一種低合金高強高韌鋼板及其制造方法
【專利摘要】一種低合金高強高韌鋼板及其制造方法，其成分質量百分比為：C0.08～0.25％；Si 0.10～1.00％；Mn 0.50～2.00％；P<0.020％；S<0.010％；Cr0.10～2.00％；Mo 0～1.00％；Ni 0～2.00％；Nb 0.010～0.080％；V≤0.10％；Ti≤0.060％；B 0.0005～0.0040％；Al 0.010～0.080％；Ca 0.010～0.080％；N≤0.0080％；O≤0.0080％；H≤0.0004％，其余為Fe和不可避免的雜質；且上述元素需滿足：0.20％≤(Cr/5+Mn/6+50B)≤0.55％，0.02％≤(Mo/3+Ni/5+2Nb)≤0.45％，0.01％≤(Al+Ti)≤0.13％。本發(fā)明鋼板的布氏硬度390～460HB，屈服強度900～1100MPa，抗拉強度1100～1400MPa，延伸率11～15％，-40℃夏比V型縱向沖擊功≥40J，板厚可達100mm以上，實現了高強度、高硬度和高韌性的匹配，并具有良好的機械加工性能。
【專利說明】一種低合金高強高韌鋼板及其制造方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于冶金【技術領域】，具體涉及一種低合金高強高韌鋼板及其制造方法。

【背景技術】
[0002] 工程、采礦、冶金等機械設備通常需要高強度、高硬度、高韌性等特點的鋼板，如推 土機、挖掘機、刮板運輸機部件等。同時，大型破碎機及大型挖掘機等特殊設備需要大厚度 鋼板，厚度可達IOOmm以上。針對工業(yè)化生產而言，一般采用連鑄方式生產連鑄坯，進而通 過軋制方式得到一定厚度的鋼板，一般連鑄坯厚度為200?300_，生產的大厚度、高強硬 度鋼板往往存在心部質量難以保證，很難完全滿足工況的需求；采用鑄造方式生產鑄件，則 存在合金含量高、內部質量差、使用過程中易開裂等缺點，大幅降低產品的使用壽命；采用 模鑄方式生產，雖然可以生產大厚度鋼板，但其存在生產工序長、成材率低、生產成本高等 缺點，不利于產品市場推廣。
[0003] 中國專利CNl 140205A公開了一種中高碳中合金耐磨鋼，采用鑄造工藝生產，其碳 及合金元素（Cr、Mo等）含量較高，這必然導致焊接性能與機械加工性能較差，使用壽命較 低。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種低合金高強高韌鋼板及其制造方法，該高強高韌鋼板的 力學性能為：布氏硬度390?460HB，屈服強度900?I lOOMPa，抗拉強度1100?1400MPa， 延伸率11?15%，-40°C夏比V型縱向沖擊功彡40J，板厚可達IOOmm以上。該鋼的微觀組 織為馬氏體+殘余奧氏體或馬氏體+貝氏體+殘余奧氏體，實現了高強度、高硬度和高韌性 的匹配，并具有良好的機械加工性能，有益于工程上的廣泛應用。
[0005] 為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是：
[0006] 本發(fā)明的低合金高強高韌鋼板，其化學成分質量百分為：C :0.08?0.25% ;Si : 0· 10 ?I. 00 % ;Mn :0· 50 ?2. 00 % ;P :〈0· 020 % ;S :〈0· 010 % ;Cr :0· 10 ?2. 00 % ;Mo : 0 ?I. 00 % ;Ni :0 ?2· 00 % ;Nb :0· 010 ?0· 080 % ;V :彡 0· 10 % ;Ti :彡 0· 060 % ;B : 0· 0005 ?0· 0040 % ;A1 :0· 010 ?0· 080 % ;Ca :0· 010 ?0· 080 % ;N :彡 0· 0080 % : < 0. 0080% ;H 0. 0004% ;其余為Fe和不可避免的雜質；且上述元素同時需滿足如下關 系：0· 20 % 彡（Cr/5+Mn/6+50B)彡 0· 55 %，0· 02 % 彡（Mo/3+Ni/5+2Nb)彡 0· 45 %，0· 01 % 彡（Al+Ti)彡 0· 13%。
[0007] 進一步，本發(fā)明的低合金高強高韌鋼板的布氏硬度為390?460HB，屈服強度為 900?llOOMPa，抗拉強度為1100?1400MPa，延伸率為11?15%，-40°C夏比V型縱向沖 擊功彡40J，板厚可達100臟以上。
[0008] 又，本發(fā)明的低合金高強高韌鋼板的微觀組織為馬氏體+殘余奧氏體或馬氏體+ 貝氏體+殘余奧氏體。
[0009] 在本發(fā)明鋼的成分設計中，主要化學元素作用如下：
[0010] 碳：碳是鋼中最基本、最重要的元素，通過固溶強化和析出強化提高鋼的強度、硬 度和耐磨性能。碳含量過高，對鋼的韌性和焊接性能不利；碳含量過低，降低鋼的力學性能 和耐磨性能。因此，碳含量控制在0. 08?0. 25%。
[0011] 硅：硅是鋼中有益脫氧劑，能與鋼中鈣、鋁一起形成易于上浮的鈣鋁硅酸鹽夾雜 物，提高鋼質純凈度。硅固溶在鐵素體和奧氏體中提高它們的硬度和強度，然而，硅含量過 高會導致鋼的韌性急劇下降。因此，硅含量控制在0. 10?1. 00%。
[0012] 猛：猛提尚鋼的泮透性，但猛含量$父尚時，有使晶粒粗化的傾向，容易導致鑄還中 出現偏析和裂紋。因此，錳含量控制在〇. 50?2. 00%。
[0013] 鉻：鉻可以提高鋼的淬透性，并提高鋼的強度和硬度。鉻在回火時能阻止或減緩碳 化物的析出與聚集，可以提高鋼的回火穩(wěn)定性。因此，鉻含量控制在0. 10?2. 00%。
[0014] 鉬：鉬可以細化晶粒，提高強度和韌性。鉬是減小回火脆性的元素，可以提高回火 穩(wěn)定。但，鉬含量過高會大幅增加成本。因此，鉬含量控制在0?1.00%。
[0015] 鎳：鎳具有明顯降低冷脆轉變溫度的作用，但含量過高易導致鋼板表面氧化皮難 以脫落，且成本顯著增加。因此，鎳含量控制在0?2. 00%。
[0016] 鈮：鈮通過晶粒細化提高鋼的強度和韌性。因此，鈮含量控制在0. 010?0. 080%。
[0017] 釩：釩的加入主要是為了細化晶粒，使鋼坯在加熱階段奧氏體晶粒不至于生長的 過于粗大，以致在隨后的多道次軋制過程中，可以使鋼的晶粒得到進一步細化，提高鋼的強 度和韌性。因此，釩含量< 〇. 10%。
[0018] 鈦：鈦是強碳化物形成元素之一，與碳形成細微的TiC顆粒。TiC顆粒細小，分布 在晶界，達到細化晶粒的效果，較硬的TiC顆粒提高鋼的耐磨性。但是，鈦含量過高會降低 鋼的韌性。因此，鈦含量< 〇. 060%。
[0019] 硼：硼增加鋼的淬透性，但含量過高將導致熱脆現象，影響鋼的焊接性能及熱加工 性能。因此，硼含量控制在0.0005?0.0040%。
[0020] 錯：錯可細化鋼的晶粒，固定鋼中的氣和氧，減輕鋼對缺口的敏感性。因此，錯含量 控制在0· 010?0· 080%。
[0021] 鈣：鈣對鑄鋼中夾雜物的變質具有顯著作用，鑄鋼中加入適量鈣可將鑄鋼中的長 條狀硫化物夾雜轉變?yōu)榍驙畹腃aS或（Ca，Mn) S夾雜，鈣所形成的氧化物及硫化物夾雜密度 小，易于上浮排除。因此，鈣含量控制在0. 010?0. 080%。
[0022] 磷與硫：在耐磨鋼中，硫與磷均為有害元素，它們的含量要嚴格控制。因此，磷含量 彡 0· 020wt. %，硫含量彡 0· OlOwt. %。
[0023] 氮、氧、氫：鋼中過多的氧、氮和氫對鋼的性能尤其對焊接性、沖擊韌性和抗裂性是 十分不利的，降低鋼板的質量及使用壽命，但控制過嚴會大幅增加生產成本。因此，氮含量 <0· 0080%，氧含量<0· 0080%，氫含量<0· 0004%。
[0024] 本發(fā)明控制0. 010%彡Al+Ti彡0. 13%:鈦均能形成細小顆粒進而細化晶粒，鋁可 以保證細小鈦顆粒的形成，充分發(fā)揮鈦的細化晶粒作用，故鋁和鈦的含量需滿足如下關系： 0. 010%彡 Al+Ti 彡 0. 13%。
[0025] 本發(fā)明控制0.20%彡（0/5+]?11/6+5(?)彡0.55%:在本發(fā)明中，鉻、錳和硼主要提 高鋼的淬透性，但各元素對鋼的淬透性的影響效果不同。因此，本發(fā)明以"Cr/5+Mn/6+50B" 表示為影響鋼種淬透性的當量，通過此當量來合理控制各合金元素的含量和配比，得到最 佳效果：既不會由于含量過低而降低鋼的淬透性，又不會因含量過高而富裕量過大，造成合 金元素的浪費，降低鋼的韌性、焊接性能等。
[0026] 本發(fā)明控制0. 02%彡（Mo/3+Ni/5+2Nb)彡0. 45%:在本發(fā)明中，鉬、鎳和鈮主要提 高鋼的韌性，但各元素的對鋼的韌性的影響效果不同。因此，本發(fā)明以"Mo/3+Ni/5+2Nb"表 示為影響鋼種韌性的當量，通過此當量來合理控制各合金元素的含量和配比，得到最佳效 果：既不會由于含量過低而降低鋼的韌性，又不會因含量過高而富裕量過大，造成合金元素 的浪費、大幅提高鋼的合金成本，甚至降低鋼的焊接性能等。
[0027] 本發(fā)明的低合金高強高韌鋼板的制造方法，具體包括如下步驟：
[0028] (1)冶煉、鑄造
[0029] 按下述成分冶煉、鑄造成連鑄坯，低合金高強高韌鋼板的化學成分質量百分 比為：C :0· 08 ?0· 25 % ;Si :0· 10 ?I. 00 % ;Mn :0· 50 ?2. 00 % ;P :〈0· 020 % ;S : 〈0· 010 % ;Cr :0· 10 ?2. 00 % ;Mo :0 ?I. 00 % ;Ni :0 ?2. 00 % ;Nb :0· 010 ?0· 080 % ; V :彡 0· 10% ;Ti :彡 0· 060% ;B :0· 0005 ?0· 0040% ;A1 :0· 010 ?0· 080% ;Ca :0· 010 ? 0.080 % 0.0080 % ;0:< 0.0080 % 0.0004 % ;其余為 Fe 和不可避免的雜 質；且上述元素同時需滿足如下關系：0.20%彡（Cr/5+Mn/6+50B)彡0·55%，0·02% <(Mo/3+Ni/5+2Nb)<0.45%，0.01%<(Al+Ti)<0.13%。
[0030] (2)復合
[0031] 采用機械法對連鑄坯的待復合面進行表面氧化鐵皮清理，再對連鑄坯待復合面的 四條邊進行坡口加工；疊合2層以上的連鑄坯，對連鑄坯貼合面進行四周焊接封閉，并抽取 真空，得到復合板坯。
[0032] (3)復合板坯加熱和軋制
[0033] 復合板坯加熱溫度為1000?1250°C，保溫1?5h ;對復合板坯進行復合軋制，其 中，開軋溫度為1000?1150°C，終軋溫度為780?980°C。
[0034] (4)在線冷卻：乳后直接水冷至室溫?450°C之間。
[0035] 或（4)熱處理：復合板坯軋后直接空冷至室溫，然后再進行離線淬火和回火熱處 理，淬火溫度為850?950 °C，鋼板心部達到溫后的保溫時間為10?90min ;回火溫度為 100?450°C，鋼板心部達到溫后的保溫時間為30?120min。
[0036] 進一步，步驟（1)中所述鑄造采用連鑄工藝，連鑄拉還速度< I. Om/min。
[0037] 本發(fā)明制造工藝過程的影響如下：
[0038] 本發(fā)明保證連鑄拉坯速度< I. OM/min，達到鑄坯內部成分均勻和表面質量良好的 效果。
[0039] 復合：機械加工和焊接封閉抽取真空處理板坯是順利軋制的基礎，若復合不當將 降低鋼板力學性能，縮短鋼板使用壽命，甚至在軋制過程中出現板坯開裂現象。
[0040] 板坯加熱：板坯加熱溫度和保溫時間是保證板坯順利軋制的重要前提，需要嚴格 控制。連鑄坯或初軋鋼坯的加熱溫度控制在l〇〇〇°C?1250°C之間，保溫時間在l-5h :在保 證奧氏體晶粒不長大的情況下，獲得均勻的奧氏體化組織，尤其使復合截面實現冶金結合， 確保順利軋制，保證鋼板力學性能及防止鋼板開裂。
[0041] 板坯軋制和在線冷卻：乳制溫度和停冷溫度是保證鋼板組織和性能的重要參數。 其中，控制開軋溫度為1000?1150°c，終軋溫度為780?980°C時，可以使變形奧氏體易于 均勻化，乳后鋼板直接水冷后獲得均勻組織，保證鋼板厚度的均勻性。
[0042] 離線淬火和回火：若鋼板采用離線淬火和回火熱處理，則需要對熱處理溫度、保溫 時間嚴格控制，以保證鋼板性能。其中，淬火溫度為800?950°C，鋼板心部達到溫后保溫 10?90min ;回火溫度為100?450°C，鋼板心部達到溫后保溫30?120min。
[0043] 經檢測，本發(fā)明的低合金高強高韌鋼板的力學性能為：布氏硬度為390?460HB， 屈服強度為900?llOOMPa，抗拉強度為1100?1400MPa，延伸率為11?15%，-40°C夏比 V型縱向沖擊功彡40J，板厚可達IOOmm以上。該鋼的微觀組織為馬氏體和殘余奧氏體或馬 氏體和貝氏體及殘余奧氏體?？梢?，本發(fā)明控制碳和合金元素含量以及各熱處理工藝得到 的鋼板成本低、工藝簡單、強硬度高，低溫韌性佳，機械加工性能優(yōu)異，易焊接，適用于各種 機械設備、尤其是大厚度設備中易磨損部件。
[0044] 本發(fā)明的有益效果：
[0045] 1)化學成分上，本發(fā)明以低碳低合金為主，充分利用Cr、Mo、Nb、Ti等微合金元素 的細化、強化等特點，保證鋼板具有良好的力學性能和優(yōu)異的焊接性能等。
[0046] 2)生產工藝上，本發(fā)明采用兩塊/幾塊鑄坯進行復合組坯，解決了厚規(guī)格坯料的 供料問題。復合后的復合坯料，在原來單塊連鑄坯的基礎之上厚度增加了 1倍或幾倍，坯料 厚度增加后，其產品厚度也增加。通過控制TMCP工藝中的開、終軋溫度及停冷溫度等工藝 參數，提高產品的組織細化、強化效果，進而減少碳和合金元素含量，得到力學性能和焊接 性能等均十分優(yōu)異的鋼板。此外，該工藝還具有生產流程短、效率高、節(jié)約能源、成本低等特 點。
[0047] 3)生產工藝上，本發(fā)明也可采用離線淬火+回火工藝生產，可通過淬火溫度、淬火 時間和回火溫度、回火時間等參數的合理搭配得到性能優(yōu)異的大厚度耐磨鋼板。本發(fā)明所 涉及的產品生產工藝合理，工藝參數范圍較寬，適于工業(yè)生產。
[0048] 4)生產規(guī)格上，本發(fā)明采用復合軋制方式，可以生產質量優(yōu)異的大厚度耐磨鋼板， 厚度可達IOOmm以上，滿足了大型破碎機及大型挖掘機等特殊設備對大厚度鋼板的需求。
[0049] 5)從產品性能上看，本發(fā)明的低合金高強高韌性鋼板的布氏硬度為390?460HB， 屈服強度為900?llOOMPa，抗拉強度為1100?1400MPa，延伸率為11?15%，-40°C夏比 V型縱向沖擊功多40J，具有高強度、高硬度、高低溫韌性等優(yōu)點，并具有良好的焊接性能。
[0050] 6)顯微組織上看，本發(fā)明的低合金高強度高韌性鋼板充分利用合金元素添加及控 軋控冷工藝得到細小均勻的馬氏體+殘余奧氏體或馬氏體+貝氏體+殘余奧氏體，有益于 鋼板強、硬度及韌性的良好匹配。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0051] 圖1為本發(fā)明實施例4鋼板基體組織的金相照片。
[0052] 圖2為本發(fā)明實施例4鋼板復合界面處組織的金相照片。

【具體實施方式】
[0053] 下面結合實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0054] 表1為本發(fā)明鋼板實施例1-6和對比例1的化學成分，具體工藝參數如表2所示， 力學性能如表3所示。
[0055] 實施例1-6的鋼板和對比例I (對比例1為專利CN186548IA中實施例2)的鋼板 的制造方法為：將相應的冶煉原料依次按照如下步驟進行：冶煉一鑄造一復合一加熱一軋 制一乳后直接冷卻，或冶煉一鑄造一復合一加熱一乳制一淬火一回火。
[0056] 從表3中可知，本發(fā)明鋼板的布氏硬度：390?460HB，屈服強度：900?llOOMPa， 抗拉強度：1100?1400MPa，延伸率：11?15%，-40°C夏比V型縱向沖擊功：40?80J。由 此說明本發(fā)明的鋼板具有高強、高硬、高韌性等特點，綜合性能優(yōu)異，特別是優(yōu)于對比例1 的鋼板力學性能。
[0057] 圖1、2分別給出了實施例4鋼板基體組織、復合界面處組織的金相照片，可以看出 通過復合方式軋制及軋后直接冷卻后兩塊板坯結合良好，未出現不合、開裂等缺陷，可確保 鋼板力學性能和使用壽命。
[0058]

【權利要求】
1. 一種低合金高強高韌鋼板，其成分質量百分比為：c :0. 08?0.25% ;Si :0. 10? 1. 00 % ;Mn :0? 50 ?2. 00 % ;P :〈0? 020 % ;S :〈0? 010 % ;Cr :0? 10 ?2. 00 % ;Mo :0 ? 1. 00 % ;Ni :0 ?2. 00 % ;Nb :0? 010 ?0? 080 % ;V :彡 0? 10 % ;Ti :彡 0? 060 % ;B : 0? 0005 ?0? 0040 % ;A1 :0? 010 ?0? 080 % ;Ca :0? 010 ?0? 080 % ;N :彡 0? 0080 % : < 0. 0080% ;H 0. 0004% ;其余為Fe和不可避免的雜質；且上述元素同時需滿足如下關 系：0? 20 % 彡（Cr/5+Mn/6+50B)彡 0? 55 %，0? 02 % 彡（Mo/3+Ni/5+2Nb)彡 0? 45 %，0? 01 % 彡（Al+Ti)彡 0? 13%。
2. 根據權利要求1所述的低合金高強高韌鋼板，其特征在于，所述低合金高強高韌鋼 板的布氏硬度為390?460HB，屈服強度為900?1 lOOMPa，抗拉強度為1100?1400MPa，延 伸率為11?15%，-40°C夏比V型縱向沖擊功彡40J〇
3. 根據權利要求1或2所述的低合金高強高韌鋼板，其特征在于，所述低合金高強高韌 鋼板的微觀組織為馬氏體+殘余奧氏體或馬氏體+貝氏體+殘余奧氏體。
4. 一種低合金高強高韌鋼板的制造方法，包括如下步驟： 1) 冶煉、鑄造 按下述成分冶煉、鑄造成連鑄坯，低合金高強高韌鋼板的化學成分質量百分比為： C :0? 08 ?0? 25 % ;Si :0? 10 ?1. 00 % ;Mn :0? 50 ?2. 00 % ;P :〈0? 020 % ;S :〈0? 010 % ; Cr :0? 10 ?2. 00 % ;Mo :0 ?1. 00 % ;Ni :0 ?2. 00 % ;Nb :0? 010 ?0? 080 % ;V : 彡 0? 10 % ;Ti :彡 0? 060 % ;B :0? 0005 ?0? 0040 % ;A1 :0? 010 ?0? 080 % ;Ca :0? 010 ? 0.080 % 0.0080 % ;0:< 0.0080 % 0.0004 % ;其余為 Fe 和不可避免的雜 質；且上述元素同時需滿足如下關系：0.20%彡（Cr/5+Mn/6+50B)彡0.55%，0.02% ^ (Mo/3+Ni/5+2Nb) ^ 0. 45%,0. 01 (Al+Ti) ^0.13% ； 2) 復合采用機械法對連鑄坯的待復合面進行表面氧化鐵皮清理，再對連鑄坯待復合面 的四條邊進行坡口加工；疊合2層以上的連鑄坯，對連鑄坯貼合面進行四周焊接封閉，并抽 取真空，得到復合板坯； 3) 復合板坯加熱和軋制復合板坯加熱溫度為1000?1250°C，保溫1?5h ;對復合板 坯進行復合軋制，其中，開軋溫度為1000?1150°C，終軋溫度為780?980°C ; 4) 在線冷卻軋后直接水冷至室溫?450°C之間。
5. -種低合金高強高韌鋼板的制造方法，包括如下步驟： 1) 冶煉、鑄造 按下述成分冶煉、鑄造成連鑄坯，低合金高強高韌鋼板的化學成分質量百分比為： C :0? 08 ?0? 25 % ;Si :0? 10 ?1. 00 % ;Mn :0? 50 ?2. 00 % ;P :〈0? 020 % ;S :〈0? 010 % ; Cr :0? 10 ?2. 00 % ;Mo :0 ?1. 00 % ;Ni :0 ?2. 00 % ;Nb :0? 010 ?0? 080 % ;V : 彡 0? 10 % ;Ti :彡 0? 060 % ;B :0? 0005 ?0? 0040 % ;A1 :0? 010 ?0? 080 % ;Ca :0? 010 ? 0.080 % 0.0080 % ;0:< 0.0080 % 0.0004 % ;其余為 Fe 和不可避免的雜 質；且上述元素同時需滿足如下關系：0.20%彡（Cr/5+Mn/6+50B)彡0.55%，0.02% ^ (Mo/3+Ni/5+2Nb) ^ 0. 45%,0. 01 (Al+Ti) ^0.13% ； 2) 復合 采用機械法對連鑄坯的待復合面進行表面氧化鐵皮清理，再對連鑄坯待復合面的四條 邊進行坡口加工；疊合2層以上的連鑄坯，對連鑄坯貼合面進行四周焊接封閉，并抽取真 空，得到復合板坯； 3) 復合板坯加熱和軋制復合板坯加熱溫度為1000?1250°C，保溫1?5h ;對復合板 坯進行復合軋制，其中，開軋溫度為1000?1150°C，終軋溫度為780?980°C ; 4) 熱處理 軋后直接空冷至室溫，然后再離線淬火和回火熱處理，淬火溫度為850?950°C，鋼板 心部到溫后的保溫時間為10?90min ;回火溫度為100?450 C，鋼板心部到溫后的保溫時 間為30?120min。
6. 根據權利要求4或5所述的低合金高強高韌鋼板的制造方法，其特征在于，步驟（1) 中所述鑄造采用連鑄工藝，連鑄拉還速度< l.〇m/min。
7. 根據權利要求4-6任一項所述的低合金高強高韌鋼板的制造方法，其特征在于，所 述低合金高強高韌鋼板的布氏硬度為390?460HB，屈服強度為900?llOOMPa，抗拉強度 為1100?1400MPa，延伸率為11?15%，-40°C夏比V型縱向沖擊功彡40J。
8. 根據權利要求7所述的低合金高強高韌鋼板的制造方法，其特征在于，所述低合金 高強高韌鋼板的微觀組織為馬氏體+殘余奧氏體或馬氏體+貝氏體+殘余奧氏體。
【文檔編號】B22D11/00GK104480406SQ201410707715
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權日:2014年11月28日
【發(fā)明者】袁向前, 李紅斌, 焦四海, 姚連登 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司