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CN102011061A - 一种高性能含Cu钢及其热处理工艺 - Google Patents

一种高性能含Cu钢及其热处理工艺 Download PDF

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CN102011061A CN 201010537604 CN201010537604A CN102011061A CN 102011061 A CN102011061 A CN 102011061A CN 201010537604 CN201010537604 CN 201010537604 CN 201010537604 A CN201010537604 A CN 201010537604A CN 102011061 A CN102011061 A CN 102011061A
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苏航
柴锋
杨才福
李丽
罗小兵
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China Iron and Steel Research Institute Group
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China Iron and Steel Research Institute Group
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Abstract

一种高性能含Cu钢及其热处理工艺,属于低合金高强度钢技术领域。其组成按重量百分比计为C:0.01~0.06、Si:0.10~0.60、Mn:0.10~1.30、P≤0.020、S≤0.008、Nb:0.005~0.050、Mo:0.10~0.60、Ni:1.30~3.60、Ti:0.005~0.030、Cu:1.00~2.00、Cr:0.10~0.60、V:0.005~0.06%、Al:0.005~0.04%,余量为Fe及不可避免的杂质组成;同时还应满足按重量比Ni/Cu=1.00~2.50。该钢的热处理工艺为:800~950℃的固溶处理+500~700℃的时效处理。优点在于,屈服强度≥690MPa,-40℃夏比V型缺口冲击功≥180J,具有优良的综合机械性能和焊接性能,适用于海洋船舶、工程机械及石油平台等钢种。

Description

一种高性能含Cu钢及其热处理工艺
技术领域
本发明属于低合金高强度钢技术领域,特别是涉及一种高性能含Cu钢及其热处理工艺,应用于海洋船舶、工程机械及石油钻进平台用高性能钢。
背景技术
随着世界制造业的飞速发展,如造船业、工程机械以及海洋平台等对钢结构件的使用性和安全性提出了更高的要求,这类钢除要求具有高强度、高低温韧性外,还同时要求具有良好的焊接性和耐腐蚀性能。冶金工艺技术、装备以及微合金化技术的发展使得低合金钢可以通过细晶强化、沉淀强化以及热处理强化等手段获得高强度和高韧性的配合,但是如何在保证高强韧性的同时使得钢材具有易焊接性是低合金钢关注的主要问题之一。传统高强船体钢主要是在低碳钢基础上(0.10-0.20%C)添加较多的Ni、Cr、Mo、V等合金元素,通过淬火回火热处理工艺得到回火马氏体组织来获得高强度和高韧性配合的。由于钢中碳含量和合金元素含量较高、碳当量高,这类钢的焊接性较为困难。申请号为200710094178专利介绍了一种屈服强度690MPa的钢板及其制造方法,该钢板适用的焊接线能量较低,预热温度高。申请号为200910083635专利介绍了一种700MPa的高强钢生产方法,该发明主要适用于薄板生产,焊接线能量要求同样较小。降低碳含量和碳当量成为提高高强钢焊接性的主要手段,研究发现采用Cu的沉淀析出强化可以弥补降碳带来的强度损失,含Cu钢在低合金钢领域得到初步应用。专利200810035367介绍了一种含Cu高强韧钢的制造方法,该钢采用中碳高Mn合金设计,主要用于薄板坯生产。专利200810079228介绍了一种含Cu钢,但主要应用于不锈钢应用领域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能含Cu钢及其热处理工艺,用于造船、工程机械、海洋平台等领域,屈服强度大于690MPa的高性能含Cu钢。
本发明所设计的高性能含Cu钢,其化学成分按重量百分数计为C:0.01~0.06、Si:0.10~0.60、Mn:0.10~1.30、P≤0.020、S≤0.008、Nb:0.005~0.050、Mo:0.10~0.60、Ni:1.00~3.60、Ti:0.005~0.030、Cu:1.00~2.00、Cr:0.10~0.60、V:0.005~0.06%、Al:0.005~0.04%,余量为Fe及不可避免的杂质组成。
在上述高性能含Cu钢中,还要满足按重量比Ni/Cu为1.00~2.50。以改善钢的表面质量,提高钢的低温韧性和断裂韧性等。
本发明采用上述成分设计理由如下:
C是钢中的主要强化元素,提高钢中的碳含量将会增加钢的马氏体转变能力,从而提高钢的强度。但C含量同样对钢的韧性和冷裂纹敏感性存在显著影响,降低钢的碳含量可以显著降低其韧脆转变温度,提高钢的可焊性。本发明控制碳含量为0.01~0.06%。
Si是钢中的脱氧元素,同时也是固溶强化元素。Si含量低于0.10%时,脱氧效果较差,Si含量较高时,焊接冷裂纹、热裂纹敏感性增加,本发明Si含量控制为0.10~0.50%。
Mn是钢中的重要固溶强化元素,也是脱氧元素。Mn和钢中的S结合形成MnS,从而避免了钢中FeS的形成。但是,Mn含量过高时,焊接热影响区容易形成粗大的硬质相M-A岛,焊接热影响区低温韧性显著降低。本发明控制Mn含量为0.10~1.30%。
Cu是本发明中的主要强化元素。通过Cu在时效过程的沉淀析出强化能够显著提高钢的强度,同时Cu能够提高钢的耐海水腐蚀性能,降低钢的氢致裂纹敏感性。为保证钢获得较高的强度,本发明控制Cu含量为1.00~2.00%。
Ni可以通过晶粒细化以及固溶强化提高钢的强度。Ni能够在不降低钢上平台冲击功的同时降低钢的韧脆转变温度,Ni加入到含Cu钢中能显著降低其表面热裂纹倾向。为保证钢的韧性以及抑止含Cu钢热裂纹倾向,本发明控制Ni含量为1.00~3.60%。
Cr可以延迟钢中先共析铁素体的形成,增加贝氏体的形成倾向。同时Cr能够抑止钢的回火脆性,增加钢的耐腐蚀性能,也是钢中强碳化物形成元素。本发明控制Cr含量为0.10~0.60%。
Mo也是钢中强的碳化物形成元素,能够抑止先共析铁素体的转变,促进贝氏体的转变。Mo能够显著提高钢的强度,对韧性没有损害作用,同时具有抑止回火脆性的作用。本发明控制Mo含量为0.10~0.60%。
Nb是钢中的强碳氮化物形成元素,能够提高再结晶终止温度,促进细晶强化。Nb含量过低时,不能发挥细晶强化作用,Nb含量过高,对焊接热影响区的韧性有损害作用。本发明控制Nb含量为0.005~0.05%。
V是钢中的强碳氮化物形成元素,能以弥散析出强化的形式显著提高钢的强度。本发明控制V含量为0.005~0.06%。
Ti是钢中的强碳氮化物形成元素,在焊接热影响区中能够阻碍奥氏体晶粒的长大,从而改善钢的焊接性。本发明控制Ti含量为0.005~0.03%。
Al是钢中强脱氧元素,Al还能和N结合形成AlN,对于防止钢的时效脆性以及晶粒细化均具有促进作用。本发明控制Al含量为0.005~0.04%。
本发明按照上述成分设计含Cu钢的热处理工艺,控制如下技术参数:
固溶处理:800~950℃,保温1~2h,水冷;
时效处理:500~700℃,保温1~2h,空冷。
热处理工艺设计理由如下:
固溶处理温度在800~950℃范围,到温装炉,保温1~2h,保温后水冷至室温。通过在800~950℃保温1~2h,钢的组织完全奥氏体化,合金成分中较高含量的Cu、渗碳体以及合金碳化物均固溶于奥氏体基体中,水冷后的组织主要得到板条状马氏体组织。
时效处理温度为500~700℃,到温装炉,保温1~2h,空冷。时效处理时,固溶于钢中的Cu以大量细小的ε-Cu颗粒在基体中弥散析出,提高钢的强度,同时钢的组织由板条马氏体转变为回火马氏体组织,同时在组织中还存在大量残余奥氏体。
本发明采用上述技术方案可产生如下有益效果:
1、本发明的含Cu钢经合适的热处理工艺后,其屈服强度(Rel)≥690MPa,-40℃夏比V型缺口冲击功≥180J。
2、本发明钢种表面质量良好,冷弯性能优良;
3、本发明钢种焊接性能优良,可实现0℃焊接不预热。
具体实施方式:
下面将通过不同实施例和对比例的比较来描述本发明,这些实施例仅是用于解释的目的,本发明并不局限于这些实施例中。
表1为实施例和比较例中各种钢的化学成分,其中发明例1~3钢为分别为上、中、下限的试验钢,发明例4~5钢分别为不同Ni/Cu比的中限成分试验钢,比较例6钢为低Ni/Cu比钢,比较例7钢为传统高碳及碳当量钢。各种钢由80t转炉冶炼,钢坯经重新加热至1200℃,并在800~860℃轧制成不同厚度规格钢板。按照表2所示的热处理工艺进行固溶和时效处理。表3为实施例和比较例钢的常规力学性能。表4为实施例和比较例钢的斜Y型坡口冷裂纹敏感性实验结果。
由表1~表4可见,在同样强度水平上,本发明钢种具有较高的强度和低温韧性,同时表面质量、冷弯性能以及满足0℃焊接不预热的实验要求。比较例6钢产生表面宽冷弯裂纹,比较例7钢0℃焊接时产生焊接冷裂纹。
表1
Figure BSA00000340259000031
表2
Figure BSA00000340259000041
表3
表4

Claims (2)

1.一种高性能含Cu钢,其特征在于:钢的化学成分按重量百分数计为C:0.01~0.06、Si:0.10~0.60、Mn:0.10~1.30、P≤0.020、S≤0.008、Nb:0.005~0.050、Mo:0.10~0.60、Ni:1.00~3.60、Ti:0.005~0.030、Cu:1.00~2.00、Cr:0.10~0.60、V:0.005~0.06%、Al:0.005~0.04%,余量为Fe及不可避免的杂质组成;该钢同时还要满足按重量比Ni/Cu为1.00~2.50。
2.根据专利要求1所述的一种钢的热处理工艺,其特征在于:控制如下技术参数:
固溶处理:800~950℃,保温1~2h,水冷;
时效处理:500~700℃,保温1~2h,空冷。
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