一种5～60mm厚850MPa级高强度高韧性易焊接纳米钢及其制备方法

摘要

本发明公开一种5～60mm厚850MPa级高强度高韧性易焊接纳米钢及其制备方法，该纳米钢组成如下：按合金元素质量百分比计，C：0.02～0.08，Si：0.1～0.4，Mn：0.5～1.1，P≤0.01，S≤0.0015，Cu：1.0～1.5，Ni：2.5～4.0，Cr：0.2～0.8，Mo：0.3～0.6，Nb：0.02‑0.1，Ti：0.01～0.05，Al：0.005～0.05，余量为Fe及不可避免的杂质。该高强度高韧性易焊接钢制备方法包括下述步骤：熔炼和精炼‑连铸或模铸‑轧制‑热处理。本发明的高强度高韧性易焊接钢在超低碳含量的情况下通过调整纳米沉淀相形成元素的含量和热机械处理工艺，析出大量纳米沉淀相提高强度的同时，通过控制逆变奥氏体形态、分布和体积分数优化塑性和低温韧性，可以达到屈服强度≥850MPa，‑80℃夏比V缺口冲击功≥200J，延伸率≥15％，导磁性能与20#钢相当，具有高强度、高韧性、高塑性、易焊接、高洁净度和优异的导磁性能的特点。本发明的高强度高韧性易焊接钢可广泛用于舰船、海洋工程、工程机械、桥梁、输油管道、航空航天工程和磁屏蔽设备等关键结构。

权利要求

1.一种5～60mm厚850MPa级高强度高韧性易焊接纳米钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)熔炼和精炼：采用高炉铁水或者电炉冶炼的铁水，吹氧脱磷脱碳，铝脱氧，再转入钢包炉精炼，并同时加入合金材料，所述合金材料按元素质量百分比计，C：0.02～0.08，Si：

0.1～0.4，Mn：0.5～1.1，P≤0.01，S≤0.0015，Cu：1.0～1.5，Ni：2.5～4.0，Cr：0.2～0.8，Mo：0.3～0.6，Nb：0.02‑0.1，Ti：0.01～0.05，Al：0.005～0.05，余量为Fe及不可避免的杂质，调整成分至目标成分后再VD真空炉中进行脱氢脱氧；

(2)连铸或模铸：转炉熔炼采用连铸，电炉熔炼采用模铸的方式，铸坯堆垛缓冷24小时以上；

(3)轧制：将铸坯加热至1160～1200℃，保温2～6小时，轧前用高压水除净氧化铁皮，轧制过程中采用高压水除磷，连轧包括粗轧和精轧，粗轧温度控制在1000～1150℃；精轧开轧温度为950～1050℃，终轧温度高于900℃，轧制成5～60mm厚钢板；

(4)热处理：钢板经800℃～950℃进保温时间30～90分钟后，水冷淬火至室温；随后在

550～700℃回火50～120分钟，空冷至室温。

2.根据如权利要求1所述的方法制备的纳米钢，其特征在于，显微组织由超低碳板条马氏体组织和片状逆变奥氏体组成。

3.根据权利要求2所述的纳米钢，其特征在于，屈服强度≥850MPa，‑84℃夏比V缺口冲击功≥200J，延伸率≥15％。

说明书

一种5～60mm厚850MPa级高强度高韧性易焊接纳米钢及其制

备方法

技术领域

[0001] 本发明属于合金钢领域，具体涉及一种5～60mm厚850MPa级高强度高韧性易焊接钢及其制造方法，可用于舰船、海洋工程装备、管道、重型机械装备和磁屏蔽设备等领域。

背景技术

[0002] 随着制造业的快速发展，人们对于钢铁材料性能的需求越来越高。传统高强度钢的强化机制来自于其含碳量较高的马氏体或下贝氏体显微结构。为了确保较厚规格的钢板具有足够的淬透性，钢中需添加较高含量的C、Ni、Cr、Mo等合金元素。钢的强度级别要求越高，添加合金元素的含量越高，这必然会导致钢材其他性能的损失，如延展性、断裂韧性、焊接性和可加工性等。另外，随着强度的不断增大，钢的碳当量也大幅增加，这会显著增大材料的焊接难度，提高焊接加工成本。

[0003] 20世纪80年代初期，人们开始对高强度低合金钢进行了探索，在原有材料的基础上通过添加Cu和Ni等沉淀相形成元素，进一步提高了材料的淬透性及沉淀相数量，得到的沉淀强化的高强度低合金钢，Ni的添加通过降低晶界能促进了沉淀相的析出，在提高材料强度的同时，提高了材料的塑性和韧性，降低了材料热脆性。在之后的研究中，通过优化热机械处理及热加工工艺，其强度级别得到进一步提升。

[0004] 目前，国内外发表的利用含Cu沉淀相强化的低合金钢，强度级别大于800MPa的都很难保证较好的低温韧性。公开号为CN108004475B的专利文件中，公开了一种900MPa级热轧析出强化型高强高韧钢及其制造方法，其屈服强度大于800MPa，但碳含量较高大于0.1％不易焊接，且‑40℃冲击功不足100J。

[0005] 公开号为CN110229999A的专利文件中，公开了一种900MPa级析出强化高韧性钢板及其制备方法，通过富铜析出相强化得到的马氏体钢屈服强度大于900MPa。由于其镍元素含量不高，需要添加钒、硼以及较多的铬来提高淬透性，但其低温韧性在‑80℃仍然不足80J，本发明的一种5～60mm厚850MPa级高强度高韧性易焊接纳米钢可在更严苛的条件下服役。

[0006] 公开号为CN106636961A的专利文件中，公开了一种Cu析出相强化易焊接钢及制备方法，其仅进行了15mm以下钢的制备，对于15mm以上厚度钢板未作说明，本发明控制了铝元素在较低的水平，同时采用了二次精炼和轧后缓冷工艺，可以生产更大厚度的钢板。

[0007] 一般能够屏蔽诸如外磁场、地磁场等磁场的材料被称作磁屏蔽材料，这类材料除了强度和塑韧性以外，最重要的性能是磁屏蔽性能。这个性能主要用磁导率(μ)和矫顽力(Hc)确定。如果要保证磁屏蔽性能，就需要钢的杂质元素较低同时非金属夹杂量低。常用的高导磁材料主要有纯铁、硅钢片、坡莫合金板、非晶态合金板等，但是这些材料的强度都比较低，屈服强度普遍不超过400MP，而低温韧性也较差。非晶材料虽然强度较高，但是塑性和韧性非常差，同时非晶材料很难做成1mm以上厚度。相比于传统的磁屏蔽材料和高强度钢，本发明通过纳米相沉淀强化取代碳强化和合金强化，大大地降低碳含量，相比同强度等级钢，合金元素含量也大幅下降，获得了高强高韧，并且导磁性能优异的新型钢铁材料。

[0008] 公开号为CN113416901A和CN113403547A的专利文件中，公开了一种低温韧性优异的高磁感性能耐候软磁钢及其生产方法，其在磁场强度为300A/m、4000A/m和5000A/m下的磁感应特性分别在1.00T、1.65T和1.70T以上，但是屈服强度不足400MPa，冲击韧性也仅表征了‑30℃KV2。

[0009] 公开号为CN113403547A的专利文件中，公开了一种焊接性能优异的高洁净软磁钢及其生产方法，其在磁场强度为300A/m、4000A/m和5000A/m下的磁感应特性分别在0.89T、1.60T和1.69T以上，但是屈服强度不足380MPa，冲击韧性也仅表征了‑25℃KV2。

[0010] 综上所述，目前还没有一种能够同时满足高强度、高韧性、良好的焊接性能以及高导磁性能的钢铁材料，这对传统的组织设计思路和热处理工艺来说都是极大的挑战。

发明内容

[0011] 发明目的：本发明旨在提供一种5～60mm厚850MPa级高强度高韧性易焊接纳米钢及其制备方法，可满足对于钢板高强度、高韧性和良好的焊接性能的要求，通过固溶处理加时效处理两步热处理工艺，钢板的屈服强度≥850MPa，‑84℃的夏比V缺口冲击功≥200J，延伸率≥15％。导磁性能与20号钢相当。

[0012] 本发明的技术方案是：

[0013] 一种5～60mm厚850MPa级高强度高韧性易焊接纳米钢的制备方法，包括以下步骤：

[0014] (1)熔炼和精炼：采用高炉铁水或者电炉冶炼的铁水，吹氧脱磷脱碳，铝脱氧，再转入钢包炉精炼，并同时加入合金材料，所述合金材料按元素质量百分比计，C：0.02～0.08，Si：0.1～0.4，Mn：0.5～1.1，P≤0.01，S≤0.0015，Cu：1.0～1.5，Ni：2.5～4.0，Cr：0.2～0.8，Mo：0.3～0.6，Nb：0.02‑0.1，Ti：0.01～0.05，Al：0.005～0.05，余量为Fe及不可避免的杂质，调整成分至目标成分后再VD真空炉中进行脱氢脱氧；

[0015] (2)连铸或模铸：转炉熔炼采用连铸，电炉熔炼采用模铸的方式，铸坯堆垛缓冷24小时以上；

[0016] (3)轧制：将铸坯加热至1160～1200℃，保温2～6小时，轧前用高压水除净氧化铁皮，轧制过程中采用高压水除磷，连轧包括粗轧和精轧，粗轧温度控制在1000～1150℃；精轧开轧温度为950～1050℃，终轧温度高于900℃，轧制成5～60mm厚钢板；

[0017] (4)热处理：钢板经800℃～950℃进保温时间30～90分钟后，水冷淬火至室温；随后在550～700℃回火50～120分钟，空冷至室温。

[0018] 一种5～60mm厚850MPa级高强度高韧性易焊接纳米钢，显微组织由超低碳板条马氏体组织和片状逆变奥氏体组成。

[0019] 进一步的，所述纳米钢屈服强度≥850MPa，‑84℃夏比V缺口冲击功≥200J，延伸率≥15％。

[0020] 本发明相比现有技术具有以下有益效果：

[0021] 1、本发明的5～60mm厚850MPa级高强度高韧性易焊接钢通过使用具有层级结构的富铜纳米沉淀相强化代替传统的沉淀强化和碳强化，含碳量较低，焊接性能好；同时合金元素含量较低，成本较低。

[0022] 2、本发明5～60mm厚850MPa级高强度高韧性易焊接钢制备方法简单，工艺可控性强，容易实现工业化生产。

[0023] 3、本发明5～60mm厚850MPa级高强度高韧性易焊接钢屈服强度≥850MPa，‑84℃夏比V缺口冲击功≥200J，延伸率≥15％。具有优良的强韧性匹配、高塑性和易焊接等特点。

[0024] 4、本发明5～60mm厚850MPa级高强度高韧性易焊接钢在磁场强度为300A/m、4000A/m和5000A/m下的磁感应特性分别在0.32T、1.65T和1.61T以上，同时矫顽力低于
0.33kA/m。

附图说明

[0025] 图1实施例1的20mm厚钢板组织结构图；

[0026] 图2实施例2的25mm厚钢板组织结构图；

[0027] 图3实施例3的30mm厚钢板组织结构图；

[0028] 图4实施例1的工程应力应变曲线。

[0029] 图5实施例1与20钢的磁性能B‑H曲线对比图。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图和实施例对本发明申请作进一步的说明：

[0031] 本发明所述的一种5～60mm厚850MPa级高强度高韧性易焊接钢及其制备方法，该高强钢的组成如下：按质量百分比计，C：0.02～0.05，Si：0.1～0.3，Mn：0.5～1.0，P≤0.01，S≤0.0015，Cu：1.0～1.5，Ni：2.5～3.2，Cr：0.2～0.5，Mo：0.3～0.5，Nb：0.02‑0.1，Ti：0.01～0.05，Al：0.005～0.05，余量为Fe及不可避免的杂质。

[0032] 该850MPa级高强度高韧性易焊接钢的发明原理及成分设计依据如下：

[0033] 发明原理：本发明的5～60mm厚850MPa级高强度高韧性易焊接钢的显微组织为板条马氏体、富铜镍铝复合纳米析出相和逆变奥氏体。钢的高强度主要来自四个方面：一是富铜纳米相的沉淀强化，二是板条马氏体的细晶强化，三是位错强化，四是合金元素的固溶强化。沉淀强化主要来自合金中添加的铜、镍和锰元素在时效过程中析出，均匀分布在基体相中形成尺寸10纳米以下的复合纳米相，阻碍位错运动起到强化作用。细晶强化一是由于Nb等元素的化合物在再结晶粗轧阶段钉扎晶界，以及随后的非在结晶区精轧阶段进一步细化奥氏体晶粒尺寸，二是由于板条马氏体的有效晶粒尺寸为板条束尺寸，板条束的尺寸仅为原奥氏体尺寸的几分之一，因此细晶强化带来很大的强度贡献。位错强化主要来自于板条马氏体中的高密度位错。固溶强化来自添加的各种合金元素带来的强化。本发明通过纳米相沉淀强化取代碳强化和合金强化，大大地降低碳含量，相比同强度等级钢，合金元素含量也大幅下降，保证了良好的焊接性能。优异的导磁性能主要通过纳米相强化降低碳含量和合金元素含量，同时，通过精炼过程配合热机械处理过程降低并细化非金属杂质含量来获得。因此，本发明通过纳米相强化代替碳强化和合金化，并结合发明的精炼过程和热机械处理工艺过程，实现了在获得高强度、优异低温韧性的同时，也获得优异的焊接性能和良好的导磁性能。

[0034] 成分设计依据：

[0035] C：碳是固溶强化的元素，对于强度的提升具有重要的作用。传统钢铁材料主要通过碳的固溶强化来提升强度，但是过量的碳在回火的过程中会形成大块的脆性渗碳体严重影响韧性，高的碳含量的增加会对焊接性造成影响，同时碳还会显著降低导磁系数,增加矫顽磁力，对磁屏蔽性能不利。本发明通过使用纳米相强化代替了传统的的碳强化，所以碳含量控制在了0.02～0.05％。

[0036] Cu：铜是析出相的最主要的形成元素，可以通过形成纳米级沉淀相在不损失塑韧性的情况下提高强度，同时铜也有细化晶粒的效果。铜含量过低会影响强化效果，过高容易产生热脆，影响焊接和热加工。因此本发明的铜含量控制在1.0～1.5％。

[0037] Ni：镍是纳米析出相形成的主要元素之一，形成B2有序结构包裹在铜元素形成的沉淀相表面，能够增加沉淀相的热稳定性，同时镍能够强化基体，显著提高低温韧性，本发明的镍含量控制在2.5～3.2％。

[0038] Mn：锰是纳米沉淀相的主要组成元素之一，同时也可以细化晶粒，提高钢材的强度和低温韧性，但是含量过高容易造成铸坯偏析、组织应力大、焊接性能下降等，本发明的锰含量控制在0.5～1.0％。

[0039] Al：铝是炼钢过程中的一种强脱氧元素，同时可以起到细化晶粒的效果，但是当含量过高时会促进钢中碳的石墨化倾向，并且降低细化晶粒的效果，本发明的铝含量控制在了0.005～0.05％。

[0040] Cr：铬可以增加钢的耐腐蚀性，同时提高淬透性并提高钢的回火稳定性。本发明的铬含量控制在0.2～0.5％。

[0041] Si：硅可以提升钢的导磁性，降低矫顽力，但是会降低焊接性能，容易形成硅酸盐夹杂，同时过量的硅会显著降低钢的塑性和韧性。本发明的硅含量控制在了0.1～0.3％。

[0042] Mo：钼可以增加钢的淬透性，细化晶粒，也可以形成碳化物提高强度，同时对于纳米沉淀相的形核具有促进作用。本发明的钼含量控制在0.3～0.5％。

[0043] Nb：铌可以形成碳氮化物钉扎奥氏体晶界，阻止晶粒长大，同时也能起到沉淀强化的作用提高强度。本发明的铌含量控制在0.02～0.1％。

[0044] Ti：钛可以形成碳氮化物钉扎晶界，细化晶粒。本发明的铌含量控制在0.01～0.05％

[0045] 本发明所述的850MPa级高强度高韧性易焊接钢及其制备方法，包括如下步骤：

[0046] 转炉或电炉中冶炼成铁水→吹氧脱磷脱碳→LF钢包精炼→VD真空炉处理→连铸或模铸→铸坯加热→轧制→淬火→回火→探伤→性能检验；

[0047] 主要工序的具体操作如下：

[0048] 1)熔炼和精炼：采用高炉铁水或者电炉冶炼的铁水，吹氧脱磷脱碳，铝脱氧，再转入钢包炉精炼，并同时加入合金材料，调整成分至目标成分，然后再VD真空炉中进行脱氢脱氧；

[0049] 2)连铸或模铸：转炉熔炼采用连铸，电炉熔炼采用模铸的方式，铸坯堆垛缓冷24小时以上；

[0050] 3)轧制：将铸坯加热至1160～1200℃，保温2～6小时，轧前用高压水除净氧化铁皮，轧制过程中采用高压水除磷。

[0051] 连轧包括粗轧和精轧，粗轧温度控制在1000～1150℃；精轧开轧温度为950～1050℃，终轧温度高于900℃，轧制成5～60mm厚钢板。

[0052] 4)热处理：钢板经800℃～950℃进保温时间30～90分钟后，水冷淬火至室温；随后在550～700℃回火50～120分钟，空冷至室温。

[0053] 本发明各实施例的化学成分见表1(质量百分比)，余量为Fe及不可避免的杂质。

[0054] 表1

[0055]   C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo Nb Ti Als实施例1 0.042 0.25 0.85 0.007 0.0012 1.21 2.7 0.50 0.50 0.040 0.014 0.025实施例2 0.048 0.25 0.88 0.005 0.0007 1.28 3.1 0.55 0.49 0.038 0.013 0.034实施例3 0.052 0.32 0.95 0.005 0.0006 1.36 3.6 0.79 0.56 0.048 0.023 0.044[0056] 各实施例均采用电炉冶炼，吹氧脱磷脱碳，铝脱氧，再转入钢包炉精炼，进行深脱硫、升温、精炼处理并调整成分至目标成分，从钢包底部的透气砖向钢液中吹氩气进行搅拌保证成分均匀，之后在VD真空炉中进行脱气、除夹杂物等精炼处理，充分去除气体和夹杂物，保证钢水纯净度，最后浇注成钢坯，堆垛缓冷48小时；

[0057] 将铸坯加热至1160～1200℃，保温2～6小时，轧前用高压水除净氧化铁皮，轧制过程中采用高压水除磷。粗轧温度控制在1000～1150℃；精轧开轧温度为950～1050℃，终轧温度高于900℃，轧制成5～60mm厚钢板。

[0058] 钢板经800℃～950℃进保温时间30～90分钟后，水冷淬火至室温；随后在550～700℃回火50～120分钟，空冷至室温。

[0059] 表2为各实施例主要轧制工艺参数。

[0060] 表2

[0061]

[0062] 表3为热处理工艺参数。

[0063] 表3

[0064]

[0065] 热处理后的钢板，横向取样加工成拉伸、冲击试样，进行力学性能测试，结果见表4。

[0066] 表4

[0067]

[0068] 表5为本发明各实施例的夹杂物等级检验结果。

[0069] 表5

[0070]

[0071] 本发明试验钢板强度、冲击韧性、延伸率性能优异，富裕量较大，低温韧性和塑性优异。其在磁场强度为300A/m、4000A/m和5000A/m下的磁感应特性分别在1.61T和1.67T以上，同时矫顽力低于0.77kA/m。

[0072] 在夹杂物等级检测结果中显示，本发明各实施例钢板中A类和B类夹杂物均为0，C类夹杂物仅有少量宽度5μm以下的细系夹杂物，D类和DS类夹杂物也很少，对钢板的强度、低温韧性、延伸率和磁感性能均无影响。

[0073] 图1所示为实施例1中20mm厚钢板组织结构图，组织为板条马氏体。该组织不仅保证了钢具有较好的强韧性，还保证在了较好的延伸率。

[0074] 图4所示为实施例1中20mm厚钢板的拉伸曲线。

[0075] 图5为实施例1与20钢的磁性能B‑H曲线对比图。可以看出实施例1与20钢曲线几乎重合，磁性能非常接近。

[0076] 本发明用途广泛，可以应用于于舰船、海洋工程、航空航天工程以及磁屏蔽外壳等关键结构。

[0077] 本发明公开一种5～60mm厚850MPa级高强度高韧性易焊接纳米钢及其制备方法，该高强度高韧性易焊接钢组成如下：按合金元素质量百分比计，C：0.02～0.08，Si：0.1～0.4，Mn：0.5～1.1，P≤0.01，S≤0.0015，Cu：1.0～1.5，Ni：2.5～4.0，Cr：0.2～0.8，Mo：0.3～0.6，Nb：0.02‑0.1，Ti：0.01～0.05，Al：0.005～0.05，余量为Fe及不可避免的杂质。该高强度高韧性易焊接钢制备方法包括下述步骤：熔炼和精炼‑连铸或模铸‑轧制‑热处理。本发明的高强度高韧性易焊接钢在超低碳含量的情况下通过调整纳米沉淀相形成元素的含量和热机械处理工艺，析出大量纳米沉淀相提高强度的同时，通过控制逆变奥氏体形态、分布和体积分数优化塑性和低温韧性，可以达到屈服强度≥850MPa，‑80℃夏比V缺口冲击功≥
200J，延伸率≥15％，具有高强度、高韧性、高塑性、易焊接的特点。本发明的高强度高韧性易焊接钢可广泛用于舰船、海洋工程、工程机械、桥梁、输油管道、航空航天工程以及磁屏蔽外壳等关键结构。

[0078] 需要指出的是，以上例举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，而是根据需要有许多类似的变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到所有变形，均应属于本发明的保护范围。