一种低成本高强韧贝氏体/马氏体复相钢

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，特别涉及一种低成本高强韧贝氏体/马氏体复相钢。

背景技术

近年来，对于清洁能源的需求剧增，我国风电领域得到迅速发展。风电螺栓，作为风电塔筒的紧固件，急需开发高性能的新一代材料，以满足服役周期长、制备成本低、高强韧性、耐腐蚀与抗延迟断裂等要求。目前高强韧贝氏体钢的开发多采用添加贵合金元素Mo、Nb、Ni等元素，虽然可以改善钢的韧性，提高强度，但由于成本较高，限制其生产与应用。

例如，一种中低碳高强高韧贝氏体钢、钢轨及制备方法（201710384168.0）中公开其化学成分（wt.%）为：C=0.10~0.40%，Mn=1.5~3.00%，Si=0.50~1.50%，Cr=0.50~1.50%，Mo=0.35~1.20%，Ni=0.50~1.20%，Cu=0.25~0.60%，S≤0.01%，P≤0.02%，其余为铁及不可避免的杂质元素。经过热处理后性能抗拉达到≥1320MPa，屈服强度≥1150MPa，常温冲击功Aku2≥80J。其添加了更多的Mo与Ni元素，成本更高。

一种高淬透大尺寸风电螺栓用钢及其制造方法（201711442848.X）中公开该钢化学成分（wt.%）为：C=0.35-0.45％，Si≤0.20％，Mn=0.60-1.00％，P≤0.012％，S≤0.005％，Cr=1.00-1.50％，Mo=0.15-0.40％，B=0.0005-0.003％，Ti=0.03-0.08％，Als=0.02-0.05％，N≤0.005％，Ca=0.0001-0.0003％,其余为Fe及不可避免的杂质。该发明钢的韧性仅达到：-40℃低温冲击功＞27J，无法满足高寒环境恶劣条件的风电螺栓要求。

一种12.9级大规格高韧性风电螺栓用钢及生产方法（202010597125.2）中公开其化学成分（wt.%）为：C=0.35~0.45%，Si=0.20~0.40%，Mn=0.60~0.90%，Cr=0.60~0.90%，Mo=0.10~0.30%，Ni=1.00~1.50%，V=0.15~0.25%，Nb=0.015~0.035%，Alt=0.015~0.040%，Mg=0.0015~0.0035%，S≤0.01%，P≤0.02%，O≤0.0015%，其余为铁及不可避免的杂质元素。经过热处理后性能达到12.9级以上（Rm≥1200MPa，Rp0.2≥1080MPa，A≥8%），其中低温冲击韧性（-101℃）≥50J。其添加了较多的Ni与Nb等贵重合金元素，大大增加了生产成本。

一种铌钼复合微合金化高强度贝氏体钢及其制备方法（201410800961.0）中公开其化学成分（wt.%）为：C=0.19~0.224%，Si=1.43~1.50%，Mn=1.94~2.05%，Nb=0.025~0.027%，Mo=0.142~0.15%，P<0.008%，S<0.002%，N<0.004%，剩余部分为Fe及不可避免的杂质。其终轧温度为900~950℃，30~50℃/s冷速快冷到420~450℃后，再空冷至330~380℃，保温30~45min，水冷至室温，热处理工艺较为繁琐。其抗拉强度最高只能达到1250MPa，屈服强度及低温冲击韧性未介绍，整体强度未达到12.9级标准。

综上所述，现有的贝氏体用钢大多添加了含量过高的合金元素，增加了生产成本，且生产及后续的热处理工艺较复杂，工序多，不适用于大规模工业化生产。因此，针对目前风电螺栓用钢存在的问题，有必要提供一种低成本高强韧风电螺栓钢。

发明内容

本发明提供一种低成本高强韧贝氏体/马氏体复相钢，其包括较低的碳含量与较少的贵合金元素Mo、V添加，具有高强度与高的低温韧性。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

本发明复相钢按质量比，其成分组成为：C≤0.25%；Mn≤2.5%；Si≤2.5%，且2.45≤C+Si+Mn≤4.2%；Mo≤0.3%，Cr≤1.5%，Ni≤0.50%，且1.0%≤Mo+Cr+Ni≤2.0%；V≤0.15%，Nb≤0.05%, 且V+Nb≤0.15%；P≤0.015%；S≤0.01%；碳当量Ceq：0.4-0.75；其余为Fe及不可避免的杂质元素。

所述复相钢的屈服强度Rp0.2≥1200MPa，抗拉强度Rm≥1450MPa，-40℃下V型缺口冲击功Kv2≥45J。

所述复相钢的室温组织为贝氏体和马氏体复相组织。

所述复相钢为风电螺栓用钢。

具体的，本发明中，各元素性能如下：

碳元素C：具有强烈的固溶强化作用，有利于钢种强度的提高，能显著提高钢种的淬透性，但碳含量过高时不利于焊接性能，碳含量超低时，钢的显微组织多为铁素体，强度偏低。

锰元素Mn：是使钢种CCT曲线右移，显著增加淬透性的元素。相对而言，锰元素能显著延缓高温区铁素体和珠光体转变，而对中低温区贝氏体转变的影响较小，达到一定含量时(≥1.5wt％)，能使钢种CCT曲线上出现上下与左右方向完全分开的典型的高温转变区和中温贝氏体转变区，大大增加了钢种淬透性，有利于尺寸较厚的产品从奥氏体化高温空冷即可获得性能优良的贝氏体组织，便于简化生产工艺和降低成本。此外，锰元素有固溶强化的作用，有利于强度的提高，且锰元素含量增加，有利于提高钢的耐点蚀能力和对海洋大气的耐蚀性。但是如果锰元素含量过高容易造成成分的偏析，影响组织性能稳定性。

硅元素Si：可抑制脆性的碳化物析出，利于韧塑性配合良好的残余奥氏体膜的形成。Si是非碳化物形成元素，具有较高的固溶强化效果，可促进Mn在相界面的富集，有利于促进贝氏体转变。

铬元素Cr：具有固溶强化的作用，有利于强度的提高。同时，铬元素能提高钢种的淬透性，有利于钢轨轨头部分内外性能的均匀一致。但是如果铬元素含量偏高，会在钢中形成过量的马氏体，影响韧性改善。

钼元素Mo：强烈提高钢种的淬透性，有利于钢轨空冷条件下即可获得贝氏体组织和性能的均匀一致性。此外，钼使得钢的锈层致密，可提高钢在海洋大气环境中的抗腐蚀能力。锈层中的Mo可抑制氯离子的侵入，使得氯离子集中于锈层外部。此外，钼元素可提高钢的回火抗力。但是如果钼元素含量过高，一方面会增加钢的成本，另一方面也会造成成分的偏析，影响组织性能稳定性。

镍元素Ni：有利于提高钢的韧性，尤其是低温冲击韧性的提高。如果镍元素含量过高，会增加钢的合金成本。

钒元素V：可提高钢的强度、韧性、延展性及抗热疲劳性等综合机械性能，并使钢具有良好的可焊性。但是如果钒元素含量过高，易出现大的VN颗粒出现，影响钢的韧性。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

（1）本发明通过控制各合金元素的合理配比，降低了贵合金元素的添加，获得了具有贝氏体/马氏体组织的复相钢，有效地改善了其力学性能和低温韧性。

（2）本发明得到的高强韧低成本贝氏体/马氏体复相钢综合性能得到明显提升，具体地，其屈服强度Rp0.2≥1200MPa，抗拉强度Rm≥1450MPa， -40℃冲击功Kv2＞45J。

（3）本发明的高强韧低成本贝氏体/马氏体复相钢适用于12.9级风电螺栓，对于风电螺栓材料的开发与使用具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中所得的复相钢中马氏体与贝氏体组织图；

图2为本发明实施例1中所得的复相钢冲击断口形貌图；

图3为本发明实施例2中所得的复相钢中马氏体与贝氏体组织图；

图4为本发明实施例2中所得的复相钢冲击断口形貌图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种低成本高强韧贝氏体/马氏体复相钢。

该复相钢按质量比，其成分组成为：C≤0.25%；Mn≤2.5%；Si≤2.5%，且2.45≤C+Si+Mn≤4.2%；Mo≤0.3%，Cr≤1.5%，Ni≤0.50%，且1.0%≤Mo+Cr+Ni≤2.0%；V≤0.15%，Nb≤0.05%, 且V+Nb≤0.15%；P≤0.015%；S≤0.01%；碳当量Ceq：0.4-0.75；其余为Fe及不可避免的杂质元素。

其中，复相钢的屈服强度Rp0.2≥1200MPa，抗拉强度Rm≥1450MPa，-40℃下V型缺口冲击功Kv2≥45J。

复相钢的室温组织为贝氏体和马氏体复相组织。

下面结合具体实施例予以说明。

实施例1

一种贝马复相钢，其合金元素含量，按质量百分比为：

C=0.20%，Si=1.2%，Mn=2.0%，Cr=0.7%，Ni：0.2%，Mo=0.1%，V=0.02%，P≤0.01；S≤0.01，其余为Fe。

经冶炼、铸造、加热、轧制、淬火和回火工序最终得到的试样，其抗拉强度Rm为1480MPa，屈服强度Rp0.2为1210MPa，延伸率为17%，-40℃下V型缺口冲击功Kv2为52J。其组织为马氏体与贝氏体，如图1所示，冲击断口形貌如图2所示。

实施例2

一种贝马复相钢，其合金元素含量，按质量百分比为：

C=0.22%，Si=1.5%，Mn=2.2%，Cr=0.8%，Ni：0.5%，Mo=0.3%，V=0.10%，Nb=0.05%，P≤0.01；S≤0.01，其余为Fe。

经冶炼、铸造、加热、轧制、淬火和回火工序最终得到的试样，其抗拉强度Rm为1480MPa，屈服强度Rp0.2为1360MPa，延伸率为12.5%，-40℃下V型缺口冲击功Kv2为50J。其组织为马氏体与贝氏体，组织如图3所示，冲击断口如图4所示。

实施例3

一种贝马复相钢，其合金元素含量，按质量百分比为：

C=0.18%，Si=1.4%，Mn=1.9%，Cr=0.6%，Ni：0.3%，Mo=0.15%，V=0.10%，Nb=0.015%，P≤0.01；S≤0.01，其余为Fe。

经冶炼、铸造、加热、轧制、淬火和回火工序最终得到的试样，其抗拉强度Rm为1494MPa，屈服强度Rp0.2为1201MPa，延伸率为14.9%，-40℃下V型缺口冲击功Kv2为47J。其组织为马氏体与贝氏体。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。