一种抗拉强度≥1600MPa级的异型材用钢及生产方法
阅读说明：本技术 一种抗拉强度≥1600MPa级的异型材用钢及生产方法 (Profiled bar steel with tensile strength of more than or equal to 1600MPa and production method thereof ) 是由 葛珍荣 葛锐 冯宗金 于 2021-10-18 设计创作，主要内容包括：一种抗拉强度≥1600MPa级的异型材用钢,其组分及wt%为：C：0.25～0.33％,Si：1.5～2.0％,Mn：2.6～3.2％,P≤0.02％,S≤0.01％,Als：0.01～0.10%,N≤0.005%,Cr不超过1.0％,Ni不超过1.0％,Nb不超过0.05％,V不超过0.5％；工艺：冶炼并铸成板坯；铸坯加热；粗轧；精轧；卷取后空冷；奥氏体化；淬火处理；时效处理；卷取并空冷至室温；再次开卷后平整、分切,辊压成型。本发明通过添加Nb、V,在基体组织中形成Nb/V(C,N),该相在调质热处理的均热阶段起到钉扎作用,阻碍奥氏体的长大,促进形成细化的奥氏体相,并实现在保证屈服强度≥1200MPa、抗拉强度≥1600MPa下,并使延伸率由≤7%提高至≥10%。(The steel for the profiled bar with the tensile strength of more than or equal to 1600MPa comprises the following components in percentage by weight: c: 0.25 to 0.33%, Si: 1.5-2.0%, Mn: 2.6-3.2%, P is less than or equal to 0.02%, S is less than or equal to 0.01%, Als: 0.01-0.10 percent of N, less than or equal to 0.005 percent of N, less than or equal to 1.0 percent of Cr, less than or equal to 1.0 percent of Ni, less than or equal to 0.05 percent of Nb and less than or equal to 0.5 percent of V; the process comprises the following steps: smelting and casting into a plate blank; heating a casting blank; rough rolling; fine rolling; air cooling is carried out after coiling; austenitizing; quenching treatment; aging treatment; coiling and air-cooling to room temperature; and flattening, slitting and roll forming after uncoiling again. According to the invention, Nb and V are added to form Nb/V (C, N) in a matrix structure, the phase plays a pinning role in a soaking stage of quenching and tempering heat treatment, growth of austenite is hindered, formation of a refined austenite phase is promoted, yield strength is guaranteed to be larger than or equal to 1200MPa, tensile strength is larger than or equal to 1600MPa, and elongation is improved to be larger than or equal to 10% from smaller than or equal to 7%.)
技术领域
本发明涉及汽车、建筑用超高强度钢及生产方法，确切地属于抗拉强度≥1600MPa的异型材制造用钢及其生产方法。
背景技术
近年来，我国积极布局碳达峰和碳中和工作，切实推进绿色低碳发展。钢铁是现代生产制造的基础材料，也是现有制造业中碳排放量最大行业；如何通过上下游产业协同，引领钢铁产业绿色发展，具有重要社会价值。优化和提升钢铁材料的强度与应用性能，实现构件轻量化，有效减少钢铁材料使用量，是推进钢铁材料碳达峰的最好途径。
钢制异型材广泛地用于太阳能光伏支架、建筑、汽车、电力设施等承载结构。由于其服役工况和应用环境非常复杂，因此通常要求型钢材料兼具良好的强度与韧性。钢制异型材根据加工工艺的不同，可分为辊压异型钢、热轧异型钢、焊接异型钢等。辊压异型钢是目前使用最广泛的异型钢加工工艺之一，其具有制备工艺简单、连续生辊压生产成本低等优势；然而，目前制造的钢制异型材，普遍采用Q235或Q345加工而成(材料抗拉强度≤600MPa)，存在材料强度低、自重大等问题，导致其应用范围受限。
中国专利公开号为CN 111519091 A的文献，公开了《一种高强度异型钢的加工工艺》，其通过对特定化学成分钢坯预处理、多次冷拉成型和退火处理加工完成；所制型钢的抗拉强度621MPa，屈服强度523MPa，延伸率未表述。
中国专利公开号为CN110343965的文献，公开了《一种高强度异型钢及其制备方法》，其通过对特定化学成分钢坯预处理、等温球化退火、压缩、成型、定型、淬火和多次回火工艺加工完成；所制型钢的抗拉强度966～985MPa，屈服强度966～985MPa，延伸率未表述。
上述高强度型钢生产原料为厚钢坯，且需要反复成型与热处理，工艺较为复杂；且强度仍然较低，尚待研究提升。
发明内容
本发明在于克服现有技术存在的强度高，但延伸率不超过7％的不足，提供一种在保证抗拉强度不低于1600MPa的基础上，还能使延伸率达到不低于10％，且满足型材制造要求的型材用钢及生产方法。
实现上述目的的措施：
一种抗拉强度≥1600MPa级的异型材用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.25～0.33％，Si：1.5～2.0％，Mn：2.6～3.2％，P≤0.02％，S≤0.01％，Als：0.01～0.10％，N≤0.005％，Cr：不超过1.0％，Ni：不超过1.0％，Nb：不超过0.05％，V：不超过0.5％，其余为Fe和不可避免的杂质。
优选地：C：0.263～0.316％，Si：1.62～1.85％，Mn：2.8～3.0％，P≤0.01％，S≤0.005％，Als：0.01～0.066％，Cr：不超过0.83％，Ni：不超过0.85％，Nb：不超过0.038％，V：不超过0.39％。
生产一种抗拉强度≥1600MPa级的异型材用钢的方法，其步骤：
1)冶炼并连铸成板坯；
2)对铸坯进行加热，并控制出炉温度在1150～1250℃；
3)进行粗轧，并控制经粗轧后板坯厚度为设计成品厚度的3.3～4倍；
4)进行精轧并轧至成品厚度，控制终轧温度在850～880℃；
5)经常规卷取后空冷至室温；
6)经开卷后进行奥氏体化，其温度控制在850～900℃，并在此温度下保温120～180s；
7)采用水或淬火液进行淬火处理，以冷却速度不低于10℃/s将板坯冷却至140～180℃；
8)进行时效处理，以不低于20℃/s将板坯快速加热至280～330℃，控制时效处理时间在180～300s；
9)卷取并空冷至室温；
10)再次开卷后依次进行平整、分切，辊压成型。
优选地：所述奥氏体化温度控制在868～893℃。
优选地：所述时效处理温度控制在293～323℃。
本发明中各元素及主要工艺的作用及机理
C：碳是钢中的基本元素，也是最经济、有效的强化元素。碳含量设计偏低，材料强度下降明显；但碳含量过高则降低了钢的塑性，且对焊接性不利。因此从经济性和综合性能考虑，本发明中碳百分含量控制范围为C 0.25～0.33％，优选范围为0.263～0.316％。
Si：硅是钢中最基本的元素，同时也是本发明钢中最重要的元素之一。Si在一定温度范围内可抑制渗碳体的析出，但对ε碳化物的抑制作用比较有限。Si抑制渗碳体析出使得碳原子从马氏体中扩散至残余奥氏体中从而稳定残余奥氏体。Si的含量一般不低于1.5％，否则不能起到抑制渗碳体析出的作用；Si的含量一般也不宜超过2.0％，否则钢板焊接时容易出现热裂，对钢板的应用造成困难，故钢中Si的含量通常控制在1.5～2.0％，优选范围为Si 1.62～1.85％。
Mn：锰具有固溶强化作用，同时也是本发明钢中最重要的元素之一。众所周知，Mn是扩大奥氏体相区的重要元素，可以降低钢的临界淬火速度，稳定奥氏体，细化晶粒，推迟奥氏体向珠光体的转变。在本发明中，为保证钢板的强度，Mn含量一般应控制在2.6％以上，Mn含量过低，在分段冷却的第一阶段空冷时，过冷奥氏体不稳定，容易转变为珠光体类型的组织如索氏体等；同时，Mn的含量一般也不宜超过3.2％，炼钢时容易发生Mn偏析，同时板坯连铸时易发生热裂。因此，钢中Mn的含量一般控制在2.6～3.2％，优选范围为2.8～3.0％。
P：磷是钢中的有害元素，易引起铸坯中心偏析。在随后的热连轧加热过程中易偏聚到晶界，使钢的脆性显著增大。同时基于成本考虑且不影响钢的性能，其含量控制在0.02％以下。
S:硫是非常有害的元素。钢中的硫常以锰的硫化物形态存在，这种硫化物夹杂会恶化钢的韧性，并造成性能的各向异性，因此，需将钢中硫含量控制得越低越好。基于对制造成本的考虑，钢中硫含量控制在0.01％以下。
Als：铝是为了脱氧而添加的，当Als含量不足0.01％时，不能发挥其效果；另一方面，由于添加多量的铝容易形成氧化铝团块，因此，铝含量控制范围为0.01～0.10％，优选地范围在0.01～0.066％。
N:氮能够提高钢的强度；然而，氮与铌、钛结合力强，在高温时钢中就会形成颗粒粗大的氮化铌、氮化钛，严重损害钢的塑性和韧性；另外，较高的氮含量会使稳定氮元素所需的微合金化元素含量增加，从而增加成本。因此应尽量降低氮元素的含量，本发明中氮控制在0.005％以下。
Cr：铬可以显著提高钢材的强度、硬度和耐磨性，但是会降低塑性和韧性，同时Cr含量超过1.0％后增加了连铸生产过程中铸坯开裂的风险，本发明中铬控制在1.0％以内，优选地在Cr不超过0.83％。
Ni：镍可以改善钢板的可焊性、提升材料韧性，在高硬度钢中添加一定含量的Ni可以使钢板兼具良好的硬度和韧性；但Ni属于贵金属元素，本发明中镍控制在1.0％以内，优选地Ni不超过0.85％。
Nb：铌是C、N强化物形成元素。钢中加入少量的铌就可以形成一定量的铌的碳、氮化物，从而阻碍奥氏体晶粒长大、细化奥氏体晶粒，获得超高强度的同时，还可以改善钢塑韧性。但是过量铌会与C结合，形成粗大碳氮化物，从而降低材料的硬度和强度。因此，将其总含量控制在不超过0.05％范围，优选地Nb不超过0.038％。
V：钒可以提高钢的淬透性，溶入铁素体中具有强化作用，可以形成稳定的碳化物，细化晶粒，N可以加强V的作用。可以利用V的沉淀强化和Ti的晶粒细化相结合的方法获得更大的强化效果V。因此控制V不超过0.05％，优选地V不超过0.39％。
本发明之所以控制铸坯出炉温度为1150～1250℃，是为了确保铸坯合金元素的均匀化，同时降低材料变形抗力、便于生产轧制。出炉温度低，不利于合金元素的均匀化，且材料变形抗力增大，轧机负荷大、能耗高；出炉温度高，加热炉能耗大，提高了制造成本。因此，铸坯的加热出炉温度一般控制在1150～1250℃比较合适。
本发明之所以控制粗轧后的板坯厚度为成品厚度的3.3～4倍，是由于板坯高温变形抗力小，大压下量轧制有利于提高了轧制速度和生产效率；但粗轧后板坯厚度小，不利于精轧后热轧成品厚度的尺寸控制。
本发明之所以控制精轧终轧温度在830～880℃，优选的精轧终轧温度为830～880℃，是由于轧制形变终止温度对钢的组织性能有重要影响。为了保证板坯在均匀的奥氏体区域进行轧制，以获得均匀的组织和良好的性能，精轧的终轧温度要求控制在铁素体转变的开始温度以上；同时，终轧温度越高，晶粒聚焦长大的倾向性越强，所得到的奥氏体晶粒越粗大，将导致材料强度降低。
本发明之所以控制奥氏体化温度在850～900℃，是是为了保证材料充分奥氏体化。温度过低，材料无法实现完全奥氏体化；温度过高，将导致奥氏体晶粒粗大，直接影响材料性能。
本发明之所以冷却速度不低于10℃/s下将上述高温板坯冷却至140～180℃，是为了要使大部分奥氏体直接转变为马氏体，从而获得较高材料强度。冷却速度过低，奥氏体组织易冷却转变形成马氏体以外的其它组织，直接影响材料强度。冷却终了温度过高，冷却获得马氏体组织分数较低，材料强度较低；冷却终了温度过低，冷却获得马氏体组织分数较高，材料韧性和延伸率降低。
本发明之所以将上述冷却后板料，再快速加热至280～330℃进行等温配分时效处理，是为了促进过饱和马氏体中的C元素向未转变的奥氏体中扩散，提升残余奥氏体稳定性，室温获得5～10％的残留奥氏体，以保证材料具有良好的韧性与塑性。
本发明与现有技术相比，通过添加Nb、V，在基体组织中形成一定尺寸的Nb/V(C,N)，该相在调质热处理工序的均热阶段起到钉扎作用，阻碍奥氏体的长大，促进形成细化的奥氏体相，并实现在保证屈服强度≥1200MPa，抗拉强度≥1600MPa下，并使延伸率有限有的不超过7％提高至不低于10％，满足了型材用钢的要求。
附图说明
图1为本发明超高强钢板典型的金相组织图；
说明：金相组织为马氏体+残余奥氏体。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
表1为本发明各实施例与对比例的组分取值列表；
表2为本发明各实施例与对比例工艺参数取值；
表3为本发明各实施例与对比例性能检测结果列表。
本发明各实施例均按以下步骤生产：
1)冶炼并连铸成板坯；
2)对铸坯进行加热，并控制出炉温度在1150～1250℃；
3)进行粗轧，并控制经粗轧后板坯厚度为设计成品厚度的3.3～4倍；
4)进行精轧并轧至成品厚度，控制终轧温度在850～880℃；
5)经常规卷取后空冷至室温；
6)经开卷后进行奥氏体化，其温度控制在850～900℃，并在此温度下保温120～180s；
7)采用水或淬火液进行淬火处理，以冷却速度不低于10℃/s将板坯冷却至140～180℃；
8)进行时效处理，以不低于20℃/s将板坯快速加热至280～330℃，控制时效处理时间在180～300s；
9)卷取并空冷至室温；
10)再次开卷后依次进行平整、分切，辊压成型。
表1本发明各实施例及对比例的化学成分取值列表(wt％)
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
从表3可以看出，采用本专利的合金成分设计及相关工艺生产的型材用超高强度冷轧钢板，屈服强度≥1200MPa，抗拉强度≥1600MPa，延伸率(A50)≥10％，且具有良好的加工成形性及焊接性，满足光伏支架、建筑型材、物流支架等型材用冷轧超高强钢的使用要求。
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。