CN113025797A - 一种用于低温环境的高强度中锰钢板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于低温环境的高强度中锰钢板及其制备方法，属于钢制备技术领域，该制备方法，采用两相区退火+冷处理+回火处理生产工艺，通过处理方法中的冷处理使中锰钢中部分相对不稳定的奥氏体发生转变成马氏体，结合后续回火工艺将作为氢陷阱的奥氏体转变造成钢中的氢排出，避免中锰钢组织中的新形成的硬脆马氏体风险与氢脆的风险。本发明通过将冷处理与低温回火相结合，提前排除了中锰钢在低温服役环境下由于低温诱导组织变化而导致性能不稳定的风险Y转变为α相而造成的组织脆化以及氢脆等问题。该制备方法可显著增强高强度中锰钢板在低温环境下的低温韧性及其稳定性，从而显著降低中锰钢板在低温环境下的失效风险，提高其服役稳定性与安全性。

Description

一种用于低温环境的高强度中锰钢板及其制备方法
技术领域
本发明属于钢制备技术领域，特别涉及一种用于低温环境的高强度中锰钢板及其制备方法。
背景技术
作为新一代先进高强钢的研究热点，中锰钢在诸多领域已实现良好的应用。中锰钢具有优良强塑性的同时，还具有良好的低温韧性。由于中锰钢优异的低温韧性，在低温环境相关应用领域具有良好的应用前景与经济效益。
中国专利CN 104805378 B公开了“一种高强韧的超低碳中锰钢中厚板及其制备方法”，该专利强调通过热轧后淬火至室温，再通过在两相区(635～695℃)保温50～100min，冷却至室温后即获得以回火马氏体与逆转变奥氏体组织为主的钢板，该钢板主要用于服役温度较低的海洋平台。
中国专利CN109923233A公开了“用于低温应用的中锰钢产品及其制造方法”，其中中锰钢组织也以马氏体与逆转变奥氏体组织为主。
上述两专利均为通过中锰钢成分体系、经两相区保温的逆转变工艺获得以马氏体和逆转变奥氏体为主的组织，且均都在低温环境下服役。通过两相区加热冷至室温后得到马氏体与奥氏体为主的组织的中锰钢板，且钢板均直接进入低温环境使用，这就容易带来一定风险。在中锰钢组织中可能包含较多逆转变奥氏体(5～30vol.％)的情况下，海洋工程类用钢的服役低温环境有较大可能会突破逆转变奥氏体的马氏体开始转变温度(Ms点)，进而部分逆转变奥氏体会转变为硬脆的高碳马氏体-该类型马氏体变形能力较差且硬度较高，受冲击载荷时容易形成裂纹；另外奥氏体作为一种氢陷阱，奥氏体发生转变会由于氢陷阱的减少而造成氢的大量溢出，一旦在钢板中的某些敏感位置聚集容易造成钢板氢脆而导致氢致开裂以及延迟断裂的风险。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的用于低温环境的高强度中锰钢板及其制备方法。
本发明实施例提供一种用于低温环境的高强度中锰钢板的制备方法，所述方法包括：
获得中锰钢板；
将所述中锰钢板升温至580～620℃并保温10～80min，进行两相区Ac1-Ac3退火处理；
将退火处理后的中锰钢板降温至-30～-120℃并保温8～16h，进行冷处理；
将冷处理后的中锰钢板升温至150～300℃进行回火处理，所述回火处理时间为5～10min/mm×中锰钢板厚度mm。回火处理后可根据实际技术条件添加探伤流程，以排除中锰钢板中的氢致开裂风险。
可选的，所述将所述中锰钢板升温至580～620℃并保温10～80min，进行两相区Ac1-Ac3退火处理，包括：
以2～5℃/min的速率从室温升温至580～620℃并保温10～80min，保温后降温至室温。
可选的，所述将退火处理后的中锰钢板降温至-30～-120℃并保温8～16h，进行冷处理，包括：
以2～5℃/min的速率从室温降温至-30～-120℃并保温8～16h，保温后升温至室温。
可选的，所述冷处理中，降温至-70～-120℃。
可选的，所述冷处理中，降温速率为2℃/min。
冷处理中，最低保温温度的实际原则为：一般须低于中锰钢的实际服役环境温度为宜；优选地，冷处理最低保温温度以低于服役环境温度40～60℃为宜。
可选的，所述将退火处理后的中锰钢板降温至-30～-120℃并保温8～16h，进行冷处理，包括：
采用阶梯冷却方式进行冷处理，其中，以2～5℃/min速率，从室温第一次降温至-30～-50℃并保温8-12min，第一次降温后以相同的速率第二次降温至-70～-90℃并保温8-12min，第二次降温后以相同的速率第三次降温至-100℃～-120℃并保温10-14h，第三次降温后以2-5℃/min速率升温至室温。
可选的，所述低温回火中，以2～5℃/min的速率从室温升温至150～300℃进行回火处理，回火处理时间为5～10min/mm×中锰钢板厚度mm。低温回火处理后可根据实际技术条件添加探伤流程，以排除中锰钢板中的氢致开裂风险。
可选的，所述中锰钢板的化学成分按质量分数为：C：0.02～0.10％，Si：0.15～0.30％，Mn：4.0～8.0％，Ti：0.008～0.025％，其余是Fe及不可避免的杂质。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种用于低温环境的高强度中锰钢板，其特征在于，所述中锰钢板化学成分按质量分数为：C：0.02～0.10％，Si：0.15～0.30％，Mn：4.0～8.0％，Ti：0.008～0.025％，其余是Fe及不可避免的杂质。
可选的，所述中锰钢板的金相组织按体积分数包括：74～90％马氏体和10～26％残余奥氏体，其中，与常规两相区保温后冷至室温后组织中的马氏体与奥氏体含量相比，经过本专利技术处理后，组织中的马氏体比例会升高3～6％，奥氏体比例会下降3～6％。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例提供的用于低温环境的高强度中锰钢板的制备方法，包括：获得中锰钢板；将所述中锰钢板升温至580～620℃并保温10～80min，进行两相区Ac1-Ac3退火处理；将退火处理后的中锰钢板降温至-30～-120℃并保温8～16h，进行冷处理；将冷处理后的中锰钢板升温至150～300℃进行回火处理，所述回火处理时间为5～10min/mm×中锰钢板厚度mm。采用两相区退火+冷处理+回火处理生产工艺，通过处理方法中的冷处理使中锰钢中部分相对不稳定的奥氏体发生转变成马氏体，在此过程中由于作为氢陷阱的奥氏体转变造成钢中氢含量增加，通过冷处理与低温回火相结合，使氢从钢中溢散或者扩散至附近稳定的残余奥氏体(氢陷阱)中，提前排除了中锰钢在低温环境下服役由于低温诱导组织变化而导致性能不稳定的风险、γ转变为α相而造成的组织脆化以及氢脆等问题。该制备方法可显著增强高强度中锰钢板在低温环境下的低温韧性及其稳定性，从而显著降低中锰钢板在低温环境下的失效风险，提高其服役稳定性与安全性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的用于低温环境的高强度中锰钢板的制备方法流程图；
图2是本发明实施例提供的用于低温环境的高强度中锰钢板的制备方法工艺示意图；
图3是本发明对比例1中中锰钢板的SEM照片；
图4是本发明实施例1中中锰铜板的SEM照片。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
根据本发明一种典型的实施方式，提供一种用于低温环境的高强度中锰钢板的制备方法，如图1所示，所述方法包括：
S1、获得中锰钢板；
S2、将所述中锰钢板升温至580～620℃并保温10～80min，进行两相区Ac1-Ac3退火处理；
S3、将退火处理后的中锰钢板降温至-30～-120℃并保温8～16h，进行冷处理；
S4、将冷处理后的中锰钢板升温至150～300℃进行回火处理，所述回火处理时间为5～10min/mm×中锰钢板厚度mm。
该实施方式中，通过将中锰钢板在两相区退火后，再依次进行冷处理和低温回火处理，通过该冷处理工艺可以使中锰钢板中的部分逆转变奥氏体发生转变，后续再进行低温回火处理。作用如下：一方面，通过冷处理使中锰钢板中部分相对不稳定的逆转变奥氏体转变成马氏体提前排除逆转变奥氏体在低温环境中服役而发生转变的风险，这部分奥氏体如保留在最终钢板产品组织中，低温服役环境中易导致该部分奥氏体转变为硬脆马氏体而造成不可控风险。该转变新生的马氏体一般是较为硬脆的高碳马氏体，通过在冷处理之后添加回火处理，使淬火得到的马氏体与冷处理过程中新形成的过饱和马氏体发生回复作用，降低马氏体在低温环境下的导致的脆性倾向的风险。另一方面，通过冷处理后续的回火处理，可以提高由于奥氏体氢陷阱减少而排出的氢在钢中的扩散能力，使由于冷处理后奥氏体转变而释放出的氢从钢中溢散或者扩散至附近稳定的残余奥氏体(氢陷阱)中，结合探伤手段可以排除中锰钢在低温环境服役过程中由于奥氏体转变带来的氢脆风险。
两相区Ac1-Ac3退火处理中，升温至580～620℃并保温10～80min的原因是：为充分保证组织中逆转变奥氏体的形成以及组织整体的稳定性与均匀性，该温度过高和过低的不利影响分别是：该温度过高会导致形成过量的逆转变奥氏体从而导致逆转变奥氏体中的碳含量较低，冷却至室温后保存下来的逆转变奥氏体的含量与稳定性难以保证；该温度过低会导致两相区生成的逆转变奥氏体较少，难以保证后续有足够多的逆转变奥氏体来保证中锰钢的强韧性，保温时间过长和过短的不利影响分别是保温时间过长会导致两相区保温过程中由于碳扩散与合金扩散导致的偏析，进而影响韧性；保温时间过短会导致逆转变奥氏体与马氏体的混合组织不均匀，未能达到良好的γ相与α相均匀分布的预期组织，最终影响中锰钢的性能；
冷处理中，降温至-30～-120℃并保温8～16h的原因是：为将组织中的残余奥氏体进行转变，通过冷处理使中锰钢板中部分相对不稳定的逆转变奥氏体转变成马氏体，避免残余奥氏体在低温服役环境下的转变造成不利影响，该温度过高和过低的不利影响分别是：过高的温度会导致奥氏体的转变不充分，过低的温度有可能导致残余奥氏体的过量转变进而造成性能的较大变化，进而影响产品的使用，保温时间过长和过短的不利影响分别是在达到有效的均匀化与残余奥氏体转变的目的之后，保温时间过长会导致成本增加以及低温环境下的过度转变，保温时间过短会导致残余奥氏体的转变不充分；
回火处理中，升温至150～300℃且时间为5～10min/mm×中锰钢板厚度mm的原因是：为使中锰钢板充分保透的前提下，具有额外的组织均匀化以及排氢的时间，该温度过高和过低的不利影响分别是：该温度过低会导致回火过程中组织不能充分均匀化，该温度过高会导致组织中碳化物的过量析出，影响最终性能，回火处理时间过长和过短的不利影响分别是回火时间过长会导致过度析出，回火时间过短会导致氢的扩散过程不充分，导致氢脆的发生；
该实施方式中，中锰钢板可以是中锰钢热轧板。
下面将结合实施例、对比例及相关实验对本申请的用于低温环境的高强度中锰钢板及其制备方法进行详细说明。
实施例1
该例中，中锰钢板化学成分按质量分数为：C：0.02～0.1％，Si：0.1～0.5％，Mn：4～8％，Cu：0.2～0.6％，Ni：0.1～0.5％，Cr：0.2～0.5％，Mo：0.1～0.4％，Ti：，0.005～0.01％，其余是Fe及不可避免的杂质；
将该化学成分的40mm厚的一组钢板进行两相区加热，加热温度为580～620℃，保温时间为80min。退火冷却至室温后，在0.5h以内将钢板置于制冷箱中，设定降温速率为2℃/min，降至-100℃，保温12h后以2℃/min升温至室温，后以200℃温度回火400min，获得中锰钢板。
实施例2
该例中，中锰钢板化学成分按质量分数为：C：0.02～0.1％，Si：0.1～0.5％，Mn：4～8％，Cu：0.2～0.6％，Ni：0.1～0.5％，Cr：0.2～0.5％，Mo：0.1～0.4％，Ti：，0.005～0.01％，其余是Fe及不可避免的杂质；
将该化学成分的40mm厚的中锰钢板进行两相区加热，加热温度为580～620℃，保温时间为80min。退火冷却至室温后，在0.5h以内将钢板置于制冷箱中，设定降温速率为2℃/min，先降至-50℃后保温10min，继续以相同冷速冷至-80℃保温10min，最后冷至-100℃保温12h后以2℃/min升温至室温，后以200℃温度回火400min，获得中锰钢板。
实施例3
该例中，中锰钢板化学成分按质量分数为：C：0.02～0.1％，Si：0.1～0.5％，Mn：4～8％，Cu：0.2～0.6％，Ni：0.1～0.5％，Cr：0.2～0.5％，Mo：0.1～0.4％，Ti：，0.005～0.01％，其余是Fe及不可避免的杂质；
将该化学成分的40mm厚的一组钢板进行两相区加热，加热温度为580～620℃，保温时间为80min。退火冷却至室温后，在0.5h以内将铜板置于制冷箱中，设定降温速率为2℃/min，降至-100℃，保温12h后从制冷箱中直接置入回火炉中，以180℃温度回火400min，获得中锰钢板。
实施例4
该例中，中锰铜板化学成分按质量分数为：C：0.02～0.1％，Si：0.1～0.5％，Mn：4～8％，Cu：0.2～0.6％，Ni：0.1～0.5％，Cr：0.2～0.5％，Mo：0.1～0.4％，Ti：，0.005～0.01％，其余是Fe及不可避免的杂质；
将该化学成分的40mm厚的一组钢板进行两相区加热，加热温度为580～620℃，保温时间为80min。退火冷却至室温后，在0.5h以内将钢板置于-30～-80℃的低温贮藏库中，保温12h后出库，然后以250℃温度回火400min，获得中锰钢板。
对比例1
该例中，中锰钢板化学成分按质量分数为：C：0.02～0.09％，Si：0.1～0.5％，Mn：4～8％，Cu：0.2～0.6％，Ni：0.1～0.5％，Cr：0.2～0.5％，Mo：0.1～0.4％，T i：，0.005～0.01％，其余是Fe及不可避免的杂质；
将该化学成分的钢水依次进行冶炼和铸造，获得400mm厚板坯。将所述板坯依次进行加热、轧制、矫直、冷却后，获得40mm厚的钢板。将其中一组钢板进行两相区加热，加热温度为580～620℃，保温时间为80min，退火冷却后在300℃保温120min，后冷却至室温获得中锰钢板。
相关实验：
将实施例1-4和对比例1制得的中锰钢板分别置于-60℃低温环境中12h后，进行拉伸与冲击性能检测，测试结果如表1所示。
表1对比例与实施例的力学性能对比
Figure BDA0002932082260000061
Figure BDA0002932082260000071
从表1可以看出，经过本技术处理后，实施例的钢板的强韧性整体提高，尤其低温冲击性能获得显著提高。
附图的具体说明：
图3是本发明对比例1中中锰钢板的SEM照片，图3中箭头所指代表块状残余奥氏体，中锰钢板中存在残余奥氏体的不利影响是在-60℃低温环境中，组织中少量块状残余奥氏体会发生马氏体转变，形成硬而脆的高碳马氏体。在承受冲击过程中，低温环境中新形成的高碳马氏体与附近的奥氏体由于较大的软硬差异，导致微裂纹首先从高碳马氏体本身或者α/γ界面萌生，进而恶化钢的低温韧性；
图4是本发明实施例1中中锰钢板的SEM照片，图4中箭头所指代表分解的块状残余奥氏体，将残余奥氏体进行分解的积极影响是通过本专利所描述的工艺处理后，可将稳定性较低的残余奥氏体提前转变为马氏体，并通过低温回火使新形成的马氏体韧化，降低裂纹在马氏体附近萌生及扩展的可能，进而优化钢的强韧性。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于低温环境的高强度中锰钢板的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
获得中锰钢板；
将所述中锰钢板升温至580～620℃并保温10～80min，进行两相区Ac1-Ac3退火处理；
将退火处理后的中锰钢板降温至-30～-120℃并保温8～16h，进行冷处理；
将冷处理后的中锰钢板升温至150～300℃进行回火处理，所述回火处理时间为5～10min/mm×中锰钢板厚度mm。
2.根据权利要求1所述的一种用于低温环境的高强度中锰钢板的制备方法，其特征在于，所述将所述中锰钢板升温至580～620℃并保温10～80min，进行两相区Ac1-Ac3退火处理，包括：
以2～5℃/min的速率从室温升温至580～620℃并保温10～80min，保温后降温至室温。
3.根据权利要求1所述的一种用于低温环境的高强度中锰钢板的制备方法，其特征在于，所述将退火处理后的中锰钢板降温至-30～-120℃并保温8～16h，进行冷处理，包括：
以2～5℃/min的速率从室温降温至-30～-120℃并保温8～16h，保温后升温至室温。
4.根据权利要求1或3所述的一种用于低温环境的高强度中锰钢板的制备方法，其特征在于，所述冷处理中，降温至-70～-120℃。
5.根据权利要求1或3所述的一种用于低温环境的高强度中锰钢板的制备方法，其特征在于，所述冷处理中，降温速率为2℃/min。
6.根据权利要求1所述的一种用于低温环境的高强度中锰钢板的制备方法，其特征在于，所述将退火处理后的中锰钢板降温至-30～-120℃并保温8～16h，进行冷处理，包括：
采用阶梯冷却方式进行冷处理，其中，以2～5℃/min速率，从室温第一次降温至-30～-50℃并保温8-12min，第一次降温后以相同的速率第二次降温至-70～-90℃并保温8-12min，第二次降温后以相同的速率第三次降温至-100℃～-120℃并保温10-14h，第三次降温后以2-5℃/min速率升温至室温。
7.根据权利要求1所述的一种用于低温环境的高强度中锰钢板的制备方法，其特征在于，所述低温回火中，以2～5℃/min的速率从室温升温至150～300℃进行回火处理，回火处理时间为5～10min/mm×中锰钢板厚度mm。
8.根据权利要求1所述的一种用于低温环境的高强度中锰钢板的制备方法，其特征在于，所述中锰钢板的化学成分按质量分数为：C：0.02～0.10％，Si：0.15～0.30％，Mn：4.0～8.0％，Ti：0.008～0.025％，其余是Fe及不可避免的杂质。
9.一种由权利要求1-8任一项所述的方法制得的用于低温环境的高强度中锰钢板，其特征在于，所述中锰钢板化学成分按质量分数为：C：0.02～0.10％，Si：0.15～0.30％，Mn：4.0～8.0％，Ti：0.008～0.025％，其余是Fe及不可避免的杂质。
10.根据权利要求9所述的一种用于低温环境的高强度中锰钢板，其特征在于，所述中锰钢板的金相组织按体积分数包括：74～90％马氏体和10～26％残余奥氏体。
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