CN111979393A - 一种低温韧性优良的热轧高强钢板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低温韧性优良的热轧高强钢板及其制备方法，上述热轧高强钢板的化学成分按重量百分比为C:0.05‑0.10％、Si:0.03‑0.20％、Mn:1.1‑1.7％、P:≤0.015％、S:≤0.005％、Ti:0.07‑0.11％、Nb:0.015‑0.045％、N:≤0.005％、Als:0.02‑0.05％、Mn/C:15‑25、Ti/Nb:2.0‑3.5％，余量为Fe及杂质。本发明提供的热轧高强钢板屈服强度大于590MPa，抗拉强度大于650MPa，冲击功稳定，‑20℃冲击功大于130J，‑40℃冲击功大于100J，延伸率A50大于17％，冷弯性能可达d＝2a，180°合格。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种低温韧性优良的热轧高强钢板及其制备方法。
背景技术
低合金高强钢是在C-Mn钢基础上加入Mo、Nb、V、Ti等微合金元素的高强钢，在工程机械、煤矿机械等行业得到广泛应用。近年来，为开发低成本、高性价比的高强钢，在钛合金成本显著低于铌钒合金背景下，含钛钢得到了空前发展。但研究发现，随着Ti含量的提高，其低温韧性大幅下降，且波动较大，厚度越厚，影响越明显，一直难以得到有效解决，限制了热轧高钛钢的进一步发展。
公开号为CN104264052A的发明专利公开了一种工程机械用钢板及其生产方法，其钢板的化学成分质量百分含量为：C:0.05-0.09、Si:0.05-0.30、Mn:1.5-2.0、P:≤0.025、S:≤0.005、Nb:0-0.07、Ti:0.08-0.15、Mo:0.10-0.30、Als:0.015-0.06、Ca:0.0010-0.0030、N:≤0.006、余量为Fe，q其采用热轧+回火工艺，提供厚度规格为3-8.5mm的产品，-20℃冲击功≥80J，但没有提供-40℃冲击功指标，且由于含贵重金属Mo和需后续回火处理，合金和工序成本较高，对于8.5mm以上的钢板，不能稳定生产。
公开号为CN104532125A的发明专利公开了一种高强度工程机械用钢及其制备方法，其制备方法为：经转炉冶炼、精炼后连铸成坯；对铸坯加热，加热温度为1150-1250℃；粗轧开轧温度为1100-1150℃，精轧开轧温度为915-960℃，终轧温度为820-880℃；轧后采用两段式冷却方式：第一段以3-6℃/s的冷却速度冷却到720-760℃，第二段以30-50℃/s的冷却速度冷却到560-600℃；卷取后空冷至室温。上述专利中其第一段冷速较低，不能起到晶粒细化，导致韧性偏低，同时也存在含Mo等贵重金属和未提及低温韧性指标的问题。
公开号为CN103122435A的发明专利公开了一种屈服强度大于700MPa级热轧含钛高强钢板及其制造方法，该钢板包含的组分(wt％)为：C:0.05-0.12％、Si:0.2-0.5％、Mn:1.0-1.6％、Ti:0.16-0.20％、N:≤0.010％、P:≤0.02％、S:≤0.010％；可选成分B:0.001-0.0025％；以及余量的Fe和杂质上述钢板在实验工厂80kg真空感应炉中冶炼，具体为依次进行加热工序、轧制工序和控冷工序，厚度规格为3-8mm，上述专利总其仅仅依靠Ti析出强化，容易造成性能波动，也未提及低温韧性指标，另外钢板是在实验工厂环境下生产，厚度规格也受限，离工业大生产有一定距离。
公开号为CN106319389A的发明专利公开了低成本、高机械加工性的工程机械用钢及其制造方法，其成分重量百分比为：C:0.06-0.10％，Si:0.30-0.60％，Mn:1.00-1.60％，P:≤0.015％，S:≤0.0030％，Ni:0.20-0.60％，Cr:0.50-0.80％，Mo:0.25-0.55％，V:0.025-0.065％，B:0.0008-0.0020％，Ti:0.008-0.018％，Al:0.030-0.070％，N:≤0.0050％，Ca:0.0010-0.0040％，余Fe和不可避免夹杂，其制备中采用控轧+两相区调质工艺相结合方式生产，但其含较高的Cr、Ni、Mo等，合金成本高，且工艺流程长，生产成本太高，市场推广应用方面有较高的难度。
公开号为CN109161796A的发明专利公开了具有良好低温冲击韧性高强大梁钢800L及其生产方法，其成分重量百分比为：C:0.065-0.085％，Si:0.05-0.15％，Mn:1.30-1.60％，P:≤0.014％，S:≤0.003％，Nb:0.045-0.065％，Ti:0.10-0.12％，Als:0.015-0.035％，N:≤0.0050％，其采用控轧控冷方法生产，层流冷却速度23-50℃/s，虽可保证较为优异的力学性能，但其冷速仍然不高，没有起到足够的以水代合金作用，这也是其Nb含量不得不相对较高的原因之一，如果优化冷却工艺，合金成本还有进一步降低的空间，市场竞争力可进一步增强。
发明内容
针对上述问题，现提供一种低温韧性优良的热轧高强钢板及其制备方法，旨在采用Nb、Ti微合金化与控轧控冷技术，充分发挥晶粒细化和析出强化作用，解决高强钢低温韧性波动和厚度受限等难题。
具体技术方案如下：
本发明的第一个方面是提供一种低温韧性优良的热轧高强钢板，具有这样的特征，上述高强钢板的化学成分按重量百分比为C:0.05-0.10％、Si:0.03-0.20％、Mn:1.1-1.7％、P:≤0.015％、S:≤0.005％、Ti:0.07-0.11％、Nb:0.015-0.045％、N:≤0.005％、Als:0.02-0.05％、Mn/C:15-25、Ti/Nb:2.0-3.5％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明中上述热轧高强钢板中成分范围的设置是基于如下原因：
1)、C是提高材料强度最廉价的元素，随着含碳量增加，材料的硬度、强度提高，但塑韧性和焊接性能降低，综合考虑，C重量百分含量为0.05-0.10％即可。
2)、在常见的固溶元素中，Si仅次于P，固溶于铁素体和奥氏体中，可提高强度，Si可降低碳在铁素体中的扩散速度，使回火时析出的碳化物不易聚集，提高回火稳定性，但Si过高易产生淬火裂纹，超快冷下裂纹倾向更大；钢在加热的过程中，Si与O结合产生SiO2，再与FeO发生一系列复杂的固相反应生成铁橄榄石Fe2SiO4，影响表面质量，综合考虑，Si重量百分含量为0.03-0.20％为宜。
3)、Mn可显著降低钢的Ar1温度、奥氏体的分解速度，与Fe无限固溶能提高强度，但Mn含量若太高，会增加钢的回火脆性，导致严重的中心偏析，综合考虑，Mn重量百分含量为1.1-1.7％为宜；同时，Mn/C控制在15-25之间，可以保证较好的强韧性匹配。
4)、Nb在钢中与C、N具有极强的亲和力，可与之形成稳定的Nb(C，N)化合物，在控制轧制过程中诱导析出，沿奥氏体晶界弥散分布，作为相变的形核质点，可有效阻止再结晶，提高铁素体形核率，对细化晶粒作用显著，综合考虑，Nb重量百分含量为0.015-0.045％为宜。
5)、Ti与C、N元素形成耐高温的TiN和TiC粒子，起到析出强化作用，钉扎在原始奥氏体晶界，阻止奥氏体晶粒长大，焊接时TiN和TiC粒子可显著阻止热影响区晶粒长大，改善焊接性能，但当Ti含量较低时，析出强化和焊接性能改善作用小，当Ti含量过高时，塑性降低，且容易造成性能波动，综合考虑，Ti重量百分含量为0.07-0.11％为宜。
6)、N对钢材性能的影响与C和P相似，随着N含量增加，强度显著提高，塑性特别是韧性显著降低，可焊性变差，冷脆性加剧，同时增加时效倾向，N与Ti有很好的亲和力，形成粗大TiN化合物，加热时难以充分溶解，形成夹杂物，成为拉伸和冲击过程中的裂纹源，也会造成合金浪费，因此综合考虑，N≤0.005％为宜。
7)、Als在钢中可脱氧，也能起到细化晶粒的作用，综合考虑，Als在0.02-0.05％为宜。
8)、本专利采取Nb微合金化和第一段高冷速工艺共同细化晶粒，发挥高冷速以水代合金的作用，节约合金成本，同时也需保证(Nb,Ti)、(C,N)粒子均匀分布在钢中，起复合析出强化作用，综合考虑，Ti/Nb在2.0-3.5％为宜。
9)、P、S是钢中有害的杂质元素，钢中P易在钢中形成偏析，降低钢的韧性和焊接性能，S易形成塑性硫化物，使钢板产生分层，恶化钢板性能，故P、S含量越低越好，综合考虑，将钢的P、S含量为P≤0.015％，S≤0.005％。
本发明的第二个方面是提供一种上述热轧高强钢板的制备方法，具有这样的特征，包括如下步骤：
1)、冶炼和浇铸，得到钢坯；
2)、将钢坯进行加热且施行由粗轧和精轧构成的热轧后，施行由第一段冷却和第二段冷却构成的冷却，再经卷取、开平、精整得一种热轧高强钢板；
其中，步骤2)加热出钢温度为1240-1300℃，加热时间≥150min，以保证Nb、Ti等合金元素和碳氮化物完全固溶，防止大颗粒析出长大形成夹杂物；粗轧出口温度为1040-1080℃，精轧终轧温度为840-880℃，精轧总压下率大于60％，以加大材料在非再结晶奥氏体区的变形，增加变形奥氏体中的位错并加强细晶强化；第一段冷却冷速为50℃-80℃/s，以将精轧的终轧温度冷至610-650℃，第二段冷却冷速为5-15℃/s，较高的第一段冷却速度有利于细化晶粒，也可抑制(Nb,Ti)(C,N)在第一段冷却过程中析出和长大，使其在卷取过程中可大量弥散析出纳米级析出相，以提高厚规格钢板的强度，同时，较低的第二段冷却速度，有利于得到较为稳定的卷取温度，对于较厚的钢板来说更是如此，故而有利于得到组织性能均匀的钢板；卷取温度为550-590℃。
上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤2)中卷取时控制钢板厚度为3-16mm。
上述方案的有益效果是：
1)、本发明提供的钢板中不含Ni、Cr、Mo等贵重金属，仅含少量Nb和较高的Ti，同时不需热处理，工序成本低，生产效率高；
2)、本发明提供的钢板屈服强度大于590MPa，抗拉强度大于650MPa，冲击功稳定，-20℃冲击功大于130J，-40℃冲击功大于100J，延伸率A50大于17％，冷弯性能可达d＝2a，180°合格；
3)、本发明提供的钢板可达10mm以上，可覆盖部分中厚板规格，市场竞争力强。
附图说明
图1为本发明的实施例1制备的钢板的金相组织图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明中提供了一种低温韧性优良的热轧高强钢板，其化学成分按重量百分比为C:0.05-0.10％、Si:0.03-0.20％、Mn:1.1-1.7％、P:≤0.015％、S:≤0.005％、Ti:0.07-0.11％、Nb:0.015-0.045％、N:≤0.005％、Als:0.02-0.05％、Mn/C:15-25、Ti/Nb:2.0-3.5％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明中上述热轧高强钢板的制备包括如下步骤：
1)、冶炼和浇铸，得到钢坯；
2)、将钢坯进行加热且施行由粗轧和精轧构成的热轧后，施行由第一段冷却和第二段冷却构成的冷却，再经卷取、开平、精整得一种热轧高强钢板；
3)、冷却和卷取；
其中，步骤2)中加热出钢温度为1240-1300℃，加热时间≥150min；粗轧出口温度为1040-1080℃，精轧终轧温度为840-880℃，精轧总压下率大于60％；第一段冷却冷速为50℃-80℃/s，以将精轧的终轧温度冷至610-650℃，第二段冷却冷速为5-15℃/s；卷取温度为550-590℃，卷取时控制钢板厚度为3-16mm。
具体的，本发明实施例1-4及对比例1、2中按如下成分冶炼并浇铸钢坯：
具体的，本发明实施例1-4及对比例1、2中对应制备工艺参数如下表所示：
如图1所示，本发明的实施例提供的钢板中具有细小均匀的组织，这有利于得到优异的低温韧性产品。
根据GB/T228和GB/T231国家标准，本发明实施例1-4及对比例1、2中制备的钢板性能测试如下表所示：
由上表可知，采用本发明提供的制备方法制备的热轧高强钢中，在化学成分无Cr无Mo的情况下，屈服强度628MPa以上，抗拉强度685-810MPa以上，A50在18％以上，-20℃和-40℃低温韧性优异且稳定，冷弯性能可满足D＝2a，180°合格，而对比例中合金含量更高，但低温韧性均值较低，且对于厚规格来讲，低温韧性出现波动现象，说明本发明在合金含量更低的前提下低温韧性等力学性能更加优异。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种低温韧性优良的热轧高强钢板，其特征在于，所述高强钢板的化学成分按重量百分比为C:0.05-0.10％、Si:0.03-0.20％、Mn:1.1-1.7％、P:≤0.015％、S:≤0.005％、Ti:0.07-0.11％、Nb:0.015-0.045％、N:≤0.005％、Als:0.02-0.05％、Mn/C:15-25、Ti/Nb:2.0-3.5％，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述热轧高强钢板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)、冶炼和浇铸，得到钢坯；
2)、将钢坯进行加热且施行由粗轧和精轧构成的热轧后，施行由第一段冷却和第二段冷却构成的冷却，再经卷取、开平、精整得一种热轧高强钢板；
其中，步骤2)中加热出钢温度为1240-1300℃，加热时间≥150min；粗轧出口温度为1040-1080℃，精轧终轧温度为840-880℃，精轧总压下率大于60％；第一段冷却冷速为50℃-80℃/s，以将精轧的终轧温度冷至610-650℃，第二段冷却冷速为5-15℃/s，以将温度冷至卷取温度，卷取温度为550-590℃。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中卷取时控制钢板厚度为3-16mm。
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