CN113930684A - 经济型耐时效高应变析出强化管线钢及其生产方法 - Google Patents

经济型耐时效高应变析出强化管线钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种经济型耐时效高应变析出强化管线钢及其生产方法，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.045％～0.070％、Si：0.26％～0.45％、Mn：1.65％～1.85％、P≤0.012％、S≤0.002％、Nb：0.035％～0.075％、Ti：0.012％～0.025％、V：0.01％～0.04％、Ni：0.12％～0.22％、Cu：0.15％～0.29％、Ni/Cu≥0.7、Cr：＜0.30％、Al：0.010％～0.025％、N:0.0010％～0.0045％，所述管线钢CEPcm控制在0.165％～0.190％，其中，CEPcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B，余量为铁和不可避免的杂质。所述钢板经250℃保温1h时效后，纵向屈服强度可达到450～550MPa，纵向抗拉强度达到650～730MPa，纵向均匀延伸率UEL≥9％，纵向屈强比不超过0.75，纵向应***化指数n≥0.10。

Description

经济型耐时效高应变析出强化管线钢及其生产方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及经济耐时效高应变析出强化管线钢及其生产方法。
背景技术
随着油气资源需求的不断增大和陆路油气资源的减少，石油天然开采不断向复杂恶劣的环境发展。例如，寒冷地区、地质复杂活跃地区及海洋等，其中，寒冷地区昼夜温差大、地质活跃地区地壳运动频率高、海洋环境海流频繁、水压高及海底凹凸不平等对在复杂恶劣环境服役的油气采输用钢管提出了更高的技术要求。
用于制作复杂环境服役钢管的管线钢板需要满足横纵向均具有高强度、高韧性且兼具高均匀延伸率、低屈强比、高应***化率、低时效敏感性等高应变性能；而且，为提升输量压力和安全性或满足深水服役需求，要求钢板具有更大的厚度；但是，厚度增加将导致钢板生产时厚度截面温度梯度增加、厚度方向微观组织和性能均匀性降低、强度-韧性矛盾激化、止裂韧性控制难度显著增加等诸多难题。复杂多样的技术指标要求显著增大了高塑变管线钢板的设计和制造难度。同时，降低成本和提高经济性也是该类产品设计和研究的重要发展方向之一。
目前，国内外对高应变管线钢板有一些研究，经检索发现了部分专利和文献，但其所记载的内容与本发明技术方案所述成分、生产方法、性能、产品类别等方面存在明显差异。
专利文献《NbC纳米颗粒强化X80塑性管用钢板及其制造方法》(公开号：CN109023069A)公开了一种X80级塑性管用钢板及其生产方法，成分中贵重合金Nb(0.07％～0.15％)含量高，经济性不足；生产方法方面在钢板完成控轧控冷之后需要采用高温固溶+中温等温工艺达到NbC强化效果，工序复杂，能耗和成本高，制造周期长。
专利文献《一种X80M深海抗应变管线钢板及轧制工艺》(公开号：CN109234623B)公开的深海管线钢板，成分中采用高Ni(0.65％～0.85％)、高Mo(0.31％～0.36％)的设计方案，合金含量和成本过高。
专利文献《高止裂、抗应变时效脆化特性的耐海水腐蚀钢板及其制造方法》(公开号：CN109423572B)公开的性的耐海水腐蚀钢板其成分中采用高Ni(0.60％～1.00％)、高Cu(0.90％～1.20％)设计，同时在钢板控轧控冷后采用过时效回火处理，促进ε-Cu析出；合金添加量高、工序多。
专利文献《具有优异低温韧性和低屈强比的管线用钢》(公开号：KR2119975B1)公开了管线钢板及生产方法，其管线钢成分中加入较多Nb(0.08％～0.12％)、Mo(0.20％～0.40％)等元素，成本偏高。
文献：《X70级大壁厚海底管线钢板的研制开发》(《中厚板》第22卷2期，张志军，张海军)公开了厚度30.8mm的X70海底管线用钢板，成分中未公开Nb、Ti、Mo、Ni元素的含量；非再结晶区变形温度高(≥800℃)，终冷温度(≥540℃)，钢板屈强比较高，塑变性不足。
综上所述，现有技术对细小析出强化的经济耐时效高应变管线钢的研究尚有不足。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种厚壁、高强度、高韧性、高均匀延伸率、低屈强比、高应***化率、低时效敏感性等技术指标匹配且兼顾经济性的经济耐时效高应变析出强化管线钢及其生产方法。
本发明经济耐时效高应变析出强化管线钢适于制作寒冷、地质复杂地区及水下等环境油气采输用直缝埋弧焊管。本发明细小析出强化的经济耐时效高应变管线钢的厚度≥20m；成分设计中以C、Mn、Si、Ni、Cu为基础强化元素，利用Nb、Ti、V形成细小碳氮化物析出，发挥强化和细晶作用且降低时效敏感性；同时，减少对韧性的影响；采用无Mo设计提升耐时效性能，而且，提高经济性
本发明目的是这样实现的：
一种经济型耐时效高应变析出强化管线钢，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.045％～0.070％、Si：0.26％～0.45％、Mn：1.65％～1.85％、P≤0.012％、S≤0.002％、Nb：0.035％～0.075％、Ti：0.012％～0.025％、V：0.01％～0.04％、Ni：0.12％～0.22％、Cu：0.15％～0.29％、Ni/Cu≥0.7、Cr：＜0.30％、Al：0.010％～0.025％、N:0.0010％～0.0045％，所述管线钢CEPcm控制在0.165％～0.190％，其中，CEPcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B，余量为铁和不可避免的杂质。
进一步，所述管线钢显微组织为贝氏体+多边形铁素体+少量M/A，其中多边形铁素体体积百分比在15％～50％，贝氏体包括粒状贝氏体和板条贝氏体；平均晶粒直径10μm以下；钢板中含有质量分数0.03％～0.07％的碳氮化物析出，其中，10nm以下的细小析出碳氮化物析出占全部碳氮化物析出的数量百分比≥30％。
所述板条贝氏体体积百分比为30％～70％。
进一步，所述细小析出强化的经济耐时效高应变管线钢的厚度≥20mm，横向屈服强度可达到460～550MPa，横向抗拉强度达到660～740MPa，横向屈强比不超过0.75，-60℃横向冲击功均值≥300J，-15℃横向DWTT剪切面积≥85％；纵向屈服强度可达到430～530MPa，纵向抗拉强度达到640～730MPa，纵向均匀延伸率UEL≥10％，纵向屈强比不超过0.73，纵向应***化指数n≥0.11；经250℃保温1h时效后，纵向屈服强度可达到450～550MPa，纵向抗拉强度达到650～730MPa，纵向均匀延伸率UEL≥9％，纵向屈强比不超过0.75，纵向应***化指数n≥0.10。
本发明成分设计理由如下：
C主要以合金碳化物析出和间隙固溶两种存在形式发挥作用；本发明重点利用了C在钢板中温形变及待温时与Nb形成10nm以下析出相的特性促进细小析出的形成，从而，增加形核位置，细化微观组织；同时，以固溶形式存在的C能够增加多相组织中硬相的强度和硬度，使软硬相力学性能差异增加，有利于屈强比的降低和应力比的提升；但是，碳的增加对塑性和韧性不利，对厚壁高强度管线钢板而言，强韧性矛盾更为突出，因此，需对C上限进行严格控制，本发明认为C控制在0.045％～0.070％较为适宜。
Si可以提高强度，但其含量过高会使微观组织中M/A增加，韧性和塑性降低，其适宜范围为0.26％～0.45％。
Mn能够有效提高强度，还可以提高奥氏体稳定性和淬透性，从而使微观组织更为细化和均匀化；但是，锰含量过高易诱发偏析，促进夹杂物形成，本发明将Mn含量控制在1.65％～1.85％较为适宜。
P、S在本发明中为有害杂质元素；P会导致韧性降低，本发明将P控制在≤0.012％；S含量增加会促进夹杂物的生成和长大，破坏基体连续性，导致性能下降，因此，S≤0.002％。
Nb本发明重点利用了Nb能够在适当工艺下形成10nm以下细小Nb(CN)析出的作用，发挥细晶作用和提升强度，同时，由于析出相尺寸小，不会导致韧性的下降；而且，细小Nb(CN)析出可以降低固溶C、N质量分数，从而，抑制时效时M(CN)的形成，降低时效敏感性。另外，Nb还能够抑制奥氏体晶粒长大，细化微观组织，降低轧制变形限制；但是，铌含量过高会造成焊后韧性下降，还会增加成本，本发明认为将Nb含量控制在0.035％～0.075％较为适宜。
Ti可以发挥固N、固C效果，形成固溶温度较高的Ti(CN)析出相，抑制高温条件下奥氏体的晶粒长大，减少固溶C、N含量，降低时效敏感性；同时，Ti还可以细化焊接组织，提高焊后热影响区韧性，本发明认为将Ti含量控制0.012％～0.025％较为适宜。
V具有固溶和析出作用，与C、N有较强的结合倾向，能够在轧制、冷却时与C、N结合形成细小析出，也具有降低时效敏感性的作用；而且，与Nb、Ti相比，V的析出温度相对较低，有利于析出相的细化；但V含量过高会影响钢板和焊后韧性，因此，本发明V含量0.01％～0.04％。
Ni、Cu：Ni可以提高强度，降低临界冷却速度，延迟珠光体转变，有利于微观组织控制和晶粒细化，改善低温韧性；但Ni价格较高，不宜添加过多；因此，本发明Ni含量控制在0.12％～0.22％。Cu能够提高强度，弥补无Mo设计的强度损失；还能增加奥氏体稳定性，提高厚壁钢板的冷却效果，但Cu含量过高对韧性不利，易引起钢板脆化，本发明Cu含量控制在0.15％～0.29％，同时，Ni/Cu≥0.7，可以抑制Cu对韧性的影响。
Cr具有强化作用，还可以能淬透性，降低奥氏体相变温度，对改善厚度方向微观组织均匀性有利，而且，Cr价格便宜，可以替代贵重合金元素降低成本；但Cr含量过高会增加焊接裂纹敏感性，所以，Cr含量控制在0.30％以下。
Al是脱氧元素，有一定的固N作用，但含量过高会促进含Al夹杂物增加，而且对焊接性不利，本发明认为铝含量控制0.010％～0.025％为宜。
N可以与Nb、Ti、V形成细小析出物，发挥强化和细晶作用，提高强韧性，但含量过高使韧性恶化，其含量控制在0.0010％～0.0045％为宜。
本发明CEPcm控制在0.165％～0.190％，既可以满足钢板强韧性需求，又能降低焊接开裂倾向，使钢板具有良好的可焊性。
本发明技术方案之二是提供一种经济型耐时效高应变析出强化管线钢的生产方法，包括冶炼、连铸、加热轧制、冷却；
(1)冶炼、连铸：转炉出钢时出钢温度≤1640℃，C≤0.045％，挡渣出钢，出钢过程按照4/1～5/1的比例加入石灰和萤石造顶渣；精炼过程RH真空处理时间≥10min；连铸坯浇注过热度10～30℃，连铸坯拉速0.8～1.2m/min。转炉低碳、低温、挡渣出钢可以有效控制最终产品的碳含量，保证脱磷效果，减少回磷、回硫；造顶渣和真空精炼可以有效去除非金属有害元素；浇注过热度和连铸坯拉速的控制可以有效减少铸坯质量缺陷。
(2)加热：连铸坯采用预热段、Ⅰ加热段、Ⅱ加热段、均热段的多阶段加热，均热段温度1170～1200℃，均热段时间0.4min/mm～0.8min/mm。连铸坯多阶段加热有利于提高加热效率和均匀性；加热温度重点根据铌、碳等元素含量设计，既满足合金固溶需要，又防止奥氏体晶粒过分长大；均热段时间控制能够保证连铸坯整体温度均匀性。
(3)轧制：粗轧包括二阶段，第一阶段终轧温度为≥1100℃，随后以≥2℃/s的冷速冷却至1051～1100℃进行第二阶段粗轧，第二阶段终轧温度为970～1030℃，粗轧第二阶段每道次变形率≥16％且轧制时进行喷淋冷却，轧制速度1.0m/s～2.0m/s。粗轧采用高温和低温二阶段轧制+快速冷却工艺有利于促进奥氏体细化和增大铸坯截面温度梯度，配以较低的轧制速度可促进轧制变形向铸坯厚度中心渗透，细化厚度中心附近组织，提高厚度截面组织和性能均匀性。
中间待温坯厚度3.3t～4.8t，其中，t为成品钢板厚度，精轧开轧温度为800～860℃，精轧终轧温度为720～770℃。适宜的中间待温坯厚度可以满足未再结晶区奥氏体变形和形变能的积累；与奥氏体相变控制相结合的低温精轧工艺能够促进细小析出相的诱导析出，增加形核位置，还能形成少量形变铁素体，有利于塑变性和韧性的提高。
(4)冷却：轧后钢板空冷20s～60s后进行加速水冷，开始水冷冷却温度690～740℃，终冷温度160～290℃，水冷冷却时间15s～35s，水冷冷却速度10℃/s～25℃/s；随后，进行矫直和空冷。钢板轧后短时间的空冷与低温终轧相配合再通过开始水冷温度的控制有利于细小颗粒析出和软相多边形铁素体的进一步形成；终冷温度可以促进硬相贝氏体和少量M/A的形成，并且保证软相与硬相之间有足够的硬度差异，从而，提高抗拉强度和应力比。
钢板最终微观组织为贝氏体+多边形铁素体+少量M/A，多边形铁素体体积百分比在15％～50％；贝氏体包括粒装贝氏体和板条贝氏体，其中，板条贝氏体体积百分比为30％～70％。平均晶粒直径10μm以下；基体中含有质量分数0.03％～0.07％的碳氮化物析出，其中，10nm以下的细小析出碳氮化物析出占全部碳氮化物析出的数量百分比≥30％。钢板具有厚壁、高强度、高韧性、高均匀变形率、低屈强比、高应***化率、低时效敏感性等综合技术特征，满足制作寒冷地区、地质复杂活跃地区及水下等复杂环境油气采输用直缝埋弧焊管的要求。
本发明配以适宜的冶炼、加热、轧制、冷却等生产工艺获得厚壁、高强度、高韧性、高均匀变形率、低屈强比、高应***化率、低时效敏感性等综合性能及理想的微观组织。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明成分以C、Mn、Si、Ni、Cu为基础强化元素，充分利用Nb、Ti、V形成细小碳氮化物析出，发挥强化和细晶作用，降低时效敏感性，同时，减少对韧性的影响；采用无Mo设计提升耐时效性能，而且，提高经济性；配以独特的生产工艺解决了复杂服役环境用管线钢板大壁厚、强韧性、高应变性等技术指标的匹配难题且具有良好的经济性。
(2)采用本发明成分设计和生产方法获得了贝氏体+多边形铁素体+少量M/A的理想微观组织，实现了晶粒尺寸的有效控制，同时，获得了大量弥散分布的细小析出，对钢板性能的提升发挥了重要作用。
(3)本发明所述细小析出强化的经济耐时效高应变管线钢的厚度≥20mm，横向屈服强度可达到460～550MPa，横向抗拉强度达到660～740MPa，横向屈强比不超过0.75，-60℃横向冲击功均值≥300J，-15℃横向DWTT剪切面积≥85％；纵向屈服强度可达到430～530MPa，纵向抗拉强度达到640～730MPa，纵向均匀延伸率UEL≥10％，纵向屈强比不超过0.73，纵向应***化指数n≥0.11；经250℃保温1h时效后，纵向屈服强度可达到450～550MPa，纵向抗拉强度达到650～730MPa，纵向均匀延伸率UEL≥9％，纵向屈强比不超过0.75，纵向应***化指数n≥0.10。
附图说明
图1为本发明实施例1微观组织图。
图2为本发明实施例1细小析出图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行冶炼、连铸、轧制、冷却。
冶炼：转炉出钢时出钢温度≤1640℃，C≤0.045％，挡渣出钢，出钢过程按照4/1～5/1的比例加入石灰和萤石造顶渣；精炼过程RH真空处理时间≥10min；
连铸：连铸过程中连铸坯浇注过热度10～30℃，连铸坯拉速0.8～1.2m/min；
加热：连铸坯采用预热段、Ⅰ加热段、Ⅱ加热段、均热段的多阶段加热，均热段温度1170～1200℃，均热段时间0.4～0.8min/mm；
轧制：粗轧包括二阶段，第一阶段终轧温度为≥1100℃，随后以≥2℃/s的冷速冷却至1051～1100℃进行第二阶段粗轧，第二阶段终轧温度为970～1030℃，粗轧第二阶段每道次变形率≥16％且轧制时进行喷淋冷却，轧制速度1.0～2.0m/s；
中间待温坯厚度3.3t～4.8t，其中，t为成品钢板厚度，精轧开轧温度为800～860℃，精轧终轧温度为720～770℃；
冷却：轧后钢板空冷20s～60s后进行加速水冷，开始水冷冷却温度690～740℃，终冷温度160～290℃，水冷冷却时间15s～35s，水冷冷却速度10℃/s～25℃/s；随后，进行矫直和空冷。
本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的冶炼和连铸主要工艺参数见表2。本发明实施例钢的轧制主要工艺参数见表3。本发明实施例钢的冷却主要工艺参数见表4。本发明实施例钢的纵向性能见表5。本发明实施例钢时效后纵向性能见表6。本发明实施例钢的韧性和微观组织结构见表7。
表1本发明实施例钢的成分(wt％)
Figure BDA0003302344390000081
表2本发明实施例钢的冶炼和连铸主要工艺参数
Figure BDA0003302344390000091
表3本发明实施例钢的轧制主要工艺参数
Figure BDA0003302344390000092
表4本发明实施例钢的冷却主要工艺参数
Figure BDA0003302344390000101
表5本发明实施例钢的性能
Figure BDA0003302344390000102
注：拉伸试样为全厚度矩形试样，平行测试段板宽38.1mm。
表6本发明实施例钢时效后纵向性能
Figure BDA0003302344390000111
注：时效工艺为250℃保温1h。
表7本发明实施例钢的韧性和微观组织结构
Figure BDA0003302344390000112
注：冲击试样尺寸为10*55*55mm；DWTT试样为全厚度试样。
应用本发明生产的细小析出强化的经济耐时效高应变管线钢的厚度≥20mm，横向屈服强度可达到460～550MPa，横向抗拉强度达到660～740MPa，横向屈强比不超过0.75，-60℃横向冲击功均值≥300J，-15℃横向DWTT剪切面积≥85％；纵向屈服强度可达到430～530MPa，纵向抗拉强度达到640～730MPa，纵向均匀延伸率UEL≥10％，纵向屈强比不超过0.73，纵向应***化指数n≥0.11；经250℃保温1h时效后，纵向屈服强度可达到450～550MPa，纵向抗拉强度达到650～730MPa，纵向均匀延伸率UEL≥9％，纵向屈强比不超过0.75，纵向应***化指数n≥0.10。
为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种经济型耐时效高应变析出强化管线钢，其特征在于，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.045％～0.070％、Si：0.26％～0.45％、Mn：1.65％～1.85％、P≤0.012％、S≤0.002％、Nb：0.035％～0.075％、Ti：0.012％～0.025％、V：0.01％～0.04％、Ni：0.12％～0.22％、Cu：0.15％～0.29％、Ni/Cu≥0.7、Cr：＜0.30％、Al：0.010％～0.025％、N:0.0010％～0.0045％，管线钢CEPcm控制在0.165％～0.190％，其中，CEPcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B，余量为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种经济型耐时效高应变析出强化管线钢，其特征在于，所述管线钢显微组织为贝氏体+多边形铁素体+少量M/A，其中多边形铁素体体积百分比在15％～50％，贝氏体包括粒状贝氏体和板条贝氏体；平均晶粒直径10μm以下；钢板中含有质量分数0.03％～0.07％的碳氮化物析出，其中，10nm以下的细小析出碳氮化物析出占全部碳氮化物析出的数量百分比≥30％。
3.根据权利要求2所述的一种经济型耐时效高应变析出强化管线钢，其特征在于，所述板条贝氏体体积百分比为30％～70％。
4.根据权利要求1所述的一种经济型耐时效高应变析出强化管线钢，其特征在于，所述管线钢厚度≥20mm，横向屈服强度460～550MPa，横向抗拉强度660～740MPa，横向屈强比不超过0.75；纵向屈服强度430～530MPa，纵向抗拉强度640～730MPa，纵向均匀延伸率UEL≥10％，纵向屈强比不超过0.73，纵向应***化指数n≥0.11；-60℃横向冲击功均值≥300J，-15℃横向DWTT剪切面积≥85％；经250℃保温1h时效后，纵向屈服强度450～550MPa，纵向抗拉强度650～730MPa，纵向均匀延伸率UEL≥9％，纵向屈强比不超过0.75，纵向应***化指数n≥0.10。
5.一种权利要求1-4任一项所述的一种经济型耐时效高应变析出强化管线钢的生产方法，包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却；其特征在于：
(1)加热：连铸坯采用预热段、Ⅰ加热段、Ⅱ加热段、均热段的多阶段加热，均热段温度1170～1200℃，均热段时间0.4～0.8min/mm；
(2)轧制：粗轧包括二阶段，第一阶段终轧温度为≥1100℃，随后以≥2℃/s的冷速冷却至1051～1100℃进行第二阶段粗轧，第二阶段终轧温度为970～1030℃，粗轧第二阶段每道次变形率≥16％且轧制时进行喷淋冷却，轧制速度1.0～2.0m/s；
中间待温坯厚度3.3t～4.8t，其中，t为成品钢板厚度，精轧开轧温度为800～860℃，精轧终轧温度为720～770℃；
(3)冷却：轧后钢板空冷20s～60s后进行加速水冷，开始水冷冷却温度690～740℃，终冷温度160～290℃，水冷冷却时间15s～35s，水冷冷却速度10℃/s～25℃/s；随后，进行矫直和空冷。
6.根据权利要求5述的一种经济型耐时效高应变析出强化管线钢的生产方法，其特征在于，所述冶炼：转炉出钢时出钢温度≤1640℃，C≤0.045％，挡渣出钢，出钢过程按照4/1～5/1的比例加入石灰和萤石造顶渣；精炼过程RH真空处理时间≥10min。
7.根据权利要求5所述的一种经济型耐时效高应变析出强化管线钢的生产方法，其特征在于，所述连铸过程中连铸坯浇注过热度10～30℃，连铸坯拉速0.8～1.2m/min。
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