CN104099515B - 一种钢材、由其形成的热处理钢材及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钢材、由其形成的热处理钢材及其制造方法。本发明的钢材，按质量百分比计含有如下组分原料：C：0.16～0.21％；Si：0.6～1.2％；Mn：1.9～2.3％；Mo：0.3～0.4％；Nb：0.03～0.12％；Al：0.015～0.035％；Ti：≤0.13％；P：≤0.012％；S：≤0.01％；余量为Fe和不可避免的元素。本发明的热处理钢材的制造方法，对所述的钢材进行热处理。本发明钢材的组成和结构合理，由其形成的热处理钢材综合性能优异，特别是具有良好的韧性。

Description

一种钢材、由其形成的热处理钢材及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢材，特别是涉及一种钢材、由其形成的热处理钢材及其制造方法。

背景技术

钢材是国家建设必不可少的重要物资，其应用广泛、品种繁多。按照国际标准，钢材可划分为非合金钢和合金钢两大类，而以含有合金元素的总量大小又可将合金钢划分为低合金钢、中合金钢和高合金钢。低合金钢(即低合金高强度钢)因具有较高的屈服强度，较好的冷热加工成型性、焊接性和抗腐蚀性以及较低的冷脆倾向、缺口和时效敏感性而成为钢铁工业中发展最迅速并且最富有活力的钢种。

国内的低合金高强度钢在发展中所存在的主要问题包括强度低、质量较差、产品组成及结构不合理等，早期主要是依靠C元素及合金元素的总量来提高钢材的强度。七十年代以来，世界范围内的低合金高强度钢进入了一个全新的发展时期，化学成分-工艺-组织-性能四位一体关系的提出，使钢材的组织和微观结构占据了主导地位。

目前，提高低合金高强度钢的强度的方法主要包括固溶强化、析出弥散强化、细晶强化等。固溶强化是通过融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，从而增大位错运动的阻力，使滑移难以进行，合金固溶体的强度与硬度得以增加，常用的合金元素包括Mn、Si、Al、Cr、Ni、Mo、Cu等；细晶强化是通过细化晶粒使金属材料力学性能提高，常用的合金元素包括Al、Nb、V、Ti、N等；而析出弥散强化通过在材料中析出弥散分布的硬质微粒，利用弥散的超细微粒阻碍位错运动，从而提高材料强度，常用的合金元素包括Nb、V、Ti等。

20SiMn2MoV是一种应用较为广泛的合金结构钢，其主要化学成分为(质量百分含量)：C：0.17～0.23％；Si：0.9～1.2％；Mn：2.2～2.6％；Mo：0.3～0.4％；V：0.05～0.12％；P：≤0.025％；S：≤0.025％；Cu：≤0.25％；Cr：≤0.3％；Ni：≤0.3％；余量为Fe和不可避免的元素。对20SiMn2MoV进行热处理的方法通常为：首先在900℃淬火后油冷，然后在200℃回火后空冷，热处理后所获得的组织为回火马氏体，其抗拉强度Rm≥1380Mpa，断后伸长率A≥10％，断后收缩率Z≥40％，冲击吸收功Aku2≥55J，该组织的强度和硬度虽然有所提高，但是综合性能欠佳，特别是冲击韧性较低。

发明内容

本发明提供一种钢材，用于解决现有技术中的低合金高强度钢质量较差、产品的组成和结构不合理等技术缺陷。

本发明还提供一种由该钢材形成的热处理钢材及其制造方法，用于解决现有技术中的热处理钢材的冲击韧性较低等技术缺陷。

本发明提供一种钢材，按质量百分比计含有如下组分原料：C：0.16～0.21％；Si：0.6～1.2％；Mn：1.9～2.3％；Mo：0.3～0.4％；Nb：0.03～0.12％；Al：0.015～0.035％；Ti：≤0.13％；P：≤0.012％；S：≤0.01％；余量为Fe和不可避免的元素。

进一步地，所述钢材按质量百分比计含有如下原料组分：C：0.17～0.21％；Si：0.8～1.2％；Mn：1.9～2.3％；Mo：0.3～0.4％；Nb：0.03～0.06％；Al：0.015～0.035％；Ti：≤0.13％；P：≤0.012％；S：≤0.01％；余量为Fe和不可避免的元素。

进一步地，所述钢材按质量百分比计含有如下原料组分：C：0.19％；Si：1.0％；Mn：2.1％；Mo：0.35％；Nb：0.05％；Al：0.025％；Ti：≤0.08％；P：≤0.008％；S：≤0.005％；余量为Fe和不可避免的元素。

本发明还提供一种热处理钢材的制造方法，对上述任一所述的钢材进行热处理。

进一步地，所述热处理包括依次进行的正火处理、淬火处理和回火处理。

进一步地，所述正火处理具体包括：将上述任一所述的钢材加热至920～940℃并保温2～3小时后冷却；所述淬火处理具体包括：将经所述正火处理的钢材加热至900～920℃并保温2～3.5小时(例如2～3小时)后冷却；所述回火处理具体包括：将经所述淬火处理的钢材加热至520～580℃并保温3.5～7.5小时(例如3.5～4.5小时)后冷却。

进一步地，所述正火处理的升温速度为80～120℃/小时，进一步为90～110℃/小时，例如100℃/小时；所述淬火处理的升温速度为80～120℃/小时，进一步为90～110℃/小时，例如100℃/小时；所述回火处理的升温速度为40～60℃/小时，进一步为50℃/小时。

进一步地，所述正火处理和所述回火处理的冷却介质为空气，所述淬火处理的冷却介质为水。并且，所述正火处理冷却至室温，所述淬火处理冷却至马氏体转变开始温度(Ms)左右或以上，所述回火处理冷却至室温。

本发明还提供一种热处理钢材，按照上述任一所述的制造方法制得。

本发明提供的钢材，产品组成和结构合理，其通过合金元素的位错强化、细晶粒强化和微合金的析出强化显著提高了钢材的强度及韧性；此外，本发明通过优化对钢材的热处理工艺，在保证钢材强度的同时还显著提高了其冲击韧性，所形成的热处理钢材具有良好的综合性能。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的钢材，按质量百分比计含有如下组分原料：C：0.16～0.21％；Si：0.6～1.2％；Mn：1.9～2.3％；Mo：0.3～0.4％；Nb：0.03～0.12％；Al：0.015～0.035％；Ti：≤0.13％；P：≤0.012％；S：≤0.01％；余量为Fe和不可避免的元素。

以下，将对本发明的钢材的组分原料进行详细说明，如无特别说明，“％”表示质量百分比。

C：0.16～0.21％

碳元素(C)的含量为0.21％以下时，钢材在经过高温奥氏体化及热变形后的冷却过程中，不再发生奥氏体向铁素体与渗碳体的两相分解，过冷的奥氏体将直接转变成各种形态的铁素体并留下少量富碳的残留奥氏体，从而使钢材具有良好的塑性与韧性；而必要的碳含量(0.16％以上)能与加入的微量合金元素(例如Nb、Ti)作用析出微合金碳化物，其在高温阶段抑制再结晶并且低温阶段起析出强化作用。C进一步可以为0.17～0.20％，例如0.19％。

Si：0.6～1.2％

0.6％以上的硅元素(Si)有利于提高钢材的抗冲击磨损性能、强化铁素体(每1％的Si能使铁素体屈服强度提高85MPa)、促进残余奥氏体的稳定化；硅元素还能起固溶强化作用以提高钢材的低温抗回火脆性并对碳化物的析出起阻碍作用，其还能够降低贝氏体的转变温度以及提高钢材的韧性；然而钢材的韧性会在Si含量过高时(＞1.2％)有所降低。Si进一步可以为0.85～1.15％，例如1％。

Mn：1.9～2.3％

锰元素(Mn)是强烈推迟珠光体转变的合金元素，一定的含量(1.9％以上)有利于提高钢材的淬透性并通过固溶强化作用提高钢材的强度，其可以替代部分金属Mo；但Mn含量过高(＞2.3％)会使钢材晶粒具有粗化的倾向。Mn进一步可以为2.0～2.2％，例如2.1％。

Mo：0.3～0.4％

0.3％以上的钼元素(Mo)能够推迟珠光体转变，然而对贝氏体转变的推迟作用较小，Mo的加入可满足钢材在高强度和高韧性上的要求，其加入量相对于传统的镍元素(Ni)低，并且效果更好；加入量在0.4％以下可以兼顾性能和成本。Mo进一步可以为0.32～0.38％，例如0.35％。

Nb：0.03～0.12％

铌元素(Nb)可以在钢材中析出极为细小弥散的碳化物，起到钉轧晶界的作用，从而细化晶粒、提高韧性，特别是在新发展的温度转变组织超细化控制工艺过程中，微量Nb是形成及强化有一定取向差的多边形胞状亚结构的必要条件，同时大颗粒的Nb析出物有利于贝氏体相变前形成晶内针状铁素体或粒状贝氏体。0.03％以上的Nb即可提高钢材的冲击韧性、降低钢材的脆性转变温度，并改善焊接性能，同时含有Nb和Mn时细化晶粒的效果更为明显；而Nb的含量过高则可能导致钢材淬透性的降低。Nb进一步可以为0.04～0.06％，例如0.05％。

Al：0.015～0.035％

铝元素(Al)作为炼钢时的脱氧定氮剂，在含量为0.015％以上时能细化晶粒，改善钢材在低温时的韧性以及降低钢材的脆性转变温度；然而过高的Al含量(＞0.035％)会降低钢材在高温下的强度和韧性。Al进一步可以为0.02～0.03％，例如0.025％。

Ti：≤0.13％

钛元素(Ti)是弥散相形成元素，适量添加可以提高钢材的均匀性；然而加入量过多(＞0.13％)时会导致弥散的第二相过多，从而造成钢材的断后伸长率下降。

P：≤0.012％

磷元素(P)为不可避免的杂质元素，其会使钢材的可塑性及韧性明显下降，特别是在低温下更为严重(冷脆性)，因此应当对其含量进行严格控制，以期达到极低的含量，可以容许的范围为≤0.012％，进一步地≤0.01％，更进一步地≤0.008％。

S：≤0.01％

硫元素(S)为不可避免的杂质元素，其会使钢材产生热脆性，从而降低钢材的延展性和韧性，其含量应当严格控制，容许的含量范围为≤0.01％，进一步地≤0.008％，更进一步地≤0.005％。

在本发明的钢材中，还包括其它不可避免的杂质元素，例如N、O、H，其含量应该控制在ppm级，例如N≤60ppm、O≤10ppm、H≤1.3ppm。

本发明的钢材可以采用常规方法进行制造，例如：电炉炼钢(出钢温度≥1580℃)+LF炉精炼+VD炉真空脱气→钢水浇注成钢锭→钢锭退火→钢锭加热(1200～1220℃保温6小时左右，升温速度≤80℃/小时)→钢锭轧制成材→钢材缓冷→钢材清理→钢材检查/检验→钢材包装。其中，可以采用常规方法在钢材的精炼工序中调整各化学成分，从而使制得的钢材中的各元素达到上述的含量范围。

本发明的钢材突破了传统高强低合金钢的成分设计思路，不再单纯依靠C及合金元素的总量提高钢的强度和性能，而是通过优化产品的组成和结构(贝氏体结构)，使钢材具有良好的力学性能和理化性能，可能是合金元素的位错强化、细晶粒强化和微合金的析出强化提高了钢材的强度及韧性。

进一步地，可以对上述钢材进行热处理，从而形成热处理钢材。所述热处理选自正火、退火、淬火、回火、固溶、时效、调质中的一种或多种，其工艺一般包括加热和冷却，可选地还包括保温，本领域技术人员可以根据实际需要进行常规选择。该热处理能够改变钢材内部的显微组织，从而赋予钢材良好的使用性能。

特别是，本发明提出一种热处理钢材的制造方法，其对上述钢材进行热处理。进一步地，所述热处理包括依次进行的正火处理、淬火处理和回火处理。

所述正火处理具体包括：将上述任一所述的钢材加热至920～940℃并保温2～3小时后冷却，具体可以在930℃保温2小时后冷却至室温；所述淬火处理具体包括：将经所述正火处理的钢材加热至900～920℃并保温2～3.5小时后冷却，具体可以在910℃保温2小时后冷却至马氏体转变开始温度(Ms)左右或以上；所述回火处理具体包括：将经所述淬火处理的钢材加热至520～580℃并保温3.5～7.5小时后冷却，具体可以在550℃保温3.5小时后冷却至室温。

进一步地，控制所述正火处理的升温速度为80～120℃/小时，所述淬火处理的升温速度为80～120℃/小时，所述回火处理的升温速度为40～60℃/小时。

经过上述热处理的热处理钢材，经显微观察组织中具有贝氏体结构，其具有优异的综合性能，特别是其抗拉强度、纵向冲击韧性、低温冲击韧性均有所提高。

实施例1

按照上述常规制造方法制备含有如下原料组分的钢材(按质量百分比计)：C：0.19％；Si：1.0％；Mn：2.1％；Mo：0.35％；Nb：0.05％；Al：0.025％；Ti：0.07％；P：0.006％；S：0.005％；余量为Fe和不可避免的元素。

采用热膨胀法检测该钢材的相变点，其中Ac1为737℃，Ac3为877℃，Ms为388℃，测定相变点有利于对热处理工艺的参数进行选择和优化。

对上述钢材进行热处理，具体包括如下顺序进行的步骤：

正火处理：以升温速度为100℃/小时左右将上述钢材加热至约930℃，于该温度下(约930℃)保温2小时左右后空冷至室温；

淬火处理：以升温速度为100℃/小时左右将经上述正火处理的钢材加热至约910℃，于该温度下(约910℃)保温2小时左右后水冷至500℃左右；

回火处理：以升温速度为50℃/小时左右将经上述淬火处理的钢材加热至约550℃，于该温度下(约550℃)保温3.5小时左右后空冷至室温，即形成热处理钢材。

经显微观察，该热处理钢材的组织中具有贝氏体结构；此外，采用本领域常规方法检测上述热处理钢材和20SiMn2MoV的综合性能，结果见表1。

实施例2

按照上述常规制造方法制备含有如下原料组分的钢材(按质量百分比计)：C：0.21％；Si：0.8％；Mn：1.9％；Mo：0.4％；Nb：0.06％；Al：0.015％；Ti：0.08％；P：0.008％；S：0.005％；余量为Fe和不可避免的元素。

对上述钢材进行热处理，具体包括如下顺序进行的步骤：

正火处理：以升温速度为90℃/小时左右将上述钢材加热至约920℃，于该温度下保温3小时左右后空冷至室温；

淬火处理：以升温速度为90℃/小时左右将经上述正火处理的钢材加热至约900℃，于该温度下保温3小时左右后水冷至450℃左右；

回火处理：以升温速度为60℃/小时左右将经上述淬火处理的钢材加热至约580℃，于该温度下保温5小时左右后空冷至室温，即形成热处理钢材，其组织中具有贝氏体结构，力学性能检测结果见表1。

实施例3

按照上述常规制造方法制备含有如下原料组分的钢材(按质量百分比计)：C：0.17％；Si：1.2％；Mn：2.3％；Mo：0.3％；Nb：0.03％；Al：0.035％；Ti：0.1％；P：0.01％；S：0.006％；余量为Fe和不可避免的元素。

对上述钢材进行热处理，具体包括如下顺序进行的步骤：

正火处理：以升温速度为110℃/小时左右将上述钢材加热至约940℃，于该温度下保温2.5小时左右后空冷至室温；

淬火处理：以升温速度为100℃/小时左右将经上述正火处理的钢材加热至约920℃，于该温度下保温2.5小时左右后水冷至400℃左右；

回火处理：以升温速度为40℃/小时左右将经上述淬火处理的钢材加热至约520℃，于该温度下保温4.5小时左右后空冷至室温，即形成热处理钢材，其组织中具有贝氏体结构，力学性能检测结果见表1。

实施例4

按照上述常规制造方法制备含有如下原料组分的钢材(按质量百分比计)：C：0.21％；Si：1.0％；Mn：2.1％；Mo：0.35％；Nb：0.12％；Al：0.025％；Ti：0.13％；P：0.012％；S：0.01％；余量为Fe和不可避免的元素。

对上述钢材进行热处理，具体包括如下顺序进行的步骤：

正火处理：以升温速度为80℃/小时左右将上述钢材加热至约930℃，于该温度下保温2.5小时左右后空冷至室温；

淬火处理：以升温速度为110℃/小时左右将经上述正火处理的钢材加热至约910℃，于该温度下保温2小时左右后水冷至500℃左右；

回火处理：以升温速度为50℃/小时左右将经上述淬火处理的钢材加热至约550℃，于该温度下保温7.5小时左右后空冷至室温，即形成热处理钢材，其组织中具有贝氏体结构，力学性能检测结果见表1。

表1 热处理钢材的力学性能检测结果

由表1结果可知：

本发明制造的热处理钢材的抗拉强度≥1450Mpa，纵向冲击韧性≥62J，低温冲击韧性≥40J；相对于传统的20SiMn2MoV，其抗拉强度提高了64Mpa以上，纵向冲击韧性提高了7J以上，低温冲击韧性提高了13J以上，该热处理钢材的综合性能优异，可广泛应用于海洋石油、交通等领域。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种钢材，其特征在于，按质量百分比计含有如下组分原料：C：0.19％；Si：1.0％；Mn：2.1％；Mo：0.35％；Nb：0.05％；Al：0.025％；Ti：≤0.08％；P：≤0.008％；S：≤0.005％；余量为Fe和不可避免的元素。

2.一种热处理钢材的制造方法，其特征在于，对权利要求1所述的钢材进行热处理，所述热处理包括依次进行的正火处理、淬火处理和回火处理；

其中，所述正火处理具体包括：将权利要求1所述的钢材以80～120℃/小时的升温速度，加热至920～940℃并保温2～3小时后冷却，冷却介质为空气；

所述淬火处理具体包括：将经所述正火处理的钢材以80～120℃/小时的升温速度，加热至900～920℃并保温2～3.5小时后冷却，冷却介质为水；

所述回火处理具体包括：将经所述淬火处理的钢材以40～60℃/小时的升温速度，加热至520～580℃并保温3.5～7.5小时后冷却，冷却介质为空气。

3.一种热处理钢材，其特征在于，按照权利要求2所述的制造方法制得。