CN114086072B - 无硼中低镍高强度高淬透性海工钢厚板及其制备方法 - Google Patents

无硼中低镍高强度高淬透性海工钢厚板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无硼中低镍高强度高淬透性海工钢厚板及其制备方法，化学成分按照质量百分比为：C：0.07～0.11％；Si：0.15～0.35％；Mn：0.50～0.90％；Ni：1.50～2.00％；Cr：0.60～0.90％；Mo：0.20～0.40％；V：0.09～0.18％；N：0.006～0.010％；Al：0.02～0.03％，Cu：0.3～0.5％，其余为铁元素及不可避免的杂质。本发明生产的海工钢厚板，具有高强度高淬透性，低温冲击韧性良好，且组织性能均匀等优点，其屈服强度大于1000MPa，延伸率大于16％，断面收缩率大于40％，‑20℃冲击功大于70J，‑80℃冲击功大于40J，适用于海洋环境中。钢中不添加硼元素，可降低B添加后引起钢脆性的风险。添加镍元素，可以在有效改善钢的低温性能的同时，使得钢的成本得到有效控制。

Description

无硼中低镍高强度高淬透性海工钢厚板及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料加工技术领域，具体涉及一种无硼中低镍高强度高淬透性海工钢厚板及其制备方法。
背景技术
海洋工程用钢(以下简称“海工钢”)主要用于海洋平台、海洋能源设备、海底油气管线、油气储运及军用舰船制造等领域。恶劣的海洋环境要求海工钢必须具有高强度、高韧性、优异的抗疲劳、抗层状撕裂、耐海水腐蚀性能以及良好的焊接性能。随着船舶及海洋石油工业的飞速发展，高品质、大规格、易焊接、长寿命成为海工钢发展的主要方向。
组织性能均匀性是大规格高品级海工钢最为重要的性能指标和生产技术关键，而产品成分、生产工艺及装备能力又是实现这一目标的三大核心要素。然而，受化学成分、工艺及组织结构等多种因素影响，对于高强韧海洋工程用钢，往往很难获得比较理想的性能均匀性和淬透性。因此，提高海工钢的淬透性及其组织性能均匀性是大规格高品级海工钢生产技术的核心与瓶颈，除了冶炼和铸造工艺因素外，其本质上就是相关产品化学成分、晶粒度和淬透性的控制技术。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种无硼中低镍高强度高淬透性海工钢厚板及其制备方法。其通过对无硼中低镍高强度高淬透性海工钢厚板进行化学成分设计，实现了较低的碳当量，在传统C-Ni-Cr-Mo-V系钢基础上，大幅度降低了C含量，以V元素替代B元素从而能够大幅提高钢板的淬透性，添加N和Al元素增加析出强化作用，并通过合理的Al/N配比来控制晶粒尺寸，通过调整Cr、Mo元素含量来提高整体强度与韧性，Ni元素是稳定奥氏体的元素，添加Ni元素可以大幅提高钢板的韧性尤其是低温韧性，以中低镍含量有效控制钢板的成本。
具体地，本发明提供一种无硼中低镍高强度高淬透性海工钢厚板，按重量百分比由以下化学成分组成：C：0.07～0.11％；Si：0.15～0.35％；Mn：0.50～0.90％；Ni：1.50～2.00％；Cr：0.60～0.90％；Mo：0.20～0.40％；V：0.09～0.18％；N：0.006～0.010％；Al：0.02～0.03％，Cu：0.3～0.5％；其余为Fe及其余杂质。
优选地，所述海工钢厚板最大厚度能够达到180mm。
优选地，所述海工钢厚板屈服强度大于1000MPa，延伸率大于16％，断面收缩率大于40％，-20℃冲击功大于70J，-80℃冲击功大于40J。
优选地，本发明还提供一种无硼中低镍高强度高淬透性海工钢厚板的制备方法，其包括以下步骤：
S1、冶炼工序：按照上述组分及含量进行真空感应冶炼及电渣重熔，在转炉中控制镍及固溶态钒的含量，铸造成连铸坯，使钒以单质固溶体偏析到奥氏体晶界上；
S2、热轧工序，其具体包括以下子步骤：
S21、将步骤S1得到的连铸坯置于加热炉中，均匀化加热温度为1220～1300℃；
S22、采用两阶段差温轧制工艺进行热轧：第一阶段开轧温度为1050℃～1200℃，首先表面降温，心部温度保持不变，心部与表面温差控制在80～200℃之间，表面冷却层深度为20～30mm，单道次压下量为10％～30％；
第二阶段开轧温度为900℃～950℃，首先表面降温，心部温度保持不变，心部与表面温差控制在40～100℃之间，终轧温度为830℃～870℃，累计压下量大于30％；
S3、热处理工序，其具体包括以下子步骤：
S31、对轧制后的钢板进行淬火热处理，淬火热处理温度为850～950℃，之后进行水冷；
S32、对经过淬火热处理的钢板进行回火热处理，回火热处理温度为500～600℃，保温后空冷，得到高强度高淬透性海工钢厚板。
优选地，步骤S31中淬火热处理保温时间为D×(15～25)min/mm，其中，D表示所述钢板厚度，单位为mm。
优选地，步骤S32中保温时间为D×(30～50)min/mm。
与现有技术相比，本发明可实现以下有益效果：
(1)本发明通过对无硼中低镍高强度高淬透性海工钢厚板进行化学成分改进与研究，实现了钢板中较低的碳当量，在传统C-Ni-Cr-Mo-V系钢基础上，大幅度降低了C含量，以V元素替代B元素以提高淬透性，钢中不添加硼元素，从而能够降低硼元素添加后引起钢脆性的风险。而且Ni元素是稳定奥氏体的元素，适当的添加镍元素，可以在有效改善钢的低温性能的同时，使得钢的成本得到有效控制。
(2)海工钢厚板在生产过程中，会产生Al2O3杂质，因此应尽量避免Al2O3夹杂的产生，铝会与N发生强烈的反应，Al和N的强烈结合可减少N与V结合的机会，因此增加固溶态钒的含量，保证了钢的淬透性。本专利在使用Al元素固定电炉炼钢中添加少量的N元素，添加的少量V以单质固溶体偏析到奥氏体晶界上，可以有效抑制冷却过程中铁素体在晶界处形核长大，提高钢的淬透性。
(3)采用本发明的上述方法制备的钢板中，P、S等杂质有害元素含量低，钢质纯净，适用于海洋环境中；并且，采用本发明设计的化学成分，通过合理调配各种合金元素的相互作用，可制备出符合性能要求的，最大厚度为180mm的海工钢厚板。
(4)本发明的无硼低镍高强度高淬透性海工钢，屈服强度达1000MPa以上，延伸率大于16％，断面收缩率大于40％，-20℃冲击功大于70J，-80℃冲击功大于40J，断口为纤维状。
(5)本发明采用多道次差温轧制工艺，可改善海工钢厚板心部缺陷及晶粒粗大，能够大幅提高钢板心部性能。
附图说明
图1为实施例1中钢板心部经过淬火回火处理后的组织形貌示意图；
图2为实施例2中钢板心部经过淬火回火处理后的组织形貌示意图；
图3为实施例3中钢板心部经过淬火回火处理后的组织形貌示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
具体地，本发明提供一种无硼中镍高强度高淬透性海工钢厚板，其化学成分及含量(重量百分比)为：C：0.07～0.11％；Si：0.15～0.35％；Mn：0.50～0.90％；Ni：1.50～2.00％；Cr：0.60～0.90％；Mo：0.20～0.40％；V：0.09～0.18％；N：0.006～0.010％；Al：0.02～0.03％，Cu：0.3～0.5％。
本发明的无硼海工钢厚板，钢中不需要添加硼元素，可以降低硼元素添加后引起钢脆性的风险，适当的添加镍元素，可以在有效改善钢的低温性能的同时，中低Ni的含量使得钢的成本得到有效控制。在钢的生产过程中，会产生Al2O3杂质，尽量避免Al2O3夹杂的产生，铝会与N发生强烈的反应，Al和N的强烈结合可减少N与V结合的机会，因此增加固溶态钒的含量，保证了钢的淬透性。本专利的最大区别是使用Al元素固定电炉炼钢中少量的N元素，添加的少量V以单质固溶体偏析到奥氏体晶界上，可以有效抑制冷却过程中铁素体在晶界处形核长大，提高钢的淬透性。提高淬透性的同时，本发明设计成分还需要考虑海工钢的碳当量的问题，避免碳当量过高影响厚板的焊接性能。
一方面，V的添加可以有效提高钢的淬透性，含V钢可以有效改善钢板的延伸率和低温冲击功的均匀性，V作为一种有效的微合金强化元素，其原子尺寸与Fe原子尺寸相当，固溶度大，且添加量易于控制，对偏析带不敏感，因此V是潜在的有效提高海工钢厚板淬透性的元素。另一方面V可以偏聚到晶界上，降低晶界的界面能，抑制以晶界为相变起始点的扩散型非马氏体相变，从而提高淬透性，提高厚钢板的心部性能。本发明中V的质量百分含量为0.09～0.18％。
本发明高强度高淬透性海工钢厚板各元素作用及范围说明如下：
碳：C作为间隙固溶体元素，不仅可以提高海工钢的抗拉强度和屈服强度，并且可以防止延伸率及冲击韧性的降低。本发明采用低碳设计，既保证一定的淬透性和强度，又不过分损失冲击韧性和恶化焊接性，本发明中C的质量百分含量为0.07～0.11％。
硅：Si作为固溶强化元素，可固溶于铁素体和奥氏体中提高钢的强度，有利于改善海工钢的耐腐蚀性能。可降低C在铁素体中的扩散速度，抑制碳化物集聚，增加回火稳定性。但Si含量过多会导致钢的塑性下降，本发明中Si的质量百分含量为0.15～0.35％。
锰：Mn是重要的强韧化元素，可提高钢的强度、硬度、淬透性及可锻性，可提高奥氏体稳定性，使C曲线右移，显著降低马氏体临界冷却速率，本发明中Mn的质量百分含量为0.50～0.90％。
镍：Ni在钢中是一种固溶强化剂，可以提高钢的淬透性，提高钢的整体强度。有效改善钢的低温性能，尤其是低温韧性。本发明中Ni的质量百分含量为1.50～2.00％。
铬：Cr可以提高钢的淬透性，促进合金化，提高钢的力学性能。Cr和Ni的同时添加可以进一步提高海工钢的耐海水腐蚀性能，本发明中Cr的质量百分含量为0.60～0.90％。
钼：Mo可以增加碳化物的稳定性，同时对基体可起到固溶强化作用，提高钢的淬透性和强韧性，减轻回火脆性。本发明中Mo的质量百分含量为0.20～0.40％。
钒：V作为一种有效的微合金强化元素，其原子尺寸与Fe原子尺寸相当，固溶度大，且添加量易于控制，对偏析带不敏感，因此V是潜在的有效提高海工钢厚板淬透性的元素。V可以偏聚到晶界上，降低晶界的界面能，抑制以晶界为相变起始点的扩散型非马氏体相变，从而提高淬透性，提高厚钢板的心部性能。本发明中V的质量百分含量为0.09～0.18％。
氮：N在钢中可起到固溶强化和弥散强化的作用。N与钢中合金元素形成的氮化物可弥散分布在晶界上，从而提高钢的强度。本发明中N的质量百分含量为0.006～0.010％。
铝：Al元素一方面作为脱氧元素，另一方面可在钢中起到固溶强化的作用。Al和N的强烈结合可减少V与N结合的机会，添加Al元素固氮，可增加固溶态V的含量，从而提高钢的淬透性，且AlN可提高钢的耐磨性。同时，合理的Al/N配比可细化晶粒尺寸，提高钢板的强度及韧性。本发明中Al的质量百分含量为0.02～0.03％。
为更好的解释本发明，结合以下具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步描述，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。
实施例1
本实施例提供的一种无硼中镍高强度高淬透性海工钢厚板，其化学成分及质量百分比为：C：0.088％；Si：0.24％；Mn：0.73％；Ni：1.98％；Cr：0.61％；Mo：0.35％；V：0.09％；N：0.0063％；Al：0.024％；Cu：0.32％；P≤0.01％；S≤0.004％。
本实施例的生产方法包括冶炼、连铸、热轧和热处理工序。
1.冶炼工序：按照实施例1的组分及其含量进行真空感应冶炼及电渣重熔，在转炉中控制镍含量，铸造成板坯；
2.热轧工序：将通过冶炼、连铸的工序得到的连铸坯置于加热炉中，加热、保温均匀化，温度1280℃，板坯厚度300mm；采用两阶段差温轧制工艺，开坯温度1200℃，轧制前表面喷水冷却15s，表面温度降低到1050℃，第一阶段控制道次压下量在15％，第二阶段开轧温度为930℃，轧制前表面喷水冷却10s，表面温度降低到890℃，终轧温度为870℃，多道次累计压下量约30％，最后一道次变形量10％，轧后板厚约180mm。
3.热处理工序：首先，对轧制后的钢板进行淬火热处理，淬火热处理温度为910℃，水冷。然后对经过淬火热处理的钢板进行回火热处理，回火热处理温度为550℃，保温后空冷，得到无硼中镍高强度高淬透性海工钢厚板。板材横向心部取料，屈服强度为1015MPa，抗拉强度为1105MPa，延伸率18％，断面收缩率45％，-20℃冲击功74J，-80℃冲击功45J。
其中，图1示出了实施例1中钢板心部经过淬火回火处理后的组织形貌。
实施例2
本实施例提供的一种无硼低镍高强度高淬透性海工钢厚板，其化学成分及质量百分比为：C：0.096％；Si：0.28％；Mn：0.73％；Ni：1.55％；Cr：0.77％；Mo：0.35％；V：0.15％；N：0.0079％；Al：0.026％；Cu：0.37％；P≤0.01％；S≤0.004％。
本实施例的生产方法包括冶炼、连铸、热轧、热处理工序。
1.冶炼工序：按照实施例2的组分及其含量进行真空感应冶炼及电渣重熔，在转炉中控制镍含量，铸造成板坯；
2.热轧工序：将通过冶炼、连铸的工序得到的连铸坯置于加热炉中，加热、保温均匀化，温度1250℃，板坯厚度180mm；采用两阶段差温轧制工艺，开坯温度1150℃，轧制前表面喷水冷却11s，表面温度降低到1030℃，第一阶段控制道次压下量在25％，第二阶段开轧温度为950℃，轧制前表面喷水冷却7s，表面温度降低到900℃，终轧温度为850℃，多道次累计压下量约60％，最后一道次变形量15％，轧后板厚约50mm。
3.热处理工序：首先，对轧制后的钢板进行淬火热处理，淬火热处理温度为910℃，水冷。然后对经过淬火热处理的钢板进行回火热处理，回火热处理温度为570℃，保温后空冷，得到无硼中镍高强度高淬透性海工钢厚板。板材横向心部取料，屈服强度为1055MPa，抗拉强度为1180MPa，延伸率16％，断面收缩率42％，-20℃冲击功72J，-80℃冲击功47J。
图2示出了实施例2中钢板心部经过淬火回火处理后的组织形貌。
实施例3
本实施例提供的一种无硼低镍高强度高淬透性海工钢厚板板材，其化学成分及质量百分比为：C：0.094％；Si：0.32％；Mn：0.80％；Ni：1.67％；Cr：0.78％；Mo：0.38％；V：0.17％；N：0.0092％；Al：0.029％；Cu：0.35％；P≤0.01％；S≤0.004％。
本实施例的生产方法包括冶炼、连铸、热轧、热处理工序。
1.冶炼工序：按照实施例3的组分及其含量进行真空感应冶炼及电渣重熔，在转炉中控制镍含量，铸造成板坯；
2.热轧工序：将通过冶炼、连铸的工序得到的连铸坯置于加热炉中，加热、保温均匀化，温度1270℃，板坯厚度250mm；采用两阶段差温轧制工艺，开坯温度1150℃，轧制前表面喷水冷却11s，表面温度降低到1030℃，第一阶段控制道次压下量在18％，第二阶段开轧温度为930℃，轧制前表面喷水冷却6s，表面温度降低到900℃，终轧温度为860℃，多道次累计压下量约60％，最后一道次变形量约18％，轧后板厚约80mm。
3.热处理工序：首先，对轧制后的钢板进行淬火热处理，淬火热处理温度为890℃，水冷。然后对经过淬火热处理的钢板进行回火热处理，回火热处理温度为560℃，保温后空冷，得到无硼中镍高强度高淬透性海工钢厚板。板材横向心部取料，屈服强度为1021MPa，抗拉强度为1126MPa，延伸率17％，断面收缩率45％，-20℃冲击功73J，-80℃冲击功44J。
图3示出了实施例3中钢板心部经过淬火回火处理后的组织形貌。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种无硼中低镍高强度高淬透性海工钢厚板的制备方法，其特征在于：所述无硼中低镍高强度高淬透性海工钢厚板按质量百分比由以下化学成分组成：C：0.07~0.11%；Si：0.15~0.35%；Mn：0.50~0.90%；Ni：1.50~2.00%；Cr：0.60~0.90%；Mo：0.20~0.40%；V：0.09~0.18%；N：0.006~0.010%；Al：0.02~0.03%，Cu：0.3~0.5%；其余为Fe及杂质；
制备方法包括以下步骤：
S1、冶炼工序：按照上述组分及含量进行真空感应冶炼及电渣重熔，在转炉中控制镍及固溶态钒的含量，铸造成连铸坯，使钒以单质固溶体偏析到奥氏体晶界上；
S2、热轧工序，其具体包括以下子步骤：
S21、将步骤S1得到的连铸坯置于加热炉中，均匀化加热温度为1220～1300℃；
S22、采用两阶段差温轧制工艺进行热轧：第一阶段开轧温度为1050℃~1200℃，首先表面降温，心部温度保持不变，心部与表面温差控制在80~200℃之间，表面冷却层深度为20~30mm，单道次压下量为10%~30%；
第二阶段开轧温度为900℃~950℃，首先表面降温，心部温度保持不变，心部与表面温差控制在40~100℃之间，终轧温度为 830℃ ~870℃，累计压下量大于30%；
S3、热处理工序，其具体包括以下子步骤：
S31、对轧制后的钢板进行淬火热处理，淬火热处理温度为850~950℃，之后进行水冷；
S32、对经过淬火热处理的钢板进行回火热处理，回火热处理温度为500~600℃，保温后空冷，得到高强度高淬透性海工钢厚板。
2.根据权利要求1所述的无硼中低镍高强度高淬透性海工钢厚板的制备方法，其特征在于：步骤S31中淬火热处理保温时间为D×(15~25)min/mm，其中，D表示所述钢板厚度，单位为mm。
3.根据权利要求1所述的无硼中低镍高强度高淬透性海工钢厚板的制备方法，其特征在于：步骤S32中保温时间为D×(30~50)min/mm。
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