含铜复合贝氏体钢材及其制造方法.pdf

揭示了在使昂贵的合金元素的添加量最小化的同时，无B添加、成本低、可焊性优良的高强度及高韧性钢材及其制造方法。所述钢材及方法，以重量％计，包括C：0.05-0.1％、Si：0.01-0.5％、Mn：1.5-2.5％、Ni：0.5％以下、Cu：1.0-2.0％、Cr：0.5％以下、Mo：0.5％以下、Nb：0.01-0.05％、V：0.01-0.1％、Ti：0.01-0.03％、Al：0.05％以下、余量为Fe和其它不可避免的杂质，Ceq为0.3至0.6，Pcm约为0.3以下，制造出由粒状贝氏体、退化上贝氏体、下贝氏体三相构成的钢材。关键词：铜、复合贝氏体、高强度、高韧性、可焊性、钢材。

1.  含铜复合贝氏体钢材，其特征在于，以重量％计包含：
C：0.05-0.1％、Si：0.01-0.5％、Mn：1.5-2.5％、Ni：0.5％以下、Cu：1.0-2.0％、Cr：0.5％以下、Mo：0.5％以下、Nb：0.01-0.05％、V：0.01-0.1％、Ti：0.01-0.03％、Al：0.05％以下、余量为铁和其它不可避免的杂质；且Ceq为0.3至0.6，Pcm约为0.3以下，由粒状贝氏体、退化上贝氏体、下贝氏体三相构成。

2.  权利要求1的含铜复合贝氏体钢材，其特征在于，所述粒状贝氏体的体积分数为40-60％。

3.  含铜复合贝氏体钢材的制造方法，其特征在于包括：
将具有如下组成的板坯加热至1，150℃以上的再加热阶段，所述板坯以重量％计含有C：0.05-0.1％、Si：0.01-0.5％、Mn：1.5-2.5％、Ni：0.5％以下、Cu：1.0-2.0％、Cr：0.5％以下、Mo：0.5％以下、Nb：0.01-0.05％、V：0.01-0.1％、Ti：0.01-0.03％、Al：0.05％以下、余量为铁和其它不可避免的杂质，且Ceq(含碳量)为0.3至0.6，Pcm(焊接裂纹敏感性指数)约为0.3以下；
将上述经过再加热的板坯，在奥氏体再结晶化的温度及以下进行热轧的受控轧制阶段；
将上述经过热轧的钢材，以20℃/秒以上的速度淬冷至400℃以下的快速冷却阶段；及
将上述经过冷却的钢材空冷至常温的冷却阶段。

含铜复合贝氏体钢材及其制造方法
技术领域
本发明涉及复合贝氏体钢材及其制造方法，更详细地，是在含有铜(Cu)的同时，具有高强度(high strength)和高韧性(high toughness)的复合贝氏体钢材，及其使用受控轧制和快速冷却的制造方法。
背景技术
目前用于建筑、造船、海洋结构、管线、或用于机械结构而使用的钢材，为提高其耐久性，在要求优良的可焊性的同时，还要求其具有高强度和高韧性。
通常制造高强度和高韧性钢材的显微组织学方法，典型有形成下贝氏体(lower bainite)、回火板条马氏体(tempered lath martensite)、双相(dual phase)组织等方法。下贝氏体组织通过受控轧制和快速冷却制成，其位错密度高、晶粒尺寸小，被评价为具有优良的强度与韧性的组合。此时，可根据快速冷却的条件，部分地包含板条马氏体。但是，为很好地形成下贝氏体组织，大量添加Ni、Cr、Mo等昂贵的合金元素，存在着需要合适地控制冷却速度和退化温度的难点。
回火马氏体组织，通过使板条马氏体在一定的温度下进行回火，将下贝氏体和板条马氏体的优点结合起来，从而确保优良的强度与韧性的组合。最近有报道揭示出，在回火期间利用二次相析出，在较宽的回火温度范围内使强度的减少达到最小化的方法。然而，回火马氏体组织通常其屈服比高，具有因附加的回火处理而使成本增加、生产率大幅下降的缺点。
双相组织，通过铁素体和奥氏体通过双相区域区间内的应力载荷和淬冷，由相对柔软的铁素体和均匀分布的坚硬的马氏体构成。上述双相组织与汽车用钢板中使用的双相组织不同，其组织中马氏体的体积分数在50％以上，因铁素体与奥氏体双相区域区间内的应力载荷，铁素体的位错密度高，分散有微细的析出物，从而可得到优良的强度与韧性的组合。然而，为了保证双相区域区间内的应力载荷，由于轧制终止温度的降低，生产效率降低、成本略微增加。
制造上述三种显微组织的方法中，已知用于形成下贝氏体组织的受控轧制和快速冷却，与其它制造方法相比，制造过程比较简单，生产效率优良，经济性好。特别地，最近正在开发与大量的合金元素一同添加硼(B)，而以下贝氏体组织为基础的高强度及高韧性钢材。它们正显示出高韧性及拉伸强度900MPa以上的优良的机械性能。
然而在基于下贝氏体组织的上述钢材的情况下，大量添加Ni、Mo、Cr等昂贵的合金元素，存在着为提高硬化能而需将B的含量调至数ppm单位等缺点。此外，为了降低工业上为表现可焊性而广泛使用的Ceq(碳当量)和Pcm(焊接裂纹敏感性指数)值、提高可焊性、降低生产成本，有必要使Ni、Mo、Cr等合金元素的添加量最小化。即，可焊性优良的高强度及高韧性钢材存在着昂贵的合金元素的添加量高、需要准确调节B的含量的困难。
发明内容
【拟解决的技术课题】
因此，本发明要实现的技术课题在于，在使昂贵的合金元素添加量最少化的同时，无B添加地以低成本提供可焊性优良的高强度及高韧性钢材。此外，本发明要实现的另一技术课题在于，提供制造上述钢材的方法。
【课题解决方法】
为完成上述技术课题，本发明高强度及高韧性钢材以重量％计含有C：0.05-0.1％、Si：0.01-0.5％、Mn：1.5-2.5％、Ni：0.5％以下、Cu：1.0-2.0％、Cr：0.5％以下、Mo：0.5％以下、Nb：0.01-0.05％、V：0.01-0.1％、Ti：0.01-0.03％、Al：0.05％以下、余量为铁和其它不可避免的杂质，Ceq为0.3至0.6，Pcm约为0.3以下，并且由粒状贝氏体、退化上贝氏体、下贝氏体三相构成。此时上述粒状贝氏体的体积分数可以是40-60％。
为了实现上述另一技术课题，本发明制造高强度及高韧性钢的制造方法中，首先将具有如下组成的板坯再加热至1,150℃以上，所述板坯含有(以重量％计)C：0.05-0.1％、Si：0.01-0.5％、Mn：1.5-2.5％、Ni：0.5％以下、Cu：1.0-2.0％、Cr：0.5％以下、Mo：0.5％以下、Nb：0.01-0.05％、V：0.01-0.1％、Ti：0.01-0.03％、Al：0.05％以下、余量为铁和其它不可避免的杂质，Ceq(含碳量)为0.3至0.6，Pcm(焊接裂纹敏感性指数)约为0.3以下。之后，将经过再加热的板坯，在奥氏体再结晶温度及以下进行热轧。上述经过热轧的钢材，以20℃/秒以上的速度淬冷至400℃以下。接下来使上述冷却的钢材空冷至常温。
【效果】
根据本发明的复合贝氏体钢材及其制造方法，对含有1.0-2.0重量％的Cu的钢材进行受控轧制、快速冷却，制造出由粒状贝氏体、退化上贝氏体、下贝氏体三相构成的复合贝氏体高强度高韧性钢材，从而能够通过未大量添加Ni、Cr、Mo等昂贵的合金元素、无B添加、省略了附加的回火处理的，低成本的经济性方法，确保900MPa以上的拉伸强度和100J以上的高韧性。

附图简述
图1是根据时间和温度对本发明的复合贝氏体高强度及高韧性钢材的制造工艺进行说明的图表。
图2是显示根据本发明实施例的复合贝氏体高强度及高韧性钢材的显微组织的一个例子的照片。
具体实施方式
以下参照附图详细说明本发明的优选实施例。下述实施例能够变型成其它型态，本发明的范围不限于下面详述的实施例。提供本发明实施例的目的在于，为具有所属技术领域普通知识的人员提供关于本发明的更完整的说明。
以下本发明的实施例中，将对具有高强度及高韧性的复合贝氏体钢材及其制造方法分别加以说明。上述钢材及其制造方法，具有如下的主要特征。
本发明的复合贝氏体高强度及高韧性钢材的组成如下：以重量％计无B添加地含有1.0-2.0％的铜，此外连同Fe含有C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、Nb、V、Ti及Al添加物中的部分或全部。此时上述钢材的特征在于，拉伸强度在900MPa以上，通过在常温下进行夏比V型缺口冲击测试(CharpyV-notch Impact Test)测定的韧性在100J以上。
对基于本发明的复合贝氏体高强度及高韧性钢材，通过对无B添加地含有1.0-2.0重量％的铜的板坯进行再加热，之后经过受控轧制和快速冷却制造而成，由此可获得由粒状贝氏体(granular bainite)、退化上贝氏体(degenerate upper bainite)、下贝氏体(lower bainite)的三相组织构成的复合贝氏体高强度及高韧性钢材。
<复合贝氏体钢材>
本发明钢材具有如下的组成，这里，同时对基于各组成的数值限定理由进行说明。这里，％代表重量％，如下定义Ceq(碳当量)和Pcm(焊接裂纹敏感性指数)。
Ceq＝C％+Mn％/6+(Cr％+Mo％+V％)/5+(Ni％+Cu％)/15
Pcm＝C％+Si％/30+(Mn％+Cu％+Cr％)/20+Ni％/60+Mo％/15+V％/10+5B％。
(1)碳(C)：0.05-0.1％
C的含量如果大于0.1％，则可焊性变差，而如果小于0.05％，则为50％体积分数的粒状贝氏体组织，从而难以确保900MPa以上的屈服强度。
(2)硅(Si)：0.01-0.5％
为脱氧和提高强度而添加，添加量小于0.01％时脱氧效果不充分，添加量大于0.50％，则韧性和可焊性降低。
(3)锰(Mn)：1.5-2.5％
补偿因C含量低而降低的硬化能，从而促进贝氏体组织的形成，为提高强度而添加至1.5％以上，为防止韧性和可焊性降低及偏析而限制在2.5％以下。
(4)镍(Ni)：0.5％以下
尽管是有效提高强度和韧性的元素，但大量添加会使成本增加，因此为减少热轧中Cu的产生表面裂纹的有害作用，而少量添加至0.5％以下。
(5)铜(Cu)：1.0-2.0％
作为实现本发明重要特征的合金元素，起提高强度和韧性的作用。以增加固溶强化及析出强化效果为目的，添加至1.0％以上，然而因其过量会使可焊性降低，因此将其限制在2.0％以下。
(6)铬(Cr)：0.5％以下
与Mn同样地为在低C含量下确保足够的硬化能而添加，大量添加时会降低韧性和可焊性，因此将其限制在0.5％以下。
(7)钼(Mo)：0.5％以下
增加硬化能的元素，大量添加会降低韧性和可焊性，因此将其限制在0.5％以下。
(8)铌(Nb)：0.01-0.05％
在热轧中使碳化物或氮化物析出，使奥氏体晶粒细化，从而提高强度和韧性。添加量在0.01％以下时效果非常小，添加量大于0.05％时使韧性降低。
(9)钒(V)：0.01-0.1％
形成碳化物或氮化物，有利于增加强度。添加量小于0.01％时效果弱，大于0.10％时降低韧性和可焊性。
(10)钛(Ti)：0.01-0.03％
添加量在0.01％以上时形成析出物，从而有利于提高强度，但大于0.03％时会使析出物粗化而使韧性降低。
(11)铝(Al)：0.05％以下
作为脱氧剂被添加，若添加量大于0.05％，则使钢的清洁度和韧性降低。
(12)其它不可避免地添加的杂质磷(P)、硫(S)、氮(N)等，优选最少化。此时，不可避免地添加的杂质中，不包括硼(B)。
根据本发明的复合贝氏体钢材，由于基本上不包括B，因此无需为调节硬化能而将B的含量调至数ppm单位。此外上述钢材优选Ceq在0.3-0.6、Pcm在0.3以下。
<复合贝氏体钢材的制造方法>
图1是根据时间和温度，对本发明的复合贝氏体高强度及高韧性钢材的制造工艺进行说明的图表。
参照图1，复合贝氏体钢材的制造方法是将具有如下组成的钢的板坯在通常1,150℃以上再加热2小时左右，所述板坯以重量％计含有C：0.05-0.1％、Si：0.01-0.5％、Mn：1.5-2.5％、Ni：0.5％以下、Cu：1.0-2.0％、Cr：0.5％以下、Mo：0.5％以下、Nb：0.01-0.05％、V：0.01-0.1％、Ti：0.01-0.03％、Al：0.05％以下、余量为铁和其它不可避免的杂质。此后，在奥氏体再结晶化的温度及以下进行热轧。这相当于受控轧制阶段。将经过热轧的钢材以20℃/秒以上的速度淬冷至400℃以下。这相当于快速冷却阶段。接下来使经过冷却的钢材空冷至常温。
在上述受控轧制阶段中，将经过再加热的钢的板坯，在奥氏体再结晶化的温度及以下，分别施加50％以上的应力载荷进行热轧。其原因在于，在快速冷却前使奥氏体晶粒细化，使奥氏体内部产生诸如位错或变形带的缺陷，通过促进奥氏体向铁素体的转变，使最终的显微组织的晶粒尺寸得以减小，从而使强度和韧性得到提高。此时全部热轧在Ar₃以上的温度下完成。
快速冷却阶段是将经过热轧的钢材在Ar₃以上的温度下，以20℃/秒以上的速度淬冷至400℃以下的过程。在上述过程期间，主要从奥氏体形成粒状贝氏体和退化上贝氏体，随着淬冷的终止温度，部分形成下贝氏体和马氏体。此后的冷却阶段是使经过淬冷的钢材空冷至常温的阶段，在此过程中主要形成下贝氏体。
通过如上过程制造的显微组织，是由粒状贝氏体、退化上贝氏体、下贝氏体三相构成的复合贝氏体组织，其粒状贝氏体的体积分数为40-60％。
上述粒状贝氏体包括岛状马氏体(MA，martensite-austeniteconstituent)相，并且由等轴形态的贝氏体晶粒构成。另一方面，其余退化上贝氏体和下贝氏体在形成粒状贝氏体之后，主要在上述快速冷却阶段或常温冷却阶段形成。上述退化上贝氏体与通常的上贝氏体不同，已知在板条形态的贝氏体晶粒之间有碳浓缩的残留奥氏体或马氏体或者诸如MA相的多种金属相。上述下贝氏体如通常所知的，在板条形态的贝氏体晶粒内部，析出有微细分散的碳化物。
根据如上述说明的本发明，可在降低昂贵的合金元素的添加量的同时无B的添加地含有1.0-2.0重量％的铜，从而可能制造出由粒状贝氏体、退化上贝氏体、下贝氏体构成的三相复合贝氏体高强度及高韧性钢材。
以下将通过实施例对本发明进行更详细的说明。
实施例
表1示本发明使用的发明材料，以及可与上述发明材料作比较的比较材料的化学组成、冷却速度及冷却结束温度。表2对表1的发明材料和比较材料的机械性能进行了比较。图2示根据本发明实施例的复合贝氏体高强度及高韧性钢材的显微组织的一个例子的照片。
根据表1，由发明材料1及2和比较材料3至7的合金如所记载的一样组成的100mm厚度的钢材，在1,150℃下进行2小时左右的再加热后，在奥氏体再结晶化的温度及以下，分别施加60％左右的应力载荷，热轧至15mm厚度。接下来，将上述经过热轧的板材在Ar₃以上的温度下，以20℃/秒以上的速度冷却至500℃以下，之后空冷，制造样片。
使用如上述制造的样片，在常温下测定强度和夏比V型缺口冲击能，其结果如表2所示。
【表1】

【表2】

图2示为制造根据本发明的复合贝氏体高强度高韧性钢材而淬冷至约300℃制成的发明材料1的代表性显微组织。
根据图2，发明材料1由粒状贝氏体、退化上贝氏体、下贝氏体的三相构成的复合贝氏体组织组成，粒状贝氏体的体积分数为40-60％。
从上述表2可知，发明材料1至2，其拉伸强度在900MPa以上，冲击能在100J以上，强度与韧性的组合优良。尽管符合本发明的组成范围，但冷却结束温度超出本发明的冷却结束温度，达到400℃以上的比较材料3，由粒状贝氏体和退化上贝氏体双相组成，其拉伸强度在900MPa以下，冲击能在100J以下，表现出很差的强度与韧性的组合。
此外，尽管Cu的含量超出本发明的组成范围而达到1.0重量％以下，通过淬冷至400℃以下的冷却结束温度制成的比较材料4至7，其粒状贝氏体的体积分数表现出70％以上，尽管冲击能高达120-140J左右，但拉伸强度却远不及900MPa。
因此，根据本发明，为了确保拉伸强度在900MPa以上、冲击能在100J以上的机械性能，需将Cu的含量设为1.0-2.0重量％、冷却结束温度设为400℃以下进行制造，从而形成由粒状贝氏体、退化上贝氏体、下贝氏体的三相构成的复合贝氏体组织。
综上所述，尽管本发明列举优选实施例进行了详细说明，但本发明并不局限于上述实施例，并且本领域技术人员可以在本发明技术思想的范围内做出许多改变。