一种高强高韧的含Cu低合金高强钢及其热处理方法技术

本发明专利技术涉及低合金高强钢领域，具体说是一种高强高韧的含Cu低合金高强钢及其热处理方法。含Cu低合金高强钢的化学成分(质量百分比)为：C 0.035～0.070％；Ni 3.5～4.5％；Cr 0.8～1.2％；Mo 0.35～0.65％；Mn 0.25～0.65％；Si<0.05％；S≤0.010％；P≤0.010％；Nb 0.025～0.055％；Cu 1.0～2.0％，余量为Fe。其热处理方法包括淬火和回火处理，即先经过840～920℃淬火获得马氏体组织，然后在400～600℃之间进行回火处理，得到回火马氏体组织。热处理后可满足含Cu低合金高强钢对强度、延伸率及低温冲击韧性等综合性能的要求，解决了传统含Cu低合金高强钢强韧性匹配不佳的问题，具有良好的应用前景。

A high strength and high toughness low alloy high strength steel containing Cu and its heat treatment method

【技术实现步骤摘要】
一种高强高韧的含Cu低合金高强钢及其热处理方法
本专利技术涉及低合金高强钢领域，具体说是一种高强高韧的含Cu低合金高强钢及其热处理方法。
技术介绍
低C含Cu的低合金高强钢，作为高端海洋装备用钢的一种，具有较高的强度、较好的韧性及优异焊接性，被广泛用于建造舰船、近海石油平台等。与传统的Fe-Cr-Ni-Mo高强钢相比，含Cu低合金高强钢(如HSLA-100合金钢)中的C含量较低，经回火处理后，Cu将以尺寸细小、弥散分布的纳米富Cu团簇的形式析出，具有沉淀强化作用，从而弥补了低C造成的强度损失。如经过450～500℃回火处理后，富Cu团簇的数量密度最大，从而获得峰值强度，与淬火态相比，其屈服强度提升了约150MPa。值得注意的是，此时合金钢的冲击韧性很低，-20℃冲击功不到20J，强韧性匹配较差。为了获得良好的冲击性能，含Cu低合金高强钢常采用较高的温度进行回火处理。如经过550℃回火处理后，低温冲击韧性得到提升，-20℃冲击功约为150J，但强度下降明显，仅比淬火态屈服强度高50MPa左右，Cu的强化作用显著减弱，其强韧性匹配也不理想。由此可见，现有含Cu低合金高强钢存在强韧性匹配较差的问题，这限制了该类型合金钢的拓展应用。经检索，有下列相关专利文献涉及低合金高强钢，将对其进行具体分析。中国专利技术专利(公开号CN105177445A)公开了一种高韧性3.5Ni钢，C含量为0.04～0.07％，不含有Cu元素。轧制后进行在线淬火处理，冷却至300℃以下后，在570～620℃进行回火处理。合金钢的-120℃冲击功高达227～278J，但其屈服强度低，仅为425～492MPa，合金钢的强韧性匹配也较差。此外，该合金钢需要采用粗轧和精轧(均为热轧)的轧制工艺，对轧制控制要求高，实际生产难度较大，生产成本较高。中国专利技术专利(公开号CN104046917A)公开了一种富Cu团簇强化的超高强度铁素体钢，C含量为0.05～0.10％，经过淬火及550℃回火处理2h后，获得回火马氏体组织，且弥散分布着高密度、尺寸细小的纳米富Cu团簇，其屈服强度为1000～1150MPa，但延伸率较低<15％。同时合金元素含量较高，Cu含量高达2.5％、Mn含量高达1.5％，此外还含有1.5％W、0.25％V，增加了生产成本。值得注意的是，该专利并未提及冲击性能，然而从合金钢合金化元素含量可以看出，其总合金元素含量较高，其中W原子尺寸大，固溶在基体虽然可以提高强度，但对冲击功不利；而V是强碳化物形成元素，含量较多则会析出数量多、尺寸较大的合金碳化物，提高了强度但会损害冲击功。由此可推测该合金钢的冲击韧性较差，不具有较好的强韧性匹配。中国专利技术专利(公开号CN105177425A)公开了一种含Cu纳米相强化低合金钢，通过添加一定的B元素，替代Mo元素，提高钢的热轧能力及淬透性。经过淬火、回火处理后，合金钢的屈服强度高达1500MPa，但未提及其延伸率及冲击性能。中国专利技术专利(公开号CN106636961A)公开了一种含Cu纳米相强化易焊接钢，采用粗轧和精轧(均为热轧)的轧制工艺，然后经过淬火及550℃回火处理后，其屈服强度为1000～1050MPa，延伸率>17％，-80℃冲击功>100J。该合金钢具有较好的强韧性匹配，但合金钢中Ni含量高达6％，合金成本较高。同时对轧制控制的要求较严格，实际生产难度较大。中国专利技术专利(公开号CN106756612A)公开了一种贝氏体/马氏体/奥氏体高韧易焊接船板钢，轧制后直接进行在线淬火，然后进行两相区淬火及回火处理，其中回火处理的温度高达654℃。则合金钢的-84℃冲击功≥150J，延伸率>23％，但是其屈服强度<660MPa，强韧性匹配较差。同时较高的回火温度，增加了生产成本。以上专利公开的低合金高强钢，一方面存在强韧性匹配不好的问题；另一方面合金钢存在制备工艺要求高、生产成本高的问题，可见均存在一定的局限性。然而，“21世纪海上丝绸之路”的不断发展，势必对钢铁材料提出更高的要求，不仅要求高强度，还应具备良好的低温冲击性能，即强韧性匹配好，是保证合金钢结构材料安全服役的关键。分析上述专利可以发现，为了获得良好的低温冲击韧性，含Cu低合金高强钢一般采用高温回火处理，如：HSLA-100钢通常采用550℃回火处理。值得注意的是，高温回火处理会导致合金钢的强度下降显著。实际上，采用高温回火处理的原因：较低温度(如：450℃)回火时，合金钢存在冲击功低的问题，不能满足使用要求。本专利技术针对含Cu低合金高强钢低温回火时冲击功差的问题，采用调控Mn元素的方法达到改变Cu析出行为的目的，通过合适的热处理后可以获得良好的强韧性匹配，不仅具有高的强度，而且具有高的低温冲击韧性和良好的塑形，突破了低温回火时存在冲击功低的瓶颈问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高强高韧的含Cu低合金高强钢及其热处理方法，通过对Mn含量的调控及热处理制度的优化，获得了强韧性匹配良好的合金钢，解决了现有含Cu低合金高强钢强韧性匹配不佳的问题，能够满足高强钢在特殊环境下的安全使用要求。本专利技术的技术方案是：一种高强高韧的含Cu低合金高强钢，按质量百分比，含Cu低合金高强钢的化学成分为：C0.035～0.070％；Ni3.5～4.5％；Cr0.8～1.2％；Mo0.35～0.65％；Mn0.25～0.65％；Si<0.05％；S≤0.010％；P≤0.010％；Nb0.025～0.055％；Cu1.0～2.0％，余量为Fe。所述的高强高韧的含Cu低合金高强钢，按质量百分比，含Cu低合金高强钢的化学成分为：C0.035～0.070％；Ni3.5～4.5％；Cr0.8～1.2％；Mo0.35～0.65％；Mn0.35～0.60％；Si<0.03％；S≤0.010％；P≤0.010％；Nb0.025～0.055％；Cu1.0～2.0％，余量为Fe。所述的高强高韧的含Cu低合金高强钢的热处理方法，对该含Cu低合金高强钢的热处理方法包括淬火和回火处理，具体步骤如下：(1)对钢进行淬火处理，淬火温度为840～920℃，保温30～120min后水淬至室温；(2)对钢进行回火处理，回火温度为400～600℃，保温0.5～100h后水冷至室温。所述的高强高韧的含Cu低合金高强钢的热处理方法，优选的，步骤(2)中，回火温度为425～475℃，保温时间30～100h。所述的高强高韧的含Cu低合金高强钢的热处理方法，优选的，步骤(2)中，回火温度为525～575℃，保温时间0.5～10h。所述的高强高韧的含Cu低合金高强钢的热处理方法，含Cu低合金高强钢经过淬火、回火处理后，合金钢的屈服强度≥950MPa，延伸率≥16％，-50℃冲击功≥150J。本专利技术的设计思想是：本专利技术的出发点是通过调控纳米富Cu团簇的析出行为，以改善合金钢的强韧性匹配。其具体措施为：通过降低Mn元素的含量，以减弱富Cu团簇的析出能力。Mn元素能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强高韧的含Cu低合金高强钢，其特征在于，按质量百分比，含Cu低合金高强钢的化学成分为：C 0.035～0.070％；Ni 3.5～4.5％；Cr 0.8～1.2％；Mo 0.35～0.65％；Mn0.25～0.65％；Si<0.05％；S≤0.010％；P≤0.010％；Nb 0.025～0.055％；Cu 1.0～2.0％，余量为Fe。/n

【技术特征摘要】
1.一种高强高韧的含Cu低合金高强钢，其特征在于，按质量百分比，含Cu低合金高强钢的化学成分为：C0.035～0.070％；Ni3.5～4.5％；Cr0.8～1.2％；Mo0.35～0.65％；Mn0.25～0.65％；Si<0.05％；S≤0.010％；P≤0.010％；Nb0.025～0.055％；Cu1.0～2.0％，余量为Fe。


2.按照权利要求1所述的高强高韧的含Cu低合金高强钢，其特征在于，按质量百分比，含Cu低合金高强钢的化学成分为：C0.035～0.070％；Ni3.5～4.5％；Cr0.8～1.2％；Mo0.35～0.65％；Mn0.35～0.60％；Si<0.03％；S≤0.010％；P≤0.010％；Nb0.025～0.055％；Cu1.0～2.0％，余量为Fe。


3.一种权利要求1至2之一所述的高强高韧的含Cu低合金高强钢的热处理方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡小锋，杜瑜宾，姜海昌，闫德胜，戎利建，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21