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一种超低碳贝氏体钢及其生产方法

阅读：1056发布：2020-07-05

IPRDB可以提供一种超低碳贝氏体钢及其生产方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种超低碳贝氏体钢及其生产方法，其化学成分含量(Wt％)为：C0.01％～0.05％，Si 0.05％～0.5％，Mn 1.0％～2.2％，Nb0.015％～0.070％，Ti 0.005％～0.03％，B 0.0005％～0.005％，Al 0.015％～0.07％，Mo 0.0％～0.5％，Cu0.0％～1.8％，Ni0.0％～1.0％，Cr 0.0％～0.70％。其余为Fe及不可避免的杂质元素，采用合理的控轧控冷生产工艺，从而实现不同强度级别的超低碳贝氏体钢；该钢种韧脆转变温度在－80℃以下，冷弯成型性能优良，工艺简单、成本低，强度系列化。可以广泛应用于工程机械、采挖机械、重型汽车、管线、容器、舟桥、船舶、集装箱及海洋设施等领域。，下面是一种超低碳贝氏体钢及其生产方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种超低碳贝氏体钢，其特征在于：合金成分以Mn、Mo、Cu、Nb、Ti、B为主，以 Cr、Ni、Al为辅，其含量(Wt％)为：C0.01％～0.05％，Si 0.05％～0.5％，Mn1.0％～2.2％， Nb0.015％～0.070％，Ti 0.005％～0.03％，B 0.0005％～0.005％，Al 0.015％～0.07％，Mo 0.0％～ 0.5％，Cu0.0％～1.8％，Ni0.0％～1.0％，Cr 0.0％～0.70％。其余为Fe及不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的超低碳贝氏体钢，其特征在于屈服强度为420N/mm2时，其化学成分含量(Wt％)为：C0.01％～0.05％，Si 0.05％～0.5％，Mn1.0％～1.8％，Nb0.015％～0.07％， Ti 0.005％～0.03％，B 0.0005％～0.005％，Al 0.015％～0.07％。其余为Fe及不可避免的杂质元素。

3.根据权利要求2所述的超低碳贝氏体钢，其特征在于屈服强度为460N/mm2时，在化学成分中将Mn提高到1.2％～2.0％。

4.根据权利要求2和3所述的超低碳贝氏体钢，其特征在于屈服强度为500N/mm2时，在化学成分含量(Wt％)中添加Mo0.1％～0.5％。

5.根据权利要求2所述的超低碳贝氏体钢，其特征在于屈服强度为550N/mm2时，在化学成分含量(Wt％)Mn1.2％～2.0％，添加Cu0.1％～1.0％，Ni0.1％～0.6％，Mo0.1％～0.5％。

6.根据权利要求2所述的超低碳贝氏体钢，其特征在于屈服强度为620N/mm2时，在化学成分含量(Wt％)中Mn1.2％～2.2％，Cu0.2％～1.5％，Mo0.1％～0.5％，Ni0.1％～0.8％。

7.根据权利要求2所述的超低碳贝氏体钢，其特征在于屈服强度为690N/mm2时，在化学成分含量(Wt％)中，Mn1.2％～2.2％，Cu0.3％～1.8％，Mo0.1％～0.5％，Ni0.1％～1.0％， Cr 0.0％～0.70％。

8.一种超低碳贝氏体钢的生产方法，其特征在于钢在冶炼过程中采用真空处理，轧制时采用控制轧制和控制冷却工艺，钢的轧制按照再结晶和未再结晶两个阶段进行，再结晶阶段轧制温度大于1000℃，未再结晶阶段轧制温度上限控制在920℃～980℃，下限控制在 Ar3+(0℃～80℃)。

9.根据权利要求8所述的超低碳贝氏体钢的生产方法，其特征在于钢轧制后采用间歇冷却方式，终轧后可立即以1℃～25℃/S冷却速度冷却0S～10S，再进行空冷2S～30S，然后采用集中冷却方式以1℃～40℃/S冷却速度快速冷却至目标终冷温度Bs点以下0℃～150 ℃，最佳终止冷却温度为450℃～630℃。

10.根据权利要求8.所述的超低碳贝氏体钢的生产方法，其特征在于Cu元素含量超过0.4％以上时，需要进行回火处理，回火温度控制在480℃～650℃。

说明书全文

技术领域

本发明属于金属材料领域，特别涉及一种超低碳贝氏体钢及其生产方法。

背景技术

超低碳贝氏体钢是国际上近年来发展起来的高强度、高韧性、焊接性能优良的新钢系，被国际上称誉为21世纪钢种，它是现代冶金生产技术与物理冶金研究成果相结合的产物。早期开发的超低碳贝氏体钢中Cr、Ni元素含量较高，成本高，生产比较困难。例如，台湾中钢联申请的专利(TW258757，发明人JANG J等)“具有好的可焊性和抗腐蚀性的低锰系超低碳贝氏体钢(ULCB)的生产工艺”，应用Mo-Ni-Nb系获得超低碳贝氏体钢。其不足之处在于Mn含量低，Mo、Ni等合金元素加入量大，使钢的成本上升，且对促进全部组织的贝氏体转变效果不理想，因而钢的强度级别水平不高，没有形成系列化产品。
再如：美国Bcthlchcm Steel发表的关于超低碳贝氏体钢的研究论文中，有关超低碳贝氏体钢的化学成分的不足之处在于其贵重元素Cr、Mo的含量高(Cr2.23％，Mo2.35％)，致使钢的成本大大提高，而且过高的Cr、Mo将会导致回火裂纹，降低钢的韧性。在 C.I.Garcia的论文中关于屈服强度大于690N/mm2的超低碳贝氏体钢的化学成分，也存在类似的问题，其Mo元素最高达到3.05％，Ni元素最高达到3.63％。同样没有根据市场需求情况形成系列化产品。
二十世纪末，武汉钢铁集团公司申请了公开号为CN1218115A的一种“铜硼系低碳及超低碳贝氏体高强度钢”专利，认为生产中难以将碳含量控制在0.02～0.05％之间，故将碳含量提高到0.08％；严格意义上讲，该钢种不能认为是超低碳贝氏体钢范畴。同样没有根据市场需求情况形成系列化产品。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明从降低成本，满足市场需求的角度出发，提供了屈服强度为420N/mm2、460N/mm2、500N/mm2、550N/mm2、620N/mm2、690N/mm2六个强度级别的超低碳贝氏体钢。其特征在于，钢中C含量在0.05％以下，以成本低廉的Mn元素作为主要元素，将Mn、Mo、Cu、Nb、Ti、B等元素对贝氏体转变的作用充分联合应用，以Cr、Ni作为辅助元素，并与合理的控轧控冷生产工艺相结合，从而实现不同强度级别的超低碳贝氏体钢。其主要化学成分含量(Wt％)为：C 0.01％～0.05％、Si 0.05％～0.5％、Mn 1.0％～2.2％、 Nb 0.015％～0.070％、Ti 0.005％～0.03％、B 0.0005％～0.005％、、Mo 0.0％～0.5％、Cu 0.0％～1.8％、 Ni 0.0％～1.0％、Cr 0.0～0.7％、Al 0.015％～0.07％，其余为Fe及不可避免的杂质。
本发明选择的合金元素在系列超低碳贝氏体钢中的主要作用在于：
C：碳对钢的强度、韧性、焊接性能影响很大。C含量低于0.01％时不能形成足够的在控轧操作中起重要作用的NbC，难以获得高强度，也导致钢的韧性大大降低，而且焊接热影响区软化；碳高于0.05％时，在生成组织中贝氏体组织减少，使强度、延伸率和韧性下降。
Mn：锰是提高强度和韧性的有效元素，对贝氏体转变有较大的促进作用，在超低碳条件下效果更为显著，而且成本十分低廉，因此在本发明中把Mn元素作为主要合金元素。
B：硼元素是超低碳贝氏体钢中较为重要的成分，它能够提高钢的淬透性，特别是在超低碳钢中加入微量的硼，可有效地抑制奥氏体向铁素体、珠光体的转变。
Nb：铌是控轧控冷钢中的重要元素，它能够有效地延迟变形奥氏体的再结晶，阻止奥氏体晶粒长大，提高奥氏体再结晶温度，细化晶粒，同时改善强度和韧性，它与微量的硼元素复合作用，可以显著地提高淬透性，促进贝氏体转变。
Ti：加入微量的钛，是为了固定钢中的氮元素，从而确保硼元素的提高淬透性效果。在最佳状态下，钛、氮形成氮化钛，阻止钢坯在加热、轧制、焊接过程中晶粒的长大，改善母材和焊接热影响区的韧性。钛低于0.005％时，固氮效果差，超过0.03％时，固氮效果达到饱和，过剩的钛将会使钢的韧性恶化。
Si：硅是炼钢脱氧的必要元素，也具有一定的强化作用，当含量低于0.05％时，难于获得充分的脱氧效果；含量超过0.5％时，钢的清洁度下降，韧性降低，可焊性差。
Al：铝是脱氧元素，可作为AlN形成元素，有效地细化晶粒，其含量不足0.01％时，效果较小；超过0.07％时，脱氧作用达到饱和；再高则对母材及焊接热影响区韧性有害。
Mo：钼有助于轧制时奥氏体晶粒的细化和微细贝氏体的生成，当含量超过0.5％时，成本提高，可焊性降低。
Cu：作为合金元素，除了增加强度外，还有利于获得良好的低温韧性和耐蚀性。在屈服强度大于550N/mm2的超低碳贝氏体钢中加入Cu，可利用Cu-B的综合作用进一步提高钢的淬透性，促进贝氏体的形成。
Ni：在本发明中添加Ni元素的目的主要是阻止含Cu量高的钢坯在加热或热轧时产生裂纹的倾向，考虑经济性，在本发明中将Ni含量控制在1.0％以下。
Cr：根据强度级别和钢板厚度的不同，加入适量的Cr元素，以提高钢的强度，但是该元素也是贵重元素，从经济性和焊接性考虑，在本发明中将Cr含量控制在0.70％以下。
钢中的杂质元素的上限控制在P≤0.02％，S≤0.01％，N≤0.006％为宜。
在本发明中，可根据强度级别不同和钢板厚度不同，适当确定添加元素的种类及含量。强度级别与合金成分匹配为：
屈服强度大于420N/mm2级别采用化学成分范围(Wt％)为：C 0.01％～0.05％，Si 0.05％～ 0.5％，Mn 1.0％～1.8％，Nb 0.015％～0.07％，Ti 0.005％～0.03％，B 0.0005％～0.005％，Al0.015％～0.07％，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
屈服强度大于460N/mm2级别采用化学成分范围(Wt％)为：C 0.01％～0.05％，Si 0.05％～ 0.5％，Mn 1.2％～2.0％，Nb 0.015％～0.07％，Ti 0.005％～0.03％，B 0.0005％～0.005％，Al 0.015％～ 0.07％，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
屈服强度大于500N/mm2级别采用化学成分范围(Wt％)为：C 0.01％～0.05％，Si 0.05％～ 0.5％，Mn 1.2％～2.0％，Nb 0.015％～0.07％，Ti 0.005％～0.03％，B 0.0005％～0.005％，Al 0.015％～ 0.07％，Mo 0.1％～0.5％，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
屈服强度大于550N/mm2级别采用化学成分范围(Wt％)为：C 0.01％～0.05％，Si 0.05％～ 0.5％，Mn 1.2％～2.0％，Nb 0.015％～0.07％，Ti 0.005％～0.03％，B 0.0005％～0.005％，Al 0.015％～ 0.07％，Mo 0.1％～0.5％，Cu 0.1％～1.0％，Ni 0.1％～0.6％，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
屈服强度大于620N/mm2级别采用化学成分范围(Wt％)为：C 0.01％～0.05％，Si 0.05％～ 0.5％，Mn 1.2％～2.2％，Nb 0.015％～0.07％，Ti 0.005％～0.03％，B 0.0005％～0.005％，Al0.015％～0.07％，Mo 0.1％～0.5％，Cu 0.2％～1.5％，Ni 0.1％～0.8％，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
屈服强度大于690N/mm2级别采用化学成分范围(Wt％)为：C 0.01％～0.05％，Si 0.05％～ 0.5％，Mn 1.2％～2.2％，Nb 0.015％～0.070％，Ti 0.005％～0.03％，B 0.0005％～0.005％，Al0.015％～0.07％，Mo 0.1％～0.5％，Cu 0.3％～1.8％，Ni 0.1％～1.0％，Cr 0.0％～0.70％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。
实现本发明在生产工艺上采取以下技术措施：
在冶炼工艺方面，采用转炉冶炼，顶吹或顶底复合吹炼深脱碳；采用RH真空处理进一步脱碳，并进行微合金化；Ca处理，结合钢中S含量和出钢量，喂Si-Ca线。
在轧制工艺方面，采用控制轧制和控制冷却技术。轧前钢坯加热最高温度为1100℃～ 1220℃，以便能有相当量的Nb溶入奥氏体，有利于轧后冷却过程中贝氏体的形成。采用再结晶和未再结晶两阶段控轧，再结晶区轧制温度控制在≥1000℃；未再结晶区轧制温度控制在950℃～Ar3+(0℃～80℃)，积累变形量大于50％；轧后采用间歇冷却方式，终轧后可立即以1℃～25℃/S冷却速度冷却0S～10S，再进行空冷2S～30S，然后采用集中冷却方式以1℃～40℃/S冷却速度快速冷却至目标终冷温度Bs点以下0℃～150℃。根据上述各强度级别的化学成分，最佳终止冷却温度为450℃～630℃。当Cu元素含量超过0.4％时，需要进行回火处理，以使Cu沉淀析出生成ε-Cu，进一步提高强度和韧性。回火温度控制在 480℃～650℃。
本发明提供的屈服强度为420N/mm2、460N/mm2、500N/mm2、550N/mm2、620N/mm2、690N/mm2 六个强度级别的超低碳贝氏体钢，同现有技术相比具有如下优点：
本发明钢种强度高、低温韧性好，韧脆转变温度在-80℃以下，冷弯180°d＝0也不开裂，耐寒性强，综合性能稳定；
本发明钢种碳含量低，焊接性能优良，焊前不需要预热，焊后不需热处理，可简化焊接工艺；
本发明钢种贵重合金元素含量少，成本低廉；
本发明钢种生产工艺简单、稳定，可操作性强；具有一定规模的冶金企业都能实施；
本发明实现了超低碳贝氏体钢强度级别系列化，能够充分满足不同用户的需求，可广泛应用于工程机械、采挖机械、重型汽车、管线、容器、舟桥、船舶、集装箱及海洋设施等领域。

具体实施方式

按照本发明提供的配方及生产工艺，制造了屈服强度为420N/mm2、460N/mm2、500N/mm2、 550N/mm2、620N/mm2、690N/mm2六个级别的超低碳贝氏体钢，具体化学成分列入表1，实物性能检验结果列入表2。
表1、本发明实施例化学成分(Wt％) 实施例强度级别 C Si Mn P S Nb Ti B Als Mo Cu Ni Cr 1 420N/mm2 0.034 0.17 1.59 0.015 0.008 0.040 0.010 0.0008 0.025 2 460N/mm2 0.040 0.18 1.71 0.014 0.007 0.043 0.020 0.0016 0.021 3 500N/mm2 0.025 0.22 1.72 0.008 0.004 0.050 0.011 0.0012 0.029 0.18 4 550N/mm2 0.037 0.19 1.74 0.012 0.005 0.054 0.021 0.0017 0.040 0.21 0.26 0.23 5 620N/mm2 0.034 0.20 1.81 0.010 0.005 0.048 0.018 0.0013 0.038 0.23 0.57 0.34 6 690N/mm2 0.019 0.25 2.03 0.010 0.005 0.046 0.019 0.0012 0.031 0.27 0.70 0.32 0.31
表2、本发明实施例的实物性能实施例强度级别钢板厚度 Rel Rm A Akv，(J)(三个5×10×55试样平均值) 冷弯 mm N/mm2 N/mm2 ％ 0℃ -20℃ -40℃ -60℃ -80℃ 180° 1 420N/mm2 5 455 570 23 93 92 93 92 90 d＝0 2 460N/mm2 6 495 615 22 109 98 94 90 92 d＝0 3 500N/mm2 8 545 700 22 94 94 92 90 87 d＝0 4 550N/mm2 8 605 750 20 96 93 87 96 89 d＝0 5 620N/mm2 10 670 780 17 95 90 88 82 84 d＝0 6 690N/mm2 10 790 890 17 115 100 98 d＝0

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