CN102796955A

CN102796955A - 搪瓷钢用热轧中厚板及其制造方法

Info

Publication number: CN102796955A
Application number: CN2011101379331A
Authority: CN
Inventors: 张爱文; 焦四海; 孙全社
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2031-05-25
Also published as: CN102796955B

Abstract

本发明提供一种搪瓷用钢，其按重量百分比计的成分为：基体C：0.10-0.20％，Si：0.20-0.40％，Mn：0.5-1.5％，P≤0.03％，S≤0.03％，Al：0.01-0.05％，N≤0.008％，Ti：0.005-0.03％，V≤0.10％，余量为铁和不可避免的杂质，厚度为150-200微米的表面层C≤0.022％。其制造方法，包括：由钢水铸造成连铸坯或钢坯；连铸坯或钢坯于1100-1250℃加热后，进行一道次或多道次轧制，总压下率≥75％；终轧温度≥850℃；轧制后的钢板在750℃-780℃温度区间保温，保温时间按照钢板厚度7min/mm计算。其5-20mm厚轧态钢板的屈服强度≥235MPa，A₅≥30％，室温冲击韧性Akv大于100J；搪瓷后，其屈服强度≥235MPa，A₅≥30％，-40℃的Akv≥100J。

Description

搪瓷钢用热轧中厚板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种搪瓷专用钢板，具体地说是涉及一种在厚度方向具备碳浓度梯度的热轧高强度搪瓷钢中厚板及其制造方法。

背景技术

搪瓷制品的加工工艺是，对加工成形后的钢板制胚表面进行搪瓷，然后进行高温烧结。钢板经搪瓷后，表面的瓷釉具有耐高温、耐蚀性好、外观美观等特点。但是，普通的钢板很难用于搪瓷用途，原因是经常产生碳爆和鳞爆。碳爆是指搪烧时钢板中的碳与搪瓷釉料中的水、氧气或者氧化物反应生成CO、CO₂以及H₂气体，这些气体溢出后将在搪瓷层中形成气泡，搪瓷层中的气泡将影响搪瓷层的耐腐蚀等性能，并且H₂的溢出会导致鳞爆现象。鳞爆是搪瓷制品的主要缺陷。鳞爆产生的机理主要是搪瓷制胚在高温烧结时，瓷浆内的结晶水与钢板表面的铁、碳反应生成原子氢。反应式见下式：

H₂O+Fe FeO+2H

H₂O+C CO+2H

原子氢向钢中扩散，以原子或分子的形式溶解于铁，或吸附在钢中的组织孔隙、晶界位错、基体与非金属夹杂物之间的空位处等等。当制品冷却时，氢在钢中的溶解度急剧下降，如果钢中没有足够的吸氢场所，氢原子则会大量逸出，在钢板表面积聚，至一定程度以很大压力冲破瓷釉表面，产生鳞爆剥落。鳞爆的产生就是因为氢气在涂搪冷却时释放所引起的。

导致搪瓷制品产生鳞爆的因素很多，但是搪瓷钢板本身的质量会产生很大的影响。为了提高钢板的抗鳞爆性能，改善钢板内部组织和提高钢板的质量是非常重要的。要防止鳞爆，钢中必须含有足量的夹杂物、空穴或者析出物。夹杂物有利于提高抗鳞爆性能，原因在于在夹杂物周围存在微小空洞，这些微小空洞起着捕捉氢的作用，成为氢陷阱。但是夹杂物会损害钢板的成形性能和力学性能，不同类型的夹杂物以及不同尺寸分布的夹杂物的影响也不尽相同，因此，对于夹杂物的特性要有所选择。对于热轧搪瓷钢板而言，很难产生空穴已提供储氢场所，空穴是冷轧搪瓷钢板的主要技术特征。因此，通常，在钢中添加微合金元素以析出碳氮化物粒子捕捉氢成为热轧搪瓷钢板的主要技术特征。

CN101812630A公开了一种深冲用热轧高强度搪瓷钢板，其化学成分为C：0.02-0.10％，Si≤0.10％，Mn：0.05-1.00％，P≤0.05％，S：0.005-0.035％，Al：0.01-0.10％，N≤0.015％，Ti≤0.10％，Ti≤(4*C+3.43*N+1.5S)。该技术一般用来生产厚度小于5mm的热轧薄板，产品适合深冲用，成形性较好，但不适合用于生产5-20mm化工容器用搪瓷钢板。

对于中厚度的高强度搪瓷钢板，既要兼顾提高钢板的强度尤其是搪烧后的钢板强度，更重要的是要提高钢板的抗鳞爆性能。因此，需要开发一种具有高强度和抗鳞爆性能，从而适合用于生产化工容器用搪瓷钢板的中厚度热轧钢板。

发明内容

为了解决上述问题，本发明通过保留基体内部中较高的碳含量和脱碳退火获得表面较低的碳含量，以及在钢中加入适量的合金元素如钛和钒并控制轧制工艺，在钢中产生一定尺寸、形状和数量的析出物和夹杂物，实现了钢板具有高强度，如5-20mm厚轧态钢板以及搪烧后屈服强度大于等于235MPa，良好的塑性，如轧态和搪烧后延伸率(A₅，下同)≥30％和较好的低温韧性，如搪烧后-40℃，Akv≥100J，优良的抗碳爆和鳞爆性和较好的密着性，满足工业储罐，化工反应釜等高强度耐腐蚀搪瓷制品的使用要求。

为此，本发明的目的在于提供一种厚度方向具备碳浓度梯度的热轧高强度搪瓷钢中厚板。

本发明中“中厚板”是指厚度为5-20mm的热轧板，特别是16-20mm厚热轧板。

为了实现上述目的，本发明的厚度方向具备碳浓度梯度的热轧高强度搪瓷钢中厚板，其重量百分比化学成分为：基体C：0.10-0.20％，Si：0.20-0.40％，Mn：0.5-1.5％，P≤0.03％，S≤0.03％，Al：0.01-0.05％，N≤0.008％，Ti：0.005-0.03％，V≤0.10％，余量为铁和不可避免的杂质，厚度为150-200微米表面层的C≤0.022％。

所述钢板的组织由铁素体和珠光体组成。

本发明的另一个目的是提供上述热轧高强度搪瓷钢板的制造方法，该方法包括以下步骤：

钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，模铸后初轧成钢坯；

连铸坯或钢坯于1100-1250℃加热后进行一道次或多道次轧制，总压下率不低于75％；终轧温度不低于850℃；

其中，连铸坯或钢坯于1100-1250℃加热后，可以在奥氏体再结晶温度范围内经一道次或多道次轧制成钢板，总压下率不低于75％。

连铸坯或钢坯于1100-1250℃加热后，也可以在奥氏体再结晶区和在未再结晶区温度范围内经一道次或多道次轧制成钢板，总压下率不低于75％。

轧后钢板以5℃/s冷速水冷至550℃以下，再空冷至室温；

然后，在空气炉中进行脱碳退火，在750℃-780℃温度区间保温，保温时间根据厚度按7min/mm计算，获得厚度为150-200微米左右的表面全脱碳层(也叫表面层)，使得所述钢板具备较低的表面碳含量(≤0.022％)和较高的内部(也叫基体)碳含量(0.10-0.20％)，获得厚度方向的碳浓度梯度。

下面，将对本发明的主要化学成分作用及制造工艺过程对本发明产品的影响作详细叙述。

主要化学成分作用：

碳：确保钢板所定强度的关键元素。碳量增加，强度上升，塑性下降。碳还与钛生成化合物。为确保钢板的强度以及涂搪性，减少合金元素的用量，本发明采用较高的内部碳含量0.10-0.20％和较低的表面150-200微米的碳含量≤0.022％。

硅：硅在钢中起固溶强化作用，并且含量较多时能抑制碳化物的析出，提高韧性。钢中加硅能提高钢质纯净度和脱氧。本发明使用硅作为合金元素，控制其含量为0.16-0.40％，优选硅含量为0.20-0.40％。

锰：提高钢的强度。锰的加入量主要取决于钢的强度级别。但锰含量过高会严重降低钢的塑性，本发明锰的含量应控制在0.5-1.5％。锰在钢中还和铝一起共同起到脱氧的作用，锰的脱氧作用促进了钛的有效作用。

硫和磷：硫在钢中与锰等化合形成塑性夹杂物硫化锰，尤其对钢的横向塑性和韧性不利，因此硫的含量应尽可能地低。磷也是钢中的有害元素，严重损害钢板的塑性和韧性。本发明不主要依靠碳硫化钛夹杂物作为储氢位置，故要求硫磷含量小于0.03％，优选地P≤0.02％，S≤0.02％，更优选地，P≤0.019％，S≤0.01％。

钛：提高钢板强度、改善涂搪性。钛在钢中分别与碳、氮和硫化合，生成TiC、TiN、TiS、Ti₄C₂S₂等，它们以夹杂物和第二相粒子的形式存在。本发明不以钛作为改善涂搪性能的主要合金元素。仅用微钛处理细化晶粒，因此控制钛在0.005-0.030％，优选为0.010-0.025％。

钒：钒是强碳、氮化合物形成元素，是常用的析出强化和固溶强化元素之一。钒可与碳、氮形成VN、VC或者V(C，N)，或呈固溶状态，它不仅有利于提高钢板的抗鳞爆性，也有利于细化铁素体晶粒。特别是，在经过高温搪烧(一般860℃以上保温10min以上)后，由于在钢板轧制及冷却过程中来不及析出的固溶状态的钒会进一步析出，大大提高了钢板的抗鳞爆性能。由于本发明钢中加入适量的钛和较高的氮，钛与氮的形成温度较高，因此通过控制钛、氮的含量，使得钒主要与氮化合。钒在轧制过程中会先析出一部分，继而在随后的搪烧过程中固溶的部分钒还会与碳结合析出碳化钒进一步提高抗鳞爆性能。本发明采用钒作为主要的微合金元素和最要析出元素改善涂搪性能，控制钒在≤0.10％，优选为≤0.08％，更优选为≥0.02％。

铝：强脱氧元素。为了保证钢中的氧含量尽量地低，铝的含量控制在0.01-0.05％，优选为0.02-0.05％，更优选为0.03-0.045％。

氮：需要与钛和钒含量适当匹配，氮不作为主要与钒化合析出元素，适当控制在≤0.008％，优选为≤0.007％，更优选为0.004-0.007％。

制造工艺过程对本发明产品的影响：

转炉吹炼和真空处理：目的是确保钢液的基本成分要求，去除钢中的氢等有害气体，并加入钛、钒等必要的合金元素，进行合金元素的调整。

连铸或模铸：保证铸坯内部成分均匀和表面质量良好，模铸的钢锭需轧制成钢坯。

热轧和冷却：连铸坯或钢坯在1100-1250℃的温度下加热，一方面获得均匀的奥氏体化组织，另一方面使钛、钒的化合物部分溶解。在奥氏体再结晶温度范围内经一道次或多道次轧制成钢板，总压下率不低于75％；或者在奥氏体再结晶区和在未再结晶区温度范围内经一道次或多道次轧制成钢板，总压下率不低于75％；终轧温度不低于850℃；轧后以5℃/s的冷速水冷至550℃以下，再空冷至室温。在热轧和冷却过程中，部分的钛和钒会以化合物的形式析出，重新析出的化合物呈细小弥散状态均匀地分布，同时钢中的铁素体组织得到细化，从而可强化钢板、提高钢板抗鳞爆性。

脱碳退火：轧态钢板放在空气炉中，在750℃-780℃脱碳退火，保温时间按7min/mm计算，以获得厚度150-200微米左右的表面全脱碳层，使得钢板具备较低的表面碳含量(≤0.022％)和较高的内部碳含量(0.10-0.20％)。

本发明采用合适的碳含量、控制轧制和析出强化以及脱碳退火工艺实现细晶强化和厚度方向碳浓度梯度，从而提高钢板的强度和抗碳爆和鳞爆性能。提高抗鳞爆性主要依赖表面较低的碳含量和提高钢中的析出相数量。

采用本发明的上述成分设计和工艺控制方法制造的热轧高强度搪瓷钢中厚板，用于以双面湿法搪瓷工艺制造的化工储罐、反应容器等，既具备较高的强度(5-20mm钢板轧态和搪烧后屈服强度≥235MPa)、良好的塑性(轧态和搪烧后延伸率≥30％)和低温冲击韧性(搪烧后-40℃的Akv≥100J)，又具有优良的抗碳爆和鳞爆性和较好的密着性。

附图说明

图1a是16mm厚热轧高强度钢板轧态表层的金相组织照片。

图1b是16mm厚热轧高强度钢板轧态的1/4厚度的金相组织照片。

图2a是16mm厚热轧高强度钢板脱碳退火后的表层的金相组织照片。

图2b是16mm厚热轧高强度钢板脱碳退火后的1/4厚度的金相组织照片。

图3a是16mm厚热轧高强度钢板搪烧后的表层的金相组织照片。

图3b是16mm厚热轧高强度钢板搪烧后的1/4厚度的金相组织照片。

图4是本发明钢搪瓷后，弯曲进行密着性试验的示意图。

图5是本发明钢搪瓷后，按照图4进行密着性试验，观察到的搪瓷表面搪瓷层剥落情况照片。

图6是本发明钢搪瓷后试板表面无鳞爆的照片。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明的特点和效果进行详细说明。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。

实施例1

钢的主要成分以重量比计包括：C：0.14％、Si：0.16％、Mn：0.88％、P：0.015％、S：0.004％、Al：0.035％、N：0.005％、Ti：0.011％、余量为铁和不可避免的杂质。

将按上述配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，板坯厚度200mm，所得坯料于1200℃加热后，在奥氏体再结晶温度范围内经多道次轧制，总压下率为80％，然后在未再结晶区温度范围内经多道次轧制成厚度为16mm的钢板，总压下率60％，终轧温度为850℃，然后以5℃/s水冷至500℃，再空冷至室温；随后在空气炉中进行780℃脱碳退火保温120min。厚度为200微米表面全脱碳层的C＜0.022％(实际碳含量约为0.019％)。

本实施例的钢板轧态及脱碳退火态金相组织如图1a-3b所示。

实施例2

钢的主要成分以重量比计包括：C：0.10％、Si：0.40％、Mn：1.50％、P：0.015％、S：0.005％、Al：0.030％、N：0.006％、Ti：0.015％、V：0.05％、余量为铁和不可避免的杂质。

将按上述配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，板坯厚度200mm，所得坯料于1200℃加热后，在奥氏体再结晶温度范围内经多道次轧制，总压下率90％，然后在未再结晶区温度范围内经多道次轧制成厚度为5mm的钢板，总压下率75％，终轧温度为800℃，然后以5℃/s水冷至500℃，再空冷至室温；随后在空气炉中进行760℃脱碳退火保温30min。厚度为180微米表面全脱碳层的C＜0.022％(实际碳含量约为0.021％)。

实施例3

钢的主要成分以重量比计包括：C：0.20％、Si：0.20％、Mn：0.50％、P：0.018％、S：0.010％、Al：0.045％、N：0.004％、Ti：0.020％、V：0.02％、余量为铁和不可避免的杂质。

将按上述配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，板坯厚度200mm，所得坯料于1200℃加热后，在奥氏体再结晶温度范围内经多道次轧制，总压下率90％，然后在未再结晶区温度范围内经多道次轧制成厚度为5mm的钢板，总压下率75％，终轧温度为800℃，然后以5℃/s水冷至500℃，再空冷至室温；随后在空气炉中进行750℃脱碳退火保温40min。厚度为150微米表面全脱碳层的C＜0.022％(实际碳含量约为0.020％)。

实施例4

钢的主要成分以重量比计包括：C：0.12％、Si：0.30％、Mn：1.05％、P：0.015％、S：0.005％、Al：0.040％、N：0.007％、Ti：0.025％、V：0.08％、余量为铁和不可避免的杂质。

将按上述配比冶炼完成的钢水经真空脱气处理后进行连铸或模铸，板坯厚度200mm，所得坯料于1200℃加热后，在奥氏体再结晶温度范围内经多道次轧制，总压下率80％，然后在未再结晶区温度范围内经多道次轧制成厚度为20mm的钢板，总压下率50％，终轧温度为850℃，然后以5℃/s水冷至500℃，再空冷至室温；随后在空气炉中进行780℃脱碳退火保温120min。厚度为150微米表面全脱碳层的C＜0.022％(实际碳含量为0.021％)。

实施例5

钢的主要成分以重量比计包括：C：0.16％、Si：0.25％、Mn：0.75％、P：0.013％、S：0.008％、Al：0.040％、N：0.006％、Ti：0.015％、V：0.05％、余量为铁和不可避免的杂质。

实施例6

钢的主要成分以重量比计包括：C：0.14％、Si：0.20％、Mn：0.85％、P：0.019％、S：0.008％、Al：0.045％、N：0.005％、Ti：0.010％、V：0.08％、余量为铁和不可避免的杂质。

实施方法同实施例1，其中轧后钢板厚度为16mm。厚度为160微米表面全脱碳层的C＜0.022％(实际碳含量为0.020％)。

试验例1：轧态力学性能

本发明实施例钢板的轧态力学性能结果见表1。

本发明中，冲击韧性由夏比V型缺口试样及试验标准得到的冲击功表示。

试样加工采用的标准：摆锤式冲击试验机检验用夏比V型缺口标准试样GB/T 18658-2002

试验方法标准：GB 2106-1980金属夏比(V型缺口)冲击试验方法

表1本发明钢板的轧态力学性能

试验例2：搪烧后的力学性能

本发明实施例钢板搪烧后的力学性能见表2。

搪烧条件：在860-920℃搪烧7次。

本发明中，搪瓷钢板的冲击韧性由夏比V型缺口试样及试验标准得到的冲击功表示。

试验方法标准：GB 2106-1980金属夏比(V型缺口)冲击试验方法

试验例3：密着试验方法

采用5*80*80mm试板，单面搪烧后进行弯曲试验，有搪瓷层一面朝下弯曲。弯曲设备示意图如图4所示，41为试板，42为冲头，43为基座。弯曲完成后观察搪瓷层脱落及表面情况定性判断密着性能。实施例1的密着试验弯曲后钢板的形貌见图5。各个实施例钢板搪烧后的密着试验结果见表2。

试验例4：鳞爆试验方法

如图6所示，采用H*200*300mm试板61(H为钢板厚板)搪瓷后放置很长时间(大于等于2天)，观察表面是否有鳞爆。各个实施例钢板搪烧后的鳞爆试验结果见表2。

表2本发明轧态钢板搪烧后的力学性能

图5是本发明钢搪瓷后，按照图4进行密着性试验，观察到的搪瓷表面搪瓷层剥落情况照片。从图5中试板51可见，没有搪瓷层完全脱落露出金属基体，说明密着性良好。

图6是本发明钢搪瓷后试板表面无鳞爆的照片。从图6中试板61可见，表面没有鳞爆。

从以上实施例可以看出，采用上述的成分和工艺参数进行加工，其轧态成品钢板的延伸率大于30％，屈服强度大于245MPa，室温冲击韧性大于100J，经过脱碳退火和搪烧后钢板仍能保持屈服强度大于等于235MPa，且经过合适的搪烧工艺后(搪烧温度860-920℃的多次搪烧)，组织能保持不粗大甚至能细化，低温冲击韧性-40℃Akv≥100J。经过单、双面施釉和860-920℃多次搪烧试验，结果表明钢板均无鳞爆现象发生，密着性能较好。钢板可用于工业储罐，化工反应釜等的制造，实施效果十分良好。

Claims

1.一种合金材料，其按重量百分比计的成分为：基体C：0.10-0.20％，Si：0.20-0.40％，Mn：0.5-1.5％，P≤0.03％，S≤0.03％，Al：0.01-0.05％，N≤0.008％，Ti：0.005-0.03％，V≤0.10％，余量为铁和不可避免的杂质，厚度为150-200微米的表面层C≤0.022％。

2.一种搪瓷用钢，其按重量百分比计的成分为：基体C：0.10-0.20％，Si：0.20-0.40％，Mn：0.5-1.5％，P≤0.03％，S≤0.03％，Al：0.01-0.05％，N≤0.008％，Ti：0.005-0.03％，V≤0.10％，余量为铁和不可避免的杂质，表面150-200微米层的C≤0.022％。

3.如权利要求1或2所述的搪瓷用钢，其特征在于，Si：0.2-0.40％。

4.如权利要求1-3任一所述的搪瓷用钢，其特征在于，P≤0.02％，S≤0.02％；优选为P≤0.019％，S≤0.01％。

5.如权利要求1-4任一所述的搪瓷用钢，其特征在于，Al：0.02-0.05％，优选为Al：0.03-0.045％。

6.如权利要求1-5任一所述的搪瓷用钢，其特征在于，V≤0.08％。优选为V：0.02-0.07％。

7.如权利要求1-6任一所述的搪瓷用钢，其特征在于，Ti：0.010-0.025％。

8.如权利要求1-7任一所述的搪瓷用钢，其特征在于，N≤0.007％，优选为N：0.004-0.007％。

9.如权利要求1-8任一所述的搪瓷用钢的制造方法，包括如下步骤：

由钢水铸造成连铸坯或钢坯；

连铸坯或钢坯于1100-1250℃加热后，进行一道次或多道次轧制，总压下率≥75％；终轧温度≥850℃；

轧制后的钢板在750℃-780℃温度区间保温，保温时间按照钢板厚度7min/mm计算。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在奥氏体再结晶温度和奥氏体未再结晶温度进行一道次或多道次轧制，总压下率≥75％；终轧温度≥850℃。

11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，进行所述轧制后，以5℃/s的速度冷却至550℃，再空冷至室温。

12.如权利要求9-11任一所述的方法制造的搪瓷用钢板，其组织由铁素体和珠光体组成。

13.如权利要求12所述的搪瓷用钢板，其特征在于，其屈服强度≥235MPa，A₅≥30％，室温冲击韧性Akv大于100J。

14.如权利要求13所述的搪瓷用钢板在厚度为5-20mm，优选16-20mm搪瓷钢板中的应用。

15.如权利要求14所述的用途，其中，所述搪瓷用钢板，经单、双面湿法搪瓷后，其屈服强度≥235MPa，A₅≥30％，-40℃的Akv≥100J。