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CN116377348B - 一种屈服强度1000MPa级含Cu低合金高强钢及其制造方法 - Google Patents

一种屈服强度1000MPa级含Cu低合金高强钢及其制造方法 Download PDF

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CN116377348B CN202310301079.0A CN202310301079A CN116377348B CN 116377348 B CN116377348 B CN 116377348B CN 202310301079 A CN202310301079 A CN 202310301079A CN 116377348 B CN116377348 B CN 116377348B
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Abstract

本发明涉及一种屈服强度1000MPa级含Cu低合金高强钢，钢中化学成分按重量百分比计为C：0.015％～0.045％，Si：0.82％～0.92％，Mn：0.35％～0.55％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：0.70％～0.85％，Ni：2.00％～2.30％，Cu：1.95％～2.25％，Zr：0.100％～0.175％，Mo:0.15％～0.29％，Alt：0.155％～0.255％；余量为Fe和杂质。本发明通过Cu、Al、Mn、Ni、Si以及Mo、Zr等元素的协同作用，采用“离线淬火+高温回火”工艺，形成含Cu纳米亚稳相弥散析出及Zr和/或Mo碳化物沉淀析出，配合固溶强化，使所生产的钢板具有高强度、优异的低温韧性、良好的焊接性能和冷成型性能。

Description

一种屈服强度1000MPa级含Cu低合金高强钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及低合金高强钢生产技术领域，尤其涉及一种屈服强度1000MPa级含Cu低合金高强钢及其制造方法。
背景技术
传统高强钢主要通过添加大量合金元素、提高碳含量的方式来获得良好的强韧性匹配，而高的碳含量和合金含量会导致焊接性严重恶化。随着微合金化技术的蓬勃发展，低合金高强钢的设计理念和性能也在不断发展和提高，升级的低合金高强钢以其相对较低的成本、高强度、高韧性、易焊接、易加工等优点，被广泛地应用在石油运输管道、高层建筑结构、桥梁、铁路交通和挖掘设备等众多领域，不但可以增加构件载荷能力、提高安全性能，而且还可减轻自身重量，符合节能、环保发展要求。
公开号为CN 114058790 A的中国专利申请公开了“一种5～25mm厚1000MPa级高强度高韧性易焊接纳米钢及其制备方法”，钢的屈服强度大于1000MPa，采用富Cu纳米相沉淀强化，Nb、Ti微合金强化配合调质处理获得强韧性匹配，其Ni含量高于5％，生产成本较高。
公开号为CN 114058960 A的中国专利申请公开了“一种25～60mm厚1000MPa级高强度高韧性易焊接纳米钢及其制备方法”，屈服强度大于1000MPa，采用富Cu纳米相沉淀强化，Nb、Ti微合金强化配合调质处理获得强韧性匹配，其Ni含量高于6％，生产成本较高。
公开号为CN 114164315 A的中国专利申请公开了“一种60～100mm厚1000MPa级高强度高韧性易焊接纳米钢及其制备方法”，其屈服强度大于1000MPa，采用富Cu纳米相沉淀强化，Nb、Ti微合金强化配合调质处理获得强韧性匹配，其Ni含量高于7％，生产成本较高。
公开号为CN 102560274 A的中国专利申请公开了“一种屈服强度1000MPa级调质超高强钢及其制造方法”，其产品中C含量为0.15～0.20％，-40℃冲击功最大值不超过90J，韧性较差。
公开号为CN 106636961 A的中国专利申请公开了“一种含Cu纳米相强化易焊接钢及制备方法”，采用Nb-V-Ti微合金化和含铜纳米相析出强化，Ni含量＞4％，生产成本较高。
上述公开的专利文献所涉及的钢种及生产方法均存在一定缺陷，不能完全适用高强钢在不同领域的使用要求，而如何采用适宜的化学成分及合理的生产工艺生产出一种高强度、优异韧塑性的含Cu低合金高强钢板，是本领域亟待解决的技术难点之一。
发明内容
本发明提供了一种屈服强度1000MPa级含Cu低合金高强钢及其制造方法，通过Cu、Al、Mn、Ni、Si以及Mo、Zr等元素的协同作用，采用“离线淬火+高温回火”工艺，形成含Cu纳米亚稳相弥散析出及Zr和/或Mo碳化物沉淀析出，配合固溶强化，使所生产的钢板具有高强度、优异的低温韧性、良好的焊接性能和冷成型性能，同时相比于传统高强合金钢具有成本优势。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种屈服强度1000MPa级含Cu低合金高强钢，钢中化学成分按重量百分比计为C：0.015％～0.045％，Si：0.82％～0.92％，Mn：0.35％～0.55％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：0.70％～0.85％，Ni：2.00％～2.30％，Cu：1.95％～2.25％，Zr：0.100％～0.175％，Mo:0.15％～0.29％，Alt：0.155％～0.255％；Ni/Cu比控制在1～1.2；余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步的，所述钢中含有Cu纳米亚稳相弥散析出及Zr和/或Mo碳化物沉淀析出。
进一步的，成品钢板的屈服强度≥1000MPa，抗拉强度≥1050MPa，断后伸长率≥17％，断面收缩率≥60％，-60℃纵向冲击功KV2≥100J。
一种屈服强度1000MPa级含Cu低合金高强钢的制造方法，生产过程包括冶炼、连铸、加热、轧制及热处理；具体控制过程如下：
1)冶炼；
包括铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼及RH真空处理过程；其中，LF精炼上机前钢包静吹氩，吹氩时间大于15min，RH循环时间大于12min；
2)连铸；
控制中间包过热度为19～22℃，投入动态轻压下和电磁搅拌；连铸坯进行缓冷，缓冷温度480～500℃，缓冷时间大于72h；
3)加热；
预热段加热速率为7～9℃/min；加热段加热速率为12～14℃/min，加热温度为1245～1280℃；均热段保温时间大于35min；加热总时间为211～261min；
4)轧制；
采用两阶段控制轧制；粗轧终轧温度为1080～1120℃；精轧开轧温度为824～944℃，精轧终轧温度为790℃～838℃；精轧压下率控制在66％～72％；
5)热处理；
采用离线淬火+高温回火工艺；淬火温度为880～900℃，保温40～80min后水冷至室温；在520～540℃进行回火，保温时间为80～120mm/min，最后空冷至室温。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)通过Cu、Al、Mn、Ni、Si以及Mo、Zr等元素的协同作用，采用“离线淬火+高温回火”工艺，形成含Cu纳米亚稳相弥散析出及Zr和/或Mo碳化物沉淀析出，配合固溶强化，使所生产的钢板具有优高强度、优异的低温韧性和良好的焊接性能；
2)成品钢板的屈服强度≥1000MPa，抗拉强度≥1050MPa，断后伸长率≥17％，断面收缩率≥60％，-60℃纵向冲击功KV2≥100J。
具体实施方式
本发明所述一种屈服强度1000MPa级含Cu低合金高强钢，钢中化学成分按重量百分比计为C：0.015％～0.045％，Si：0.82％～0.92％，Mn：0.35％～0.55％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：0.70％～0.85％，Ni：2.00％～2.30％，Cu：1.95％～2.25％，Zr：0.100％～0.175％，Mo:0.15％～0.29％，Alt：0.155％～0.255％；Ni/Cu比控制在1～1.2；余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步的，所述钢中含有Cu纳米亚稳相弥散析出及Zr和/或Mo碳化物沉淀析出。
进一步的，成品钢板的屈服强度≥1000MPa，抗拉强度≥1050MPa，断后伸长率≥17％，断面收缩率≥60％，-60℃纵向冲击功KV2≥100J。
本发明所述一种屈服强度1000MPa级含Cu低合金高强钢的制造方法，生产过程包括冶炼、连铸、加热、轧制及热处理；具体控制过程如下：
1)冶炼；
包括铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼及RH真空处理过程；其中，LF精炼上机前钢包静吹氩，吹氩时间大于15min，RH循环时间大于12min；
2)连铸；
控制中间包过热度为19～22℃，投入动态轻压下和电磁搅拌；连铸坯进行缓冷，缓冷温度480～500℃，缓冷时间大于72h；
3)加热；
预热段加热速率为7～9℃/min；加热段加热速率为12～14℃/min，加热温度为1245～1280℃；均热段保温时间大于35min；加热总时间为211～261min；
4)轧制；
采用两阶段控制轧制；粗轧终轧温度为1080～1120℃；精轧开轧温度为824～944℃，精轧终轧温度为790℃～838℃；精轧压下率控制在66％～72％；
5)热处理；
采用离线淬火+高温回火工艺；淬火温度为880～900℃，保温40～80min后水冷至室温；在520～540℃进行回火，保温时间为80～120mm/min，最后空冷至室温。
本发明所述一种屈服强度1000MPa级含Cu低合金高强钢中各化学成分的作用原理如下：
C是主要的固溶强化元素，C含量过高会恶化钢板的焊接性能和韧塑性，并可与强碳化合金元素形成碳化物析出，本发明控制C含量在0.015％～0.045％。
Si是铁素体形成元素，能有效缩小奥氏体相区、扩大铁素体相区，是重要的固溶强化元素；Si含量过高会降低钢板韧性，并在轧制过程中形成难以去除的氧化铁皮；本发明控制Si含量在0.82％～0.92％。
Mn在钢中的主要作用是固溶强化，是奥氏体形成元素，同时Mn与Ni元素可在含Cu纳米亚稳相中复合析出，能够提高钢板的强度和低温韧性；但Mn含量过多会严重降低钢的塑性；本发明控制Mn含量在0.35％～0.55％。
P是钢中的杂质元素，会恶化钢的韧塑性和焊接性能，本发明控制P含量在0.010％以下。
S为钢中杂质元素，会显著降低钢的塑韧性和焊接性能，本发明控制S含量在0.005％以下。
Cr是铁素体形成元素，能有效缩小奥氏体相区、扩大铁素体相区，可阻止含Cu纳米相在轧后或奥氏体化后冷却过程中的析出，以及含Cu纳米相的形核和长大，显著提高钢的淬透性以及热处理后的回火稳定性；Cr还是提高钢的耐候性的有效元素。但Cr含量过高会恶化钢板的焊接性能。本发明控制Cr含量在0.70％～0.85％。
Ni能显著提高钢板的低温冲击韧性及淬透性，促进钢中Cu-Ni富集相以颗粒状保留在氧化层内，改善含Cu钢的热脆性问题；Ni/Cu比在1以上时，不会出现液相Cu；固溶态的Ni能提高铁素体强度；Ni可以作为形核质点，促进Cu纳米亚稳相的析出，还可与Mn和Al分别在含Cu纳米亚稳相中复合析出，优化钢板的强度和低温韧性；另外，Ni是提高钢耐海水腐蚀性能的重要元素。但Ni含量过高会使钢中残留奥氏体，造成组织不均匀，且增加成本、影响焊接性能。本发明控制Ni含量在2.00％～2.30％。
Cu是本发明钢中重要的强化元素，Cu在奥氏体和铁素体中的固溶度差异很大，在一定的热处理条件下，可以控制不同形态、尺寸、数量、分布位置的含Cu纳米相弥散析出，有效提高钢的强度，改善钢的低温韧性，提高钢的焊接和耐海水腐蚀性能。本发明控制Cu含量在1.95％～2.25％。
Zr是铁素体形成元素，具有优异的淬透性；是强碳氮化物形成元素，在回火等温转变过程中析出Zr的碳氮化物；Zr与Mo元素以(Zr，Mo)C的第二相粒子形式析出，通过阻止晶界长大、细化晶粒，钉扎位错提高钢的强度，同时提高钢的低温韧性，改善钢的焊接性能。本发明控制Zr含量在0.100％～0.175％。
Mo是铁素体形成元素，能提高钢的淬透性及回火稳定性，在钢的等温转变过程中形成MoC，与Zr元素以(Zr，Mo)C形式析出，提高钢的强度和低温韧性；与Cr一起作用在不同温度回火过程中，保证回火组织包括析出物含Cu纳米亚稳相的稳定性，使钢板获得优异的综合力学性能。但Mo含量过高时会增加生产成本，影响钢的焊接性能。本发明中Mo含量控制在0.15％～0.29％。
Al是铁素体形成元素，也是钢中常用的脱氧剂，可提高钢的耐腐蚀性能，与Cr-Mo-Cu-Si配合使用效果更好；含Cu钢中Al可以促进含Cu纳米相析出，Al还可与Mn或Ni在含Cu纳米亚稳相中复合析出，保证钢的强度；Al在钢中首先作为脱氧剂存在，其次与N结合生成AlN，最后与Mn或Ni在含Cu纳米亚稳相中复合析出；但Al含量过高会影响钢的低温韧性，且冶炼过程中易形成氧化物，造成絮流现象，严重影响生产。本发明控制Alt含量在0.155％～0.255％。
本发明所述一种屈服强度1000MPa级含Cu低合金高强钢的制造方法，其典型的生产工艺流程为：铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼(LF)→RH真空处理→连铸(电磁搅拌)→板坯连铸→板坯堆垛→板坯清理→加热→轧制→探伤→热处理→检验→入库。其中：
1、冶炼工序：LF精炼上机前保证钢包静吹氩时间大于15min，RH循环时间大于12min；通过LF+RH双联精炼，可保证非金属夹杂物充分上浮充分，大大减少钢水中夹杂物含量，同时保证氮、氢、氧含量在极低水平。
2、连铸工序：中间包过热度控制在19～22℃，投入动态轻压下和电磁搅拌；连铸坯进入缓冷坑进行缓冷，缓冷温度为480～500℃，缓冷时间大于72h，出缓冷坑后及时进行清理，配合连铸工艺可提高钢板探伤合格率和减少轧制边部裂纹缺陷。
3、加热工序：预热段的加热速率为7～9℃/min，加热段的加热速率为12～14℃/min，加热温度为1245～1280℃，均热段的保温时间大于35min，加热总时间为211～261min；预热阶段要放慢加热速度以防止加热过快导致连铸坯开裂，加热段提高加热速率提高加热效率，较高的加热温度配合充足的均热段保温时间和总加热时间，可使合金元素充分固溶且分布均匀，铸坯中心偏析元素的充分扩散，以保证获得理想的铸坯加热组织状态。
4、轧制：采用两阶段控制轧制，粗轧终轧温度为1080～1120℃，保证钢板在再结晶状态下轧制；精轧开轧温度为824～944℃，精轧终轧温度控制在790℃～838℃，精轧压下率控制在66％～72％；经过两阶段轧制获得均匀均匀的轧态组织，为热处理做好准备。
5、热处理：采用“离线淬火+高温回火”工艺，淬火温度为880～900℃，保温40～80min后快速水冷至室温，快速冷却获得淬火组织，Cu以过饱和固溶体的形式存在，钢中位错密度极高，这为回火过程中含Cu相的析出提供了大量的形核点，采用该冷却速率还可以使Zr、Cu、Al处于固溶态，方便后续通过回火时获得纳米级析出强化相，离线淬火钢板均匀性好，综合性能高；回火温度为520～540℃，回火温度是保证钢板综合性能的最重要工艺参数，回火过程中，含Cu纳米亚稳相在铁素体基体、位错线、晶界处弥散析出，含Cu纳米亚稳相持续形核、析出、长大，与基体失去共格关系，对钢件的强化作用减弱、韧性大大增强，与铁素体基体处于半共格或非共格状态，以团簇、圆点、小块状等形式存在，尺寸约分布在1-30nm之间，同时Zr或和Mo碳化物在铁素体基体内和位错线等处析出，弥补由于回火使Cu纳米亚稳相过时效导致的强度下降，保证钢板具有高强韧性，回火时间为80～120mm/min，充足的回火时间可保证钢板组织性能的均匀稳定，回火时间过长不仅使析出相粗化且生产效率降低成本升高；回火后空冷至室温，节省随炉冷却时间，增加生产效率。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
【实施例】
本实施例中，屈服强度1000MPa级含Cu低合金高强钢的生产工艺流程为：铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼(LF)→RH真空处理→连铸(电磁搅拌)→板坯连铸→板坯堆垛→板坯清理→加热→轧制→探伤→热处理→检验→入库。
各实施例中钢的化学成分如表1所示，冶炼及连铸工艺参数如表2所示，加热工艺参数如表3所示，轧制及热处理工艺参数如表4所示，成品钢板的性能如表5所示。
表1各实施例钢的化学成分(wt％)
实施例 C Si Mn P S Cr Ni Cu Zr Mo Alt Ni/Cu
1 0.015 0.82 0.37 0.009 0.003 0.73 2.03 1.99 0.119 0.21 0.165 1.020
2 0.021 0.83 0.36 0.007 0.004 0.75 2.07 1.95 0.126 0.19 0.172 1.062
3 0.019 0.85 0.41 0.008 0.004 0.71 2.10 2.09 0.123 0.18 0.189 1.005
4 0.029 0.84 0.47 0.006 0.004 0.74 2.11 2.07 0.131 0.17 0.197 1.019
5 0.018 0.86 0.45 0.007 0.003 0.79 2.19 2.01 0.141 0.20 0.191 1.090
6 0.031 0.87 0.40 0.007 0.003 0.76 2.16 2.12 0.152 0.22 0.181 1.019
7 0.042 0.88 0.43 0.006 0.004 0.77 2.09 1.97 0.159 0.24 0.203 1.061
8 0.038 0.89 0.51 0.007 0.002 0.78 2.21 2.17 0.157 0.23 0.211 1.018
9 0.041 0.91 0.50 0.007 0.003 0.82 2.24 2.20 0.164 0.25 0.223 1.018
10 0.040 0.92 0.53 0.006 0.004 0.83 2.29 2.14 0.169 0.28 0.249 1.070
11 0.043 0.90 0.54 0.008 0.003 0.84 2.27 2.22 0.166 0.29 0.253 1.023
12 0.045 0.92 0.55 0.007 0.002 0.81 2.30 2.24 0.171 0.26 0.231 1.027
表2各实施例钢的冶炼及连铸工艺参数
实施例 静吹氩时间，min RH循环时间，min 过热度，℃ 缓冷温度，℃ 缓冷时间，h
1 15 13 21 500 72
2 15 14 21 500 72
3 17 13 20 500 72
4 17 12 21 500 72
5 17 12 20 500 72
6 17 13 21 500 72
7 16 12 21 500 72
8 16 13 21 500 72
9 15 14 21 500 72
10 16 12 21 500 72
11 15 12 21 500 72
12 15 12 21 500 72
表3各实施例钢的加热工艺参数
表4各实施例钢的轧制和热处理工艺参数
表5各实施例成品钢板的力学性能
表5中，ReH为上屈服强度，Rm为抗拉强度，A为断后伸长率，Z为断面收缩率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种屈服强度1000MPa级含Cu低合金高强钢的制造方法，其特征在于，钢中化学成分按重量百分比计为 C：0.015%～0.045%，Si：0.82%～0.92%，Mn：0.35%～0.55%，P≤0.010%，S≤0.005%，Cr：0.70%～0.85%，Ni：2.00%～2.30%，Cu：1.95%～2.25%，Zr：0.100%～0.175%，Mo:0.15%～0.29%，Alt：0.155%～0.255%；Ni/Cu比控制在1～1.2；余量为Fe和不可避免的杂质；
生产过程包括冶炼、连铸、加热、轧制及热处理；其中轧制及热处理过程控制如下：
1）轧制；
采用两阶段控制轧制；粗轧终轧温度为1080～1120℃；精轧开轧温度为824～944℃，精轧终轧温度为790℃～838℃；精轧压下率控制在66%～72%；
2）热处理；
采用离线淬火+高温回火工艺；淬火温度为880～900℃，保温40～80min后水冷至室温；在520～540℃进行回火，保温时间为80～120mm/min，最后空冷至室温。
2.根据权利要求1所述一种屈服强度1000MPa级含Cu低合金高强钢的制造方法，其特征在于，所述钢中含有Cu纳米亚稳相弥散析出及Zr和/或Mo碳化物沉淀析出。
3.根据权利要求1所述一种屈服强度1000MPa级含Cu低合金高强钢的制造方法，其特征在于，成品钢板的屈服强度≥1000MPa，抗拉强度≥1050MPa，断后伸长率≥17%，断面收缩率≥60%，-60℃纵向冲击功KV2≥100J。
4.根据权利要求1所述一种屈服强度1000MPa级含Cu低合金高强钢的制造方法，其特征在于，其中冶炼、连铸及加热控制过程如下：
1）冶炼；
包括铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼及RH真空处理过程；其中，LF精炼上机前钢包静吹氩，吹氩时间大于15min，RH循环时间大于12min；
2）连铸；
控制中间包过热度为19～22℃，投入动态轻压下和电磁搅拌；连铸坯进行缓冷，缓冷温度480～500℃，缓冷时间大于72h；
3）加热；
预热段加热速率为7～9℃/min；加热段加热速率为12～14℃/min，加热温度为1245～1280℃；均热段保温时间大于35min；加热总时间为211～261min。
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