CN107805758B - 一种高强度优良低温韧性船用钢及其一钢多级热处理工艺 - Google Patents

一种高强度优良低温韧性船用钢及其一钢多级热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明是一种高强度优良低温韧性船用钢及其一钢多级热处理工艺，化学成分质量百分数为：C0.12‑0.15%，Si0.20‑0.30%，Mn1.40‑1.70%，Ni0.12‑0.15%，Cr0.16‑0.25%，Mo0.08‑0.12%，Nb0.020‑0.030%，Ti0.012‑0.018%，V≤0.02%，P≤0.015%，S≤0.002%，B0.0020‑0.0030%，以及余量的Fe和不可避免的杂质。通过本发明工艺的不同淬火、回火工艺组合，可以生产出最大厚度50mm的满足E460~E550强度等级高强度优良低温韧性船用钢板，合金成本低，工艺适应性广。本发明解决不同钢级、不同板厚需不同成分，组织生产困难的问题，实现一钢多级的柔性制造。

Description

一种高强度优良低温韧性船用钢及其一钢多级热处理工艺
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及船用钢及其热处理工艺，具体的说是一种高强度优良低温韧性船用钢及其一钢多级热处理工艺。
背景技术
进入21世纪后，随着科学技术与经济全球化的发展，海洋资源开发和海洋运输越来越受到重视。在船舶制造行业，2010年中国造船完工量占据世界市场份额的41.9％，新接订单量占据世界市场份额的48.5％、手持订单量占据世界市场份额的40.8％，均位于世界第一，中国已经成为世界造船中心。海洋工程装备制造业的快速发展为上游钢铁行业提供了机遇，也将带动海洋用钢需求同步增长。
现今中厚板的生产大多采用控轧控冷工艺，虽然降低了生产成本，但组织和力学性能稳定性仍然不如调质生产工艺(高温淬火+高温回火)，故调质工艺仍然是中厚板的生产的重要手段。近年来，在高强度优良低温韧性船用钢生产方面取得了一定的成果，并公开发表了一些专利。中国专利号CN 103361551A公开了“一种基于V-N微合金化高强韧船板及其制造方法”，通过添加V、Ti、Nb等多种合金元素，利用细晶强化和沉淀强化的作用提高钢板的强度和冲击韧性，但是屈服强度仅为395MPa，且只提供了-20℃时的冲击韧性。中国专利号CN104357742A公开了“420MPa级海洋工程用大厚度热轧钢板及其生产方法”，通过采用价格低廉的C、Mn固溶强化，优化了钢板中的其他合金元素的配比，在减少贵重金属使用量的情况下保证了钢板的强度，但是其-40℃的冲击吸收功仅为88J。
综上所述，降低贵重合金元素用量、实现一钢多级的柔性制造以降低生产成本、提高生产效率是当前高性能船用钢生产急需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：解决现有技术中目前不同强度等级、不同厚度船用钢需要不同合金成分方案、合金成本高和生产工艺复杂的问题，提供一种高强度优良低温韧性船用钢及其一钢多级热处理工艺，可用于高强度优良低温韧性船用钢成分方案及一钢多级(E460-E550)柔性制造工艺方法。
本发明解决以上技术问题的技术方案是：
一种高强度优良低温韧性船用钢，该船用钢的化学成分按质量百分数为：C：0.12-0.15％，Si：0.20-0.30％，Mn：1.40-1.70％，Ni：0.12-0.15％，Cr：0.16-0.25％，Mo：0.08-0.12％，Nb：0.020-0.030％，Ti：0.012-0.018％，V≤0.02％，P≤0.015％，S≤0.002％，B：0.0020-0.0030％，以及余量的Fe和不可避免的杂质。本发明高强度优良低温韧性船用钢成分中，Nb+V+Mo的总含量小于等于0.17％。
本发明高强度优良低温韧性船用钢的一钢多级热处理工艺，针对E460-E550不同强度等级，热处理工艺采用采用正常淬火或亚温淬火；正常淬火温度为880-930℃，正常淬火保温时间为20-60min，然后水冷至室温，将已淬火冷却至室温的钢坯进行回火，回火温度为600-670℃，回火保温时间为30-90min；亚温淬火温度为790-850℃，亚温淬火保温时间为20-60min，然后水冷至室温，将已淬火冷却至室温的钢坯进行回火，回火温度为440-635℃，回火保温时间为30-90min。
本发明基于以下思路制备高强度优良低温韧性船用钢：①Mo、Nb、V等贵重合金元素可以起到细晶强化和析出强化的作用。但是合金元素过量，不仅会增加合金成本，而且会对钢的性能产生不利的影响(例如，Mo会恶化钢的低温韧性)。为此，在成分设计时，将Nb+V+Mo的总含量减少到0.17％以下(E500和E550船用钢中Nb+V+Mo的总含量通常高于0.25％)，通过提高Mn、B等廉价金属含量，在保证强度不变的前提下，提高钢的低温韧性和淬透性，有效降低合金成本。②本发明正常淬火热处理工艺均为完全奥氏体化，即淬火加热温度高于Ac3点(一般为880-960℃)，之后在较高温度下回火(一般为600-670℃)，耗能严重，所得产品性能只能满足特定钢级要求，工艺适应性窄；而亚温淬火工艺淬火温度低(一般为720-850℃)，回火温度低(400-640℃)，工艺窗口宽且能耗小。③本发明亚温淬火工艺在α+γ两相区淬火，既利用了铁素体高塑韧性的特点，又利用了马氏体分解转变的硬质回火组织强度高的特点，实现了强韧性的最佳配合。并且随淬火温度变化，两相含量也不断变化，由此造成的强度变化满足了E460～E550不同强度等级的要求，在不改变钢的成分的基础上，实现了一钢多级的柔性生产，解决目前不同强度等级、不同厚度船用钢需要不同合金成分方案，合金成本高和生产工艺复杂的问题。
本发明的有益效果是：
1、通过成分优化，降低了Mo、Nb、V等贵重金属含量，所造成的强度和淬透性的下降通过添加Mn、B等廉价元素补偿。该成分方案能同时满足E460-E550不同等级、不同厚度船用钢的要求，解决了组织生产复杂，合金成本偏高的问题。
2、提出正常淬火和亚温淬火两种淬火工艺，并与不同回火工艺进行组合，生产出E460～E550不同强度等级的高强度优良低温韧性船用钢，工艺适应性广，实现了一钢多级的柔性生产。
3、亚温淬火+低温回火工艺实现了强韧性的最佳配合，可替代调质处理，同时也保证了该高强度钢具有优良的低温韧性和延伸率，并且降低了能耗，缩短了生产周期。
本发明解决不同钢级、不同板厚需不同成分，组织生产困难的问题，实现一钢多级的柔性制造；采用的亚温淬火和较低温回火工艺可以缩短生产周期，降低能耗和生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例2热处理后金相图。
图2为本发明实施例4热处理后金相图。
图3为本发明实施例10热处理后金相图。
具体实施方式
实施例1：
本实施例钢板厚度为42mm，其化学成分按质量百分数为C 0.13％，Si 0.20％，Mn1.45％，Ni 0.12％，Cr 0.16％，Mo 0.08％，Nb 0.023％，Ti 0.014％，V≤0.02％，P≤0.015％，S≤0.0022％，B 0.002％以及余量的Fe。
按照上述的成分制造钢坯，将钢坯加热到1050-1150℃，控制轧制成规定厚度，轧后空冷至室温，然后进行热处理。在成品船用钢板上取样，然后进行拉伸、低温冲击实验。
试验钢热处理工艺如下：
(1)亚温淬火：将试验钢加热到820℃，保温50min，然后水冷至室温。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试样加热到635℃，保温60min，然后取出空冷。
经上述处理后，试验钢的屈服强度为505MPa，抗拉强度为605MPa，延伸率为22.20％，-40℃冲击吸收功分别为：216/240/250J，可满足E460强度等级要求。
实施例2：
本实施例钢板厚度为27mm，其化学成分同实施例1。
试验钢热处理工艺如下：
(1)亚温淬火：将试验钢加热到790℃，保温35min，然后水冷至室温。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试样加热到600℃，保温45min，然后取出空冷。
经上述处理后，回火组织如图1所示，为铁素体+回火索氏体，铁素体体积分数为32％。试验钢的屈服强度为521MPa，抗拉强度为615MPa，延伸率为22.60％，-40℃冲击吸收功分别为：218/216/215J，可满足E460强度等级要求。
实施例3：
本实施例钢板厚度为50mm，其化学成分按质量百分数为C 0.12％，Si 0.24％，Mn1.56％，Ni 0.14％，Cr 0.23％，Mo 0.09％，Nb 0.025％，Ti 0.012％，V≤0.02％，P≤0.015％，S≤0.002％，B 0.0027％以及余量的Fe。
按照上述的成分制造钢坯，将钢坯加热到1050-1150℃，控制轧制成规定厚度，轧后空冷至室温，然后进行热处理。在成品船用钢板上取样，然后进行拉伸、低温冲击实验。
试验钢热处理工艺如下：
(1)亚温淬火：将试验钢加热到790℃，保温60min，然后水冷至室温。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试样加热到560℃，保温90min，然后取出空冷。
经上述处理后，试验钢的屈服强度为580MPa，抗拉强度为662MPa，延伸率为21.28％，-40℃冲击吸收功分别为：202/204/211J，可满足E500强度等级要求。
实施例4：
本实施例钢板厚度为30mm，其化学成分按质量百分数为C 0.12％，Si 0.26％，Mn1.57％，Ni 0.12％，Cr 0.20％，Mo 0.12％，Nb 0.027％，Ti 0.008％，V≤0.02％，P≤0.015％，S≤0.002％，B 0.0024％以及余量的Fe。
按照上述的成分制造钢坯，将钢坯加热到1050-1150℃，控制轧制成规定厚度，轧后空冷至室温，然后进行热处理。在成品船用钢板上取样，然后进行拉伸、低温冲击实验。
试验钢热处理工艺如下：
(1)亚温淬火：将试验钢加热到850℃，保温40min，然后水冷至室温。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试样加热到635℃，保温54min，然后取出空冷。
经上述处理后，回火组织如图2所示，为铁素体+回火索氏体，铁素体体积分数为11.5％。试验钢的屈服强度为587MPa，抗拉强度为659MPa，延伸率为19.84％，-40℃冲击吸收功分别为：224/239/228J，可满足E500强度等级要求。
实施例5：
本实施例钢板厚度为46mm，其化学成分按质量百分数为C 0.13％，Si 0.30％，Mn1.60％，Ni 0.15％，Cr 0.22％，Mo 0.10％，Nb 0.020％，Ti 0.018％，V≤0.02％，P≤0.015％，S≤0.002％，B 0.0026％以及余量的Fe。
按照上述的成分制造钢坯，将钢坯加热到1050-1150℃，控制轧制成规定厚度，轧后空冷至室温，然后进行热处理。在成品船用钢板上取样，然后进行拉伸、低温冲击实验。
试验钢热处理工艺如下：
(1)亚温淬火：将试验钢加热到790℃，保温60min，然后水冷至室温。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试样加热到440℃，保温90min，然后取出空冷。
经上述处理后，试验钢的屈服强度为606MPa，抗拉强度为750MPa，延伸率为17.88％，-40℃冲击吸收功分别为：166/162/171J，可满足E550强度等级要求。
实施例6：
本实施例钢板厚度为18mm，其化学成分同实施例5。
试验钢热处理工艺如下：
(1)亚温淬火：将试验钢加热到820℃，保温27min，然后水冷至室温。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试样加热到520℃，保温40min，然后取出空冷。
经上述处理后，试验钢的屈服强度为635MPa，抗拉强度为739MPa，延伸率为19.84％，-40℃冲击吸收功分别为：195/114/183J，可满足E550强度等级要求。
实施例7：
本实施例钢板厚度为16mm，其化学成分按质量百分数为C 0.15％，Si 0.25％，Mn1.70％，Ni 0.13％，Cr 0.18％，Mo 0.10％，Nb 0.026％，Ti 0.017％，V≤0.02％，P≤0.015％，S≤0.002％，B 0.0025％以及余量的Fe。
按照上述的成分制造钢坯，将钢坯加热到1050-1150℃，控制轧制成规定厚度，轧后空冷至室温，然后进行热处理。在成品船用钢板上取样，然后进行拉伸、低温冲击实验。
试验钢热处理工艺如下：
(1)亚温淬火：将试验钢加热到850℃，保温25min，然后水冷至室温。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试样加热到540℃，保温35min，然后取出空冷。
经上述处理后，试验钢的屈服强度为734MPa，抗拉强度为789MPa，延伸率为17.04％，-40℃冲击吸收功分别为：191/203/193J，可满足E550强度等级要求。
实施例8：
本实施例钢板厚度为38mm，其化学成分按质量百分数为C 0.12％，Si 0.27％，Mn1.40％，Ni 0.14％，Cr 0.20％，Mo 0.11％，Nb 0.030％，Ti 0.018％，V≤0.02％，P≤0.015％，S≤0.002％，B 0.0028％以及余量的Fe。
按照上述的成分制造钢坯，将钢坯加热到1050-1150℃，控制轧制成规定厚度，轧后空冷至室温，然后进行热处理。在成品船用钢板上取样，然后进行拉伸、低温冲击实验。
试验钢热处理工艺如下：
(1)正常淬火：将试验钢加热到880℃，保温40min，然后水冷至室温。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试样加热到670℃，保温60min，然后取出空冷。
经上述处理后，试验钢的屈服强度为655MPa，抗拉强度为696MPa，延伸率为20.48％，-40℃冲击吸收功分别为：226/248/230J，可满足E550强度等级要求。
实施例9：
本实施例钢板厚度为22mm，其化学成分按质量百分数为C 0.14％，Si 0.25％，Mn1.50％，Ni 0.10％，Cr 0.25％，Mo 0.09％，Nb 0.024％，Ti 0.014％，V≤0.02％，P≤0.015％，S≤0.002％，B 0.0030％以及余量的Fe。
按照上述的成分制造钢坯，将钢坯加热到1050-1150℃，控制轧制成规定厚度，轧后空冷至室温，然后进行热处理。在成品船用钢板上取样，然后进行拉伸、低温冲击实验。
试验钢热处理工艺如下：
(1)正常淬火：将试验钢加热到900℃，保温30min，然后水冷至室温。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试样加热到635℃，保温40min，然后取出空冷。
经上述处理后，试验钢的屈服强度为740MPa，抗拉强度为778MPa，延伸率为18.76％，-40℃冲击吸收功分别为：215/215/210J，可满足E550强度等级要求。
实施例10：
本实施例钢板厚度为10mm，其化学成分按质量百分数为C 0.15％，Si 0.28％，Mn1.65％，Ni 0.15％，Cr 0.18％，Mo 0.10％，Nb 0.030％，Ti 0.012％，V≤0.02％，P≤0.015％，S≤0.002％，B 0.0028％以及余量的Fe。
按照上述的成分制造钢坯，将钢坯加热到1050-1150℃，控制轧制成规定厚度，轧后空冷至室温，然后进行热处理。在成品船用钢板上取样，然后进行拉伸、低温冲击实验。
试验钢热处理工艺如下：
(1)正常淬火：将试验钢加热到930℃，保温20min，然后水冷至室温。
(2)回火：将已淬火冷却至室温的试样加热到600℃，保温30min，然后取出空冷。
经上述处理后，回火组织如图3所示，为回火索氏体，无先共析铁素体。试验钢的屈服强度为772MPa，抗拉强度为816MPa，延伸率为17.32％，-40℃冲击吸收功分别为：188/220/192J，可满足E550强度等级要求。
表1本发明实施例的化学成分范围(wt％)
C Si Mn Ni Cr Mo
0.12～0.15 0.20～0.30 1.40～1.70 0.12～0.15 0.16～0.25 0.08～0.12
Nb Ti V P S B
0.020～0.030 0.012～0.018 ≤0.02 ≤0.015 ≤0.002 0.0020～0.0030
表2本发明实施例的力学性能
从表2可以看出，各实施例的力学性能均满足所对应船用钢的等级要求，且有一定量的富余。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种高强度优良低温韧性船用钢的一钢多级热处理工艺，其特征在于：该船用钢的化学成分按质量百分数为：C：0.12-0.15%，Si：0.20-0.30%，Mn：1.40-1.70%，Ni：0.12-0.15%，Cr：0.16-0.25%，Mo：0.08-0.12%，Nb：0.020-0.030%，Ti：0.012-0.018%，V≤0.02%，P≤0.015%，S≤0.002%，B：0.0020-0.0030%，以及余量的Fe和不可避免的杂质；
所述的高强度优良低温韧性船用钢按照所述的化学成分制造钢坯，将钢坯加热到1050-1150℃，控制轧制成规定厚度，轧后空冷至室温，然后进行热处理；
所述的高强度优良低温韧性船用钢的一钢多级热处理工艺，针对E460-E550不同强度等级，所述热处理工艺采用采用正常淬火或亚温淬火；
所述正常淬火温度为880-930℃，正常淬火保温时间为20-60min，然后水冷至室温，将已淬火冷却至室温的钢坯进行回火，回火温度为600-670℃，回火保温时间为30-90min；
所述亚温淬火温度为790-850℃，亚温淬火保温时间为20-60min，然后水冷至室温，将已淬火冷却至室温的钢坯进行回火，回火温度为440-635℃，回火保温时间为30-90min；
板厚：42mm，热处理工艺：820℃淬火，保温50min，635℃回火，保温60min；
板厚：27mm，热处理工艺：790℃淬火，保温35min；600℃回火，保温45min；
板厚：50mm，热处理工艺：790℃淬火，保温60min；560℃回火，保温90min；
板厚：30mm，热处理工艺：850℃淬火，保温40min；635℃回火，保温54min；
板厚：46mm，热处理工艺：790℃淬火，保温60min；440℃回火，保温90min；
板厚：18mm，热处理工艺：820℃淬火，保温27min；520℃回火，保温40min；
板厚：16mm，热处理工艺：850℃淬火，保温25min；540℃回火，保温35min；
板厚：38mm，热处理工艺：880℃淬火，保温40min；670℃回火，保温60min；
板厚：22mm，热处理工艺：900℃淬火，保温30min；635℃回火，保温40min；
板厚：10mm，热处理工艺：930℃淬火，保温20min；600℃回火，保温30min。
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