CN103403204B - 在低温下具有优异韧性的高强度钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个方面提供一种在低温下具有优异韧性的高强度钢板，以重量百分比计，其包含：0.02-0.06%的C、0.1-0.35%的Si、1.0-1.6%的Mn、0.02%或更低（但不为0%）的Al、0.7-2.0%的Ni、0.4-0.9%的Cu、0.003-0.015%的Ti、0.003-0.02%的Nb、0.01%或更低的P、0.005%或更低的S，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，该高强度钢板满足[Mn]+5.4[Si]+26[Al]+32.8[Nb]<4.3的条件，其中[Mn]、[Si]、[Al]和[Nb]分别表示Mn、Si、Al和Nb以重量百分比计的含量。本发明的高强度钢板可以确保在使用船舶、海上结构物等所用的结构钢材或使用用于储存或运输液化气的钢罐的低温环境时的优异韧性并且确保拉伸强度为490MPa或更高的高强度。

Description

在低温下具有优异韧性的高强度钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种在低温下具有优异韧性的高强度钢板及其制造方法，更具体而言，涉及即使是在用作船舶、海上结构物等所用的结构钢板或多用途罐所用的钢板时——其将暴露在极端低温环境中——仍具有优异冲击韧性的高强度钢板及其制造方法。
背景技术
结构钢板材料——如船舶、海上结构物等，或用于储存各种液化气（如液态二氧化碳、液氨、LNG等）的多用途罐的厚钢板——的使用环境非常苛刻。因此，此类钢板的强度非常重要。为增加强度，已提出了通过加入淬透性增强元素以在钢板的冷却过程中在其内形成低温转变相而增强钢板硬度和强度的技术。
然而，当在钢板内部形成低温转变相如马氏体时，钢板的韧性可能因其中含有的残余应力而严重降低。也就是说，钢板的强度和韧性是难以实现相容的两个物理特性，且通常理解为钢板的强度增加时其韧性将降低。
就用于海上结构物的钢材或用于罐的钢材而言，其低温下的韧性以及其强度非常重要。首先，由于在较温暖的区域的资源枯竭，用于形成海上结构物的钢的环境已逐渐移向海底之下含有大量石油资源的寒冷区域，例如北极。因此，现有的在低温下具有优异韧性的高强度钢板难以耐受上述苛刻的极端低温环境。
此外，由于厚钢板可用于多用途罐以储存和运输其中具有非常低液化温度的液化气，所以即使是在低于液化气温度的温度下，该厚钢板也应具有适当的韧性。例如，由于乙炔的和乙烯的液化温度分别为-82℃和-104℃，因此需要暴露在该低温下时具有优异韧性的高强度钢板。
为确保用于罐的钢板所需的韧性，已经采用了通过加入6至12重量%的Ni或进行处理如淬火、回火等而控制钢板微观结构的方法，但此类方法有局限性，如制造成本高和生产率低。
就低碳钢而言，尽管现有钢板在约-60℃下具有优异的低温韧性，但是考虑到船舶、海上结构物等面临的极端低温环境，现有钢板可能难以满足对在低温下具有优异韧性钢板的需求。因此，可以说强烈需要对能够在低于-60℃的极端低温下确保优异韧性的高强度钢板进行研究。
发明内容
技术问题
本发明一方面提供一种高强度钢板，其具有优异强度并可在低于-60℃的极端低温下确保韧性以使其在低温下能够使用，以及制造该高强度钢板的方法。
技术方案
本发明的一个方面提供了一种在极端低温下具有优异韧性的高强度钢板，以重量百分比计，包含：0.02-0.06%的C、0.1-0.35%的Si、1.0-1.6%的Mn、0.02%或更低（但不为0%）的Al、0.7-2.0%的Ni、0.4-0.9%的Cu、0.003-0.015%的Ti、0.003-0.02%的Nb、0.01%或更低的P、0.005%或更低的S，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，该高强度钢板满足[Mn]+5.4[Si]+26[Al]+32.8[Nb]<4.3的条件，其中[Mn]、[Si]、[Al]和[Nb]分别表示Mn、Si、Al和Nb以重量百分比计的含量。
钢板的微观结构，以面积百分比计，可以包括99%或更高的针状铁素体和1%或更低的奥氏体/马氏体（M&A）。
该微观结构可以包括70面积%或更高的具有不小于15°晶界取向的有效晶粒，以及可以包括70面积%或更高的粒径不大于10μm的有效晶粒。
有效晶粒的平均粒径可以是3-7μm。
此外，该钢板的拉伸强度可以为不小于490MPa，-140℃下的夏比（Charpy）冲击吸收能可以为不小于300J，且韧-脆转变温度不高于-140℃。
本发明的另一个方面提供一种制造在极端低温下具有优异韧性的高强度钢板的方法，该方法包括：加热步骤——在1050-1180℃的温度范围内加热钢板坯，该钢板坯以重量百分比计包含0.02-0.06%的C、0.1-0.35%的Si、1.0-1.6%的Mn、0.02%或更低（但不为0%）的Al、0.7-2.0%的Ni、0.4-0.9%的Cu、0.003-0.015%的Ti、0.003-0.02%的Nb、0.01%或更低的P、0.005%或更低的S，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，该钢板坯满足[Mn]+5.4[Si]+26[Al]+32.8[Nb]<4.3的条件，其中[Mn]、[Si]、[Al]和[Nb]表示Mn、Si、Al和Nb以重量百分比计的含量；初次轧制步骤——在不低于奥氏体重结晶温度（Tnr）的温度下对加热的钢板坯进行不低于四道轧制；二次轧制步骤——在Ar3-Tnr的温度范围内进行精轧；以及进行冷却。
初次轧制步骤的最后两道可以在每道15-25%的压下率下进行。
二次轧制步骤可以在50-60%的累计压下率下进行。
冷却步骤中，从t/4点（其中t为钢板厚度）开始以8-15℃/秒的冷却速率冷却至320-380℃。
有益效果
根据本发明的一个方面，本发明的钢板可以确保优异的韧性和不小于490MPa的高强度以作为结构钢板用于船舶、海上结构物等，或作为钢板用于甚至在低温环境下储存和运输液化气的罐。
附图说明
图1显示出本发明实施例的夏比冲击吸收能相对于钢板温度的变化。
图2为本发明钢板微观结构的照片。
具体实施方式
本发明的一个方面提供一种在极端低温下具有优异韧性的高强度钢板，以重量百分比计，包含：0.02-0.06%的C、0.1-0.35%的Si、1.0-1.6%的Mn、0.02%或更低（但不为0%）的Al、0.7-2.0%的Ni、0.4-0.9%的Cu、0.003-0.015%的Ti、0.003-0.02%的Nb、0.01%或更低的P、0.005%或更低的S，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，该高强度钢板满足[Mn]+5.4[Si]+26[Al]+32.8[Nb]<4.3的条件，其中[Mn]、[Si]、[Al]和[Nb]分别表示Mn、Si、Al和Nb以重量百分比计的含量。
首先，对组分体系和组成范围进行说明（重量百分比）。
碳（C）：0.02-0.06%
C就强度和微观结构的形成而言是最重要的元素，且加入量应不低于0.02%。然而如果碳的量过高，低温韧性就会降低，且形成MA结构从而导致焊接热影响区的韧性降低。因此，碳的上限优选限定在0.06%。
硅（Si）：0.1-0.35%
Si是一种作为脱氧剂而加入的元素且其加入量优选不低于0.1%。如果Si的量超过0.35%，韧性和焊接性就会降低。因此，Si的量优选地控制在0.1-0.35%。
锰（Mn）：1.0-1.6%
Mn是一种为了通过固溶强化以提高强度并改善晶粒细度和母材韧性而加入的元素，且优选以不低于1.0%的量加入从而充分获得所述效果。但是，如果加入量超过1.6%，淬透性可能会上升，导致焊接区的韧性降低。因此，Mn的加入量优选控制在1.0-1.6%。
铝（Al）：0.02%或更低（但不为0%）
Al为一种有效的脱氧元素。但是，因为Al只可以少量来促进MA的形成，因此Al的上限限定在0.02%。
镍（Ni）：0.7-2.0%
Ni为一种可同时提高母材强度和韧性的元素，且优选地以不低于0.7%的量加入从而充分获得所述效果。然而，Ni为一种较昂贵的元素且Ni过量加入会劣化焊接性。因此，Ni的上限优选限定在2.0%。
铜（Cu）：0.3-0.9%
Cu为一种可通过固溶强化和沉淀强化而提高母体材料强度同时使其韧性放入降低最小化的元素，且其优选地约0.3%的量加入从而实现强度的充分增强。但是，由于Cu的过量加入可能导致表面损伤，因此Cu的上限优选限定在0.9%。
钛（Ti）：0.003-0.015%
Ti具有与氮（N）形成氮化物以产生HAZ的细小晶粒，从而提高HAZ韧性的作用。为了充分获得改善的效果，Ti优选以不低于0.003%的量加入。但是，由于Ti的过量加入可能导致氮化物粗糙从而损害低温韧性，所以将Ti的量控制在0.015%或更低。因此，Ti的加入量优选地控制在0.003-0.015%。
铌（Nb）：0.003-0.02%
Nb以NbC或NbCN的形式沉淀从而大大提高母材强度并抑制铁素体和贝氏体的转变，从而产生细小晶粒。为了充分获得Nb的加入效果，Nb应以不低于0.003%的量加入。但是，由于Nb的过量加入可能导致HAZ韧性降低，所以Nb的上限优选限定在0.02%。
磷（P）：0.01%或更低（但不为0%）
磷为一种对提高强度和耐腐蚀有利的元素。然而，由于磷会大大降低冲击韧性，所以有利的是尽可能限制磷的含量。因此，磷的上限优选限定在0.01%。
硫（S）：0.005%或更低
由于硫形成MnS等从而大大降低冲击韧性，因此期望尽可能限制磷的含量以使硫的含量不超过至少0.005%。
此外，组分体系还应满足[Mn]+5.4[Si]+26[Al]+32.8[Nb]<4.3的条件，其中[Mn]、[Si]、[Al]和[Nb]分别表示Mn、Si、Al和Nb的以重量百分比计的含量。Mn、Si、Al和Nb为影响奥氏体/马氏体（M&A）岛形成的组分。如果[Mn]+5.4[Si]+26[Al]+32.8[Nb]的值不小于4.3，这些组分就会促进M&A微观结构的形成并因此降低在极端低温下的韧性。因此，为确保在极端低温下的韧性，必须满足上述条件。
对此，钢板的微观结构可以包括99面积%或更高的针状铁素体和1面积%或更低的奥氏体/马氏体（M&A）。首先，本发明提供的钢板的微观结构以针状铁素体为主要结构，并且奥氏体/马氏体（M&A）岛作为二级相结构。由于针状铁素体可提高强度，而奥氏体/马氏体（M&A）岛降低韧性，因此更期望的是将二级相结构限制在1%或更低。
此外，期望的是微观结构中晶界取向不小于15°的有效晶粒不低于70面积%且有效晶粒中粒径不大于10μm的晶粒不低于70面积%。首先，由于晶界取向不小于15°的有效晶粒为影响钢物理性能的决定因素，因此期望的是微观结构中包含的有效晶粒的量不低于70面积%。
此外，微观结构中包含的对钢的物理性能有重要影响的有效晶粒中粒径不大于10μm的晶粒的量优选不低于70面积%。这是因为针状铁素体的粒度与其冲击韧性的关系密切，且随着针状铁素体晶粒粒径减小，冲击韧性增加。因此，当所充分包含的有效晶粒中粒径不大于10μm的晶粒的量不小于70面积%时，所述晶粒可以非常有利地确保钢的韧性。
特别地，本发明钢板的微观结构可以具有平均粒径为3-7μm的有效晶粒。如果将有效晶粒的粒径精确地如上进行控制，则钢板在低温下的强度和韧性将变得有利，因此钢板可适合用于暴露在极端低温环境下的海上结构物等。
本发明的钢板的拉伸强度可不低于490MPa，-140℃下的夏比冲击吸收能不低于300J，且韧-脆转变温度（DBTT）不高于-140℃。首先，钢板的强度不低于490MPa并且高至可以用于本发明钢板所应用的环境的程度，-140℃的极端低温环境下的夏比冲击吸收能不低于300J使得钢板可具有优异的低温韧性。
此外，韧-脆转变温度（DBTT）不高于-140℃且由于在-140℃下不发生脆化（其可使用现有的制冷剂进行测量），因此预计在远低于-140℃的温度下才发生脆化。因此，可以得到在低温下具有优异韧性的高强度钢板。
同时，本发明的另一个方面提供一种制造在极端低温下具有优异韧性的高强度钢板的方法，该方法包括：加热步骤——在1050-1180℃的温度范围内加热钢板坯，该钢板坯以重量百分比计包含：0.02-0.06%的C、0.1-0.35%的Si、1.0-1.6%的Mn、0.02%或更低（但不为0%）的Al、0.7-2.0%的Ni、0.4-0.9%的Cu、0.003-0.015%的Ti、0.003-0.02%的Nb、0.01%或更低的P、0.005%或更低的S，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，该高强度钢板满足[Mn]+5.4[Si]+26[Al]+32.8[Nb]<4.3的条件，其中[Mn]、[Si]、[Al]和[Nb]分别表示Mn、Si、Al和Nb以重量百分比计的含量；初次轧制步骤——在不低于奥氏体重结晶温度（Tnr）的温度下对加热的坯进行不低于四道的轧制；二次轧制步骤——在Ar3-Tnr的温度内进行精轧；进行冷却的冷却步骤。
该方法中，首先进行在1050-1180℃的温度范围内加热具有上述组成的钢板坯的加热步骤。由于对钢板坯的加热步骤是使后续轧制步骤顺利进行以及充分获得钢板的目标物理性能的钢加热步骤，因此该加热步骤应在适合于此目的的温度范围内进行。
该加热步骤是重要的，因为钢板坯应被均匀加热以使钢板中的沉淀型元素可以充分熔融，且应充分防止由于加热温度所致的晶粒过度粗糙。如果钢板坯的加热温度低于1050℃，则Nb、Ti等不会再次溶解于钢板中，使得难以获得高强度钢板，且会发生部分重结晶而导致形成不均匀的奥氏体晶粒，使得难以获得高韧性钢板。同时，如果加热温度超过1180℃，奥氏体晶粒过量粗化使得钢板的晶粒直径变大且钢板韧性显著受损。因此，钢板坯的加热温度优选地控制在1050-1180℃。
接着，加热钢板坯后，进行板坯的轧制步骤。为使钢板具有极端低温韧性，奥氏体晶粒应以细小粒径存在，这可通过控制轧制温度和压下率实现。本发明的轧制步骤的特征在于在两个温度范围内进行。此外，由于该两个温度区内的重结晶行为彼此不同，所以将轧制步骤设置为不同的条件。
首先，进行初次轧制步骤——在不低于奥氏体重结晶温度（Tnr）的温度下对钢板坯进行不低于四道的轧制。在奥氏体重结晶区内进行轧制会产生通过奥氏体重结晶制备细小晶粒的作用，而晶粒的细度对提高强度和韧性具有重要影响。
特别地，通过不低于四道的多道轧制以在不低于奥氏体重结晶温度（Tnr）的温度下进行初次轧制步骤，其中最后两道优选在每道15-25%的压下率下进行。也就是说，发明人认识到初次轧制的多道轧制中的最后两道对奥氏体的粒度和晶粒细度有决定性影响，其可以通过在每道15-25%的压下率下进行最后两道轧制步骤经奥氏体重结晶而实现，从而完成本发明。此外，为了通过充分压下实现晶粒的细度，总道数为至少四道。
然而，为了防止施加于轧辊的负载过大，期望的是将每道的压下率控制在25%或更低。因此，更加优选地，初次轧制时进行不低于四道的多道轧制，其中最后两道在每道15-25%的压下率下进行，由此实现通过晶粒细度提高低温韧性并防止将过大的负载施加于轧辊。
接着，进行在Ar3-Tnr温度范围内进行精轧的二次轧制步骤，以进一步粉碎晶粒并通过晶粒内部变形产生位错，从而使得易于在冷却过程中向针状铁素体转变。为产生此效果，二次轧制步骤优选以在不低于50%的累计压下率下进行。然而，由于超过60%的累计压下率会提高对初次轧制步骤压下率的限制从而妨碍足够的晶粒细度的获得，因此将累计压下率限制在50-60%是更为有效的。
在冷却步骤中，从t/4点（其中t为钢板厚度）开始以8-15℃/秒的冷却速率的冷却至320-380℃。冷却条件是影响微观结构的因素。当在低于8℃/秒的冷却速率下进行冷却时，M&A的量可能会过度增加从而使强度和韧性降低，而当冷却速率超过15℃/秒时，可能会过量使用冷却水从而导致钢板变形且因而无法控制钢板形状。因此，轧制后的冷却速率优选地控制在8-15℃/秒。
此外，冷却温度优选地控制在低于380℃的温度下以使不产生M&A结构。然而，如果冷却温度太低，则效果可能会饱和，由于过度冷却可能引起钢板内发生变形，且冲击韧性可能会由于强度过度提高而降低。因此，冷却温度的下限优选限定在320℃。
下文将通过举例详细描述本发明，但本发明不应解释为限制于本文给出的实施例；相反，给出的实施例是为了使所公开的内容充分且完整。
实施例
制造具有表1中所列组分的钢板坯。表1中的试验式表示
[Mn]+5.4[Si]+26[Al]+32.8[Nb]的值。
表1
将该钢板坯进行初次轧制（粗轧机）、二次轧制（精轧机），并在表2所列的条件下冷却。
表2
测量制得钢板的屈服强度（YS）、拉伸强度（TS）、-100℃、-120℃和-140℃下的夏比冲击吸收能（CVN）、韧-脆转变温度（DBTT）且将测量结果示于表3。
表3
首先，对于编号1-1至1-3、2-1至2-3和3-1至3-3，由于使用了本发明的钢，粗轧机最后两道轧制的压下率均为15-25%，精轧机的累计压下率为50-60%，冷却条件下的冷却速率为8-15℃/秒且冷却温度为320-380℃，那些钢满足本发明的条件。因此，显示出屈服强度为440MPa或更高，拉伸强度为490MPa或更高，且-100℃、-120℃和-140℃下的夏比冲击吸收能量均为300J或更高，这被认为具有优异的低温韧性。此外，由于在最低测量温度-140℃时不发生脆化，可见DBTT的温度远低于-140℃。
同时，对于编号为1-4、2-4和3-4，尽管使用了发明的钢，但是由于每种钢最后两道的压下率均小于15%，未达到晶粒细度，夏比冲击吸收能量非常低，而DBTT非常高。由该结果可知，编号1-4、2-4和3-4的钢的低温韧性不是很好。
对于编号为1-5、2-5和3-5，尽管使用了本发明的钢，但是由于冷却温度高于380却，认为形成了大量的MA结构。此外，从极低的夏比冲击吸收能和高DBTT可以看出，编号1-5、2-5和3-5的低温韧性不是很好。
对于编号为1-6、2-6和3-6，尽管使用了本发明的钢，但是由于冷却速率过低，认为形成了大量的MA结构。此外，从极低的夏比冲击吸收能和高DBTT可以看出，编号1-6、2-6和3-6的钢的低温韧性不是很好。
图1示出了当使用本发明的钢板且制造条件在本发明的范围内时夏比冲击吸收能相对于温度的变化。从-140℃下不低于300J的高能量值可以确定其低温韧性极其优异，其为在-40℃下可测量的最低温度。
图2为本发明实施例的钢的微观结构照片，其中黑色晶粒表示晶界取向不小于15°的有效晶粒。从图2可以确定有效晶粒为70面积%且针状铁素体为99面积%或更高。

Claims (7)

1.一种在极端低温下具有优异韧性的高强度钢板，以重量百分比计，包含：0.02-0.06％的C、0.1-0.35％的Si、1.0-1.6％的Mn、0.02％或更低但不为0％的Al、0.7-2.0％的Ni、0.4-0.9％的Cu、0.003-0.015％的Ti、0.003-0.02％的Nb、0.01％或更低的P、0.005％或更低的S，余量为Fe和不可避免的杂质，其中该高强度钢板满足[Mn]+5.4[Si]+26[Al]+32.8[Nb]<4.3的条件，其中[Mn]、[Si]、[Al]和[Nb]分别表示Mn、Si、Al和Nb以重量百分比计的含量，其中所述钢板的微观结构包括，以面积百分比计，99％或更高的针状铁素体和1％或更低的奥氏体/马氏体M&A。
2.权利要求1所述的高强度钢板，其中在微观结构中具有不小于15°晶界取向的有效晶粒不小于70面积％且有效晶粒中粒径不大于10μm的晶粒不小于70面积％。
3.权利要求1或2所述的高强度钢板，其中有效晶粒的平均粒径为3-7μm。
4.权利要求3所述的高强度钢板，其中，所述钢板的拉伸强度不低于490MPa，-140℃下的夏比冲击吸收能不低于300J，且韧-脆转变温度不高于-140℃。
5.一种制造在极端低温下具有优异韧性的高强度钢板的方法，所述方法包括：
加热步骤：在1050-1180℃的温度范围内加热钢板坯，该钢板坯以重量百分比计包含：0.02-0.06％的C、0.1-0.35％的Si、1.0-1.6％的Mn、0.02％或更低但不为0％的Al、0.7-2.0％的Ni、0.4-0.9％的Cu、0.003-0.015％的Ti、0.003-0.02％的Nb、0.01％或更低的P、0.005％或更低的S，余量为Fe和不可避免的杂质，其中该高强度钢板满足[Mn]+5.4[Si]+26[Al]+32.8[Nb]<4.3的条件，其中[Mn]、[Si]、[Al]和[Nb]表示Mn、Si、Al和Nb以重量百分比计的含量；
轧制步骤，在不低于奥氏体重结晶温度Tnr的温度下对加热的钢板坯进行不低于四道的轧制，其中初次轧制步骤的最后两道在每道15-25％的压下率下进行；
二次轧制，在Ar3-Tnr的温度范围内进行精轧；和
冷却钢锭的冷却步骤。
6.权利要求5所述的方法，其中，二次轧制步骤的累计压下率总计为50-60％。
7.权利要求5至6任一项所述的方法，其中在冷却步骤中，从t/4点开始以8-15℃/秒的冷却速率进行冷却至320-380℃，其中t为钢板厚度。
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