CN113073262A - 具有优异超低温韧性的双梯度超细晶钢板及其制备方法 - Google Patents

具有优异超低温韧性的双梯度超细晶钢板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料加工制备技术领域，公开具有优异超低温韧性的双梯度超细晶钢板及其制备方法。该合金钢板其化学成分以重量百分百计包括：C:0.04～0.20％，Si:0.10～0.50％，Mn:0.60～2.50％，P:≤0.010％，S:≤0.010％，Ni:0.15～1.50％，Cr:0.10～0.55％，Cu:0.10～0.50％，Al：0.02～0.06％，Nb:0.015～0.045％，Ti:0.005～0.030％，其余为Fe及不可避免的杂质。具体步骤为S1、冶炼；S2、将步骤S1所获得的铸坯，加热、粗轧、中间坯超快冷、精轧；S3、冷却。所述钢板厚度方向上晶体织构呈梯度变化，所述钢板厚度方向上晶粒尺寸呈梯度变化，钢板表层晶粒尺寸≤1.5μm，钢板心部晶粒尺寸≤5μm；形成具有优异超低温韧性的晶体织构与晶粒尺寸双梯度超细晶低合金钢板。

Description

具有优异超低温韧性的双梯度超细晶钢板及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料加工制备技术领域，具体涉及一种具有优异超低温韧性的双梯度超细晶钢板及其制备方法。
背景技术
随着工业的发展，各种工业设施对钢铁材料的性能需求逐渐增高，要求钢铁材料强度提高的同时还要保证足够的韧性。但钢铁材料强度和韧性存在着难以协调的矛盾，通常来讲，钢铁材料强度的提高往往会导致韧性下降。金属材料的强度贡献机制包括：细晶强化、析出强化、位错强化以及固溶强化等，其中细晶强化是唯一能够同时提高钢铁材料强度和韧性的方法，形成超细晶铁素体钢能够在提高强度的基础上显著提高低温韧性。但是，晶粒细化往往会降低超细晶钢的加工硬化率，使材料塑性降低。
在钢板中形成厚度方向上晶粒尺寸连续变化的梯度结构可以改善超细晶钢的塑性，形成具有良好强度、塑性和韧性的钢板。钢板表层的超细晶铁素体为钢板提供强度和优异的低温韧性，心部的粗晶铁素体可以提供一定的塑性，使钢板表现出良好的综合力学性能。
现有制备梯度结构钢板的制备方法，主要是改进后的控轧控冷方法。中国专利申请公布号CN 109735766A的专利文献，公开了一种梯度超细晶结构低碳微合金钢及其制备方法，虽然获得了超细晶的梯度结构，但是需要熔炼、锻造等方式获得坯料且制备过程中需要多次加热，不适合工业大批量生产，只能用于薄板钢的少量生产。中国专利申请公布号CN106676240 A的专利文献，公开了一种表层超细晶铁素体低合金钢厚板的制备方法，该方法只在钢板表层形成了超细晶结构，且没有测试相应的力学性能来体现该方法在实际应用方面的优势。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有优异超低温韧性的晶体织构与晶粒尺寸双梯度超细晶低合金钢板的制备方法，该方法采用中间坯超快冷工艺，使钢坯粗轧后中间坯表层快速冷却，在中间坯厚度方向上形成梯度铁素体和具有高密度位错的板条组织，利用钢板内部返温时铁素体再结晶与奥氏体动态相变形成具有优异超低温韧性的晶体织构与晶粒尺寸双梯度超细晶低合金钢板。
为达到上述目的，本发明的技术方案包括：
一种具有优异超低温韧性的双梯度超细晶钢板，其化学成分以重量百分百计包括：C:0.04～0.20％，Si:0.10～0.50％，Mn:0.60～2.50％，P:≤0.010％，S:≤0.010％，Ni:0.15～1.50％，Cr:0.10～0.55％，Cu:0.10～0.50％，Al：0.02～0.06％，Nb:0.015～0.045％，Ti:0.005～0.030％，其余为Fe及不可避免的杂质；所述钢板厚度方向上晶体织构呈梯度变化，所述钢板厚度方向上晶粒尺寸呈梯度变化，钢板表层晶粒尺寸≤1.5μm，钢板心部晶粒尺寸≤5μm。
本发明成分的设计理由如下：C元素可通过固溶强化、析出强化等方式提高强度，含量较低时，低于0.04％，强度水平不容易保证，但含量较高时，如高于0.20％，则损害低温韧性，因此，本发明中的C含量优选控制在0.04～0.20％范围内。
Si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，但质量分数超过0.50％的钢，其塑性加工较为困难，因此Si含量优选控制在0.10～0.50％。Mn元素是弱碳化物形成元素，可通过固溶强化来提高强度，同时能降低奥氏体转变温度，细化铁素体晶粒。但Mn含量过高，如高于2.50％容易损害低温韧性，因此本发明中Mn含量优选控制在0.60～2.50％之间。此外在C-Mn钢的基础上，通过热、动力学模拟实验，设计复合添加Ni、Cr、Cu、Al、Nb、Ti六种合金元素，发挥细晶强化、析出强化、固溶强化等作用来保证强度级别。研究发现含量在0.015～0.045％Nb和0.005～0.030％Ti的添加，既可以通过复合析出来提供针状铁素体的形核点，也不过于提高钢板的碳当量而影响其焊接性。所以Nb的含量优选在0.015～0.045％，Ti的含量优选在0.005～0.030％。
通过Ni在铁素体基体中的固溶改善低温冲击韧性，Ni的含量高于1.50％时大大提升冶炼成本，低于0.15％不能完全保证强度和韧性，所以Ni元素的含量优选0.15～1.50％。通过适量Al、Cr、Cu元素来提高耐蚀性和强度，Cr含量在0.10～0.55％时结合适量的Al：0.02～0.06％，可以有效提高钢材耐蚀性和强度，过高会降低塑性，过低则无法保证抗蚀性。Cu的含量高于0.50％会降低钢材韧性，低于0.10％则不易保证抗蚀性能，Cu元素的含量优选为0.10～0.50％，并严格控制P、S有害元素的含量。本发明中的化学成分属于低碳低合金钢范畴，合金成分种类较少，成本较低。
上述的具有优异超低温韧性的双梯度超细晶钢板的制备方法，包括如下步骤：
S1、冶炼：铁水采用转炉冶炼，并通过LF炉脱硫处理+RH真空处理，控制钢中化学成分按重量百分比在如下范围内：C:0.04～0.20％，Si:0.10～0.50％，Mn:0.60～2.50％，P:≤0.010％，S:≤0.010％，Ni:0.15～1.50％，Cr:0.10～0.55％，Cu:0.10～0.50％，Al：0.02～0.06％，Nb:0.015～0.045％，Ti:0.005～0.030％，其余为Fe及不可避免的杂质；
S2、将步骤S1所获得的铸坯，加热、粗轧、中间坯超快冷、精轧；
所述钢坯为获得沿钢坯厚度方向上具有梯度分布的铁素体和高密度位错的板条组织，粗轧后中间坯快速进入超快冷，冷却速度大于10℃/s，将中间坯表层冷却至Ar1温度以下；所述Ar1为钢板冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度；
S3、冷却；为了提高成品钢板的强度、韧性，所述钢坯精轧终轧后以大于10℃/s的冷却速度快速冷却钢板至350～450℃，随后空冷，所述温度均指冷却过程中钢板的表面温度。
在一个优选的实施方案中，在步骤S2中，为保证钢坯良好的奥氏体化效果并防止奥氏体晶粒过大，所述铸坯加热的温度介于1050～1250℃，加热时间为1～4h。
在一个优选的实施方案中，在步骤S2中，为了使所述钢坯的奥氏体晶粒再结晶细化奥氏体晶粒，所述钢坯粗轧温度≥1000℃，粗轧压下量大于25％，得到中间坯，中间坯与成品的厚度比值大于2。
在一个优选的实施方案中，在步骤S2中，所述钢坯出水冷后根据中间坯厚度进行多道次精轧，为保证所述钢坯成品获得梯度结构效果，所述钢坯终轧温度需大于Ar1，以上Ar1均为钢板冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度。
上述方法制备有优异超低温韧性的晶体织构与晶粒尺寸双梯度超细晶低合金钢板具有优异的性能，其纵向屈服强度＞440MPa，抗拉强度＞650MPa，延伸率＞20％，-140℃夏比冲击功＞50J。
本发明的方法通过合理控轧控冷过程，在较低真应变条件下细化钢板晶粒组织，形成晶体织构与晶粒尺寸双梯度超细晶低合金钢板，并能够大幅提高钢板的低温韧性。
本发明提供的具有优异超低温韧性的晶体织构与晶粒尺寸双梯度超细晶低合金钢板，合金种类较少，成分简单，所需应变低，并且可利用一般钢厂的现有设备和工艺条件，可提高生产效率并节能减耗。
本发明提供的制备方法生产的钢板利用中间坯超快冷工艺，获得了具有厚度方向上晶体织构与晶粒尺寸双梯度的超细晶低合金钢板，获得了优异的综合力学性能，大幅提高了钢板的低温韧性，超过了船级社对9Ni钢的韧性标准。
附图说明
图1为实施例1和2的轧制工艺示意图及相变过程；
图2为实施例1中钢板不同位置的IPF-Z取向成像图；
图3为实施例1中钢板不同位置的ODF截面图
Figure BDA0002990428530000031
图4为实施例2中钢板不同位置的IPF-Z取向成像图；
图5为实施例2中钢板不同位置的ODF截面图
Figure BDA0002990428530000032
图6为对比例1中钢板不同位置的IPF-Z取向成像图；
图7为对比例1中钢板不同位置的ODF截面图
Figure BDA0002990428530000033
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1
一种具有优异超低温韧性的双梯度超细晶钢板制备方法，采用如下步骤：
冶炼及获得铸坯：铁水采用转炉冶炼，并通过LF炉脱硫处理+RH真空处理进行精炼，其中，控制钢中化学成分组成重量百分比为：C＝0.05％，Si＝0.15％，Mn＝1.95％，P＝0.002％，S＝0.008％，Ni＝0.55％，Cr＝0.2％，Cu＝0.28％，Al＝0.035％，Nb＝0.04％，Ti＝0.012％，其余为Fe和不可避免杂质；获得铸坯厚度为120mm。
轧制工艺：铸坯加热温度为1200℃，保温2h，采用两阶段轧制，第一阶段为粗轧，开轧温度1200℃，粗轧压下量为29％，对应真应变为0.34，中间坯厚度85mm。第二阶段为精轧开轧温度780℃，精轧压下量为61％，对应真应变为1.96。钢板最终厚度为12mm，总真应变为2.3。
中间坯冷却工艺：粗轧结束后，钢板立即进入超快冷，冷却速度40℃/s，钢板表层冷却至Ar1以下，随后返温至780℃后进行精轧。
终冷工艺：第一阶段冷却速度40℃/s，冷却至400℃。第二阶段为空冷至室温。工艺的温度路径见图1，以上温度均指冷却过程中钢板的表面温度。
实施例2
一种具有优异超低温韧性的双梯度超细晶钢板制备方法，采用如下步骤：
冶炼及获得铸坯：同实施例1相同。
轧制工艺：同实施例1相同。
中间坯冷却工艺：粗轧结束后，钢板立即进入超快冷，冷却速度40℃/s，钢板表层冷却至Ar1以下，随后返温至740℃后进行精轧，精轧压下量为67％，对应真应变为2.83。钢板最终厚度为5mm，总真应变为3.17。
终冷工艺：同实施例1相同。
对比例1：与案例1的区别在于没有中间坯冷却工艺步骤，而是粗轧后空冷至780℃。
1.EDSD检测
按照GB/T 36165-2018金属平均晶粒度的测定电子背散射衍射(EBSD)法对钢板不同厚度处晶粒尺寸及晶体织构进行测定，晶粒尺寸结果见表1，晶体织构分析结果如附图2～附图7所示。
表1为实施例1～2和对比例1的晶粒尺寸
表层(μm) 1/4t(μm) 1/2t(μm)
实施例1 1.4 1.7 1.9
实施例2 1.3 1.4 2.1
对比例1 1.8 1.9 2.0
图2、图4和图6分别为实施例1、实施例2、对比例1中钢板不同位置的IPF-Z取向成像图，可以看出实施例1和实施例2表层均为沿钢板轧向的纤维状组织、心部为细小的等轴晶和压扁的粗大晶粒的混合组织，而对比例1的表层为等轴晶，心部为心部为等轴晶和压扁的粗大晶粒的混合组织。
图3、图5和图7分别为实施例1、实施例2、对比例1中钢板不同位置的ODF截面图
Figure BDA0002990428530000052
其中1/4t为钢板1/4厚度处、1/2t为钢板心部，可以看出实施例1和实施例2表层均为{110}<001>织构、心部主要为{112}<110>织构同时伴有少量{111}<112>织构，而对比例1表层织构较少，心部织构以{100}<110>为主。
2.力学性能测试
由于钢板表层超细晶对钢板力学性能有较大影响，所以案例1和对比例测试的拉伸和冲击试样厚度均为12mm，案例2测试的拉伸和冲击试样厚度为5mm，其它尺寸按照国标GB/T228-87和国标GB/T 229-1994中的要求进行，测得结果见表2。
表2为案例1、案例2和对比例1的冲击和拉伸实验结果
Figure BDA0002990428530000051
表2中，ReH表示屈服强度，Rm表示抗拉强度，δ表示延伸率，表中数值均为五次测量后的平均值。
实施例1和实施例2获得了优异的低温韧性，-140℃的纵向冲击功分别为229.1J和78.5J，超过了国家标准《GB 24510-2009低压力容器用9％Ni钢板》中对7Ni钢的韧性要求，其中实施例2在-196℃下的纵向冲击功达到了75.5J超过了国家标准《GB 24510-2009低压力容器用9％Ni钢板》中对9Ni钢的要求。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识再次未作过多描述。应对指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明的实施效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (5)

1.一种具有优异超低温韧性的双梯度超细晶钢板，其特征在于，其化学成分以重量百分百计包括：C:0.04～0.20％，Si:0.10～0.50％，Mn:0.60～2.50％，P:≤0.010％，S:≤0.010％，Ni:0.15～1.50％，Cr:0.10～0.55％，Cu:0.10～0.50％，Al：0.02～0.06％，Nb:0.015～0.045％，Ti:0.005～0.030％，其余为Fe及不可避免的杂质；所述钢板厚度方向上晶体织构呈梯度变化，所述钢板厚度方向上晶粒尺寸呈梯度变化，钢板表层晶粒尺寸≤1.5μm，钢板心部晶粒尺寸≤5μm。
2.权利要求1所述的具有优异超低温韧性的双梯度超细晶钢板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、冶炼：铁水采用转炉冶炼，并通过LF炉脱硫处理+RH真空处理，控制钢中化学成分按重量百分比在如下范围内：C:0.04～0.20％，Si:0.10～0.50％，Mn:0.60～2.50％，P:≤0.010％，S:≤0.010％，Ni:0.15～1.50％，Cr:0.10～0.55％，Cu:0.10～0.50％，Al：0.02～0.06％，Nb:0.015～0.045％，Ti:0.005～0.030％，其余为Fe及不可避免的杂质；
S2、将步骤S1所获得的铸坯，加热、粗轧、中间坯超快冷、精轧；
所述粗轧后中间坯快速进入超快冷，冷却速度大于10℃/s，将中间坯表层冷却至Ar1温度以下；所述Ar1为钢板冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度；
S3、冷却；钢坯终轧后以大于10℃/s的冷却速度快速冷却钢板至350～450℃，随后空冷，所述温度均指冷却过程中钢板的表面温度。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述铸坯加热的温度介于1050～1250℃，加热时间为1～4h。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述钢坯粗轧温度≥1000℃，粗轧压下量大于25％，得到中间坯，中间坯与成品的厚度比值大于2。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述中间坯超快冷后根据中间坯厚度进行多道次精轧，所述钢坯终轧温度需大于Ar1。
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