CN1888120A - 具有优良耐蚀性和抗疲劳性的超高强度钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有优良耐蚀性和抗疲劳性的超高强度钢及其制造方法。其组份按重量百分数计为C：0.05～0.12、Si：0.05～0.50、Mn：1.10～1.70、P≤0.015、S≤0.010、Nb：0.025～0.070、V：0.005～0.080、Mo：0.20～0.50、Ni：0.30～0.80、Ti：0.005～0.025、Cu：0.25～0.80、B：0.0005～0.0020、Cr：0.10～0.70，余量为Fe及不可避免的夹杂；该钢同时还满足碳当量Ceq(％)≤0.65，热敏感系数Pcm(％)≤0.30。该钢的制造方法包括按超纯净钢工艺进行冶炼、铁水脱硫、转炉顶底复合吹炼、真空处理、浇注成板坯等步骤，再采用中厚板生产工艺或热连轧生产工艺，轧制成中厚板或热轧板。该钢的屈服强度≥880MPa、抗拉强度≥980MPa、－20℃V型缺口夏比冲击功≥100J，尤其适于作为制造煤矿用液压支架和起重设备的超高强度用钢。
Description
技术领域
本发明涉及微合金化钢的制造领域，特别是指一种具有优良耐蚀性和抗疲劳性的超高强度钢、以及该超高强度钢的热轧板和中厚板的制造方法。用该超高强度钢板可制造出优质的工程机械，特别是煤矿用液压支架和起重设备。
背景技术
工程机械是指矿山开采和各类工程施工用的设备，如翻斗车、挖掘机、推土机、载重汽车、各类起重设备、以及煤矿液压支架等等。这些工程机械制造所需的焊接结构部件用材，通常称为工程机械用钢。随着世界能源日益趋紧，减重、节能、降耗是工程机械制造行业急需解决的新课题，因而促进了工程机械用钢向高强度钢方向发展。特别是起重设备和煤矿用液压支架，其质量的好坏直接关系到人的生命和财产安全，其所使用的钢材要求具有超高强度、优良的耐蚀性能和抗疲劳性能。
在本发明申请之前，申请号为200310105914.6的中国发明专利申请公开说明书介绍了一种微合金化钢及其应用，其不足之处是：采用该方法制备出的钢板，抗拉强度仅在590MPa左右，强度偏低，另外该微合金化钢中没有可提高钢材耐蚀性和抗疲劳性的铜、铬、钼等合金，因而其耐蚀性和抗疲劳性不高，用于制备起重设备和煤矿用液压支架时容易产生断裂破坏，安全性能较差。申请号为98807716.7的中国发明专利申请公开说明书介绍了一种具有优异韧性的可焊接超高强度钢的制造方法，其不足之处在于：采用该方法制造出的是厚度不超过25mm、抗拉强度在900MPa左右的管路用钢，其钢板厚度较窄，强度也不足，另外其制造工艺采用轧后直接淬火处理，没有进行回火消除残余应力，所制得的钢板在运输或贮藏过程中容易发生翘曲变形，这种变形对于超高强度钢而言是难以消除的，因而不能满足起重设备和煤矿用液压支架制造所需的平坦度要求，甚至无法加工使用。由此可见，采用如上所述微合金化钢制造出的钢板，其强度偏低，耐蚀性和抗疲劳性也较差，不能满足起重设备和煤矿用液压支架制造所需的超高强度、优良耐蚀性和抗疲劳性的材质要求；而采用如上所述可焊接超高强度钢制造出的钢板，其厚度较窄，强度也不足，在运输或贮藏过程中可能会发生变形，也不能满足起重设备和煤矿用液压支架制造的要求。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种微合金元素含量少、生产成本低、不仅具有良好的塑韧性、而且具有优良的耐蚀性和抗疲劳性的超高强度钢，以及该超高强度钢的热轧板和中厚板的制造方法，以满足优质工程机械特别是煤矿用液压支架和起重设备制造的需要。
为实现上述目的，本发明所设计的具有优良耐蚀性和抗疲劳性的超高强度钢，其化学成份按重量百分数计为C：0.05～0.12、Si：0.05～0.50、Mn：1.10～1.70、P≤0.015、S≤0.010、Nb：0.025～0.070、V：0.005～0.080、Mo：0.20～0.50、Ni：0.30～0.80、Ti：0.005～0.025、Cu：0.25～0.80、B：0.0005～0.0020、Cr：0.10～0.70，余量为Fe及不可避免的夹杂；该钢同时还满足碳当量Ceq(％)≤0.65，热敏感系数Pcm(％)≤0.30，其中：
Ceq(％)＝C+Mn/6+(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15；
Pcm(％)＝C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Mo/15+Ni/60+V/10+5B。
上述具有优良耐蚀性和抗疲劳性的超高强度钢的化学成份中，最好按重量比满足Ni/Cu为0.80～1.20，以克服含铜钢的热脆性，改善该钢的表面质量。
上述具有优良耐蚀性和抗疲劳性的超高强度钢的化学成份中，最好按重量百分数计满足Cu+Cr+Ni≥0.80，以使该钢获得优良的耐蚀性能和抗疲劳性能。
上述具有优良耐蚀性和抗疲劳性的超高强度钢的热轧板的制造方法包括如下步骤：按超纯净钢工艺进行冶炼、铁水脱硫、转炉顶底复合吹炼、钢包吹氩精炼、真空处理、浇注成板坯和控轧控冷处理，使钢的化学成份、碳当量Ceq(％)和热敏感系数Pcm(％)满足上述要求。其中控轧控冷处理是将所浇注成的板坯加热至1100℃～1200℃；先粗轧，每道次压下率为20％～30％，总压下率为60％～80％，粗轧结束温度为980℃～1050℃；再精轧，精轧开轧温度为900℃～950℃，中间道次压下率为15％～25％，最后两道次压下率为10％～15％，终轧温度为780℃～850℃；钢板轧后采用层流冷却，冷却速度为15℃/s～35℃/s，卷取温度为530℃～620℃，制得热轧板。
上述具有优良耐蚀性和抗疲劳性的超高强度钢的中厚板的制造方法包括以下步骤：按超纯净钢工艺进行冶炼、铁水脱硫、转炉顶底复合吹炼、钢包吹氩精炼、真空处理、浇注成板坯、控制轧制加调质热处理，使钢的化学成份、碳当量Ceq(％)和热敏感系数Pcm(％)满足上述要求。其中控制轧制加调质热处理是将所浇注成的板坯以9min/cm～11min/cm的加热速度均匀加热至1150℃～1250℃；先粗轧，开轧温度为1100℃～1200℃，在980℃～1200℃进行5～9道次轧制，每道次压下率为12％～15％，累计压下率为40％～60％；粗轧结束后用水急冷到940℃～960℃；再在780℃～950℃进行6～10道次精轧，每道次压下率为12％～25％，终轧温度为750℃～850℃；钢板轧后进行淬火，加热温度为900℃～950℃，保温时间为1.5min/mm～2.5min/mm，以15℃/s～35℃/s的冷却速度将钢板冷却至Ms转变点以下，冷却介质为水；最后对淬火后的钢板进行回火，加热温度为500℃～620℃，保温时间为1.8min/mm～3.0min/mm，空冷至室温，制得中厚板。
本发明具有优良耐蚀性和抗疲劳性的超高强度钢中各合金成份的作用机理如下：
本发明的碳(C)含量为0.05％～0.12％，碳是钢中不可缺少的提高钢材强度的元素之一，为了保证高韧性和可焊性，将碳含量限定在0.12％以下，既可提高钢的强度又可提高钢的焊接性能。
本发明的锰(Mn)含量是根据产品轧制时的冷却速度、规格和性能确定的，添加1.10％～1.70％的锰，可降低奥氏体转变成铁素体的相变温度，扩大热加工温度区域，有利于细化铁素体晶粒尺寸，提高钢的屈服强度和冲击韧性。
本发明的磷(P)含量≤0.015％、硫(S)含量≤0.010％。磷在钢中具有容易造成偏析、恶化焊接性能、显著降低钢的低温冲击韧性、提高脆性转变温度等不利影响。硫易与锰结合生成MnS夹杂，硫还影响钢的低温冲击韧性。因此，本发明应尽量减少磷、硫元素对钢性能的不利影响，通过对铁水进行深脱硫预处理、真空处理等手段，控制磷、硫含量，从而减轻其不利影响。
本发明的铜(Cu)含量为0.25％～0.80％，铜是本发明钢中主要的强化元素之一，在奥氏体化温度下，铜能够完全固溶，在水淬冷却过程中，铜被保留在过饱和的固溶体中，通过时效处理析出细小弥散的ε-Cu颗粒，产生强烈沉淀强化。
为了防止含铜钢的热脆性，可添加不低于0.8倍铜含量的镍(Ni)。镍在本发明中同时还具有提高铁素体基体强度与韧性的作用，可降低韧脆转变温度。
本发明的铬(Cr)、铜、镍总含量至少不低于0.80％，镍、铜、铬组合既可提高本发明钢的强度，又可提高其耐蚀性和抗疲劳性。
本发明选择钛(Ti)含量为0.005％～0.025％，钛是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，在钢重新加热中阻止奥氏体晶粒长大，在高温奥氏体区粗轧时TiN和TiC析出，可有效抑制奥氏体晶粒长大，另外钢板在焊接过程中，钢中的TiN和TiC粒子能显著阻止热影响区晶粒长大，从而改善钢板的焊接性能。
本发明的铌(Nb)含量为0.025％～0.070％，微量的铌能显著细化晶粒并提高本发明钢的抗拉强度。铌在控轧过程中，通过抑制再结晶和阻止晶粒长大，可细化奥氏体晶粒尺寸。在轧后冷却过程中，NbC和NbN微小质点析出，可起沉淀强化的作用。
本发明的钒(V)含量为0.005％～0.080％，钒具有与铌相似的效果，但没有铌那么显著，其在500℃～700℃温度回火时，以VC和VN微小质点析出，可起沉淀强化的作用。
本发明的钼(Mo)含量为0.20％～0.50％，钼能够有效地延长珠光体转变的孕育期，使铁素体和珠光体区域右移，但对贝氏体的相变影响很小。因此使得本发明钢经奥氏体化后在连续快速冷却时，可以获得贝氏体组织。当钢中含碳量很低时，这种微细结构的贝氏体和针状铁素体组织，能够保证钢具有良好的延伸性。在高强度低合金钢中，屈服强度随钼加入量的增加而提高。
本发明的硼(B)含量为0.0005％～0.0020％，硼的少量加入，会显著提高钢的淬透性，硼在钢从高温冷至室温的过程中阻止软相铁素体和珠光体的形成，促进硬化相贝氏体和马氏体的形成。
试验表明，本发明的超高强度钢的屈服强度(ReL)≥880MPa，抗拉强度(Rm)≥980MPa，-40℃ V型缺口夏比冲击功≥150J。与现有技术相比，不仅具有显著提高的强度指标，而且具有优异的低温韧性，以及优良的耐蚀性能和抗疲劳性能；其焊接性能优良，可进行埋弧焊、手工焊和气体保护焊；其综合力学性能极其卓越，不易断裂和破坏，使用安全可靠，能满足优质煤矿用液压支架或起重设备的制造要求。同时，它还可广泛用作其它工程机械行业所需的超高强度结构钢。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明具有优良耐蚀性和抗疲劳性的超高强度钢及其制造方法作进一步的详细描述：
本发明具有优良耐蚀性和抗疲劳性的超高强度钢的几种具体实施例的化学成份列于表1中。这几种超高强度钢的制造方法如下：在炼钢厂80吨转炉上进行顶底复合吹炼，采用铁水深脱硫技术，使铁水中的S≤0.005％，钢水经过吹氩气后，再经过真空处理，使钢中的化学成份满足表1的要求，余量为Fe及不可避免的夹杂。再将满足表1要求的钢水浇注成200mm～300mm×1550mm断面的板坯。然后将该板坯分别送至热连轧厂和中厚板厂，在2250mm轧机上采用控轧控冷处理的热连轧生产工艺，将其轧制成热轧板；在2800mm轧机上采用控制轧制加调质热处理的中厚板生产工艺，将其轧制成中厚板。其中：
采用控轧控冷处理的热连轧生产工艺时，为充分发挥微合金元素在钢中的作用，最好利用大功率轧机的设备能力，减少轧制道次，提高道次压下率。先将板坯加热至1100℃～1200℃，粗轧每道次压下率为20％～30％，总压下率为60％～80％，使之奥氏体晶粒细化到15μm以下，粗轧结束温度为980℃～1050℃。粗轧后进行精轧，精轧开轧温度为900℃～950℃，中间道次压下率为15％～25％，最后两道次压下率为10％～15％，终轧温度为780℃～850℃。轧后采用层流冷却，冷却速度为15℃/s～35℃/s。最后进行卷取，卷取温度为530℃～620℃，让细小弥散的Nb(C、N)、V(C、N)微小质点和ε-Cu颗粒充分析出，产生强烈沉淀强化，制得板厚为3mm～20mm的热轧板。
采用控制轧制加调质热处理的中厚板生产工艺时，先将板坯以9min/cm～11min/cm的加热速度均匀加热至1150℃～1250℃；粗轧开轧温度为1100℃～1200℃，在980℃～1200℃的再结晶区进行5～9道次轧制，每道次压下率为12％～15％，总压下率为40％～60％，可使奥氏体晶粒细化到20μm。粗轧结束后采用1～2道次高压水冲洗急冷到940℃～960℃，然后空冷15s～30s，使板坯内外温度均匀化。接着进入精轧阶段，在780℃～950℃进行6～10道次精轧，每道次压下率为12％～25％，终轧温度为750℃～850℃，轧制成板厚为10mm～60mm的钢板。钢板轧后进行淬火，加热温度为900℃～950℃，保温时间为1.5min/mm～2.5min/mm，以15℃/s～35℃/s的冷却速度将钢板冷却至Ms转变点以下，冷却介质为水。再对淬火后钢板进行回火，加热温度为500℃～620℃，保温时间为1.8min/mm～3.0min/mm，空冷至室温，制得板厚为10mm～60mm的中厚板。
本发明超高强度钢的中厚板的生产工艺参数和试验结果列于表2、表3中。本发明超高强度钢的热轧板的生产工艺参数和试验结果列于表4中。
实施例列举了三种成份的本发明超高强度钢，分别对应于各表中的成份编号1、2、3。试验分别按热轧板和中厚板两种工艺生产，其中成份编号1、3的钢均轧制了较厚和较薄两种规格。从表3和表4反映出的性能来看，各成份的10mm～60mm中厚板和3mm～20mm热轧板都能满足屈服强度(ReL)≥880MPa、抗拉强度(Rm)≥980MPa、-40℃V型缺口夏比冲击功≥150J的指标，尤其适于作为制造煤矿用液压支架和起重设备的超高强度钢。
表1：本发明钢的化学成分(wt％)
| 成份 | C | Si | Mn | P | S | Cu | Cr | Ni | Mo | Nb | V | B | Ti |
| 1 | 0.05 | 0.15 | 1.20 | 0.006 | 0.003 | 0.40 | 0.30 | 0.40 | 0.25 | 0.030 | 0.030 | 0.0008 | 0.010 |
| 2 | 0.08 | 0.45 | 1.50 | 0.012 | 0.007 | 0.70 | 0.60 | 0.70 | 0.45 | 0.065 | 0.070 | 0.0013 | 0.018 |
| 3 | 0.11 | 0.30 | 1.40 | 0.015 | 0.010 | 0.50 | 0.45 | 0.55 | 0.32 | 0.054 | 0.050 | 0.0019 | 0.025 |
表2：本发明钢的中厚板制备方法
| 成份 | 钢号 | 加热温度/℃ | 粗轧开轧温度/℃ | 粗轧结束温度/℃ | 精轧开轧温度/℃ | 精轧结束温度/℃ | 钢板厚度/mm | 淬火工艺 | 回火工艺 | ||||
| 加热温度/℃ | 保温时间/min | 冷却方式 | 加热温度/℃ | 保温时间/min | 冷却方式 | ||||||||
| 1 | 1 | 1180 | 1080 | 970 | 930 | 840 | 57 | 930 | 90 | 水冷至常温 | 520 | 110 | 空冷至常温 |
| 2 | 1190 | 1060 | 960 | 930 | 830 | 12 | 920 | 30 | 水冷至常温 | 540 | 36 | 空冷至常温 | |
| 2 | 3 | 1160 | 1090 | 960 | 930 | 820 | 32 | 920 | 80 | 水冷至常温 | 570 | 70 | 空冷至常温 |
| 3 | 4 | 1200 | 1120 | 980 | 940 | 850 | 56 | 910 | 90 | 水冷至常温 | 600 | 110 | 空冷至常温 |
| 5 | 1180 | 1100 | 980 | 920 | 780 | 14 | 910 | 35 | 水冷至常温 | 620 | 42 | 空冷至常温 | |
表3：本发明钢的中厚板试验结果
| 成份 | 钢号 | 规格/mm | ReL/MPa | Rm/MPa | A5/％ | 窄冷弯(180°、d＝2a) | -40℃Akv/J |
| 1 | 1 | 57 | 880 | 985 | 20 | 合格 | 202 |
| 2 | 12 | 900 | 995 | 21 | 合格 | 210 | |
| 2 | 3 | 32 | 1080 | 1150 | 24 | 合格 | 198 |
| 3 | 4 | 56 | 1005 | 1085 | 23 | 合格 | 196 |
| 5 | 14 | 1100 | 1195 | 21 | 合格 | 185 |
表4：本发明钢的热轧板制备方法及试验结果
| 成份 | 钢号 | 加热温度/℃ | 终轧温度/℃ | 卷取温度/℃ | 水冷速度/(℃/s) | 厚度/mm | ReL/MPa | Rm/MPa | A5/％ | 窄冷弯(180°、d＝2a) | -40℃Akv/J |
| 1 | 1 | 1150 | 780 | 540 | 18 | 20 | 890 | 990 | 19 | 合格 | 154 |
| 2 | 1140 | 800 | 550 | 17 | 6 | 930 | 1100 | 25 | 合格 | 190 | |
| 2 | 3 | 1160 | 800 | 550 | 17 | 10 | 950 | 1185 | 23 | 合格 | 186 |
| 3 | 4 | 1150 | 805 | 580 | 19 | 20 | 955 | 1170 | 20 | 合格 | 165 |
| 5 | 1180 | 820 | 600 | 19 | 6 | 1070 | 1200 | 19 | 合格 | 198 |
注：表2、3、4的成份编号1、2、3与表1中的成份编号1、2、3为对应关系。
Claims (5)
1、一种具有优良耐蚀性和抗疲劳性的超高强度钢，其特征在于：该钢的化学成份按重量百分数计为C：0.05～0.12、Si：0.05～0.50、Mn：1.10～1.70、P≤0.015、S≤0.010、Nb：0.025～0.070、V：0.005～0.080、Mo：0.20～0.50、Ni：0.30～0.80、Ti：0.005～0.025、Cu：0.25～0.80、B：0.0005～0.0020、Cr：0.10～0.70，余量为Fe及不可避免的夹杂；该钢同时还满足碳当量Ceq(％)≤0.65，热敏感系数Pcm(％)≤0.30，其中：
Ceq(％)＝C+Mn/6+(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15；
Pcm(％)＝C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Mo/15+Ni/60+V/10+5B。
2、根据权利要求1所述的具有优良耐蚀性和抗疲劳性的超高强度钢，其特征在于：该钢的化学成份中，按重量比Ni/Cu为0.80～1.20。
3、根据权利要求1或2所述的具有优良耐蚀性和抗疲劳性的超高强度钢，其特征在于：该钢的化学成份中，按重量百分数计满足Cu+Cr+Ni≥0.80。
4、一种权利要求1所述的具有优良耐蚀性和抗疲劳性的超高强度钢的热轧板的制造方法，包括按超纯净钢工艺进行冶炼、铁水脱硫、转炉顶底复合吹炼、钢包吹氩精炼、真空处理、浇注成板坯、控轧控冷处理的步骤，其特征在于：所述控轧控冷处理是将所浇注成的板坯加热至1100℃～1200℃；先粗轧，每道次压下率为20％～30％，总压下率为60％～80％，粗轧结束温度为980℃～1050℃；再精轧，精轧开轧温度为900℃～950℃，中间道次压下率为15％～25％，最后两道次压下率为10％～15％，终轧温度为780℃～850℃；钢板轧后采用层流冷却，冷却速度为15℃/s～35℃/s，卷取温度为530℃～620℃，制得热轧板。
5、一种权利要求1所述的具有优良耐蚀性和抗疲劳性的超高强度钢的中厚板的制造方法，包括按超纯净钢工艺进行冶炼、铁水脱硫、转炉顶底复合吹炼、钢包吹氩精炼、真空处理、浇注成板坯、控制轧制加调质热处理的步骤，其特征在于：所述控制轧制加调质热处理是将所浇注成的板坯以9min/cm～11min/cm的加热速度均匀加热至1150℃～1250℃；先粗轧，开轧温度为1100℃～1200℃，在980℃～1200℃进行5～9道次轧制，每道次压下率为12％～15％，累计压下率为40％～60％；粗轧结束后用水急冷到940℃～960℃；再在780℃～950℃进行6～10道次精轧，每道次压下率为12％～25％，终轧温度为750℃～850℃；钢板轧后进行淬火，加热温度为900℃～950℃，保温时间为1.5min/mm～2.5min/mm，以15℃/s～35℃/s的冷却速度将钢板冷却至Ms转变点以下，冷却介质为水：最后对淬火后的钢板进行回火，加热温度为500℃～620℃，保温时间为1.8min/mm～3.0min/mm，空冷至室温，制得中厚板。
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