专利名称：低成本的700MPa级高强高韧调质钢板及其制造方法
技术领域：
本发明涉及钢铁材料及其制造方法，尤其涉及一种低成本的屈服强度700MPa以上的、并具有非常好的-60℃低温冲击韧性、各向同性和疲劳性能的工程机械用调质钢板及其制造方法。
背景技术：
目前，屈服强度700MPa级及以上的高强度调质钢板已越来越多地应用于工程机械、矿山机械、港口码头机械等领域，其制造方法也已形成多项专利。但是，这些钢板现有的制造方法往往都采用了较多的钼等贵重合金元素来提高强度，并通过控轧控冷工艺来得到细晶组织提高其韧性，尤其是对于要适应恶劣严寒工作环境的钢板，还要添加较多的镍元素来增强钢板的低温冲击韧性。这些都造成这类钢板高昂的制造成本。但随着这类钢板的普及和需求量的增加，迫切需要一种革新的制造方法来生产成本更低性能更优的700MPa调质钢板。
埃克森美孚等申请的中国专利CN98807716.7、CN98807689.6中，采用再结晶区和非再结晶区的控制轧制，热轧后直接淬火或加速冷却到Ms点以下，生产出的钢板抗拉强度900MPa以上(屈服强度700MPa以上)，其-40℃冲击功可达120J以上。其钢板的成分设计，在CN98807716.7中采用了0.3％-0.6％的钼；CN98807689.6采用了0.25％-0.6％的钼，0.2-1.0％的镍。另外，为了获得较好的低温韧性，以上专利都采用了0.1％以下的碳含量。生产工艺上，钢板通过控制轧制+直接淬火(或加速冷却)工艺来生产，且其淬火过程需要控制淬火停淬温度，这需要专门的装备。
NKK公司申请的JP10183239A等专利，也都采用控制轧制+直接淬火的调质工艺生产高强度钢板。在成分设计中虽然也没有采用钼、镍等贵合金元素，但其所涉及钢板的强度水平较低，抗拉强度为仅为60公斤级(570MPa以上)，其板厚规格也在50mm以下。
另外，德国专利GB2132225中提出了一种抗拉强度80公斤级(780MPa以上)的钢板，虽与本发明钢板的强度水平比较接近，但在其成分设计中仍然采用了较多的钼、镍昂贵元素0.2-5.0％的Ni，0.2-1.0％的Mo。另外，该发明亦采用轧后直接淬火的生产工艺。
除了以上专利所涉及的新制造方法，目前700MPa级的高强度调质钢在很多钢铁制造企业也都能成熟生产。但传统的制造工艺，在成分上基本都采用较多含量的钼、镍元素，尤其在30mm以上的厚钢板中，钼含量大多都在0.20％以上，在50mm以上的钢板中还需要添加较多含量的镍元素以增加低温韧性，如SSAB的Weldox700和Dillinge的Dillimax690等。
综合以上分析，以往专利或现有产品中存在了一些不足 1、成分设计的合金成本较高。为了达到700MPa以上的屈服强度和良好的低温冲击韧性，以往专利和现有产品的成分设计都添加了较多的钼、镍等昂贵的合金元素(0.2％以上)，如专利CN98807716.7、CN98807689.6、GB2132225等。在专利JP10183239A中，虽然没采用Mo、Ni元素，但其结果是制造的钢板强度级别很低，与本发明相差近200MPa。所以以往的专利和产品中，钼元素对于中厚调质板几乎是必不可少的元素，因为钼对增加淬透性、提高强度有极为重要的作用。同样，镍对于50mm以上的厚钢板，也是增加低温冲击韧性必不可少的元素。但是钼、镍作为贵重元素，价格越来越昂贵，日益成为调质钢板制造的主要合金成本，限制着700MPa级调质钢的广泛应用。
2、生产要求较高。由于很多专利采用了低碳的成分体系，碳含量0.1％以下。为了提高强度，在热处理上不得不采用热轧后在线直接淬火或加速冷却至Ms点以下方法，如CN98807716.7、GB2132225等专利。虽然在线淬火或加速冷却与传统离线淬火相比具有减少工序、节约能源等好处，但却需要专门配置的在线淬火或加速冷却设备才能实现，而且生产过程中需要控制轧制和待温，影响生产效率，且在线淬火容易出现板形和性能不均的问题，对于50mm以上的大厚度钢板也难以生产。而且由于没有经过再次加热，无法得到等轴晶的均匀组织，所以钢板的性能均匀性和抗疲劳性能要比采用离线淬火工艺的差，所以在很多工程机械领域，仍要求采用离线淬火工艺。
表1相近专利与本发明主要化学成分对照(重量百分比，wt.％) 表2相近专利与本发明生产工艺、性能对照表 由于机械领域的发展，对钢板性能的要求越来越高。如要求钢板具有高强度(700MPa以上)、易焊接性和很高的低温冲击韧性(-40℃47J以上)，对于在极地等恶劣严寒工作环境中，甚至要求-60℃低温冲击韧性在47J以上。但同时，由于机械领域对高强度调质钢需求量的大量增加，迫切要求降低钢板的制造成本。虽然目前700MPa的高强度中厚板已属于比较普通的一种强度级别，但目前专利和现有产品中，仍没有一种节约钼、镍等贵重合金元素、低成本的、能够应用于恶劣严寒工作环境的高强度钢板。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本的700MPa级高强高韧调质钢板及其制造方法，通过新的成分设计，减少甚至不添加贵合金元素钼、镍，大大降低钢板的合金成本，并能通过传统调质工艺(离线淬火+回火)制造出一种厚度在60mm以下的高强高韧调质钢板，使其屈服强度达到700MPa以上，抗拉强度780MPa以上，具有良好的低温冲击韧性(-60℃冲击功在47J以上)以及很好的拉伸塑性和焊接性，并且钢板具有优异的各向同性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是， 低成本的700MPa级高强高韧调质钢板，其成分质量百分比为 C 0.13-0.16％， Mn 1.20-1.60％， Cr 0.10-0.60％， Mo ≤0.10％， Ti 0.01-0.03％， Nb 0.02-0.05％， V 0.01-0.03％， B 0.0005-0.003％， Si 0.10-0.50％， Al 0.015-0.06％， N ≤0.008％， P ≤0.020％， S ≤0.010％； 余Fe及不可避免的杂质； 其中，Cr+Mn≤1.90％，Ti+Nb≤0.06％。
本发明选择如上成分配比，理由如下 C碳对钢的强度、韧性、焊接性以及冶炼成本影响都很大。首先碳是奥氏体转变成马氏体、贝氏体等强化相的必需元素，对提高钢的强度有很大贡献，而且是钢中最廉价的合金强化元素之一。另外0.08-0.12％的碳含量，正好处于炼钢的包晶区，采用该成分范围会降低钢坯质量，会给钢板带来裂纹、表面缺陷等质量问题。所以无论从成分的经济性，还是钢板质量上来讲，其含量不宜低于0.13％。但如果碳含量高于0.16％，会使得钢的韧性和塑性恶化，同时碳当量增加而使得焊接性能变差，所以本发明选择的范围是0.13-0.16％ Mn锰是钢中提高强度和韧性的主要元素之一，也是提高钢的淬透性的有效元素。由于其成本低廉，所以在本发明中锰作为一种主要的添加元素，以弥补低钼含量带来的淬透性不足的问题。但如果锰含量过高，会引起钢的韧性和焊接性变差，所以限定锰的范围是1.20-1.60％。
Cr铬是钢中重要的强化元素之一，可使C曲线右移。铬和锰配合，能有效提高钢的淬硬性，且其偏析倾向较锰要小，所以本发明中铬也是替代钼的重要的强化元素和增加淬透性元素，但如果含量过高，会增加钢的高温回火脆性，其合理范围是0.10-0.60％。
Cr+Mo虽然Mn、Cr能提高钢板强度，但Mn、Cr含量过高都会使得钢的韧性变差，尤其是两者都是高温回火脆性元素，所以本发明中在碳含量较高的情况下为了得到较好的低温韧性，需要进一步限定两者的含量之和Cr+Mo≤1.9％。
Mo钼在已有专利中或现有调质钢板产品中，都是作为最重要的必需元素之一，因为钼的确能有效增加钢的淬透性和淬硬性，使钢淬火后得到均匀细小的马氏体组织，显著提高钢的强度和韧性。虽然在一定范围内增加钢中钼的含量对钢的性能是有利的，但由于钼是一种昂贵的合金元素，为降低钢的合金成本，本发明则采用全新的成分设计，在大大降低钼的含量或者完全不添加钼元素的基础上就能满足钢板的性能要求，所以本发明限定钼的范围是≤0.10％，更优化的设计是不含钼。
Ti和Nb钛和铌都是强碳氮化合物形成元素，它们的细小析出相可细化组织，提高钢的强度和韧性，尤其是可以提高低温冲击韧性，降低韧脆转变温度。本发明通过这种细小析出相，阻碍淬火前钢板加热时奥氏体晶粒的长大，从而得到细小的等轴淬火组织，从而使得钢板无需经过控制轧制或添加大量镍元素，也无需采用低碳含量设计，就能够获得很好的低温冲击韧性，所以Ti和Nb是提高钢板低温冲击韧性的关键元素。另外，Ti在钢中还有固氮的作用，可提高钢中的有效硼含量。在含硼钢中，Nb还可与硼复合作用可显著增加钢的淬透性。Ti和Nb含量的合理范围是0.01-0.03％和0.02-0.05％。但Ti和Nb具有较强的复合作用，如果含量过高，导致析出相的尺寸过大，不但失去阻碍晶粒长大、细化组织的作用，相反会成为裂纹扩展的裂纹源，从而使钢板的低温冲击韧性大大恶化。所以，必须限定二者含量之和Ti+Nb≤0.06％。
V钒可以在钢的回火过程中析出大量碳化物沉淀，大幅提高钢的强度。在本发明中，是一种关键的强化元素，能有效弥补降低Mo含量引起的钢板强度下降。但如果含量过高，钒的碳化物析出相会变得粗大，从而不能有效提高强度，而且会使钢的韧性降低。由于本发明采用了0.13-0.16％的碳含量，为了减小VC析出粒子的尺寸和弥散度，需要减小[V][C]的固溶度积，因此必须控制V含量在0.03％以下。所以，其合理的范围是0.01-0.03％。
Si硅是炼钢脱氧的必要元素，在钢中有一定的固溶强化作用，含量较高时能抑制回火过程中的碳化物析出，但太高会影响钢的韧性，并使焊接性能变差。合理的范围是0.10-0.50％，更优化的范围是0.20-0.40％。
Al铝同硅、锰一样也是钢中的脱氧元素。铝可固定钢中的氮元素，形成AlN有效细化晶粒，提高钢的韧性。同时，固定氮可防止其与硼结合，提高钢中硼的有效含量。但当铝含量过高时，会使钢水浇注困难，同时影响钢板表面质量。所以其限定范围是0.015-0.06％，更优化的范围是0.025-0.045％ B硼是提高钢的淬透性最有效的元素，极微量的硼(0.001％)就会产生非常明显的效果。因为硼容易在晶界偏析，阻止碳的析出。对于本发明，由于减少了昂贵的但同时又是有效提高淬透性的钼元素，必须添加硼元素来获得合适的钢板淬火必需的淬透性。但当硼含量超过0.003％时，对淬透性的作用就不明显，且会在晶界析出Fe23(CB)6，降低韧性并引起热脆。所以合理的范围是0.0005-0.003％，更优化的范围是0.001-0.002％。
P、S和N三种杂质元素含量越低，钢质就越纯净，性能也就越好。综合炼钢成本的因素，上限分别控制在N≤0.008％，P≤0.020％，S≤0.010％；更优化的范围是N≤0.005％，P≤0.015％，S≤0.003％。
本发明所述的低成本的700MPa级高强高韧调质钢板的制造方法如下按设计成分制造的钢坯加热到1050～1250℃后，使钢坯中的锰、铬、钼、钛、铌、钒等合金元素充分溶解，然后进行热轧轧制，热轧过程中无需控制轧制。把钢坯直接轧制成规定厚度的钢板后，待钢板冷却然后再加热到900～930℃，保温1.5～2.5min/mm，离线淬火，然后在580～620℃回火2.5～3.5min/mm。
在900～930℃加热1.5～2.5倍钢板厚度的时间，可以保证钢板充分奥氏体均匀化，合金元素充分溶于奥氏体基体，同时保证奥氏体晶粒细小。如果加热温度过低或加热时间过短，钢板奥氏体化就不充分，合金元素溶解量不足，会导致钢板淬火时淬透性不足，影响钢板强度和韧性。如果加热温度过高或加热时间过长，奥氏体晶粒则会容易过度长大，致使淬火组织粗大，最终导致钢板韧性下降。
在580～620℃回火2.5～3.5倍钢板厚度的时间，可以使钢板组织转变为细小的回火索氏体组织，同时细小弥散的VC等碳化物充分析出，钢板的韧性和强度会大大提高。如果回火温度低或时间短，则组织转变不充分影响钢板的低温韧性，VC也不能充分析出，不能有效提高钢板强度。如果回火温度过高或时间过长，则会导致索氏体组织以及VC等析出相粗化，从而使得钢板强度下降，更显著地是由于这些粗大的碳化物容易形成裂纹源，从而导致钢板的低温韧性会大大恶化。
综合以上特点，本发明采用了新的成分设计和强韧化机制来制造更低成本的700MPa高强高韧调质钢板。
在以往专利或生产现有产品的传统工艺中，钼是生产700MPa以上高强度调质板的必需元素，因为钼能强烈地提高钢板的淬透性，使钢板淬火后得到均匀细小的马氏体组织，这种组织就是得到钢板高强高韧的基础。
但本发明则通过新的成分设计体系，采用不同的强化韧化机理，大大降低贵元素钼的含量或完全不添加钼。而且，本发明得到的调质钢板在-60℃低温下仍然具有47J以上的冲击值，可以满足极地等恶劣严寒工作条件下的工程机械使用。另外，本发明涉及钢板的组织是等轴的均匀组织，具有很好的各向同性和抗疲劳性能，能够满足更苛刻的工程机械领域使用。
首先，以往专利和现有产品中，主要依赖钼元素来满足淬火时钢板所需的淬透性。本发明通过适量增加锰、铬含量，配合碳含量提高并添加微量硼，来满足生产厚调质钢板所必需的淬透性。采用锰、铬、硼配合取代钼元素，大大降低了钢的合金成本。
其次，以往专利和现有产品中，多采用淬火+回火形成的回火索氏体，通过组织强化来提高钢板的强度，所以需要较高的钼含量。本发明采用适量钒，使淬火后的钢板在580-620℃回火过程中形成细小弥散的钒的碳化物析出相，这种析出强化机制至少可以使钢板的强度提高100MPa。因此本发明通过适量钒元素形成的析出强化机制，可以弥补降低钼含量带来的组织强化的不足，通过更廉价的方式获得同样的钢板强度。
再次，以往专利和现有产品中，为了获得钢板较好的低温冲击韧性，成分设计中常采用较低的碳含量(0.1％以下)，同时通过控制轧制得到细小的初始奥氏体晶粒，然后通过直接淬火或加速冷却至Ms温度以下形成细小的淬火组织。由于初始奥氏体在轧制过程中被沿轧制方向拉长，所以这样生产的钢板在宽度方向和轧制方向上会存在明显的各向异性。另外，由于轧后冷却在钢板中保留了很多位错等缺陷，这会有损最终钢板的拉伸塑性和疲劳性能，因此无法应在很多关键的机械承力构件上。
本发明采用了不同的韧化机制，通过铌、钛元素的配合，在钢板中形成细小的铌、钛的碳氮化物，这些碳氮化物具有较高的溶解温度，可以在钢板离线淬火再加热的保温过程中，阻碍再结晶奥氏体的晶粒长大，使钢板淬火后形成细小的等轴淬火组织。这种组织具有很好的低温韧性，所以本发明涉及钢板完全不添加镍，在-60℃低温下仍然具有47J以上的冲击值。而以往专利和现有产品，尤其是50mm以上厚钢板中，这往往不得不靠添加0.5％以上的昂贵元素镍来实现，所以本发明采用的韧化机制大大节约镍合金元素的同时，实现了优异的低温冲击韧性，大大降低了合金成本。
同时，由于钢板在再加热过程中，重新形核、相变，所以完全消除了轧制过程中位错缺陷，钢板回火后得到均匀的等轴回火索氏体组织，具有很好的各向同性和抗疲劳性，能够满足更多的使用条件。
本发明的有益效果 与其它发明相比，本发明采用全新的成分设计和强化韧化机理，节约了钼、镍等贵重合金，降低了钢板的制造成本，同时得到的钢板性能更加优异，具有如下特点和优点 钼、镍元素低含量添加甚至不添加是本发明的优点，通过增加碳含量至0.13-0.16％，配合锰、铬和微量硼，提高钢板淬透性；同时采用钒的碳化物的析出强化机制，大幅提高钢板强度，以较低成本实现屈服强度700MP以上调质钢板的生产，节约贵重合金元素。同时，本发明采用钒、铌、钛等元素通过析出强化提高强度的同时，还能通过细化组织提高钢板低温冲击韧性，使其-60℃冲击功达47J以上，能够满足极地等酷寒工作环境的应用条件。
本发明采用离线淬火工艺，所以对组织生产的设备条件要求低，具有更宽的生产工艺窗口，易于制造。生产出的具有等轴组织的调质钢板具有更好的拉伸塑性和疲劳性能，满足更多领域的要求。
本发明通过以上成分和工艺，以较低的成本和更宽的工艺窗口，生产出的60mm以下的调质钢板，屈服强度700MPa以上，抗拉强度780MPa以上，-40℃低温冲击值100J以上，-60℃冲击值47J以上。可广泛用于工程、矿山、港口等机械领域，尤其可以用于极地等恶劣酷寒的工作环境中，以及一些对钢板性能均匀性以及抗疲劳性能有更高要求的机械结构件中。
具体实施例方式 本发明实施例参见表3、表4。
表3实施例和对比例的化学成分(wt％)
表4实施例和对比例的生产工艺及性能(wt％)
由表4可以看出，在本发明的成分设计上下范围内的多组成分(表3实施例1～6#)，按照本专利所述生产工艺，得到的钢板性能均达到了设计要求，屈服强度Rp0.2≥700MPa，抗拉强度Rm≥780MPa，-40℃的冲击功Akv≥100J，-60℃的冲击功Akv≥47J。
实施例2、3、5与实施例1、4相比，钼的加入增加了钢的强度，所以钼对性能的影响是非常显著的。但即使如此，也要与C、Mn、Cr、B等进行合理的成分配比，才能达到性能要求。对比例7-9中虽然添加了更高钼、镍等含量，但由于对比例7、8的C、Mn含量和对比例9的B含量过低，导致厚钢板的淬透性不够，从而性能上未能完全达到性能要求。
对比例10和对比例11分别由于Cr+Mn＞1.9和C含量过高，造成冲击韧性的下降，达不到-40℃的冲击功在100J以上的设计要求。对比例12中由于Ti、Nb含量过高且Ti+Nb＞0.6，导致钢板中析出粒子尺寸较大，使低温韧性大大下降。
另外，实施例3在650℃回火时，由于回火温度过高，导致强度大幅下降且低温韧性恶化。实施例4中由于淬火加热温度过低，导致奥氏体化不充分，淬透性不足，所以钢板强度低、韧性差。
通过发明例和比较例，说明本发明成分设计范围和工艺要求是实现本发明所要求的性能比较合适的优选范围。比较而言，本发明的在成分设计虽然降低了对钢的性能具有重要作用的钼、镍贵元素的含量，但采用合理的成分配比，通过新的强韧化机制，仍然使钢的性能达到了非常理想的配合，且更重要的是大大降低了材料生产的合金成本。
权利要求
1.低成本的700MPa级高强高韧调质钢板，其成分质量百分比为
C 0.13-0.16％，
Mn 1.20-1.60％，
Cr 0.10-0.60％，
Mo ≤0.10％，
Ti 0.01-0.03％，
Nb 0.02-0.05％，
V 0.01-0.03％，
B 0.0005-0.003％，
Si 0.10-0.50％，
Al 0.015-0.06％，
N ≤0.008％，
P ≤0.020％，
S ≤0.010％；
余Fe及不可避免的杂质；
其中，Cr+Mn≤1.90％，Ti+Nb≤0.06％。
2.如权利要求1所述的低成本的700MPa级高强高韧调质钢板的制造方法，按设计成分制造的钢坯加热到1050～1250℃后热轧，把钢坯直接轧制成规定厚度的钢板，然后在钢板冷却后再加热到900～930℃，保温1.5～2.5min/mm，离线淬火；然后在580～620℃回火2.5～3.5min/mm。
全文摘要
低成本的700MPa级高强高韧调质钢板及其制造方法，其成分质量百分比为C 0.13-0.16％、Mn 1.20-1.60％、Cr 0.10-0.60％、Mo≤0.10％、Ti0.01-0.03％、Nb 0.02-0.05％、V 0.01-0.03％、B 0.0005-0.003％、Si0.10-0.50％、Al 0.015-0.06％、N≤0.008％、P≤0.020％、S≤0.010％、余Fe及不可避免杂质；其中，Cr+Mn≤1.90％，Ti+Nb≤0.06％。本发明通过新的成分设计，减少甚至不添加Mo、Ni合金，大大降低了合金成本，通过传统调质工艺制造出高强高韧调质钢板，其屈服强度达到700MPa以上，抗拉强度780MPa以上，具有良好的低温冲击韧性(-60℃冲击功在47J以上)及很好的拉伸塑性和焊接性，并且钢板具有优异的各向同性。
文档编号C22C38/38GK101633996SQ20081004104
公开日2010年1月27日 申请日期2008年7月25日 优先权日2008年7月25日
发明者柏明卓, 李自刚, 杨阿娜 申请人:宝山钢铁股份有限公司