CN102691018A

CN102691018A - 一种低压缩比超高强度海洋工程用钢板及其生产方法

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Publication number: CN102691018A
Application number: CN2012101899947A
Authority: CN
Inventors: 李恒坤; 吴年春; 尹雨群; 刘朝霞; 崔强; 车马俊
Original assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2012-09-26

Abstract

本发明公开了一种低压缩比超高强度海洋工程用钢板及制造方法，该超高强度海洋工程用钢板化学成分按重量百分比计，C：0.04～0.07%，Si：0.10～0.30%，Mn：1.60～1.80%，P：≤0.010%，S：≤0.0080%，Nb：0.030～0.050%，V：0.020～0.060%，Ti：0.006～0.015%，Ni：0.90～1.30%，Cr：0.30～0.60%，Cu：0.20～0.40%，Mo：0.40～0.60%，余量为Fe及不可避免的杂质。通过实验室冶炼，轧机上试轧，通过TMCP工艺，随后进行调质处理。实现超高强海洋工程用钢板的超高强度、高韧性、可焊性及可生产性。

Description

一种低压缩比超高强度海洋工程用钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于冶金领域，涉及一种钢板及其生产方法，尤其是一种低压缩比超高强度海洋工程用钢板及其生产方法。

背景技术

21世纪人类进入了开发利用海洋的新时代，国际间以开发和占有海洋资源为核心的海洋维权斗争愈演愈烈，与之相伴的海洋科技实力的较量也日益凸显。大量事实表明，海洋科技已进入全球科技竞争的前沿，并成为国家间综合实力较量的焦点之一。海洋科技的发展离不开钢铁材料，海洋工程用钢市场需求增大，发展前景广阔。超高强度海洋工程用钢板由于其具有超高强度、良好的冲击韧性、冷成型性和优良的可焊性能已被广泛应用于海洋工程装备中，海洋工程装备主要用于海上油气的钻探、开发以及相关配套产品开发，具有高技术、高投入、高附加值和高风险等特点，对产品的可靠性和安全性要求很高，近年来已成为各国政府重点扶持发展的战略产业和造船企业竞相竞争的高端领域。由于海洋工程装备是在苛刻的腐蚀性环境下使用的大型工程结构件，其水下部分结构长期受到海水及海生物的侵蚀，因此对耐低温和耐腐蚀性要求较高。随着海洋工程装备大型化，抗海水冲击能力，希望超高强度海洋工程用钢板除了具有上述性能之外，还需要满足大厚度要求。而国内许多钢铁生产企业生产高强机械钢，采用连铸生产方式，相对于模铸来讲，铸坯厚度一般较小，通常铸坯厚度低于220mm，对于满足生产80 mm及以上的厚规格的低合金高强度钢板来讲，低压缩比这无疑是众多厂家需要克服的难题之一。

为了解决上述难题，利用真空冶炼，探索低压缩比生产大厚度规格的超高强海洋工程用钢的可行性。通常来说，钢的强度越高，塑性与低温韧性越难提高。为了大幅度提高了海洋工程用钢的强度和低温韧性，同时得到与超高强度海洋工程用钢的高强度与良好的低温韧性相匹配的良好塑性，需要合理的合金化，通过合理工艺，使钢材获得理想的组织形态，才能满足钢材能够在恶劣的海洋环境下应用。

现有的涉及海洋工程用钢的生产方法的专利，主要是通过控轧控冷或热处理方法获得海洋工程用钢板，具体生产方法如下：

中国专利 CN 102400043 提供了一种大厚度海洋工程用钢板及其生产方法，它通过微合金化，通过电炉冶炼、VD炉真空脱氧，拉成330mm厚坯，随后进行两阶段轧制，最后进行调质处理，获得了钢板厚度为150mm的大厚度海洋工程用钢板，屈服强度在460MPa以上，抗拉强度介于530～650MPa之间，-40℃的冲击功优异。但是该钢种强度偏低，且只给出-40℃低温冲击功，没有明确冲击试样取样方向。

中国专利 CN 102392192 提供了一种80mm厚低压缩比海洋工程用钢板及制造方法，采用控轧控冷工艺结合正火处理，最终组级别为铁素体与珠光体。由于其钢中碳、锰含量相对高，从提供的组织图来看，存在一定的带状组织。且强度较低，屈服强度介于360~370 MPa之间。

发明内容

鉴于以上现有技术的不足，为了实现超高强海洋工程用钢板的超高强度、高韧性、可焊性及可生产性，本发明的目的是提供一种低压缩比超高强度海洋工程用钢板及其生产方法，该方法通过合理的化学成分设计，轧制阶段的合理压缩比和TMCP控制，及合理的调质工艺，获得了性能优异的超高强海洋工程用钢板。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种低压缩比超高强度海洋工程用钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按重量百分比计，C：0.04～0.07%，Si：0.10～0.30%，Mn：1.60～1.80%， P：≤0.010%，S：≤0.0080%，Nb：0.030～0.050%，V：0.020～0.060%，Ti：0.006～0.015%，Ni：0.90～1.30%， Cr：0.30～0.60%，Cu：0.20～0.40%，Mo：0.40～0.60%，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明的组织为片层间距细小的回火索氏体。由于钢的化学成分是影响连铸坯内部质量与高强钢板性能的关键因素之一，本发明为了使所述钢获得优异的综合性能，对所述钢的化学成分进行了限制，原因在于：

C：碳是影响超高强度钢力学性能的主要元素，当碳含量低于0.04则强度低，含量过高，则存在韧性和可焊性变差的缺点。为了减轻后续焊接难度，本发明碳含量控制在0.04～0.07%。

Si：硅是炼钢脱氧的必要元素，也具有一定的固溶强化作用，在本发明中将硅限定在0.10～0.30%。

Mn：锰对细化组织，提高强度和韧性有利。在调质钢中可以增加钢的淬透性，并且成本低廉。锰含量过高，则会在实际生产中引起连铸坯偏析；对于本发明钢，对低温韧性要求比较高，故本发明中锰含量控制在1.60～1.80%。

Nb：微量铌的溶质拖曳作用和Nb对奥氏体晶界的钉扎作用，均抑制形变奥氏体的再结晶，并在冷却或调质处理的回火时形成析出物，从而使强度和韧性均得到提高。本发明钢中，添加量小于0.030%时效果不明显，大于0.050%时韧性降低，易导致连铸坯表面裂纹，此外对焊接性能也有恶化作用。因此，铌含量应控制在0.030～0.050%。

V：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加入钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。回火时或焊接后冷却时形成碳化物，有利于增加强度。添加量小于0.020%时效果不明显，大于0.060%时，钢的韧性与可焊接性降低。因此，钒含量应控制在0.020～0.060%的范围内。

Ti：钛是用来固定钢中的氮元素，在适当条件下，钛、氮形成氮化钛，阻止钢坯在加热、轧制、焊接过程中晶粒长大，改善母材和焊接热影响区的韧性。钛低于0.006%时，固氮效果差，超过0.015%时，固氮效果达到饱和，过剩的钛会使钢的韧性恶化。故在本发明中，结合实际生产中钢中氮含量控制范围，将钛成分控制在0.006～0.015%。

Cr、Cu：铬与铜是提高钢淬透性的元素，能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成，促进低温组织贝氏体或马氏体的转变，是调质钢常加入的元素之一。但Cr与Cu含量过高将影响钢的韧性，并引起回火脆性，本发明中铬含量控制在0.30～0.60%，铜含量控制在0.20～0.40%。

Mo：与Cr同样地使硬化能增加，大量添加时会增加成本，并降低韧性和可焊性，限制在0.80%以下。回火时，形成碳化物颗粒，从而有利于析出强化。钼含量控制在0.40～0.60%。

钢中的杂质元素，如S、P等，增加连铸坯偏析程度，严重损害所述钢焊接区的低温韧性。因此，硫、磷含量应分别控制在≤0.010%和≤0.0080%以下。

一种低压缩比超高强度海洋工程用钢板的生产方法，其特征在于该生产方法包括如下工序：

冶炼工艺：采用真空感应炉冶炼，选择杂质元素较低的废钢，进行微合金化，冶炼成钢锭，随后锻打成坯，锻打温度介于1000～1100℃。钢坯的化学成分按重量百分比计符合，C：0.04～0.07%，Si：0.10～0.30%，Mn：1.60～1.80%， P：≤0.010%，S：≤0.0080%，Nb：0.030～0.050%，V：0.020～0.060%，Ti：0.006～0.015%，Ni：0.90～1.30%， Cr：0.30～0.60%，Cu：0.20～0.40%，Mo：0.40～0.60%，余量为Fe及不可避免的杂质。

轧制工艺：采用控轧控冷工艺，轧前连铸坯加热温度介于1180℃～1220℃，采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制，粗轧每道次压下率12～25%，粗轧终轧温度1000～1080℃，粗轧成1.5～2倍成品厚度的中间坯；精轧开轧温度为830～850℃，轧后采用层流冷却，终冷温度470～550℃，冷却速率10～20℃/s，随后空冷。

热处理工艺：将空冷后的钢板再进行加热，加热温度在Ac₃之上30～80℃进行奥氏体相区淬火处理，淬火温度在900～930℃，保温时间为2min/mm×板厚，淬火后钢板获得了均匀淬火板条状马氏体，原始奥氏体晶粒细小，淬火后在580～630℃回火，回火保温时间为2min/mm×板厚+30min。

本发明通过合理的成分控制，利用合理的压下比分配制度、TMCP技术、调质热处理工艺，获得了一种超高强度海洋工程用钢，组织为回火索氏体，片层间距较为细小，原奥氏体晶粒细小、均匀。本发明钢具有超高强度、优异的低温韧性、塑性较高等性能有点。通过本发明获得的超高强度钢具体性能为：材料的抗拉强度为810～880MPa，屈服强度为710～810MPa，延伸率为18～22%，-65℃低温横向冲击≥60J。具有生产工艺稳定，可操作性强等特点。

本发明具有如下优点：

1、在利用合理的化学成分设计方式和易于在生产中实现的TMCP工艺的前提下，通过离线调质热处理方法，便可获得片层间距细小的回火索氏体，组织均匀。

2、通过简单的热处理方法，充分发挥钢在TMCP过程中来不及析出的微合金元素的强化作用，使钢材的抗拉强度上升，并通过回火热处理方式，使钢中马氏体中的片层转变成相对较软的铁素体相，使延伸率上升，低温冲击韧性提高，-65℃低温冲击≥60J。

3、本发明的制造方法，不需要增加任何设备，只是通过合理的TMCP的控制，便可获得低压缩比的超高强海洋工程用钢。

4、本发明制造方法，通过调质热处理，与通常钢板的调质热处理温度区间差不多一致，便于与其它钢种统筹组织生产，节省工业排产时间。

5、本发明制造方法，对于如此超高强度钢板制造，无需较大轧制负荷的轧制，超快冷设备，只要在普通轧机上与冷却设备下。通过简单的TMCP和离线热处理，便可保证生产的超高强度钢获得良好的强韧性匹配、较高的塑性。工艺简便，性能质量稳定。

本发明实现了超高强海洋工程用钢板的超高强度、高韧性、可焊性及可生产性。

附图说明

图1是实施例1经调质处理后在钢板厚度方向1/4处典型组织。

具体实施方式

一种本发明所述的低压缩比超高强度海洋工程用钢板，该钢板中钢的化学成分按重量百分比计，C：0.04～0.07%，Si：0.10～0.30%，Mn：1.60～1.80%， P：≤0.010%，S：≤0.0080%，Nb：0.030～0.050%，V：0.020～0.060%，Ti：0.006～0.015%，Ni：0.90～1.30%， Cr：0.30～0.60%，Cu：0.20～0.40%，Mo：0.40～0.60%，余量为Fe及不可避免的杂质。

根据本发明的生产工艺，冶炼轧制本发明的钢种实际化学成分如表1所示。

表1 本发明实施例的化学成分（wt%）

实施例	C	Si	Mn	P	S	Nb	Ti	Ni	Cr	Cu	Mo	V
													实施例1	0.065	0.22	1.76	0.0078	0.0075	0.040	0.012	1.00	0.31	0.31	0.49	0.032
实施例2	0.055	0.25	1.69	0.0080	0.0069	0.036	0.011	1.20	0.56	0.20	0.45	0.037
													实施例3	0.042	0.20	1.65	0.0081	0.0051	0.044	0.011	1.18	0.38	0.36	0.48	0.023
实施例4	0.060	0.18	1.72	0.0073	0.0073	0.048	0.009	1.26	0.42	0.25	0.55	0.033

一种低压缩比超高强度海洋工程用钢板的生产方法，包括如下工序：

采用真空感应炉冶炼，选择杂质元素较低的废钢，进行微合金化，冶炼成钢锭，钢锭，随后锻打成长方体钢坯，锻打温度介于1000～1100℃，钢坯截面为90×90 mm。

本发明轧制工艺如下，采用控轧控冷工艺，轧前连铸坯加热温度介于1180℃～1220℃。采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制。其中实施例1、实施例2及实施例3轧制成25mm试验钢板，实施例4轧制成30mm试验钢板，轧制采取3+2两阶段轧制，实施例1、实施例2及实施例3压下制度为：90mm→75 mm→65 mm→50mm→37mm→25 mm，实施例4压下制度为：90mm→75 mm→65 mm→55mm→42mm→30 mm，随后冷却。具体工艺参数见表2。

表2 轧制工艺参数表

实施例	最终厚度/mm	粗轧开轧温度 /℃	粗轧终轧温度/ ℃	中间坯厚度/mm	精轧开轧温度/ ℃	终轧温度/ ℃	开冷温度/℃	冷却时间/s	终冷温度/℃
										实施例1	25	1085	1034	50	840	837	740	17	520
实施例2	25	1053	1042	50	845	832	724	17	497
										实施例3	25	1068	1029	50	848	835	716	18	480
实施例4	30	1076	1052	55	843	840	730	20	485

热处理工艺：将空冷后的钢板再进行加热，加热温度在Ac₃之上30～80℃进行奥氏体相区淬火处理，淬火温度在900～930℃，淬火保温时间为2min/mm×板厚，淬火后钢板获得了均匀淬火板条状马氏体，原始奥氏体晶粒细小，淬火后在580～630℃回火，回火保温时间为2min/mm×板厚+30min。具体工艺参数见表3。

表3 热处理工艺参数表

按照本发明的工艺获得的性能如表4，实施例1经调质处理后钢板厚度方向1/4处典型的回火索氏体金相组织形貌见图1，由图可见，组织为回火索氏体，片层间距较为细小均匀。

表4本发明实施例调质热处理后获得的板材力学性能

材料的抗拉强度为810～880MPa，屈服强度为710～810MPa，延伸率为18～22%，-65℃低温横向冲击≥60J。具有生产工艺稳定，可操作性强等特点。

Claims

1.一种低压缩比超高强度海洋工程用钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按重量百分比计，C：0.04～0.07%，Si：0.10～0.30%，Mn：1.60～1.80%， P：≤0.010%，S：≤0.0080%，Nb：0.030～0.050%，V：0.020～0.060%，Ti：0.006～0.015%，Ni：0.90～1.30%， Cr：0.30～0.60%，Cu：0.20～0.40%，Mo：0.40～0.60%，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的低压缩比超高强度海洋工程用钢板，其特征在于：该钢板组织为片层间距细小的回火索氏体。

3.一种权利要求1所述的低压缩比超高强度海洋工程用钢板的生产方法，其特征在于该生产方法包括如下工序：

冶炼工艺：采用真空感应炉冶炼，进行微合金化，冶炼成钢锭，随后锻打成坯，锻打温度介于1000～1100℃；钢坯的化学成分按重量百分比计符合，C：0.04～0.07%，Si：0.10～0.30%，Mn：1.60～1.80%， P：≤0.010%，S：≤0.0080%，Nb：0.030～0.050%，V：0.020～0.060%，Ti：0.006～0.015%，Ni：0.90～1.30%， Cr：0.30～0.60%，Cu：0.20～0.40%，Mo：0.40～0.60%，余量为Fe及不可避免的杂质；

轧制工艺：采用控轧控冷工艺，轧前连铸坯加热温度介于1180℃～1220℃，采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制，粗轧每道次压下率12～25%，粗轧终轧温度1000～1080℃，粗轧成1.5～2倍成品厚度的中间坯；精轧开轧温度为830～850℃，轧后采用层流冷却，终冷温度470～550℃，冷却速率10～20℃/s，随后空冷；

热处理工艺：将空冷后的钢板再进行加热，加热温度在Ac₃之上30～80℃进行奥氏体相区淬火处理，淬火温度在900～930℃，淬火保温后钢板获得了均匀淬火板条状马氏体，原始奥氏体晶粒细小，淬火后在580～630℃回火保温，得到低压缩比超高强度海洋工程用钢板。

4.根据权利要求3所述的低压缩比超高强度海洋工程用钢板的生产方法，其特征在于：热处理工艺中，淬火保温时间为2min/mm×板厚，回火保温时间为2min/mm×板厚+30min。