素，能够细化晶粒且具有良好的析出强化作用，与其它元素协同既能提高钢的强度也能改善钢的韧性。V可以提高钢的淬透性，溶入铁素体中具有强化作用，可以形成稳定的碳化物，细化晶粒，N可以强化V的作用。Ti是强碳化物形成元素，它和N，O，C都有极强的亲和力。Ti和C形成的碳化物结合力极强、极稳定、不易分解，只有当加热温度达到1000℃以上时才开始缓慢溶入固溶体中，在未溶入前，TiC微粒有阻止晶粒长大的作用。Ti也能溶入γ和α相中，形成固溶体，使钢产生强化。V和Ti在提高强度的同时还可以抑制疲劳裂纹的扩展。
中国专利申请CN101139685A介绍了一种高强度耐疲劳热轧钢材及其制造方法，属于特种钢及其冶炼技术领域。该专利连铸坯经高压水除磷、加热、热轧、层流冷却，卷取制得成品。该专利通过添加Nb、Ti微合金元素，制备出的钢板的疲劳极限在应力比R＝0.76时达到510MPa。该发明中钢的疲劳强度适合制造低牌号的汽车结构件。
中国专利申请CN1957100A介绍了一种耐疲劳裂纹扩展性优异的钢板及其制造方法，属于低合金化钢制造领域。该专利采用添加Cu、Ni、Cr、Mo、W、Ti、B和稀土类元素中的一种或两种以上，经热轧、冷轧后实施回火处理。该专利提高了针对在各种焊接结构件的焊接部位内在的裂纹因受到反复应力而扩展的阻抗性。金相组织为铁素体、珠光体、贝氏体和少量马氏体。该专利采用相变强化的成分设计思路，但最高抗拉强度在700MPa以下，而且多种合金元素的添加使加工成本上升。
中国专利申请CN103938092A介绍了一种高疲劳强度热成型重型卡车桥壳钢板及其制造方法，满足30～70吨的重型卡车使用。该专利设计低碳、高锰含量，加入铌钒钛和0.18％的铬元素，利用炉外精炼和脱气精炼，改进钢水纯净度，提高钢材内在品质，获得珠光体、铁素体金相组织。钢板厚度为10～16mm，屈服强度510～560MPa，抗拉强度620～720MPa，延伸率17～22％。该发明采用了添加多元微合金元素Nb-V-Ti-Cr，总量较高，成本上升。
综上所述，目前企业生产的具有高疲劳性能的钢板的强度一般较低，随着社会经济的发展，钢铁工业所面临的低碳经济发展，以节省资源、节约能能和保护环境为主要目标，同时轻量化技术也要求不断改进材料的性能，这也是目前钢铁材料发展的趋势。本发明采用了一种独特的热处理方法，大大缩短了热处理的时间，可以起到节能、高效的作用。由于NbC的氢陷阱作用较VC弱，因此钢中添加V改善耐氢致延迟断裂性能的效果优于Nb。此外，我国蕴含丰富的V资源储量，占全球总量的34％，居世界第一。按照钒和钛的科学配比复合加入钢中之后，使得钢板具有高的疲劳强度和抗氢致延迟断裂性能，将其应用在工程机械构件上，前景可观。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种具有高的疲劳强度，且性能稳定的钒、钛复合添加的钢板及其制造方法。
一种钒、钛复合添加的具有高疲劳强度的钢板，其特征在于：所述钢板具有退火马氏体基体、残余奥氏体和贝氏体形成的三相显微组织，所述残余奥氏体以薄膜状分布于退火马氏体板条之间；
所述退火马氏体基体＞80％，残余奥氏体为9～15％和少量的贝氏体组织。
所述钢板化学成分按重量百分比为：V 0.12～0.18％、Ti≤0.05％，V/Ti＝2.2～3.75。
本发明的另一目的是提供上述钒、钛复合添加的具有高疲劳强度的钢板的制造方法，其独特的热处理工艺步骤如下：
(1)将冷轧压下率为45％～65％，板厚1.5～2.0mm的冷轧薄板升温至完全奥氏体化温度900～930℃，保温100～200s，再以30～50℃/s降温至室温得到板条马氏体组织的淬火板。
(2)将上述淬火板加热至两相区温度750～860℃，保温100～200s，再以30～50℃/s降温至贝氏体区温度350～500℃，保温200～500s，最后以30～50℃/s降温至室温。
C是奥氏体稳定元素，影响残余奥氏体的稳定性。碳元素还使马氏体的硬度得到提高，使钢最终的抗拉强度升高。
Si主要以固溶方式存在于TRIP钢中，抑制贝氏体转变期间渗碳体的形成，使C进一步扩散到未转变的奥氏体中，促使马氏体开始转变温度Ms降低，形成富碳的残余奥氏体。Si的存在有利于获得较多的残余奥氏体，从而获得大的相变诱导塑性。
Mn既能以固溶状态存在，也可以进入渗碳体中取代一部分Fe原子，还能形成硫化物。它的作用主要是增强奥氏体稳定性，延长其转变孕育期，使铁素体和贝氏体转变容易控制，同时也促使Ms降低，形成一定体积的富碳的残余奥氏体。
V是铁素体稳定元素，一般用来抑制TRIP钢中的相变行为，并有析出强化的作用。V是强碳化物构成元素，它在钢中主要以微量固溶于铁素体或形成碳氮化钒第二相这两种形式存在。
Ti与C的结合力强，在加热过程中显著降低C在奥氏体中的扩散速度，使奥氏体形成速度大大降低，稳定的Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物强烈阻止奥氏体晶粒长大的倾向，在冷轧过程中，析出TiC有沉淀强化作用；在回火过程中，Ti减缓C在α相中的扩散，减缓Fe、Mn等碳化物的析出与长大，增加回火稳定性，并可能通过析出TiC而起到二次硬化的作用。
本发明由于采用以上技术方案，使之钒、钛复合添加的具有高疲劳强度的钢板，其疲劳强度≥780MPa，屈服强度>550MPa，抗拉强度>1000MPa，断后伸长率A≥30％，强塑积≥30GPa·％。
进一步的作为优选的技术方案，上述所述钒、钛复合添加的具有高疲劳强度的钢板，疲劳强度＝810MPa，屈服强度＝650MPa，抗拉强度＝1050MPa，断后伸长率A＝32％，强塑积＝33.6GPa·％。
本发明采用钒、钛科学配比复合添加，通过钒、钛细化晶粒以及碳氮化物等的析出改善了钢板的强韧性，从而提高了钢的综合力学性能。尤其是采用该热处理工艺，得到了弥散分布于退火马氏体板条之间的薄膜状残余奥氏体组织以及贝氏体组织，使钢板的组织性能更加稳定。
附图说明
图1为本发明钒、钛复合添加的具有高疲劳强度的钢板的冷轧金相照片。
图2为本发明钒、钛复合添加的具有高疲劳强度的钢板的热处理后金相照片。
图3为本发明钒、钛复合添加的具有高疲劳强度的钢板的热处理后扫描照片。
具体实施方式
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
首先按照上述成分范围进行冶炼、连铸，然后检测铸坯的成分，见表1。
表1铸坯的成分(wt.％)
具体工艺参数见表2。
表2具体工艺参数
按照表1和表2制得的高强塑积汽车用钢的力学性能见表3。
表3力学性能
按照表1和表2制得的高强塑积汽车用钢的XRD结果见表4。
表4残余奥氏体含量
从表3可以看出各个力学性能均达到所要求的性能指标，屈服强度为632MPa，抗拉强度为1041MPa，伸长率为32.1％，强塑积33.4GPa·％。将实例1所得的钢板在高频疲劳试验机进行测试，加载方式为轴向动载，采用升降法测量材料在N＝107周时的疲劳极限，频率约为100Hz。测定结果表明，实例1钢板的疲劳极限为790MPa。金相和扫描照片如图2、图3所示，薄膜状残余奥氏体分布于板条状退火马氏体之间，板条状贝氏体呈块状分布。残余奥氏体体积分数为13.34％，残余奥氏体含碳量为1.09％。
实施例2：
首先按照上述成分范围进行冶炼、连铸，然后检测铸坯的成分，见表5。
表5铸坯的成分(wt.％)
具体工艺参数见表6。
表6具体工艺参数
按照表5和表6制得的高强塑积汽车用钢的力学性能见表7。
表7力学性能
按照表5和表6制得的高强塑积汽车用钢的残余奥氏体含量见表8。
表8残余奥氏体含量
从表7可以看出各个力学性能均达到所要求的性能指标，屈服强度为649MPa，抗拉强度为1074MPa，伸长率为31.6％，强塑积33.9GPa·％。将实例2所得的钢板在高频疲劳试验机进行测试，加载方式为轴向动载，采用升降法测量材料在N＝107周时的疲劳极限，频率约为100Hz。测定结果表明，实例2钢板的疲劳极限为801MPa。金相和扫描照片如图2、图3所示，薄膜状残余奥氏体分布于板条状退火马氏体之间，板条状贝氏体呈块状分布。残余奥氏体体积分数为13.41％，残余奥氏体含碳量为1.08％。
实施例3：
首先按照上述成分范围进行冶炼、连铸，然后检测铸坯的成分，见表9。
表9铸坯的成分(wt.％)
具体工艺参数见表10。
表10具体工艺参数
按照表9和表10制得的高强塑积汽车用钢的力学性能见表11。
表11力学性能
按照表9和表10制得的高强塑积汽车用钢的残余奥氏体含量见表12。
表12残余奥氏体含量
从表11可以看出各个力学性能均达到所要求的性能指标，屈服强度为662MPa，抗拉强度为1100MPa，伸长率为31.9％，强塑积35.1GPa·％。将实例3所得的钢板在高频疲劳试验机进行测试，加载方式为轴向动载，采用升降法测量材料在N＝107周时的疲劳极限，频率约为100Hz。测定结果表明，实例3钢板的疲劳极限为809MPa。金相和扫描照片如图2、图3所示，薄膜状残余奥氏体分布于板条状退火马氏体之间，板条状贝氏体呈块状分布。残余奥氏体体积分数为15.12％，残余奥氏体含碳量为0.97％。
按照上述成分和工艺参数设计，各个力学性能均达到所要求的性能指标，疲劳强度≥780MPa，屈服强度>550MPa，抗拉强度>1000MPa，断后伸长率A≥30％，强塑积≥30GPa·％。扫描金相照片如图2所示，由退火马氏体、贝氏体和残余奥氏体组成。钢中存有部分残余奥氏体，使钢在变形时发生TRIP效应，增加钢的强塑性。综上可见，本发明中铌、钒复合添加的汽车用钢具有优异的强韧性能。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种钒、钛复合添加的具有高疲劳强度的钢板，其特征在于：所述钢板具有退火马氏体基体、残余奥氏体和贝氏体形成的三相显微组织，所述残余奥氏体以薄膜状分布于退火马氏体板条之间；
所述退火马氏体基体＞80％，残余奥氏体为9～15％和少量的贝氏体组织。
2.一种如权利要求1所述的钒、钛复合添加的具有高疲劳强度的钢板，其特征在于：其化学成分按重量百分比为：V 0.12～0.18％、Ti≤0.05％，V/Ti＝2.2～3.75。
3.一种如权利要求1或2所述的钒、钛复合添加的具有高疲劳强度的钢板的制造方法，其特征在于钢板热处理工艺如下：
(1)将冷轧压下率为45％～65％，板厚1.5～2.0mm的冷轧薄板加热到完全奥氏体化温度900～930℃，保温100～200s，使之完全奥氏体化，然后再以30～50℃/s快速冷却至室温，使所述奥氏体相完全转变为板条马氏体组织，得到淬火板；
(2)将上述淬火板加热至两相区温度750～860℃，保温100～200s，再以30～50℃/s降温至贝氏体区温度350～500℃，保温200～500s，最后以30～50℃/s降温至室温。
4.根据权利要求4所述钒、钛复合添加的具有高疲劳强度的钢板的的制造方法，其特征在于：热处理后的钢板疲劳强度≥780MPa，屈服强度>550MPa，抗拉强度>1000MPa，断后伸长率A≥30％，强塑积≥30GPa·％。
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