CN109112399A - 一种心部低温冲击韧性优良的e420海工钢板及其制造方法 - Google Patents

一种心部低温冲击韧性优良的e420海工钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板，其化学成分质量百分比为：C：0.04‑0.10％、Si：0.10‑0.50％、Mn：0.75‑1.80％、Cu：0.05‑0.50％、Ni：0.10‑0.80％、Cr：0.05‑0.50％、Mo：0.10‑0.50％、Al：0.010‑0.060％、Nb：0.010‑0.060％、并限制P≤0.020％、S≤0.005％、N≤0.0080％，余量由铁以及不可避免的杂质。本发明的钢板屈服强度≥420Mpa，板厚1/2处的‑40℃冲击韧性为板厚1/4处冲击韧性的70%以上，满足要求钢板在厚度方向承受一定应力结构的应用场合。

Description

一种心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种海工钢板及其制造方法，具体的说是一种心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板及其制造方法。
背景技术
随着我国工业经济发展，对高钢级高性能钢种要求逐步提高，从而带动了国内高性能钢的研制与开发进入一个崭新的阶段。其中，桥梁结构、高层建筑、海洋平台及船体结构等通常采用低合金高强度钢，而由于上述结构的应用场合要求钢板在厚度方向承受一定应力，如钢板的心部冲击和抗层状态撕裂能力差，就容易造成结构破坏，因此，这些严苛的工程环境对钢板厚度性能均匀性能提出了更高要求：要求厚规格钢板有一定强度同时具有良好的厚度方向的性能均匀性。
由于坯料带来的中心偏析和中心疏松在后续轧制中难以消除，加上厚规格板轧制及冷却过程组织的不均匀性，造成钢板厚度方向性能均匀性差，尤其是心部冲击难以达到要求。传统工艺采用复杂的纯净钢技术，如稀土处理、Zr处理等，但难以实现；或者采用正火热处理，但为补偿正火热处理后组织变化的强度损失，需添加大量微合金元素；或者采用离线调质工艺，但由于离线调质处理需要配备淬火机等昂贵设备，增加了重新加热及淬火两道工序，相应增加了生产周期和生产成本，且对于未配备离线调质生产线的钢厂无法生产，而这既制约了厚规格钢板心部冲击韧性的提升。
公开号为CN101643885的中国专利公开了一种抗层状撕裂性能优良的工程用钢及其生产方法，其为达到屈服强度420MPa级别，添加Cr、Ni合金元素，并采用正火热处理方法改善厚度方向组织均匀性，通过添加Zr进行夹杂物变性处理改善抗层状撕裂性能，因Zr溶点高，其加入增加了生产的难度，提高生产成本。发明专利CN 104357742 A提供了一种420MPa级海洋工程用大厚度热轧钢板及其生产方法，其通过调整优化钢板中其它合金元素的配比，能在低贵重合金使用量条件下确保钢板力学性能良好，用两阶段控轧控冷工艺，解决了轧机轧制压力不足而造成的晶粒粗大不均，具有良好的组织、综合性能和焊接性能，但发明钢板厚度为70mm，限制使用范围。发明专利CN 104674117 A提供了一种420MPa级海洋工程用钢板及其制造方法，采用Nb、V、Ti等微合金成分、250mm厚度连铸坯、控轧控冷工艺生产420MPa级海洋工程用钢板，生产成本较低，力学性能均匀，焊接性能良好，但其厚度最厚也为80mm，限制其使用范围；另要求粗轧机大压下轧制提高道次压下量，保证有2个以上道次压下量≥30mm，提高了对轧机的要求，不利于生产。公开号为CN104988435A的专利公开了一种低碳高韧性特厚钢板及其制造方法，制造的低碳高韧性钢板厚度可达100～110mm，心部性能优异，尤其是-38℃低温冲击值120J以上，Z向性能优良，但其要求对钢板进行淬火和回火热处理，增加了生产成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对以上现有技术存在的缺点，提出一种心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板及其制造方法，屈服强度≥420Mpa，板厚1/2处的-40℃冲击韧性为板厚1/4处冲击韧性的70％以上，满足要求钢板在厚度方向承受一定应力结构的应用场合(海洋工程、桥梁结构、高层建筑等应用场合)。
本发明解决以上技术问题的技术方案是：
一种心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板，其化学成分质量百分比为：C：0.04-0.10％、Si：0.10-0.50％、Mn：0.75-1.80％、Cu：0.05-0.50％、Ni：0.10-0.80％、Cr：0.05-0.50％、Mo：0.10-0.50％、Al：0.010-0.060％、Nb：0.010-0.060％、并限制P≤0.020％、S≤0.005％、N≤0.0080％，余量由铁以及不可避免的杂质。
心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板的制备方法，包括以下步骤：按所需化学成分采用转炉冶炼，LF精炼炉；经连铸制造厚铸坯，连铸板坯采用二冷区电磁搅拌技术，搅拌电流300-500A；采用加热炉加热铸坯至1100-1200℃，在热轧中在奥氏体再结晶温度范围的温度范围内的累积轧制率为40％以上，轧后控制冷却，终冷温度冷却至400℃以下，制得心部低温冲击韧性优良的E420海工钢，屈服强度≥420Mpa，板厚1/2处的-40℃冲击韧性为板厚1/4处冲击韧性的70％以上，提高了厚板性能的均匀性。
本发明进一步限定的技术方案是：
前述的心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板，其化学成分以质量百分比计含有Ti：0.005-0.030％、V：0.001-0.10％、B≤0.0030％、Ca≤0.0050％中的一种或两种以上。
前述的心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板，其化学成分质量百分比为：C：0.04-0.10％、Si：0.50％、Mn：0.75-1.80％、P≤0.020％、S≤0.005％、Ni：0.10-0.80％、Cr：0.05-0.50％、Cu：0.05-0.50％、Nb：0.010-0.060％、Mo：0.10-0.50％、V：0.001-0.10％、Ti：0.005-0.030％、Al：0.010-0.060％、B≤0.0030％、Ca≤0.0050％、N≤0.0080％，余量由铁以及不可避免的杂质。
前述的心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板，钢板厚度为60mm-100mm。
对本发明钢所包含化学成分作进一步说明如下：
C：传统的钢的强化元素，但它对韧性和焊接性十分有害。碳含量小于0.1％时具有良好的焊接性。而随着微合金化和控轧控冷等技术的发展，使得含碳量降低的同时还能保持其较高强韧性。但当钢的含碳量＜0.01％时，由于间隙碳原子的减少和Nb、C、N的沉淀析出减少而弱化了晶界，使热影响区晶界相对脆化。从综合性能出发，碳含量范围定在0.04％～0.10％。
Si：作为脱氧元素、以及强化元素有效，因此含有0.10％以上。Si的含有量超过0.50％时，HAZ韧性大大地劣化，因此Si的含有量设为0.5％以下。
Mn：主要起固溶强化的作用。在碳含量相同的情况下，随着锰含量的增加，强度增加，锰还起降低相变温度的作用，有助于晶粒细化，所以锰是不可缺少的元素。但锰含量过高，会使韧性降低，造成钢板带状组织严重，增强各向异性，因此Mn的含有量设为0.75～1.80％。
Cu：通过添加Cu，能够提高母材的强度、以及韧性，因此含有0.10％以上。但是，如果Cu的含有量过多，则HAZ韧性、可焊性恶化，因此将0.50％作为上限。
Ni：能有效改善钢的低温韧性和耐腐蚀性能，但随着镍含量的增多，生成成本会显著增加，本发明镍含量控制在0.10～0.80％。
Cr：是提高钢板的淬透性的重要元素之一。对于特厚规格的钢板来说，需要通过添加较多的Cr元素来提高钢板的淬透性以弥补厚度带来的强度损失，在提高钢板强度的同时，并改善钢板在厚度方向上的性能的均匀性。Cr还可以抑制先共析铁素体及珠光体的转变，有利于获得针状铁素体组织。一旦含量过高的Cr和Mn同时加入钢板中，就会导致低熔点的Cr-Mn复合氧化物的形成，这样会使得钢板在热加工过程中形成表面裂纹，并且还会严重恶化钢板的焊接性能。为此，本发明的技术方案中的Cr的含量应该限定在0.05％～0.50％范围之间。
Al：是为了脱氧而加入钢中的元素。在脱氧完全后，Al降低了钢板中的O的含量，以改善钢板的时效性能。此外，添加适量的Al还有利于细化晶粒，从而改善钢材的强韧性能。因此，将本发明中的具有高止裂性能的钢板中的Al元素的含量限定为0.01～0.06％。
Nb：在本发明中是重要的元素。为了形成规定的原奥氏体晶粒长宽比，需要在未再结晶奥氏体区域的轧制。Nb是为使未再结晶温度区域扩大而有效的元素，使轧制温度上升，也有助于生产率提高。为了得到该效果，需要含有0.010％以上。但是，Nb的含有量超过0.060％时，HAZ韧性、可焊性降低，因此Nb的含有量设为0.060％以下。
P：是杂质元素之一。为了稳定地确保HAZ韧性，可以将P的含有量限制为0.020％以下。
S：是杂质元素之一。为了稳定地确保母材的特性、以及HAZ韧性，可以将S的含有量限制为0.010％以下。
N：与钢中的Al结合，调节轧制加工时的结晶粒径而使钢强化，但超过0.0080％时，韧性变差，因此，设定为0.0080％以下。
Ti：通过微量含有而形成氮化物、碳化物或碳氮化物，具有使晶粒微细化而提高母材韧性的效果。其效果通过含有0.005％以上而得到，但含有超过0.030％时会使母材以及焊接热影响部的韧性降低，因此，设定为0.005～0.030％。
Mo：为提高钢的淬透性的元素。直接有助于轧制后的强度提高，并且可以为了提高韧性、高温强度或耐候性等功能而含有，它们的效果均通过含有0.01％以上而得到发挥。但是，过度的含有会使韧性、焊接性变差，因此，优选将上限分别设定为0.50％。
V：是通过以V(CN)的形式析出强化而使钢的强度提高的元素，通过含有0.001％以上而发挥该效果。但是，含有超过0.100％时，会使靭性降低。因此，在含有V的情况下，优选设定为在0.001～0.100％的范围。
B：作为以微量提高钢的淬透性的元素可以含有。但是，含有超过0.0030％时，会使焊接部的靭性降低，因此，在含有B的情况下，优选含有0.0030％以下。
Ca：使焊接热影响部的组织微细化而提高韧性，并且即使含有也不会损害本发明的效果，因此，可以根据需要含有。但是，过度含有时，会形成粗大的夹杂物而使母材的靭性变差，因此，在含有的情况下，优选将含量的上限分别设定为0.0050％。
对本发明所述的具有高止裂性能的钢板制造方法说明如下：
电磁搅拌电流低于300A时搅动力小，无法将因偏析集中在中心的钢水分散；搅拌电流大于500A时搅动力大，强搅拌对凝固前沿固液两相区的强烈冲刷，未凝固的枝晶间富含溶质的液体向中心区域流动，造成搅拌区域的负偏析而产生白亮带，优选的搅拌电流300-500A。加热的气氛温度低于1100℃时，不能充分加热，固溶化变得不充分。气氛温度超过1200℃时，奥氏体粒粗大化，在其后的轧制过程中难以保证原奥氏体晶粒长宽比。优选的气氛温度的范围为1100～1200℃。在奥氏体再结晶温度范围内的累积压下率低于40％时，奥氏体的再结晶所引起的微细化较困难，并且，疏松残存，有发生内部裂纹、延展性、以及韧性的劣化的可能性。
本发明的有益效果是：本发明的心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板屈服强度≥420Mpa，板厚1/2处的-40℃冲击韧性为板厚1/4处冲击韧性的70％以上，提高了厚板性能的均匀性。本发明的心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板适合用于海洋工程、桥梁结构、高层建筑等应用场合，要求钢板在厚度方向承受一定应力结构。
具体实施方式
实施例1
采用本发明所述的一种心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板的制造方法：
1、采用转炉冶炼，LF精炼炉调整成分，经连铸制造了320mm厚铸坯，各实施例成分见表1。
表1各实施例的钢水样品实际化学成分(wt％)
实施例 C Si Mn P S Ni Cr Cu Nb Mo V Ti Al B Ca N
1 0.040 0.50 1.31 0.010 0.002 0.30 0.50 0.50 0.012 0.22 0.003 0.017 0.046 0.0002 0.0011 0.0041
2 0.060 0.30 1.26 0.007 0.002 0.10 0.30 0.30 0.021 0.13 0.035 0.013 0.033 0.0004 0.0014 0.0039
3 0.080 0.20 1.54 0.007 0.002 0.80 0.20 0.20 0.030 0.12 0.025 0.012 0.040 0.0005 0.0016 0.0028
4 0.100 0.15 1.33 0.006 0.001 0.90 0.15 0.15 0.042 0.14 0.003 0.015 0.036 0.0003 0.0013 0.0038
5 0.120 0.10 1.21 0.005 0.001 1.00 0.05 0.10 0.051 0.10 0.046 0.016 0.022 0.0002 0.0012 0.0041
2、经连铸制造了320mm厚铸坯，连铸采用电磁搅拌工艺，具体参数见表2。
表2各实施例的电磁搅拌工艺
实施例 搅拌电流A
1 300
2 350
3 400
4 450
5 500
3、采用加热炉加热铸坯至铸坯，利用5米轧机轧制后采用超快冷水冷，实施例的轧制工艺参数如表3所示：
表3各实施例的轧制工艺参数
对上述制造方法生产的钢板样品进行力学性能实验，实验结果如表4所示：
表4各实施例钢板的综合力学性能
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 (10)

1.一种心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板，其特征在于：其化学成分质量百分比为：C：0.04-0.10％、Si：0.10-0.50％、Mn：0.75-1.80％、Cu：0.05-0.50％、Ni：0.10-0.80％、Cr：0.05-0.50％、Mo：0.10-0.50％、Al：0.010-0.060％、Nb：0.010-0.060％、并限制P≤0.020％、S≤0.005％、N≤0.0080％，余量由铁以及不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板，其特征在于：其化学成分以质量百分比计含有Ti：0.005-0.030％、V：0.001-0.10％、B≤0.0030％、Ca≤0.0050％中的一种或两种以上。
3.如权利要求2所述的心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板，其特征在于：其化学成分质量百分比为：C：0.04-0.10％、Si：0.50％、Mn：0.75-1.80％、P≤0.020％、S≤0.005％、Ni：0.10-0.80％、Cr：0.05-0.50％、Cu：0.05-0.50％、Nb：0.010-0.060％、Mo：0.10-0.50％、V：0.001-0.10％、Ti：0.005-0.030％、Al：0.010-0.060％、B≤0.0030％、Ca≤0.0050％、N≤0.0080％，余量由铁以及不可避免的杂质。
4.如权利要求1或2或3所述的心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板，其特征在于：所述钢板厚度为60mm-100mm。
5.如权利要求3所述的心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板，其特征在于：其化学成分质量百分比为：C：0.04％、Si：0.50％、Mn：1.31％、P：0.010％、S：0.002％、Ni：0.30％、Cr：0.50％、Cu：0.50％、Nb：0.012％、Mo：0.22％、V：0.003％、Ti：0.017％、Al：0.046％、B：0.0002％、Ca：0.0011％、N：0.0041％，余量由铁以及不可避免的杂质。
6.如权利要求3所述的心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板，其特征在于：其化学成分质量百分比为：C：0.06％、Si：0.30％、Mn：1.26％、P：0.007％、S：0.002％、Ni：0.10％、Cr：0.30％、Cu：0.30％、Nb：0.021％、Mo：0.13％、V：0.035％、Ti：0.013％、Al：0.033％、B：0.0004％、Ca：0.0014％、N：0.0039％，余量由铁以及不可避免的杂质。
7.如权利要求3所述的心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板，其特征在于：其化学成分质量百分比为：C：0.08％、Si：0.20％、Mn：1.54％、P：0.007％、S：0.002％、Ni：0.80％、Cr：0.20％、Cu：0.20％、Nb：0.030％、Mo：0.12％、V：0.025％、Ti：0.012％、Al：0.040％、B：0.0005％、Ca：0.0016％、N：0.0028％，余量由铁以及不可避免的杂质。
8.如权利要求3所述的心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板，其特征在于：其化学成分质量百分比为：C：0.10％、Si：0.15％、Mn：1.33％、P：0.006％、S：0.001％、Ni：0.90％、Cr：0.15％、Cu：0.15％、Nb：0.042％、Mo：0.14％、V：0.003％、Ti：0.015％、Al：0.036％、B：0.0003％、Ca：0.0013％、N：0.0038％，余量由铁以及不可避免的杂质。
9.如权利要求3所述的心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板，其特征在于：其化学成分质量百分比为：C：0.10％、Si：0.10％、Mn：1.21％、P：0.005％、S：0.001％、Ni：1.00％、Cr：0.05％、Cu：0.10％、Nb：0.051％、Mo：0.10％、V：0.046％、Ti：0.016％、Al：0.022％、B：0.0002％、Ca：0.0012％、N：0.0041％，余量由铁以及不可避免的杂质。
10.如权利要求1-3或5-9中任一权利要求所述的心部低温冲击韧性优良的E420海工钢板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
按所需化学成分采用转炉冶炼，LF精炼炉；
经连铸制造厚铸坯，连铸板坯采用二冷区电磁搅拌技术，搅拌电流300-500A；
采用加热炉加热铸坯至1100-1200℃，在热轧中在奥氏体再结晶温度范围的温度范围内的累积轧制率为40％以上，轧后控制冷却，终冷温度冷却至400℃以下，制得心部低温冲击韧性优良的E420海工钢，屈服强度≥ 420Mpa，板厚1/2处的-40℃冲击韧性为板厚1/4处冲击韧性的70%以上，提高了厚板性能的均匀性。
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