发明内容

本发明的目的之一在于提供一种合金结构用钢，该合金结构用钢采用微量合金元素添加设计，通过添加适量的Zr、Mg，控制较低含量的总氧，利用所添加微量合金元素的特点，进一步强化、韧化该合金结构用钢，使得该合金结构用钢具有较高的强度，且材料成本较低。

为了实现上述目的，本发明提出了一种合金结构用钢，其化学元素质量百分比为：

C：0.35-0.45％、Si：0.27-0.35％、Mn：0.6-0.8％、Al：0.015-0.05％、V：0.06-0.1％、Zr：0.2-1.0％、Mg：0.001-0.005％、P≤0.025％、S≤0.015％、N≤0.005％、O≤0.001％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

在本发明所述的合金结构用钢中，各化学元素的设计原理如下所述：

C：在本发明所述的合金结构用钢中，C主要影响碳化物的析出量和析出温度范围。控制较低的C的质量百分比有利于改善本发明所述的合金结构用钢的力学性能。此外，C具有一定的强化作用，但是，过高的C的质量百分比会降低材料的耐蚀性能。考虑到冶炼设备的生产能力以及兼顾材料的力学性能和冲击韧性，在本发明所述的合金结构用钢中控制C的质量百分比为0.35-0.45％。

Si：Si在钢中可以提高的强度，但是，对钢的成型性和韧性不利。此外，Si在冶炼过程中常有残留，因此，适当选择Si的含量很重要。基于此，在本发明所述的合金结构用钢中控制Si的质量百分比为0.27-0.35％。

Mn：Mn是较弱的奥氏体元素，可抑制合金结构用钢中硫的有害作用，改善热塑性。但是，Mn的质量百分比过高不利于保证其耐腐蚀性。考虑到Mn冶炼过程中常有残留，因此，在本发明所述的技术方案中控制Mn的质量百分比为0.6-0.8％。

Al：在本发明所述的合金结构用钢中，Al主要通过控制钢中氧含量影响位错行为来强化合金。增加Al的总量可以明显地提高固溶温度、力学性能，但会有损塑性。此外，添加Al有利于钢的延伸变形性能，改善钢的加工性能。过高的Al含量会降低钢的冲击韧性。基于此，在本发明所述的合金结构用钢中控制Al的质量百分比为0.015-0.05％。

V：在本发明所述的技术方案中，V与碳、氧有极强的亲和力，可形成相应的稳定化合物。V在钢中主要以碳化物形式存在，V的主要作用是细化钢的组织和晶粒，降低钢的强度和韧性。当V在高温溶入固溶体时，增加淬透性；反之，若以碳化物形式存在时，降低淬透性。此外，V可以增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应。钒在合金结构钢中由于在一般热处理条件下会降低淬透性，故在合金结构钢中常和锰、铬元素联合使用。钒在调质钢中主要是提高钢的强度和屈服比，细化晶粒，过热敏感性。基于此，在本发明所述的合金结构用钢中控制V的质量百分比为0.06-0.1％。

Zr：在本发明所述的合金结构用钢中，Zr是强碳化物形成元素，它在钢中的作用与铌、钽、钒相似。加入少量Zr可以起到脱气、净化和细化晶粒作用，有利于钢的低温性能，改善冲压性能。并且，添加少量Zr，部分Zr固溶在钢中，形成适量的ZrC、ZrN，有利于细化晶粒，改善冲压性能。基于此，在本发明所述的合金结构用钢中控制Zr的质量百分比为0.2-1.0％。

Mg：Mg是一种十分活泼的金属元素，其与O、N、S都有很强的亲和力。因此，Mg在钢铁冶炼中是一种良好的脱氧和脱硫剂，同时也是铸铁良好的球化剂。但Mg很难溶解于铸铁的基体中，而以化合物MgS、MgO、Mg₃N₂、Mg₂Si状态存在。此外，Mg和C还可以形成一系列的化合物，如MgC₂、Mg₂C₃。基于此，在本发明所述的合金结构用钢中控制Mg的质量百分比为0.001-0.005％、

P和S：它们均会严重影响本案的合金结构用钢的力学性能和加工性能，必须严格控制其质量百分比，因此，P≤0.025％、S≤0.015％、

N：N是稳定奥氏体元素。控制较低的N的质量百分比有利于改善本发明所述的合金结构用钢的冲击韧性。此外，较高的氮的质量百分比会导致钢的韧性和延展性减少，并且还会减少可热加工性。基于此，在本发明所述的合金结构用钢中控制N的质量百分比为N≤0.005％。

O：在本发明所述的合金结构用钢中，O主要以氧化物夹杂存在，总氧含量高表明夹杂物较多。降低总氧含量有利于提高材料的综合性能。为了保证材料良好的力学和耐蚀性能，在本发明所述的技术方案中控制O的质量百分比为O≤0.001％。

进一步地，在本发明所述的合金结构用钢中，其还具有下述各化学元素的至少其中之一：Ce、Hf、La、Re、Sc和Y，这些元素的总添加量≤1％。

在本发明所述的技术方案中,优选地可以添加少量上述的稀土元素，以结合钢中氧、硫元素，形成稀土氧化物和硫化物，净化钢液并减小夹杂物尺寸。并且,所形成的稀土氧化物和硫化物可作为凝固过程形核质点，细化初始凝固晶粒，对改善钢材性能也有一定的帮助。

进一步地，在本发明所述的合金结构用钢中，其中各元素质量百分含量满足下列各项的至少其中之一：

V：0.08-0.1％；

Zr：0.3-0.7％；

Mg：0.001-0.003％。

进一步地，在本发明所述的合金结构用钢中，各元素的质量百分比含量之比还满足下列各项的至少其中之一：

Zr/N＝40-200；

Zr/V＝2-16.7；

Zr/C＝0.4-2.8。

上述方案中，控制Zr与N、V、C的质量百分比从而有利于控制ZrC、ZrN所形成的数量，而ZrC、ZrN的形成可以起到细化晶粒、改善钢力学性能以及冲压性能的作用，同时还可以起到固化钢中的部分N，减少固溶的N的质量百分比的作用。

进一步地，在本发明所述的合金结构用钢中，各元素的质量百分比含量之比还满足下列各项的至少其中之一：

Mg/O＝0.5-3；

Mg/S＝0.6-5.0。

上述方案中，控制Mg与O、S的质量百分比可以有利于在冷却凝固过程中在合金内MgO与MgS的形成数量，而MgS与MgO的形成一方面可以起到进一步细化晶粒、稳定奥氏体晶粒的作用，另一方面还可以减小合金中O、S对于晶界的危害，从而改善本案的合金结构钢的冲击韧性。

进一步地，在本发明所述的合金结构用钢中，其微观组织的基体为铁素体+珠光体，其中具有ZrC、ZrN、MgO、MgS质点。

上述质点可在连铸冷却凝固过程和热轧过程中进一步细化，并稳定奥氏体晶粒尺寸，从而避免在坯料或是最终产品的表面形成缺陷，同时也可以改善产品的力学性能。

进一步地，在本发明所述的合金结构用钢中，ZrC、ZrN质点的数量为3-15个/mm²。

上述方案中，本案发明人发现将ZrC、ZrN质点的数量控制在3-15个/mm²，对于细化晶粒、改善钢力学性能以及冲压性能以及固化钢中的部分N，减少固溶的N的质量百分比所起到的效果更佳。

进一步地，在本发明所述的合金结构用钢中，MgO、MgS质点的数量为5-20个/mm²。

上述方案中，本案发明人发现将MgO、MgS质点的数量控制为5-20个/mm²对于进一步细化晶粒、稳定奥氏体晶粒以及减小合金中O、S对于晶界的危害，从而改善本案的合金结构钢的冲击韧性所起到的效果更佳。

进一步地，在本发明所述的合金结构用钢中，质点的直径为0.2-7μm。

进一步地，在本发明项所述的合金结构用钢中，其屈服强度≥755MPa、抗拉强度≥900MPa，延伸率≥12％，冲击韧性≥100J。

相应地，本发明的另一目的在于提供上述的合金结构用钢的制造方法，通过该制造方法可以获得力学性能更高、冲击韧性更好、成本更合理的合金结构用钢。

为了实现上述目的，本发明提出了上述的合金结构用钢的制造方法，其包括步骤：

(1)冶炼、精炼和浇铸；

(2)初轧开坯；

(3)二次热轧成材；

(4)热处理：淬火+回火。

需要说明的是，在本发明所述的制造方法中，在步骤(1)可以采用电炉冶炼、LF和VD(或RH)精炼，并且可以在VD(或RH)精炼末期，先后加入少量的锆铁、和镁铝合金，待钢中的各化学元素质量百分比满足本案所限定的范围后，进行吹氩气的软搅拌，氩气流量控制在5-8升/min。

在一些优选的实施方式中，在步骤(1)中，浇铸可以采用大方坯连铸，拉速控制为0.45-0.65m/min；采用结晶器保护渣，并且采用结晶器电磁搅拌，电流为500A，频率为2.5-3.5Hz，连铸后的大方坯等轴晶比例≥20％。

在一些优选的实施方式中，在步骤(2)中，初轧开坯前可以对坯料进行预处理，例如可以对其进行表面精整修磨，去除可见的表面缺陷，保证表面质量良好。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)和(3)中，加热温度为1150～1250℃。

进一步地，在本发明所述的制造方法，在步骤(4)中，淬火加热温度为855-890℃，冷却速度控制在50-90℃/s；回火加热温度为645-670℃，冷却速度为50-90℃/min。

需要说明的是，在步骤(4)中，淬火采用的冷却剂可以为矿物油，回火采用的冷却剂可以为矿物油或水。

本发明所述的合金结构用钢及其制造方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：

本发明所述的合金结构用钢采用微量合金元素添加设计，通过添加适量的Zr、Mg，控制较低含量的总氧，利用所添加微量合金元素的特点，进一步强化、韧化该合金结构用钢，使得该合金结构用钢具有较高的强度，且材料成本较低。

此外，通过本发明所述的制造方法可以获得一种力学性能极高、冲击韧性较好且制造成本低廉的合金结构用钢。