CN112921153A - 一种提高强度≥690MPa、厚度60～100mm钢板整体截面低温韧性的方法 - Google Patents

一种提高强度≥690MPa、厚度60～100mm钢板整体截面低温韧性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高强度≥690MPa、厚度60～100mm钢板整体截面低温韧性的方法，是采用低温加热大压下轧制，即坯料低温加热温度为Tnr+(100～150)℃，保温时间为[(1.0～1.5)H]min、再结晶区Tnr+(30～80)℃温度下粗轧，前三道次压下量≥30mm、非再结晶区Tnr−(50～100)℃温度下精轧，后三道次累积压下率≥30%；通过临界区调质热处理，即淬火温度为Ac3+(0～30)℃，保温时间为[1.4h+(15～45)]min，回火温度为Ac1−(80～110)℃，保温时间为[2.0h+(40～100)]min，得到钢板截面低温冲击韧性优异的超高强度大厚度钢板；本发明在保证钢板拉伸性能的情况下，显著提高特厚钢板整体截面低温韧性，使其完全满足厚度为60～100mm的特厚钢板使用性能要求，可广泛用于船体结构、海洋平台和工程机械等领域。

Description

一种提高强度≥690MPa、厚度60～100mm钢板整体截面低温韧 性的方法
技术领域
本发明属于钢板轧制—热处理技术领域，特别是一种提高强度≥690MPa、厚度60～100mm钢板整体截面低温韧性的方法。
背景技术
海洋工程、工程机械是高强度、超高强度、大厚度钢板的主要使用领域，例如在海洋工程方面，自升式平台的桩腿、齿条机构等关键部位，均需要690MPa 级或者以上的超高强度或特厚钢板，并要有优良的低温韧性，厚度规格需要均在60 mm及以上；工程机械用钢方面，国内的太钢、鞍钢等也对屈服强度890MPa及以上级别的钢种进行了研究和开发，涉及厚度规格6～100mm。通常，特厚超高强钢釆用调质处理（淬火+回火）以得到回火马氏体为主的基体组织，这种组织中含高密度位错的板条和微小碳化物，具有优异的强韧性匹配。由于受厚度影响，特厚高强钢在热处理过程中，从表面到心部存在明显的冷速差异，导致厚度截面不同位置，组织转变过程中可以形成不同的显微组织，由表及里可为马氏体、马氏体/粒状贝氏体混合、粒状贝氏体。
相关研究表明，对超高强度大厚度钢板进行截面全厚度逐层解剖分析，发现不同的截面效应，在整个厚度方向上冲击功呈现“M”型，即表面和心部的冲击功均较低（例如文献“海洋平台用Ni−Cr−Mo−B超厚钢板的截面效应研究，金属学报，2020”、“海洋工程用低合金高强度超厚钢板的淬透性与强韧性研究，钢铁研究总院博士学位论文，2013”报道）。超高强度大厚度钢板表面冲击韧性低的主要原因：在淬火过程中，钢板表面过快的冷却速度提高了马氏体转变的过冷度，引起马氏体转变的形核率降低，导致特厚板表面马氏体板条束、板条块等亚结构的相对粗大，特厚超高强度钢板的表面低温冲击韧性却反常恶化，远低于1/4处，甚至是心部（例如文献“特厚超高强海工钢表面回火马氏体组织对冲击韧性的影响，材料热处理学报，2017”报道）。超高强度大厚度钢板心部冲击韧性低的主要原因：心部累积变形量小，心部奥氏体晶粒的平均尺寸变大，混晶变得明显，同时特厚钢板由于心部淬透性不足，在淬火过程中冷速较慢，心部形成大量粒状贝氏体，高温回火也很难完全分解粒状贝氏体中M/A岛，显著恶化特厚板的冲击韧性（例如文献“心部组织对特厚超高强海工钢力学性能的影响，金属热处理，2018”报道）。
由此可见，超高强度大厚度钢板表面和心部的冲击功均较低的现象己成为这类厚钢板的共性问题。根据我国现行GB/T 2975−2018《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》，40mm及以上厚度钢板均以1/4厚度处拉伸、冲击性能供货，其表面和心部性能并不作为交货技术条件。对于大厚度钢板，其表面冲击韧性若出现恶化情况，则可能在后续冷弯、焊接等过程中出现开裂情况，引发钢板所谓的“合标不合用”情况，影响用户使用，造成对钢厂质量控制、生产能力的不利影响。
现有技术中，存在一些改善特厚钢板表面低温冲击韧性或改变特厚钢板心部低温冲击韧性的技术方案：
（1）在轧制方面：
公开号为CN201611007639.8的专利，公开了“一种提高特厚超高强度海工钢表面低温冲击韧性的方法”。表面超细晶轧制，即再结晶区粗轧，中间坯表面快速冷却至Ar3−(50～100)℃，待表面返温至Ac3+(10～60)℃，非再结晶区精轧，轧后加速冷却至Ar1−(50～150)℃；通过调质热处理，即淬火温度为Ac3+(30～80)℃，保温时间为1.4～1.8min/mm，回火温度为Ac1−(80～150)℃，保温时间为2.0～4.5min/mm，得到表面低温冲击韧性优异的特厚超高强度海工钢。此专利主要是提高厚板的表面低温冲击韧性，对提高厚板心部低温冲击韧性并未涉及。
公开号为CN201610599153.1的专利，公开了“一种提高低合金钢厚板低温韧性的制造方法”。首先将坯料进行高温(Th)加热，保温一段时间(th)后轧制至中间厚度(Hm)，即刻采用快速冷却方式冷却到特定温度范围(Ts)，随后立即回炉进行低温(Tl)加热，保温一定时间(tl)后再轧制至最终厚度(Hf)，轧后采用快冷设备加速冷却。其中要求Th＝1100～1250℃，th50用快冷设备，Hm50用快冷设备，Ts50用快冷，Tl＝Ac3+50～Ac3+100℃，tl＝1.0Hm+20～1.0Hm+30min。此专利主要是改善厚板的心部低温冲击韧性。
（2）在热处理工艺方面：
公开号为CN201510788040.1的专利，公开了“一种降低超高强度海工钢屈强比的热处理工艺”。采用临界温度淬火+高温短时回火，即淬火温度为Ac3±20℃，保温时间为1.4～1.8min/mm；回火温度为Ac1−(80～150)℃，保温时间为0.5～2.0min/mm；得到低屈强比的超高强度海工钢。此专利在保证钢板强韧性匹配的情况下，显著降低超高强度海工钢的屈强比，但没有涉及到提高钢板低温韧性。
公开号为CN201110083262.5的专利，公开了“一种提高特厚板低温韧性的热处理工艺”。采用亚温正火，即加热温度为AC3以下20-50℃，保温时间为厚度(mm)×1.4～2.0min/mm，出炉后空冷。利用该发明所述的热处理工艺对热轧态特厚板进行热处理，低温韧性得到大幅提高，而强度下降较低，但超高强度大厚度钢板的热处理工艺为淬火+回火，该专利不满足热处理条件。
通过对现有专利和文献进行检索，很多方法可以提高钢板的冲击韧性，但几乎没有检索到专门针对特厚超高强度钢板整体截面低温韧性的提高进行的研究。利用本发明方法的低温加热大压下轧制+临界区调质热处理工艺，提高超高强度大厚度钢板整体截面低温韧性，对超高强度大厚度钢板的研究和应用具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术中超高强度（≥690MPa）大厚度（60～100mm）钢板整体截面低温韧性不均匀，表面和心部低温冲击韧性甚至较低的问题，钢板采用低温加热大压下轧制，通过临界区调质热处理，在保证钢板拉伸性能（屈服强度、抗拉强度、延伸率）的情况下，显著提高超高强度大厚度钢板整体截面低温韧性，而提供的一种提高强度≥690MPa、厚度60～100mm钢板整体截面低温韧性的方法。
本发明的一种提高强度≥690MPa、厚度60～100mm钢板整体截面低温韧性的方法，是采用低温加热大压下轧制+临界区调质热处理工艺来实现的，特别是：
所述低温加热大压下轧制，即坯料低温加热至温度为Tnr+(100～150)℃，保温时间为[(1.0～1.5)H]min、再结晶区Tnr+(30～80)℃温度下粗轧，前三道次压下量≥30mm，非再结晶区Tnr−(50～100)℃温度下精轧，后三道次累积压下率≥30%；
所述临界区调质热处理工艺：是通过临界区调质热处理，即淬火温度为Ac3+(0～30)℃，保温时间为[1.4h+(15～45)]min，回火温度为Ac1−(80～110)℃，保温时间为[2.0h+(40～100)]min；
其中，Tnr——为非再结晶温度；
Ac3——为加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度；
Ac1——为加热时珠光体向奥氏体转变的温度；
H ——为坯料厚度；
h ——为钢板厚度。
本发明中所述坯料的厚度H为180～300mm，所述钢板的厚度h为60~100mm。
本发明中所述坯料低温加热是在步进梁式加热炉中进行的，加热速率为(6～10)℃/min，轧制是在4300mm四辊可逆轧机上进行的。
本发明中所述再结晶区轧制，终轧温度为Tnr+(0～50)℃，中间坯厚度为[(1.2～1.6)h]mm。
本发明中所述未再结晶区轧制，终轧温度为Tnr−(100～150)℃。
本发明中所述钢板淬火加热是在常化炉中进行，水冷过程中完成的，钢板回火加热是在回火炉中进行，空冷过程中完成的。
本发明还提出一种采用以上轧制和热处理工艺的强度≥690MPa、厚度60～100mm钢板的制备方法；以及同时采用以上制备方法制得的强度≥690MPa、厚度60～100mm的钢板。
本发明中所述的低温加热大压下轧制，设定坯料低温加热速率为(6～10)℃/min，温度为Tnr+(100～150)℃，保温时间为[(1.0～1.5)H]min，是为了保证连铸坯具有细小均匀的原始奥氏体晶粒尺寸；再结晶区Tnr+(30～80)℃温度下粗轧，前三道次压下量≥30mm，终轧温度为Tnr+(0～50)℃，中间坯厚度为[(1.2～1.6)h]mm；再结晶区大压下量粗轧，增加道次应变，通过充分有效的再结晶过程，细化钢板截面的奥氏体组织；非再结晶区Tnr−(50～100)℃温度下精轧，后三道次累积压下率≥30%，终轧温度为Tnr−(100～150)℃；非再结晶区大累积压下率精轧，增加过冷奥氏体应变累计，提供更充分的畸变能，以及更多的形核界面，进而细化钢板截面相变组织。
所述的临界区调质热处理，设定临界区淬火温度为淬火温度为Ac3+(0～30)℃，保温时间为[1.4h+(15～45)]min，是为了得到均匀细小的奥氏体晶粒，淬火后组织主要为板条马氏体，同时保留少量针片状铁素体组织；Ac1−(80～110)℃，保温时间为[2.0h+(40～100)]min，是为了使板条马氏体发生分解，针片状铁素体发生合并，尺寸变大，回火后组织由回火马氏体和少量板条状铁素体组成，这种组织中具有含高密度位错板条和细小碳化物。
本发明的有益效果是：坯料低温加热温度为Tnr+(100～150)℃，保温时间为[(1.0～1.5)H]min、再结晶区Tnr+(30～80)℃温度下粗轧，前三道次压下量≥30mm、非再结晶区Tnr−(50～100)℃温度下精轧，后三道次累积压下率≥30%。坯料低温加热，保证连铸坯具有细小均匀的原始奥氏体晶粒尺寸；再结晶区大压下量粗轧，增加道次应变，通过充分有效的再结晶过程，细化钢板截面奥氏体组织；非再结晶区大累积压下率精轧，增加过冷奥氏体应变累计，提供更充分的畸变能，以及更多的形核界面，进而细化钢板截面相变组织。轧制过程细化特厚板原始奥氏体尺寸，使超高强度大厚度钢板截面方向具有细小均匀的原始奥氏体晶粒。
临界区调质热处理，即淬火温度为Ac3+(0～30)℃，保温时间为[1.4h+(15～45)]min，回火温度为Ac1−(80～110)℃，保温时间为[2.0h+(40～100)]min。临界区温度淬火，形成的板条马氏体组织作为硬相组织，使钢具有高的抗拉强度；形成的少量针片状铁素体组织作为软相组织。高温回火，钢中铁素体开始发生再结晶，相邻的针片状铁素体发生合并，铁素体尺寸变大，钢的屈服强度降低，伸长率升高；板条马氏体发生分解，大量的C原子脱溶形成渗碳体，马氏体组织转变为α−铁素体和渗碳体，钢的抗拉强度降低，而冲击韧性明显改善。
本发明采用低温加热大压下轧制+临界区调质热处理工艺，可以保证高强度大厚度钢板的拉伸性能的情况下，显著提高特厚钢板整体截面低温韧性，使其完全满足厚度为60~100mm钢板的使用性能，可广泛用于船体结构、海洋平台和工程机械等领域。
具体实施方式
实施例1
本实施例的一种提高强度≥690MPa、厚度60～100mm钢板整体截面低温韧性的方法，是针对E690海工钢（屈服强度为700～730MPa，厚度为80～100mm），采用低温加热大压下轧制，即坯料低温加热温度为Tnr+(100～130)℃，保温时间为[(1.0～1.5)H]min、再结晶区Tnr+(30～60)℃温度下粗轧，前三道次压下量≥30mm、非再结晶区Tnr−(50～80)℃温度下精轧，后三道次累积压下率≥30%；通过临界区调质热处理，即淬火温度为Ac3+(0～30)℃，保温时间为[1.4h+(15～45)]min，回火温度为Ac1−(80～110)℃，保温时间为[2.0h+(40～100)]min；
其中，Tnr——为非再结晶温度；
Ac3——为加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度；
Ac1——为加热时珠光体向奥氏体转变的温度；
H ——为坯料厚度；
h ——为钢板厚度。
本实施例中所述坯料的厚度H为240～300mm，所述钢板的厚度h为80～100mm。
本实施例中所述坯料低温加热是在步进梁式加热炉中进行的，加热速率为(6～10)℃/min，轧制是在4300mm四辊可逆轧机上进行的，本实施例中所述再结晶区轧制，终轧温度为Tnr+(0～50)℃，中间坯厚度为[(1.2～1.6)h]mm，所述未再结晶区轧制，终轧温度为Tnr−(100～150)℃，所述钢板淬火加热是在常化炉中进行，水冷过程中完成的，钢板回火加热是在回火炉中进行，空冷过程中完成的。
本实施例所制造的超高强度大厚度E690海工钢，钢板厚度为80~100mm，拉伸性能满足船级社和GB 712-2011等相关标准要求，同时−40℃表面冲击功为120～160J，1/4处冲击功为160～200J；心部冲击功为120～160J。（采用传统工艺，该钢板−40℃表面冲击功为30～70J，1/4处冲击功为110～150J；心部冲击功为70～110J，通过本实施例的轧制工艺及热处理工艺，钢板−40℃表面冲击功、1/4处冲击功、心部冲击功均有较大改善，说明本发明对提高钢板整体截面低温韧性起到关键作用。）
实施例2
本实施例的一种提高强度≥690MPa、厚度60～100mm钢板整体截面低温韧性的方法，针对Q960E工程机械用钢（屈服强度为970～1000MPa，厚度为60～80mm），采用低温加热大压下轧制，即坯料低温加热温度为Tnr+(110～140)℃，保温时间为[(1.0～1.5)H]min、再结晶区Tnr+(40～70)℃温度下粗轧，前三道次压下量≥30mm、非再结晶区Tnr−(60～90)℃温度下精轧，后三道次累积压下率≥30%；通过临界区调质热处理，即淬火温度为Ac3+(0～30)℃，保温时间为[1.4h+(15～45)]min，回火温度为Ac1−(80～110)℃，保温时间为[2.0h+(40～100)]min；
其中，Tnr——为非再结晶温度；
Ac3——为加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度；
Ac1——为加热时珠光体向奥氏体转变的温度；
H ——为坯料厚度；
h ——为钢板厚度。
本实施例中所述坯料的厚度H为180～240mm，所述钢板的厚度h为60～80mm。
本实施例中所述坯料低温加热是在步进梁式加热炉中进行的，加热速率为(6～10)℃/min，轧制是在4300mm四辊可逆轧机上进行的，本实施例中所述再结晶区轧制，终轧温度为Tnr+(0～50)℃，中间坯厚度为[(1.2～1.6)h]mm，所述未再结晶区轧制，终轧温度为Tnr−(100～150)℃，所述钢板淬火加热是在常化炉中进行，水冷过程中完成的，钢板回火加热是在回火炉中进行，空冷过程中完成的。
本实施例所制造的超高强度大厚度Q960E钢板厚度为60~80mm，拉伸性能满足GB/T16270-2009等相关标准要求，同时−40℃表面冲击功为40～70J，1/4处冲击功为60～90J；心部冲击功为40～70J。（采用传统工艺，该钢板−40℃表面冲击功为10～40J，1/4处冲击功为30～60J；心部冲击功为10～40J，通过本实施例的轧制工艺及热处理工艺，钢板−40℃表面冲击功、1/4处冲击功、心部冲击功均有较大改善，说明本发明对提高钢板整体截面低温韧性起到关键作用。）
实施例3
本实施例的一种提高强度≥690MPa、厚度60～100mm钢板整体截面低温韧性的方法，针对NM400耐磨钢（屈服强度为1100～1140MPa，厚度为70～90mm），采用低温加热大压下轧制，即坯料低温加热温度为Tnr+(120～150)℃，保温时间为[(1.0～1.5)H]min、再结晶区Tnr+(50～80)℃温度下粗轧，前三道次压下量≥30mm、非再结晶区Tnr−(70～100)℃温度下精轧，后三道次累积压下率≥30%；通过临界区调质热处理，即淬火温度为Ac3+(0～30)℃，保温时间为[1.4h+(15～45)]min，回火温度为Ac1−(80～110)℃，保温时间为[2.0h+(40～100)]min；
其中，Tnr——为非再结晶温度；
Ac3——为加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度；
Ac1——为加热时珠光体向奥氏体转变的温度；
H ——为坯料厚度；
h ——为钢板厚度。
本实施例中所述坯料的厚度H为210～270mm，所述钢板的厚度h为70～90mm。
本实施例中所述坯料低温加热是在步进梁式加热炉中进行的，加热速率为(6～10)℃/min，轧制是在4300mm四辊可逆轧机上进行的，本实施例中所述再结晶区轧制，终轧温度为Tnr+(0～50)℃，中间坯厚度为[(1.2～1.6)h]mm，所述未再结晶区轧制，终轧温度为Tnr−(100～150)℃，所述钢板淬火加热是在常化炉中进行，水冷过程中完成的，钢板回火加热是在回火炉中进行，空冷过程中完成的。
坯料加热是在步进梁式加热炉中进行；轧制是在4300mm四辊可逆轧机上进行；钢板淬火加热是在常化炉中进行，水冷过程中完成；钢板回火加热是在回火炉中进行，空冷过程中完成。本实施例所制造的超高强度大厚度NM400钢板厚度为70~90mm，拉伸性能满足GB/T 24186-2009等相关标准要求，同时−40℃表面冲击功为30～60J，1/4处冲击功为50～80J；心部冲击功为30～60J。（采用传统工艺，该钢板−40℃表面冲击功为10～30J，1/4处冲击功为40～60J；心部冲击功为10～30J，通过采用本实施例的轧制工艺及热处理工艺，钢板−40℃表面冲击功、1/4处冲击功、心部冲击功均有较大改善，说明本发明对提高钢板整体截面低温韧性起到关键作用。）
由于采用上述技术方案，本具体实施方式制造的钢板截面低温冲击韧性优异的超高强度大厚度钢板，采用采用低温加热大压下轧制，即坯料低温加热温度为Tnr+(100～150)℃，保温时间为[(1.0～1.5)H]min、再结晶区Tnr+(30～80)℃温度下粗轧，前三道次压下量≥30mm、非再结晶区Tnr−(50～100)℃温度下精轧，后三道次累积压下率≥30%；通过临界区调质热处理，即淬火温度为Ac3+(0～30)℃，保温时间为[1.4h+(15～45)]min，回火温度为Ac1−(80～110)℃，保温时间为[2.0h+(40～100)]min。坯料低温加热，保证连铸坯具有细小均匀的原始奥氏体晶粒尺寸；再结晶区大压下量粗轧，增加道次应变，通过充分有效的再结晶过程，细化钢板截面奥氏体组织；非再结晶区大累积压下率精轧，增加过冷奥氏体应变累计，提供更充分的畸变能，以及更多的形核界面，进而细化钢板截面相变组织。轧制过程细化特厚板原始奥氏体尺寸，使超高强度大厚度钢板截面方向具有细小均匀的原始奥氏体晶粒。临界区温度淬火，形成的板条马氏体组织作为硬相组织，使钢具有高的抗拉强度；形成的少量针片状铁素体组织作为软相组织。高温回火，钢中铁素体开始发生再结晶，相邻的针片状铁素体发生合并，铁素体尺寸变大，钢的屈服强度降低，伸长率升高；板条马氏体发生分解，大量的C原子脱溶形成渗碳体，马氏体组织转变为α−铁素体和渗碳体，钢的抗拉强度降低，而冲击韧性明显改善。
本发明采用低温加热大压下轧制+临界区调质热处理工艺，可以保证高强度特厚钢板拉伸性能的情况下，显著提高特厚钢板整体截面低温韧性，使其完全满足厚度为60~100mm的使用性能，广泛用于船体结构、海洋平台和工程机械等领域。
上述实施例仅仅是示例性的说明本发明的技术方案，并不以任何形式限制本发明，任何人在依据本发明权利要求的原理下对本发明方法进行的同等替换、类似改进、放大或缩小，均应视为落入本发明权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种提高强度≥690MPa、厚度60～100mm钢板整体截面低温韧性的方法，是采用低温加热大压下轧制+临界区调质热处理工艺来实现的，其特征在于：
所述低温加热大压下轧制，即坯料低温加热至温度为Tnr+(100～150)℃，保温时间为[(1.0～1.5)H]min、再结晶区Tnr+(30～80)℃温度下粗轧，前三道次压下量≥30mm，非再结晶区Tnr−(50～100)℃温度下精轧，后三道次累积压下率≥30%；
所述临界区调质热处理工艺：是通过临界区调质热处理，即淬火温度为Ac3+(0～30)℃，保温时间为[1.4h+(15～45)]min，回火温度为Ac1−(80～110)℃，保温时间为[2.0h+(40～100)]min；
其中，Tnr——为非再结晶温度；
Ac3——为加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度；
Ac1——为加热时珠光体向奥氏体转变的温度；
H ——为坯料厚度；
h ——为钢板厚度。
2.根据权利要求1所述的一种提高强度≥690MPa、厚度60～100mm钢板整体截面低温韧性的方法，其特征在于：所述坯料的厚度H为180～300mm，所述钢板的厚度h为60~100mm。
3.根据权利要求1所述的一种提高强度≥690MPa、厚度60～100mm钢板整体截面低温韧性的方法，其特征在于：所述坯料低温加热是在步进梁式加热炉中进行的，加热速率为(6～10)℃/min，轧制是在4300mm四辊可逆轧机上进行的。
4.根据权利要求1所述的一种提高强度≥690MPa、厚度60～100mm钢板整体截面低温韧性的方法，其特征在于：所述再结晶区轧制，终轧温度为Tnr+(0～50)℃，中间坯厚度为[(1.2～1.6)h]mm。
5.根据权利要求1所述的一种提高强度≥690MPa、厚度60～100mm钢板整体截面低温韧性的方法，其特征在于：所述未再结晶区轧制，终轧温度为Tnr−(100～150)℃。
6.根据权利要求1所述的一种提高强度≥690MPa、厚度60～100mm钢板整体截面低温韧性的方法，其特征在于：所述钢板淬火加热是在常化炉中进行，水冷过程中完成的，钢板回火加热是在回火炉中进行，空冷过程中完成的。
7.包括权利要求1所述方法的强度≥690MPa、厚度60～100mm钢板的制备方法。
8.根据权利要求7所述的制备方法制得的强度≥690MPa、厚度60～100mm钢板。
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