CN108707822A

CN108707822A - 一种疲劳应力幅值≥400MPa的高强钢及生产方法

Info

Publication number: CN108707822A
Application number: CN201810541993.1A
Authority: CN
Inventors: 王世森; 杜明; 徐进桥; 汪荣; 李德发; 熊飞; 何亚元; 尹云洋
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2018-10-26
Anticipated expiration: 2038-05-30
Also published as: CN108707822B

Abstract

一种疲劳应力幅值≥400MPa的高强钢，其组分及wt%为：C：0.12~0.18%，Si：0.10~0.40%，Mn：1.20~1.60%%，P+S≤0.015%，Cr：0.10~0.45%，Mo：0.42~0.75%，Ni：0.05~0.20%，Nb+Ti+V+B：0.045~0.100%。生产步骤：按洁净钢冶炼后连铸成坯并热轧至成品厚度；淬火；回火；自然冷却至室温。本发明在屈服强度为900~1000MPa、抗拉强度≥1000MPa、延伸率A≥15%下，通过微合金控制组织更为细化，使得本发明产品的疲劳应力极限大于400MPa，比目前设计要求的380 MPa要高出至少20 MPa。经常规疲劳试验，未产生断裂现象，为现有构件疲劳寿命设计打开了新的窗口。

Description

一种疲劳应力幅值≥400MPa的高强钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种工程机械用钢板及生产方法，具体属于一种疲劳应力幅值≥400MPa的高强钢及生产方法，其适用的钢板厚度在16~50mm的热轧钢。

背景技术

工程机械行业是机械工业的重要组成部分，高强度结构钢在工程机械制造中占有重要地位。近年来，由于工程机械行业发展迅速，对高强度结构钢材料需求旺盛，并且不断对此类材料的综合性能提出更高要求。目前，屈服强度960MPa级高强度结构钢受到国内工程机械行业的青睐，它在工程机械行业应用能有效地减轻设备重量并降低能耗，因此该钢种的需求量增加趋势明显，是目前各钢铁企业家大力开发的品种之一。保守估计，我国用在泵车吊臂和起重机上的高级别高强度结构钢年消耗量可达50万吨，市场潜力巨大。近年来，TMCP技术已经广泛应用于低合金高强钢的生产过程中，但是对于强度级别更高、性能稳定性与均匀性要求更高的高强度结构钢而言，传统的调质热处理(淬火+高温回火)生产工艺仍是无可替代的。

工程机械用钢往往承受往复循环载荷的作用，往往易发生疲劳断裂破坏，因此，其耐疲劳性能是工程机械轻量化进程中最重要的考察指标之一。据统计，约有80%以上零部件失效是由疲劳引起的，其中大多数是突然断裂，造成的损失往往比较严重。因此，研究高强度工程机械用钢的疲劳强度，对提高金属机械产品的使用寿命有着十分重要的意义。

在现有技术中，工程机械用钢板都是在标准范围内进行生产，所采用的标准有美标、欧标及国家标准。其中都是规定了化学元素的上限含量，采用热轧后调质工艺或淬火+回火工艺进行生产。其性能指标仅限于满足屈服强度、抗拉强度、延伸率和冲击功指标。在实际应用中的疲劳寿命限制则无要求。从目前的情况，许多大型构件的疲劳设计门槛由于材料的原因基本在380MPa以下。

经检索的：

中国专利公开号为CN 106148822 A的文献，其公开了一种在线淬火生产高强钢Q890中厚板的方法，包括轧制：加热炉加热温度1180±30℃，总加热时间1.0 1.2小时；采用二阶段轧制，粗轧除鳞2道次，精轧除鳞2道次，粗轧开轧温度1050℃ 1150℃，中间坯厚度≥80mm，二阶段开轧温度≤860℃，终轧温度≤830℃；冷却：采用水冷在线淬火，入水温度780±10℃，返红温度≤250℃，冷却速度＞15℃/s；热处理：回火温度500±10℃，升温速率1.8±0.2min /mm，保温时间20~30min，然后空冷至室温，得到板条马氏体加板条贝氏体的双相组织，在线淬火缩短了工艺流程，降低了成本。其化学成分质量百分比为C：0.05-0.12%，Si0.1-0.4%，Mn1.20-1.80%，P:≤0.015%，S：≤0.0020%，Cr：0.10-0.60%，Mo：0.10-0.40，Ni：0.20-0.40%，V：0.020-0.060%，Nb：0.020-0.050%，Ti：0.010-0.035%，其余为Fe和残留元素。其成分设计和在线淬火工艺均与本发明存在很大的差异，其成分范围和淬火工艺温度均不在本发明范围之内。未提出疲劳性能指标。

中国专利公开号为CN 107675096 A的文献，其公开了一种超高强工程机械用钢Q800C及其生产方法，钢板化学成分组成及质量百分含量为：C：0.13～0.16%，Mn：1.40～1.50%，Nb：0.02～0.04%，V：0.09～0.11%，Ti：0.015～0.025%，Cr：0.45～0.55%，Mo：0.45～0.55%，B：0.0008～0.003%，Als≥0.03，余量为Fe和不可避免的杂质；生产方法包括转炉冶炼、精炼、连铸、加热、轧制、淬火+冷却、回火热处理工序。本发明采用LF+RH工艺保证钢质洁净度，采用TMCP+DQ在线淬火+ACC冷却+回火处理细化晶粒，钢板力学性能和内部质量满足GB/T 16270 2009要求。与本发明比较差异有两点：强度指标较本发明低100MPa；也未有疲劳性能指标。

本发明基于高强度钢在实际使用环境下承受的疲劳应力进行制造，提出疲劳应力幅值≥400MPa指标，意在钢板在受到不高于此应力值的使用环境中不发生疲劳失效。本发明中的钢板可以在受力疲劳提供安全性。

发明内容

本发明在于解决现有技术中存在的高强钢在10⁷循环疲劳条件下的应力问题，提供一种在保证屈服强度在900~1000MPa、抗拉强度≥1000MPa、延伸率A≥15%下，并疲劳应力幅值≥400MPa的高强钢及生产方法。

实现上述目的的措施：

一种疲劳应力幅值≥400MPa的高强钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.12~0.18%，Si：0.10~0.40%，Mn：1.20~1.60%%，P+S≤0.015%，Cr：0.10~0.45%，Mo：0.42~0.75%，Ni：0.05~0.20%，Nb+Ti+V+B：0.045~0.100%，余量为Fe及不可避免杂质；其力学性能为：屈服强度在900~1000MPa、抗拉强度≥1000MPa、延伸率A≥15%，疲劳应力幅值≥400MPa；金相组织为全马氏体。

优选地：Cr的重量百分比含量在0.12~0.38%。

优选地：Ni的重量百分比含量在0.07~0.15%。

优选地：Nb+Ti+V+B之和的重量百分比含量0.045~0.092%；Nb+Ti+V+B添加比例按照1:1:2:0.1的比例进行。

生产一种疲劳应力幅值≥400MPa的高强钢的方法，其步骤：

1）按照洁净钢常规进行冶炼后连铸成坯并热轧至成品厚度，其中在冶炼阶段，要严格控制P+S≤0.015%；

2）进行在线淬火，淬火温度在850~920℃，在冷却速率为20~25℃/s下将钢板冷却至Ms点以下；

3）进行回火，回火温度在380~420℃，在此温度下保温125~200min；

4）自然冷却至室温。

优选地：淬火温度在863~905℃。

优选地：回火温度在385~410℃，在此温度下保温125~175min。

本发明中各元素及主要工艺的作用及机理：

C：固溶强化元素，为马氏体组织的获得提供最基本的必要元素，也是强度的保障性元素。Si：固溶强化元素，提高铁素体的形成率，减少大角度晶粒形成，减少内部晶粒摩擦力缓解应力集中，提高疲劳抗性。

Mn：固溶强化元素，通过扩大奥氏体区，增加其他固溶元素在奥氏体中的含量。同时与S结合，降低S热脆性影响。在有效增加强度的同时，减少内部裂纹源的形成。提高疲劳寿命。

Nb+Ti+V+B：微合金化元素，通过Nb、V析出强化增加钢的强度，同时其第二相弥散强化的效果有利于抵抗疲劳过程中的位错滑移，增加疲劳抗性。Ti、B联合作用促进马氏体形成，实现高强度。本发明按照1:1:2:0.1的比例添加微合金化元素，考虑不出现大颗粒析出相影响整体性能的前提下，故控制Nb+Ti+V+B总含量在0.045~0.10%，优选地Nb+Ti+V+B之和的重量百分比含量在0.045~0.092%。

P+S：P、S元素在本发明中是以有害元素存在，P在钢中偏聚造成本发明钢板微区形成微裂纹源，在疲劳时发生失效影响疲劳寿命；S存在形成MnS的夹杂，在本发明中也是受力发生失效的源头。因此本发明严格控制P、S含量。

Cr：固溶强化元素，增加淬透性，保证强度。

Mo：固溶强化元素，在本发明中在马氏体内部固溶，增加回火稳定性。同时，由于其熔点高，不易发生晶内向晶界的扩散，在受疲劳应力时保证蠕变性能，提高疲劳寿命。

Ni：固溶强化元素，为最稳定的扩大奥氏体区元素。有Cr、Mo元素的叠加作用效果。通过对最终结晶区的均匀化效果，保证钢板厚度截面性能一致，稳定有效提高疲劳性能。根据科学计算，若Ni低于0.05%添加，则其溶于奥氏体内的量非常有限，稳定奥氏体的的作用不明显，且钢板的厚度方向性能的一致性不能保证，从而影响整体疲劳性能。若其添加量高于0.20%，则造成强度的变化，无法保证钢板的基本力学性能。故本发明中确定其含量0.05~0.20%，优选地 Ni的重量百分比含量在0.07~0.15%。

本发明之所以控制在线淬火温度在850~920℃，且在冷却速率为20~25℃/s下将钢板冷却至Ms点以下，是由于在此温度区间内进行淬火，有利于提高固溶强化效果，获得本发明钢所需要的超高强度，但若低于所限定的850℃，会降低固溶强化的效果，同时也会发生相转变，造成强度达不到本发明的要求；若高于所限定的920℃，钢板的温差巨大，对冷却设备的要求提高，目前的设备能力无法满足工业化生产。在大于冷却速度20℃/s的条件下，钢板可以获得全马氏体的组织。但若冷却速度低于20℃/s，则会在钢板中出现不利于强度的贝氏体甚至珠光体，若冷却速度高于25℃/s，则会发生钢板剧烈冷却出现不可控的变形，甚至会出现应力过大产生开裂。

本发明之所以控制回火温度在380~420℃，并在此温度下保温125~200min，是由于本发明在此回火温度区间，钢板还在马氏体转变区范围内。金相组织未出现本质的变化，还是以马氏体的形貌存在。在此温度区间淬火形成的高内应力马氏体板条间内应力被消除，引起马氏体钢出现内部应力裂纹的机率被消除。钢板的组织进一步均匀化，性能保持一致性，钢板内部组织裂纹没有出现的机会。内应力的降低，组织的均匀一致性保证钢板在承受疲劳应力时表现整体抗性而达到安全性。

本发明与现有技术相比，屈服强度在900~1000MPa、抗拉强度≥1000MPa、延伸率A≥15%，通过炼钢过程严控夹杂物，微合金控制组织更为细化，使得本发明产品的疲劳应力极限大于400MPa，比目前设计要求的380 MPa要高出至少20 MPa。本发明级别的高强钢往往使用在承受往复运动的关键构件上，其发生疲劳失效的概率远大于常规构件，为现有构件疲劳寿命设计打开了新的窗口。

附图说明

图1为本发明钢的金相组织图；

图2为本发明的疲劳试验S-N曲线图；

图2中：S—表示应力，N—表示寿命，━─表示拟合曲线，●─试验点。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的化学成分列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例的性能检测列表。

本发明各实施例均按照以下步骤进行生产：

1）按照洁净钢常规进行冶炼后连铸成坯并热轧至成品厚度，其中在冶炼阶段，要严格控制P+S≤0.0015%；

2）进行淬火，淬火温度在850~920℃，在冷却速率为20~25℃/s下将钢板冷却至Ms点以下；

4）自然冷却至室温。

表1 本发明各实施例及对比例的化学成分（wt.%）

说明：表1中Nb+Ti+V+B的添加量是按照其顺序比例为1:1:2:0.1添加的。

表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数取值列表

表3 本发明各实施例及对比例的性能检测结果

按照常规疲劳试验条件进行的。

从表3可以看出，本发明所涉及的16~50mm厚度的热轧钢板不仅满足屈服强度在900~1000MPa、抗拉强度≥1000MPa、延伸率A≥15%，而且达到疲劳应力幅值≥400MPa疲劳应力条件下的10⁷疲劳循环。

本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims

1.一种疲劳应力幅值≥400MPa的高强钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.12~0.18%，Si：0.10~0.40%，Mn：1.20~1.60%%，P+S≤0.015%，Cr：0.10~0.45%，Mo：0.42~0.75%，Ni：0.05~0.20%，Nb+Ti+V+B：0.045~0.100%；余量为Fe及不可避免杂质；其力学性能为：屈服强度在900~1000MPa、抗拉强度≥1000MPa、延伸率A≥15%，疲劳应力幅值≥400MPa；金相组织为全马氏体。

2.如权利要求1所述的一种疲劳应力幅值≥400MPa的高强钢，其特征在于：Cr的重量百分比含量在0.12~0.38%。

3.如权利要求1所述的一种疲劳应力幅值≥400MPa的高强钢，其特征在于：Ni的重量百分比含量在0.07~0.15%。

4.如权利要求1所述的一种疲劳应力幅值≥400MPa的高强钢，其特征在于：Nb+Ti+V+B之和的重量百分比含量0.045~0.092%；Nb+Ti+V+B添加比例按照1:1:2:0.1的比例进行。

5.生产如权利要求1所述的一种疲劳应力幅值≥400MPa的高强钢的方法，其步骤：

4）自然冷却至室温。

6.如权利要求5所述的生产一种疲劳应力幅值≥400MPa的高强钢的方法，其特征在于：淬火温度在863~905℃。

7.如权利要求5所述的生产一种疲劳应力幅值≥400MPa的高强钢的方法，其特征在于：回火温度在85~410℃，在此温度下保温125~175min。