2200MPa级超高强度热轧线材及其制造方法

摘要

本发明提供一种2200MPa级超高强度热轧线材及其制造方法。本发明的2200MPa级超高强度热轧线材由以下化学成分组成(重量百分比)：C：0.40～0.60％、Si：2.5～4.0％、Mn：3.0～5.0％、Mo：0.40～0.60％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明采用Mn－Si－Mo系成分，通过纯净化冶炼，锻造，粗轧，精轧和吐丝技术，获得了以纳米尺度马氏体组织为特征的热轧线材，马氏体板条宽度约为5～15nm。该钢屈服强度≥1900MPa、抗拉强度≥2200MPa、屈强比≥0.85，延伸率≥8.0％，断面收缩率≥40％。

说明书

技术领域

本发明涉及高强度钢及其制造方法，具体地说，本发明涉及2200MPa级超高强度 热轧线材及其制造方法。

背景技术

近年来，在桥梁、汽车和机械制造等工业飞速增长的同时，为实现节约资源和保 护环境的可持续发展，对高强度线材和条钢的需求日益增加。而超高强度钢是在合金 结构钢的基础上发展起来的一种高强度、高韧性合金钢，热加工工艺简单，成本相对 低廉，目前已被航空、航天部门广泛采用，是制造国防尖端武器的关键材料。相对于 普通强度钢，超高强度钢对氢更为敏感，使用中可能会发生氢致断裂。研究表明，不 同的显微组织对氢脆的敏感性不同，大致按如下次序增加：铁素体、珠光体、贝氏体、 低碳马氏体、马氏体和贝氏体的混合物组织。

当前提高线材和条钢强度的主要技术是合金化和提高碳含量。

合金化技术是目前提高钢材强度所普遍采用的方法。该方法通过添加Ni、Cr、Mo、 Si和Mn等合金元素以及Nb、V、Ti等微合金元素，利用合金化强化来提高钢的强度 和韧性，代表钢种主要有弹簧钢、螺栓钢等，例如60Si2CrVA、50CrV4、55SiCr6以及 54SiCrV6等。这类钢的强度一般可达到1500MPa，通过调质处理可达到1800MPa，并 且具有较好的韧性。然而，合金化强化技术的缺点是：添加大量合金化元素会提高材 料成本，同时使冶金工艺变得复杂。

提高碳含量也可以提高钢帘线的强度，代表钢种主要有82MnQL、87MnQL以及82 钢帘线等。这类钢中的碳含量都≥0.80％，其强度可达到1200MPa左右，最高可达到 1700MPa。但是，随着强度提高，钢的韧性降低，钢丝的氢脆敏感性增加，扭转性能下 降，冷拔后组织为片层珠光体。因此这类钢在使用过程中往往表现出韧性不足，这会 缩短钢的使用寿命，制约此类钢的推广应用。

要提高高强度钢的韧性，有冶炼和控轧控冷两种方法。

从冶炼入手，提高钢的洁净度和组织均匀度，降低碳含量，对难以除去的夹杂物 进行改性或无害化处理是实现高强度钢高韧化的前提和基础。

通过控制轧制、控制冷却(即TMCP)技术，使材料显微组织超细化，从而实现高 韧化、高强度的目的。显微组织超细化是目前唯一既提高强度又提高韧性的钢材强化 方式。对于珠光体和铁素体钢进行组织细化，可以获得较高的韧性，但是其强度提高 不大；马氏体钢具有较高的强度，但马氏体板条的组织细化比较困难，工艺也比较复 杂。因此，细化马氏体组织是提高马氏体钢韧性的一个难点。

经检索，发现日本专利文献(JP2003105485)，其公开的弹簧钢的化学成分为C： 0.4～0.9％，Si：0.5～3％，Mn：0.1～2％，P：≤0.02％，S：≤0.02％，其余为铁和不可 避免的杂质；拉伸强度为1800～2400MPa。但该弹簧钢的显微组织为片层状马氏体和 铁素体混合组织，并且其碳含量较高，属于中高碳弹簧钢，该钢轧后采用20～200℃ /s淬火快速冷却，随后进行200℃以下低温回火处理。该发明添加合金元素较多，成 本较高；该钢需快速冷却和低温回火处理，塑性较差；另外，淬、回火处理使生产工 艺复杂。

为解决上述问题，本发明的发明人结合合金化强化和显微组织超细化机理，在中 低碳钢中添加Mn、Si和低含量Mo等元素，通过对轧制工艺的控制并简化，获到了一 种以纳米尺度针状马氏体组织为特征的2200MPa级超高强度热轧线材。

本发明的一个目的在于提供一种2200MPa级超高强度热轧线材。

本发明的另一个目的在于提供所述热轧线材的制造方法。

发明内容

本发明的第一个方面提供一种2200MPa级超高强度热轧线材，以重量百分比计其 化学成分包含：C：0.40～0.60％、Si：2.5～4.0％、Mn：3.0～5.0％、Mo：0.40～0.60％， 余量为Fe和不可避免的杂质。

在一个优选实施方式中：在所述不可避免的杂质中，S≤0.010％，P≤0.015％，O、 N、H总量＜50mg/kg。

在另一个优选实施方式中：所述线材的显微组织为纳米尺度针状马氏体，马氏体 板条宽度尺寸为5～15nm。

本发明钢的合金元素含量少，既节省资源，又降低了生产成本。同时冶金工艺简 单，通过控轧控冷即可实现，不需要额外的调质热加工处理。

下面，对本发明的热轧线材的化学成分作用作详细叙述。

C：由于钢的强韧性主要取决于它的含碳量及其组织结构，为了保证钢具有相当 高的强度和良好的韧性，对钢中的含碳量有一定的限制，因此含碳量一般控制在 0.40～0.60％之间。

Si：Si在钢中的作用主要是固溶强化。较高含量的Si能够提高钢的淬透性，一 般钢中加Si有利于提高钢的强度和韧性。另外，Si可以增加降低氢扩散速度的奥氏 体数量，并使钢可以在更高温度下回火。因此，本发明将Si含量限制为2.5～4.0％。

Mn：Mn在钢中的作用是固溶强化和提高钢丝的淬透性，但是Mn的偏析倾向较高， 因此Mn含量不易过高，故控制在3.0～5.0％之间。

Mo：改善钢的耐蚀性，另外可以起到析出强化的作用，由于Mo比较昂贵，故本 发明只需加入少量Mo，加入量为0.40～0.60％。

本发明的第二个方面提供所述线材的制造方法，该方法包括冶炼、浇铸、加热、 锻造、粗轧、精轧、吐丝和控制冷却，其中在所述控制冷却过程中，采用斯太尔摩控 制冷却方法对线材进行快速冷却，冷却速率为10±1℃/s。

其中，在所述浇铸过程中，浇铸后的连铸坯或钢锭的厚度不小于锻坯厚度的10 倍；在所述加热过程中，加热温度优选1250～1300℃，保温时间优选130～150分钟； 在所述锻造过程中，锻造温度优选≥1150℃，锻成50×50±1mm²的长方坯；在所述粗 轧过程中，粗轧开始温度范围优选1130～1150℃，轧后温度范围优选1110～1130℃， 轧成φ22±0.5mm的棒材；在所述精轧过程中，加热温度优选≥1050℃，轧制温度范围 优选1000～1050℃，在连轧机上轧成φ10±0.3mm的线材；在所述吐丝工艺中，吐丝温 度范围优选830～870℃，吐丝规格为φ7±0.3mm。吐丝后线材进行斯太尔摩快速冷却， 目的是为了获得性能优异的纳米尺度针状马氏体组织。所得线材的屈服强度≥ 1900MPa、抗拉强度≥2200MPa、屈强比≥0.85，延伸率≥8.0％，断面收缩率≥40％。

本发明的有益效果为：

1、本发明钢种采用Mn-Si-Mo系成分，合金种类常见且用量少，生产成本较低。

2、通过成分设计和轧制工艺的配合，获得了纳米尺度针状马氏体组织，保证线材 板具有较高的强韧性。

3、由于成分和工艺设计合理，从实施效果来看，工艺制度比较宽松，工艺流程简 化，可以在普通生产线上稳定生产。

附图说明

图1为本发明实施例1的显微组织金相照片(1000×)；

图2为本发明实施例1的显微组织透射电子照片。

具体实施方式

以下用实施例结合附图对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最 佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

对比例

按表1所示的化学成分在真空电磁感应炉中冶炼钢水，并浇铸成连铸坯或钢锭， 将连铸坯或钢锭加热至1250～1300℃，保温130分钟组织均匀化处理；然后进行锻造， 锻造温度≥1200℃，锻成50×50±1mm²的长方坯。随后进行热轧粗轧，粗轧开始温度 范围1130～1150℃，轧成φ22±0.5mm的棒材。精轧温度范围为1000～1050℃，在连 轧机上轧成φ10±0.3mm的线材。最后进行斯太尔摩吐丝和快速冷却，吐丝温度范围为 830～870℃，吐丝规格为φ7±0.3mm，吐丝后线材进行快速冷却。

实施例1

按表1所示的化学成分在真空电磁感应炉中冶炼钢水，并浇铸成连铸坯或钢锭， 将连铸坯或钢锭加热至1250～1300℃，保温130分钟组织均匀化处理；然后进行锻造， 锻造温度≥1200℃，锻成50×50±1mm²的长方坯。随后进行热轧粗轧，粗轧温度范围 1130～1150℃，轧成φ22±0.5mm的棒材。精轧温度范围为1000～1050℃，在连轧机上 轧成φ10±0.3mm的线材。最后进行斯太尔摩吐丝和快速冷却，吐丝温度范围为830～ 870℃，吐丝规格为φ7±0.3mm，吐丝后线材进行快速冷却，冷却速率为10℃/s。

实施例2

实施方式同实施例1，其中加热温度为1250～1300℃，保温140分钟；锻造温度 ≥1200℃，锻成50×50±1mm²的长方坯；粗轧开始温度范围1130～1150℃，轧成φ22 ±0.5mm的棒材。精轧温度范围为1000～1050℃，在连轧机上轧成φ10±0.3mm的线材。 斯太尔摩吐丝温度范围为830～870℃，吐丝规格为φ7±0.3mm，吐丝后线材进行快速 冷却，冷却速率为9℃/s。

实施例3

实施方式同实施例1，其中加热温度为1250～1300℃，保温150分钟；锻造温度 ≥1200℃，锻成50×50±1mm²的长方坯；轧开始温度范围1130～1150℃，轧成φ22± 0.5mm的棒材。精轧温度范围为1000～1050℃，在连轧机上轧成φ10±0.3mm的线材。 斯太尔摩吐丝温度范围为830～870℃，吐丝规格为φ7±0.3mm，吐丝后线材进行快速 冷却，冷却速率为11℃/s。

表1本发明对比例和实施例1-3的热轧线材的化学成分(wt％)

  成分   C   Si   Mn   Mo   Fe及杂质   对比例   0.30   2.50   2.0   0.30   余量   实施例1   0.40   2.50   3.0   0.40   余量   实施例2   0.50   3.0   4.0   0.50   余量   实施例3   0.60   4.0   5.0   0.60   余量

根据GB/T228-2002对本发明对对比例和实施例1-3的热轧线材进行力学性能测 试，测试结果见表4。

表4本发明对比例和实施例1-3的热轧线材的力学性能

  实施方案   屈服强度   (MPa)   抗拉强度   (MPa)   屈强比   断面收缩率   (％)   延伸率   (％)   对比例   1551   1797   0.86   55.5   9.7   实施例1   1950   2299   0.85   49.0   9.3   实施例2   1980   2305   0.85   45   9.0   实施例3   2010   2330   0.85   43.4   8.5

结合图1、2和表2可以看出，本发明热轧线材的微观组织为纳米尺度针状马氏体， 马氏体板条平均尺寸约为十几个纳米，且其屈服强度达到1900MPa以上，屈强比较高， 同时具有良好的韧性，可作为高强度线材和条钢用钢。