[发明专利]一种高强高韧的含Cu低合金高强钢及其热处理方法

说明书

本发明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％；Si0.05％；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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

中国发明专利(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。

中国发明专利(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。

中国发明专利(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。

中国发明专利(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。