一種屈服強度900～1000MPa級高強鋼及其生產方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種屈服強度900?IOOOMPa級高強鋼及其生產方法，獲得的高強 鋼，其屈服強度為900?1080MPa，抗拉強度為950?1200MPa，延伸率>10%，-40°C沖擊功 >40J，顯微組織為回火馬氏體。
【背景技術】
[0002] 采用高強度易焊接結構鋼制造工程機械的梁結構、起重機的吊臂和自卸車的車體 等移動設備的構件，都會減輕設備自重，減少燃料消耗，提高工作效率。隨著國際競爭的加 劇，采用高強度易焊接結構鋼制造港口機械、礦山機械、挖掘機、裝載機的梁結構、起重機的 吊臂和自卸車的車體等移動設備的構件已經成為趨勢。由于工程機械高性能、大型化、輕量 化的發(fā)展要求，工程機械用鋼的強度級別不斷攀升，從500?600MPa級快速上升到700MPa、 900MPa、IOOOMPa乃至llOOMPa。工程機械用超高強鋼由于其苛刻的使用環(huán)境和受力條件， 對鋼材質量有嚴格的要求，包括強度性能、沖擊性能、折彎性能、焊接性能和板形等。
[0003] 目前國內生產屈服900?IOOOMPa級別的高強度鋼板的企業(yè)很少，中國專利 CN102560274A介紹了一種屈服IOOOMPa級別高強度厚鋼板的生產方法，采用的是再加熱 淬火+回火工藝，對鋼板開平設備要求極高。中國專利CN102134680A介紹了一種屈服強 度960MPa級高強鋼的生產方法，采用較低的碳含量設計和較高的Cr含量，C :0. 07 %? 0.09%，Cr :1. 05?1. 15%，該專利不含Nb、Ti、V微合金元素，Cr含量較高，不利于焊接。 中國專利CN101397640A介紹了一種屈服960Mpa級別高強鋼板的生產方法，采用較高的Mo 含量設計和較高的回火溫度，Mo含量0. 45?0. 57%，回火溫度550?600°C。
[0004] 現有技術中的成分設計沒有控制接頭塑韌性綜合性能，也沒有考慮通過控制夾雜 物及組織性能遺傳性改善成品鋼板的強度和韌性。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種屈服強度900?IOOOMPa級高強度鋼及其生產方 法，該高強度鋼的顯微組織為回火馬氏體，屈服強度為900?1080MPa，抗拉強度為950? 1200MPa，延伸率 >10%，-40°C沖擊功 >40J。
[0006] 為了達到上述目的，本發(fā)明提供的技術方案是：
[0007] -種屈服強度900?IOOOMPa級高強鋼，其化學成分重量百分比為：C:0. 07? 0. 15%，Si :0. 10 ?0. 30%，Mn :0. 80 ?1. 60%，Cr :0. 20 ?0. 70%，Mo :0. 10 ?0. 45%， Ni :0. 10 ?0. 50 %，Nb :0. 010 ?0. 030 %，Ti :0. 010 ?0. 030 %，V :0. 010 ?0. 050 %， B :0. 0005 ?0. 0030 %，Al :0. 02 ?0. 06 %，Ca :0. 001 ?0. 004 %，N: 0. 002 ?0. 005 %， P彡0. 020%，S彡0. 010%，0彡0. 008%，其余為Fe及不可避免的雜質；上述元素必須同 時滿足如下關系式：Ceq 0· 42 ?0· 52%，Ceq = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 ;0· 8% ^ Mo+0. 8Ni+0. 4Cr+6V ^ I. 3% ；3. 7 ^ Ti/N ^ 7. 0 ；1. 0 ^ Ca/S ^ 3. 0〇
[0008] 進一步，所述的屈服強度900?IOOOMPa級高強鋼的屈服強度為900?1080MPa， 抗拉強度為950?1200MPa，延伸率>10%，-40°C沖擊功>40J，顯微組織為回火馬氏體。 [0009] 在本發(fā)明的成分設計中：
[0010] 碳：固溶強化，調整馬氏體組織的強度和塑韌性，本發(fā)明低碳馬氏體的在線淬火態(tài) 抗拉強度與C含量的關系呈如下關系：Rm = 2940C(% )+820 (MPa)，Rm為在線淬火態(tài)抗拉強 度，C含量在0.07%以上才可以保證淬火態(tài)抗拉強度大于lOOOMPa，再通過回火進一步調整 強度，改善韌性；C含量較高會導致整體碳當量的提高，焊接時容易產生裂紋，本發(fā)明的C含 量范圍為0. 07?0. 15%。
[0011] 硅：Si含量為0. 10%以上時可以起到較好的脫氧作用，Si含量超過0. 30%容易 產生紅鐵皮，Si含量較高時容易惡化馬氏體高強鋼的韌性，本發(fā)明的硅含量范圍為0. 10? 0· 30%。
[0012] 錳：Mn元素為0.8%以上可以提高鋼的淬透性，Mn含量超過1.6%容易產生偏析和 MnS等夾雜物，惡化馬氏體高強鋼的韌性，本發(fā)明的Mn含量范圍為0. 80?1. 60%。
[0013] 鉻：Cr元素在0.2%以上可以提高鋼的淬透性，有利于在淬火時形成全馬氏體組 織，Cr在400?500°C左右回火溫度范圍內會形成Cr的碳化物，具有抗中溫回火軟化的作 用，Cr含量超過0.70%在焊接時會出現較大的火花，影響焊接質量，本發(fā)明的Cr含量范圍 為 0· 20 ?0· 70%。
[0014] 鑰：0. 10%以上的Mo元素具有提高鋼的淬透性，有利于在淬火時形成全馬氏體組 織；Mo在400°C以上的高溫下會與C反應形成化合物顆粒，具有抗高溫回火軟化和焊接接頭 軟化的作用，Mo含量太高會導致碳當量提高，惡化焊接性能，同時Mo屬于貴金屬，會提高成 本，本發(fā)明的Mo含量范圍為0. 10?0. 45%。
[0015] 鎳：0. 10%以上的Ni元素具有細化馬氏體組織，改善鋼的低溫沖擊韌性的作用， Ni含量太高會導致碳當量提高，惡化焊接性能，同時Ni屬于貴金屬，會提高成本，本發(fā)明的 Ni含量范圍為0. 10?0. 50%。
[0016] 鈮、鈦和釩：Nb、Ti和V為微合金元素，與C、N等元素形成納米級析出物，在加熱時 抑制奧氏體晶粒的長大；Nb可以提高未再結晶臨界溫度Tnr，擴大生產窗口；Ti的細小析出 物顆?？梢愿纳坪附有阅?；V在回火過程中與N和C反應析出納米級V(C，N)顆粒，可以提 高鋼的強度；本發(fā)明的鈮含量范圍為〇. 010?〇. 030%，鈦含量范圍為0. 010?0. 030%，釩 含量范圍為〇· 010?〇· 050%。
[0017] 硼：微量的B可以提高鋼的淬透性，提高鋼的強度，超過0. 0030 %的B容易產 生偏析，形成碳硼化合物，嚴重惡化鋼的韌性，因此，本發(fā)明的硼含量范圍為0.0005? 0· 0030%。
[0018] 鋁：Al用作脫氧劑，鋼中加入0.02%以上的Al可細化晶粒，提高沖擊韌性，Al含 量超過0. 06 %容易產生Al的氧化物夾雜缺陷，本發(fā)明的Al含量范圍為0. 02?0. 06%。
[0019] 鈣：超過0. 001 %的微量Ca元素可以在鋼冶煉過程中的起到凈化劑d的作用，改 善鋼的韌性；Ca含量超過0. 004%容易形成尺寸較大的Ca的化合物，反而會惡化韌性，本發(fā) 明Ca含量范圍為0. 001?0. 004%。
[0020] 氮：本發(fā)明要求嚴格控制N元素的范圍，0. 002 %以上的N元素在回火過程中可以 與V和C反應形成納米級的V(C，N)粒子，起到析出強化的作用，在焊接過程中也可以通過 析出強化抵抗熱影響區(qū)軟化；N含量超過0. 005%容易導致形成粗大的析出物顆粒，惡化韌 性。本發(fā)明N含量范圍為0.002?0.005%。
[0021] 磷、硫和氧：P、S和0作為雜質元素影響鋼的塑、韌性，本發(fā)明控制其范圍分別為 P 彡 0· 020%，S 彡 0· 010%，0 彡 0· 008%。
[0022] 本發(fā)明在線淬火型屈服強度為900?IOOOMPa級的高強鋼，碳當量Ceq需滿足： Ceq 0· 42 ?0· 52%，Ceq = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/150, Ceq 太低容易出現焊接接 頭軟化，Ceq太高容易出現焊接微裂紋。
[0023] 本發(fā)明通過控制0. 8 %彡Mo+0. 8Ni+0. 4Cr+6V彡1. 3 %，主要用于保證900? IOOOMPa高強鋼的等強匹配焊接，調節(jié)焊接熱影響區(qū)的強度和低溫韌性，達到與母材鋼板強 度和低溫韌性的最佳匹配。其中Mo、Ni和Cr元素都可以降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的 淬透性，提高焊接接頭的強度；Mo在高溫下與C反應形成化合物，具有抵抗焊接接頭軟化的 作用；Mo和Ni元素都具有細化組織，改善韌性的作用；V與N反應生成納米級V (C，N)顆粒 可以抵抗接頭軟化；Mo、Ni、Cr和V元素的搭配可以根據母材強度調節(jié)焊接熱影響區(qū)的強度 和韌性，低于0.8%焊接接頭的強度和低溫韌性都較低；高于1.3%焊接接頭強度偏高，容 易產生焊接裂紋。
[0024] 通過控制3. 7彡Ti/N彡7. 0可以保護鋼中的B原子，使得B充分固溶，提高淬透 性。
[0025] 通過控制I. 0彡Ca/S彡3. 0可以使鋼種的硫化物球化，改善鋼的低溫韌性和焊接 性能。
[0026] 本發(fā)明的屈服強度900?IOOOMPa級高強鋼的生產方法，包括如下步驟：
[0027] 1)冶煉、鑄造
[0028] 按下述化學成分采用轉爐或電爐煉鋼，精煉，鑄造形成鑄坯；化學成分重量百分比 為：C :0· 07 ?0· 15 %，Si :0· 10 ?0· 30 %，Mn :0· 80 ?1. 60 %，Cr :0· 20 ?0· 70 %，Mo : 0· 10 ?0· 45%，Ni :0· 10 ?0· 50%，Nb :0 ?0· 030%，Ti: :0· 010 ?0· 030%，V :0· 010 ? 0. 050 %，B :0. 0005 ?0. 0030 %，Al :0. 02 ?0. 06 %，Ca :0. 001 ?0. 004 %，N :0. 002 ? 0· 005%，P < 0· 020%，S < 0· 010%，0 < 0· 008%，其余為Fe及不可避免的雜質；上述元 素必須同時滿足如下關系式：
[0029] Ceq 0· 42 ?0· 52 %，Ceq = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 ;0· 8 % ^ Mo+0. 8Ni+0. 4Cr+6V ^ I. 3% ；3. 7 ^ Ti/N ^ 7. 0 ；I. 0 ^ Ca/S ^ 3. 0 ；
[0030] 2)加熱
[0031] 將鑄坯加熱至1150?1270°C，待鑄坯心部溫度達到爐溫后開始保溫，保溫時間 >1. 5h ；
[0032] 3)軋制
[0033] 采用單機架往復軋制或多機架熱連軋將鑄坯軋至目標厚度，乳制最后一道次 軋制壓下率>15% ;終軋溫度為820?920°C，同時終軋溫度Tf滿足：Ar3〈Tf〈Tnr ;其 中，Ar3為亞共析鋼奧氏體向鐵素體轉變開始溫度；Tnr為未再結晶臨界溫度；Ar3 = 901-325C-92Mn-126Cr-67Ni-149Mo ；Tnr = 887+464C+(6445Nb-644sqrt(Nb))+(732V-230s qrt(V))+890Ti+363Al-357Si ；
[0034] 4)在線淬火
[0035] 將步驟3)得到的軋件在線進行層流冷卻，淬火至終冷溫度，終冷溫度為 (Ms-150) °C以下，形成全馬氏體組織的鋼板；其中，Ms為馬氏體轉變開始溫度，Ms = 539-423C-30. 4Μη-17· 7Ni-12. ICr-IL OSi-7. OMo ;冷卻速度為 V>e(5.mm。.82