铜单一元素合金化高强高韧钢

摘要

本发明提供了铜单一元素合金化钢的成分范围,用以生产高纯净、高强度、高塑性和韧性的新型结构用钢。其中铜是唯一的合金化元素,其重量百分数在0.5%至3.1%之间,其它元素的含量被限制在很低的水平,节省了合金资源;与传统的普通结构用钢相比,这种成分的钢不仅有更高的塑、韧性,而且能够大幅度提高强度水平和使用寿命。

说明书

本发明涉及一种铁基合金，特别是一种含铜的铁基合金钢。

铜原子会造成钢材的析出强化。铜通常可与O、P、S等杂质元素形成低熔点相，因而影响了铜合金化钢的发展。当钢材合金成份控制精度提高、杂质元素含量明显下降时，人们就可以利用铜析出强化效应开发新型结构钢。

Banadkouki等人曾在低合金高强钢中添加铜，使抗拉强度提高(ISIJ Inter.1996，36：61)。汪美蔷等人曾研究了在传统的贝氏体钢中添加铜的Mn-Cu-B系贝氏体钢，其屈服强度为578MPa，延伸率为20％(钢铁，1997，32：46)。Takahashi等人在管线用钢中用Cu取代Mn作强化元素，也得到了强化效果(ISIJInter.1996，36：245)。岸田宏司等人研究了含铜无间隙原子(IF)钢，使强度明显提高(CAMJ-ISIJ，1989，2：1825)，但冲压性能降低(铁と钢，1995，81：739)。

综上所述，现有含铜钢大致可以分成两类。一类是在原有高强度钢内添加铜元素。这类钢主要依靠C(重量百分比约0.05％)、Mn、B以及Ti、Nb等合金元素强化，但铜的强化作用未能得到充分发挥，同时塑性和韧性也保持在较低的水平。另一类含铜钢是在原有无间隙钢的基础上添加铜元素，以利用铜的析出强化作用。铜的存在使得钛、铌等合金元素改善成形性的作用不能充分发挥，这不仅浪费了钛、铌等合金元素，而且钛、铌等强碳、氮化合物生成元素也会妨碍钢材塑、韧性的进一步提高。另外，这些含铜钢都是利用多种元素对结构钢进行复合合金化。

本发明的目的在于用铜单一元素进行合金化，不仅能充分发挥合金元素的强化作用，为钢材的高韧性、高寿命、良好的加工性能提供基本条件；同时，使钢的成分大大简化，节省合金资源。

本发明提出铜单一元素合金化高纯净、高强、高韧钢的成分组成为(重量百分数，％)：Cu0.5-3.1、C＜0.004、N＜0.004、Si＜0.04、Mn＜0.04、P＜0.002、S＜0.002、Al＜0.01、O＜0.01，其它元素单独的含量均＜0.001％，Fe余量。

由于本发明在高纯净的钢中加入铜单一元素，不加任何其它合金元素进行合金化，因而使钢的塑性可以保持在很高的水平。另外作为强化相的铜析出相，其自身的塑性很好，在复杂应力应变条件下有很好的与周围环境的塑性协调性，因此在铜析出相附近不易于生成导致材料失效的高应力集中区或裂纹，从而提高钢材的韧性和使用寿命。

由于在其它的含铜合金中均采用了复合元素合金化的方法，高强钢中的铜往往起到了促进马氏体或贝氏体生成的作用，因此其强化作用不能得到充分发挥。而本发明去除了其它所有合金元素，可以使铜的析出强化作用得到充分的发挥。

综上所述，本发明的优点在于，可以较好地利用铜元素的强化作用、韧化作用，并提高钢材的塑性和使用寿命。同时，单一元素合金化使得钢的成份大大简化，节省了合金资源、简化了冶炼工艺、提高了使用寿命，而且十分有利于钢材的回收与再利用，推动现有量大面广的结构用钢在全新的高水平上更新换代。

实施例1

本发明的化学成分为(重量百分数)0.0015％C，0.031％Si，0.034％Mn，0.0009％P，0.0004％S，0.002％N，1.27％Cu。其中Cu是唯一合金化元素，且钢的纯净度高，其延伸率可达32％，屈服强度达580MPa。

岸田宏司等人(CAMP-ISIJ，vol.4，1991，p.2011)研制的含铜钢化学成分为0.0043％C，0.01％Si，0.25％Mn，0.014％P，0.051％Ti，0.67％Ni，0.0006％B，1.27％Cu。其中Ti，Ni，B，Cu是合金化元素，其延伸率为24.4％，屈服强度为507MPa。岩井龙房等人(CAMP-ISIJ，vol.6，1993，p.753)研制的含铜钢化学成分为0.0025％C，0.01％Si，0.15％Mn，0.007％P，0.06％Ti，0.9％Ni，0.0025％N，少量B，1.30％Cu。其中Ti，Ni，B，Cu是合金化元素，其延伸率为24％，屈服强度为530MPa。与此相比，本发明不仅节省了合金元素，而且性能全面优于这两种钢。

实施例2

本发明的化学成分为(重量百分数)0.0015％C，0.020％Si，0.017％Mn，0.0011％P，0.0004％S，0.0014％N，1.60％Cu。其中Cu是唯一合金化元素，且钢的纯净度高，其延伸率可达30％，屈服强度达610MPa。

汪美蔷等人(钢铁，vol.32，1997，p.46)研制的Mn-Cu-B系贝氏体钢含C量为0.02％-0.07％，其余成分未予公布。其中Mn，Cu，B，C是合金化元素，其延伸率为21％，屈服强度为578MPa。与此相比，本发明不仅节省了合金元素，而且性能全面优于此贝氏体钢。

实施例3

本发明的化学成分为(重量百分数)0.0016％C，0.020％Si，0.017％Mn，0.0012％P，0.0005％S，0.0015％N，3.10％Cu。其中Cu是唯一合金化元素，且钢的纯净度高，其延伸率可达20％，屈服强度达700MPa。