CN108728743A - 低温断裂韧性良好的海洋工程用钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开低温断裂韧性良好的海洋工程用钢及其制造方法。钢中含有C:0.05%~0.10%,Si:0.2%~0.5%,Mn:1.0%~1.5%,Cu:0.20%~0.50%,Cr:1.00%~1.50%,Ni:1.6%~1.8%,P≤0.01%,S≤0.01%,Als:0.01%~0.05%,Nb:0.02%~0.04%,Ti:0.01%~0.02%,V:0.05%~0.07%,其余为Fe和不可避免的杂质。采用两个阶段控制轧制,第一阶段轧制温度为950~1050℃,单道次压下率≥15%;第二阶段轧制温度为840~880℃,单道次压下率大于10%;平均冷速>3℃/s,返红温度为500~600℃;热处理采用两次淬火+回火方式,钢板的屈服强度≥620MPa,厚度60~100mm,低温断裂韧性良好。
Description
技术领域
本发明属于钢铁材料制备领域,特别具有高强度、厚规格、优良低温韧性及断裂韧性的钢板及其制造方法。
背景技术
随着海洋石油、天然气资源开采日益增长,海洋工程用装备材料的需求不断增加,要求也日益提高。海洋平台用钢板必须具有高强度、高韧性、良好焊接性及厚规格的严格要求,特别对材料的断裂韧性性能极为重视。
高强度、厚规格海洋平台用钢的制造工艺一般采用调质工艺,而如何采用调质工艺生产出厚规格、高强度、优异低温韧性及断裂韧性的海洋工程用钢板是目前研究的重要方向。
公开号为CN104726773B的发明专利提出一种具有良好的-50℃低温韧性正火型高强度压力容器钢板及其制造方法,该专利成分设计如下:C:0.10%~0.22%;Si≤0.40%;Mn:1.10%~1.74%;P≤0.015%;S≤0.010%;Ni≤0.40%;V≤0.18%;N:0.0070%~0.0190%;Als:0~0.025%和Ti:0~0.018%;余量为Fe及不可避免的夹杂。此专利所采用的成分和制备工艺获得的钢板强度较低,低温韧性不足,没有实现良好的断裂韧性,且该专利实现的钢板厚度无法满足海洋工程用特厚钢板要求。
公开号为CN103436784B的发明专利提出一种海洋平台用钢板及其制造方法,该专利成分设计如下:C:0.10%~0.15%;Si:0.20%~0.50%;Mn:1.30%~1.60%;P≤0.015%;S≤0.005%;Als:0.015%~0.055%;Nb:0.030%~0.060%;V:0.040%~0.080%;Ti:0.008%~0.020%;Ni:0.20%~0.40%;余量为Fe及不可避免的夹杂。此专利化学成分及制造工艺实现的钢板强度较低,低温韧性不足,没有实现良好的断裂韧性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有高强度、优良低温断裂韧性和大厚度尺寸的海洋工程用钢板及其制造方法,为实现本发明目的,本发明者们从合金元素筛选与配比、钢质洁净度控制、工艺优化与参数选择、微观组织控制等几个方面进行了大量且***的试验研究,最终确定了可满足本发明目的合金元素配比及制备工艺。
具体的技术方案是:
具有良好低温断裂韧性的海洋工程用钢,按重量百分比计,包括以下成分C:0.05%~0.10%,Si:0.2%~0.5%,Mn:1.0%~1.5%,Cu:0.20%~0.50%,Cr:1.00%~1.50%,Ni:1.6%~1.8%,P≤0.01%,S≤0.01%,Als:0.010%~0.050%,Nb:0.020%~0.040%,Ti:0.010%~0.020%,V:0.050%~0.070%,其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明钢中各合金成分的作用机理如下:
C:是保证强度的必要元素,通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用,但是过高的C含量对钢的延性、韧性,特别是焊接性有负面影响。从经济性和产品性能角度考虑,本发明将C含量控制在0.05%~0.10%。
Si:是炼钢过程中主要的脱氧成分,为了得到充分的脱氧效果必须含0.10%以上,但若超过上限则会降低母材及焊接部位的韧性,以固溶形式存在的Si在提高强度的同时也能提高韧脆转变温度,因此本发明将Si含量控制为0.2%~0.5%。
Mn:是保证钢的强度和韧性的必要元素。为了提高本发明材料的强韧性,因此本发明将Mn含量范围控制为1.0%~1.5%。
Cu:在钢中加入Cu,可以提高钢的耐蚀性、强度,改善焊接性、成型性与机加工性等。与Ni同时使用,还可以避免热脆性。因此,本发明将Cu含量控制为0.20%~0.50%。
Ni:具有固溶强化作用,能促使合金钢形成稳定奥氏体组织,能提高钢的强度,特别是低温韧性,并改善Cu在钢中引起的热脆性,因此本发明Ni含量控制在1.6%~1.8%。
Cr:提高钢的淬透性的重要元素,对于厚规格船板及海洋工程用钢而言,添加适量Cr含量可以有效提高淬透性以弥补厚度带来的强度损失,改善厚度方向上性能的均匀性;但太高的铬和锰同时加入钢中,会导致低熔点Cr-Mn复合氧化物形成,在热加工过程中形成表面裂纹,同时会严重恶化焊接性能。因此本发明中的Cr含量控制为1.00%~1.50%。
P:是对冲击值带来不利影响的元素,可以在板坯中心部位偏析以及在晶界聚集等损害低温韧性,本发明将P含量控制在不高于0.01%。
S:是对冲击值带来不利影响的元素,可以形成硫化物夹杂,成为裂纹源,本发明将S含量控制在不高于0.01%。
Als:作为本发明必须添加的脱氧和细化晶粒元素,添加含量在0.01%以上,但超过0.08%时容易产生铸坯热裂纹,同时钢的韧性降低。因此,本发明将Als含量控制在0.01%~0.05%。
Nb:有效细化钢的晶粒尺寸,作为提高钢的强度和韧性而添加的元素。当Nb含量小于0.01%时对钢的性能作用效果小,而超过0.05%时,钢的焊接性能和韧性均降低,因此本发明将Nb含量控制在0.02%~0.04%。
Ti:作为提高钢的韧性和焊接部位韧性而添加的成分,以TiN形式存在而发挥作用,但超过0.04%时易形成大颗粒TiN而失去效果,因此本发明将添加Ti含量范围控制为0.01%~0.02%。
V:在钢中可起到固溶强化的作用,在较低温度轧制时的析出可阻碍位错的运动,使奥氏体中有大量的位错,促进相变形核,细化最终组织,但过量V会对钢板的韧性和焊接产生不利影响,因此本发明添加V含量的范围为0.05%~0.07%。
一种具有良好低温断裂韧性的海洋工程用钢的制备工艺路线为:冶炼—铸坯加热—轧制—冷却—调质热处理。具体包括以下步骤:
(1)冶炼工艺:按照本发明的成分范围进行冶炼,冶炼、连铸后得到连铸坯,LF和RH精炼炉处理各需要10~30min,中包钢水过热度≤25℃,全程保护浇铸;钢中A、B、C、D类夹杂物满足:A≤1.0、B≤1.0、C≤1.0、D≤1.0的要求。连铸坯成型阶段采用动态轻压下技术,有效解决连铸坯的偏析情况。
(2)加热工艺:为防止加热过程中钢坯过热、原始奥氏体晶粒粗大,加热温度控制在1150~1200℃,均热温度控制在1150~1180℃,均热时间为30~60min;
(3)轧制工艺:对连铸坯进行两个阶段控制轧制,第一阶段为再结晶区轧制,轧制温度控制范围为950~1050℃,轧制过程采用慢速、大压下量轧制,单道次压下率在15%以上,其目的是通过单道大压下量变形使钢板1/4和1/2厚度位置的奥氏体再结晶,充分细化奥氏体晶粒;第二阶段为未再结晶区轧制,轧制温度在Ar3以上,范围为840~880℃,采用单道次压下率大于10%,目的是使奥氏体晶粒充分变形,为相变形核提供储能和位置,提高相变形核率。
(4)冷却工艺:采用平均冷速大于3℃/s的快速层流冷却***,返红温度控制在500~600℃,其目的是控制相变组织构成及尺寸,钢板要进行缓冷,缓冷时间≥24h。
(5)热处理工艺:采用调质热处理工艺,包括:一次淬火温度为910~940℃,保温时间系数:1.0~1.2min/mm,冷却方式采用水冷;二次淬火温度为900~930℃,保温时间系数:1.0~1.2min/mm,冷却方式采用水冷;回火温度为580~620℃,保温时间系数:2.0~2.5min/mm,冷却方式采用空冷;
所述钢板成品厚度范围为60~100mm,制造方法采用控制轧制、控制冷却和调质热处理,在厚度方向上1/4和1/2处的屈服强度≥620MPa,抗拉强度720~890MPa,-80℃夏比冲击功≥200J,零塑性转变温度(NDTT)小于-60℃。显微组织为回火索氏体,其中包含了均有分布弥散分布的逆变奥氏体,晶粒尺寸10~20μm。
有益效果:
本发明同现有技术相比,有益效果如下:
(1)本发明通过添加适当Cu、Cr、Ni和微合金元素,有利于提高低温断裂韧性,控制硫磷含量,有利于提升钢坯内部质量,采用控制轧制和控制冷却方法,以及调质热处理工艺控制钢板厚度方向的显微组织和晶粒尺寸,特别是循环淬火+回火工艺可以大幅度提高钢板低温断裂韧性,通过化学成分及制备工艺相结合可以提高钢板厚度方向不同位置1/4和1/2厚度的低温冲击功、强度和断裂韧性,可满足620MPa级厚规格海洋工程用钢的力学性能要求。
(2)本发明钢在厚度方向上1/4和1/2处的屈服强度≥620MPa,抗拉强度720~890MPa,断后延伸率≥20%,-80℃夏比冲击功≥200J,零塑性转变温度(NDTT)≤-60℃,产品厚度60~100mm。
(3)本发明产品的制造工艺易于实现,产品性能稳定,成材率高。
附图说明
图1为实施例1的板厚1/4处显微组织;图2为实施例1的钢板心部显微组织;显微组织均为回火索氏体;
具体实施方式
以下实施例用于具体说明本发明内容,这些实施例仅为本发明内容的一般描述,并不对本发明内容进行限制。
本发明各实施例钢的化学成分如表1所示;本发明各实施例钢的冶炼工艺如表2所示;本发明各实施例钢的轧制工艺参数如表3所示;本发明各实施例钢的调质工艺如表4所示;本发明钢实施例钢的力学性能如表5所示。
表1本发明实施例钢的化学成分(wt%)
实施例 | C | Si | Mn | Cu | Ni | Cr | Als | Nb | Ti | V |
1 | 0.05 | 0.50 | 1.00 | 0.50 | 1.75 | 1.25 | 0.021 | 0.030 | 0.019 | 0.055 |
2 | 0.10 | 0.25 | 1.20 | 0.25 | 1.68 | 1.45 | 0.044 | 0.032 | 0.012 | 0.062 |
3 | 0.07 | 0.37 | 1.30 | 0.28 | 1.71 | 1.30 | 0.043 | 0.032 | 0.018 | 0.055 |
4 | 0.09 | 0.20 | 1.24 | 0.22 | 1.65 | 1.26 | 0.035 | 0.031 | 0.019 | 0.052 |
5 | 0.08 | 0.25 | 1.15 | 0.30 | 1.70 | 1.33 | 0.042 | 0.026 | 0.010 | 0.058 |
6 | 0.06 | 0.46 | 1.16 | 0.50 | 1.72 | 1.46 | 0.037 | 0.037 | 0.015 | 0.067 |
7 | 0.05 | 0.50 | 1.25 | 0.43 | 1.66 | 1.48 | 0.030 | 0.039 | 0.011 | 0.068 |
8 | 0.06 | 0.40 | 1.40 | 0.37 | 1.79 | 1.40 | 0.041 | 0.032 | 0.013 | 0.051 |
备注:P≤0.01%,S≤0.01%,N≤0.005%。
表1本发明实施例钢冶炼工艺
表3本发明实施例钢轧制工艺
表4本发明实施例钢调质热处理工艺
表5本发明实施例钢常规力学性能
从以上实施例可知,按本发明方法生产的海洋工程用钢,钢板具有高屈服强度(≥650MPa),优良的低温韧性(-80℃冲击功≥210J),良好的断裂韧性(NDTT温度≤-60℃),良好的厚度方向断面收缩率(Z≥40%),大厚度尺寸(成品厚度60~100mm)的特点。
Claims (3)
1.一种低温断裂韧性良好的海洋工程用钢,其特征在于,钢中化学成分按质量百分比为:C:0.05%~0.10%,Si:0.2%~0.5%,Mn:1.0%~1.5%,Cu:0.20%~0.50%,Cr:1.00%~1.50%,Ni:1.6%~1.8%,P≤0.01%,S≤0.01%,Als:0.010%~0.050%,Nb:0.020%~0.040%,Ti:0.010%~0.020%,V:0.050%~0.070%,其余为Fe和不可避免的杂质,钢板的屈服强度≥620MPa。
2.如权利要求1所述的一种低温断裂韧性良好的海洋工程用钢,其特征在于,钢板厚度为60~100mm。
3.一种如权利要求1或2所述的低温断裂韧性良好的海洋工程用钢的制造方法,钢板的生产工艺为:冶炼—铸坯加热—轧制—冷却—调质热处理,其特征在于,
(1)冶炼:LF和RH精炼炉处理各需要10~30min,中包钢水过热度≤25℃,全程保护浇铸;钢中A、B、C、D类夹杂物满足:A≤1.0、B≤1.0、C≤1.0、D≤1.0的要求;
(2)铸坯加热:加热温度为1150~1200℃,均热温度为1150~1180℃,均热时间30~60min;
(3)轧制:对连铸坯进行两个阶段控制轧制,第一阶段为再结晶区轧制,轧制温度控制范围为950~1050℃,单道次压下率在15%以上;第二阶段为未再结晶区轧制,轧制温度为840~880℃,单道次压下率大于10%;
(4)冷却:平均冷速大于3℃/s,返红温度为500~600℃,之后钢板进行缓冷,缓冷时间≥24h;
(5)热处理工艺:采用调质热处理工艺,包括:一次淬火温度为910~940℃,保温时间系数:1.0~1.2min/mm,冷却方式采用水冷;二次淬火温度为900~930℃,保温时间系数:1.0~1.2min/mm,冷却方式采用水冷;回火温度为580~620℃,保温时间系数:2.0~2.5min/mm,冷却方式采用空冷。
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