CN116875903A - 一种低温延展性优异的690MPa级钢板及制造方法 - Google Patents

一种低温延展性优异的690MPa级钢板及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低温延展性优异的690MPa级钢板及制造方法，该钢板的成分按重量百分比计如下：C:0.100％～0.180％，Si:0.15％～0.75％，Mn:0.80％～1.60％，V:0.060％～0.200％，Cu:0.40％～0.80％，Ni:2.50％～3.50％，Cr:0.80％～1.80％，Mo:0.60％～1.60％，La:0.020％～0.070％，B:0.0020～0.0040％，P≤0.008％，S≤0.003％，其余为Fe及不可避免杂质；制造方法，包括冶炼、连铸、铸坯冷却、加热炉加热、轧制、冷却和回火；引用本发明生产的钢板‑40℃拉伸性能：屈服强度750MPa以上，抗拉强度840MPa以上，断后延伸率23.0％以上。钢板‑80℃冲击功大于200J，韧脆转变温度FATT＜‑75℃，无塑性转变温度NDTT≤‑75℃。

Description

一种低温延展性优异的690MPa级钢板及制造方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种低温延展性优异的690MPa级钢板及制造方法。
背景技术
近年来，极地船舶逐渐从低等级冰区加强型向具有自破冰性能的高等级加强型方向发展，具有破冰能力的极地油船、极地LPG船、极地集装箱船等新型商业破冰船需求得到快速增长。极地船舶特别是重型破冰船结构通常采用特殊钢，与冰层接触线以下部位船体用钢要求最高，此部分船体承受冰层的反复撞击，严重时会造成结构破损、货物泄露、环境污染、人员伤亡等灾难性的后果，因此要求该部分船体用钢必须具备足够的强度、低温韧性、抗撞性等综合性能，衡量抗撞性的关键指标是钢的延展性，钢的延展性越好，受撞击时吸收的能量越多，其抗撞性越好。对于在冰区环境服役船舶用钢来说，由于其长期在低温环境下服役，因此，需要具有优异的低温延展性。
发明《一种高延展性的EH40级船板钢及其制备方法》(申请号：201810320311.4)公开了一种高延展性EH40级船板钢，其化学成分为：C 0.04～0.08％，Si 0.04～0.16％，Mn0.90～1.20％，Nb 0.03～0.04％，Ti 0.01～0.02％，Als 0.02～0.04％，P≤0.02％，S≤0.01％，其余为铁和不可避免的杂质，采用120～140mm的钢坯进行加热、保温、粗轧、精轧、冷却等工艺获得成品船板钢，其屈服强度为475～530MPa，抗拉强度为540～609MPa，断后伸长率为31.4～35.7％，-40℃冲击功为231～274J。但是其冷却工艺为水冷-空冷-水冷三段式冷却，过程复杂，且其冲击功评价温度仅为-40℃，远低于冰区船舶的服役温度，断后伸长率为室温断后伸长率，同样不能满足冰区船舶的使用要求。
发明《一种高延展性的EH420级别船板钢及其生产方法》(申请号：201910970390.8)公开了一种高延展性EH420级船板钢，其化学成分为：C0.08～0.13％，Si0.10～0.25％，Mn1.0～1.4％，Nb0.01～0.03％，Ti0.02～0.04％，Als0.02～0.040％，P≤0.02％，S≤0.01％，其余为铁和不可避免的杂质。其生产工艺包括连铸、加热、轧制、冷却工序，钢板屈服强度为462～515MPa，抗拉强度551～623MPa，断后伸长率为28.4～31.8％，-40℃冲击功为243～295J。其冷却工序为，前段采用超快冷，后段采用层流冷却的方式，其过程同样复杂，且其冲击功和断后伸长率的评价温度均高于实际冰区船舶的服役温度，不能满足使用要求。
发明《一种高延展性的FH500级船板钢及其制备方法》(申请号：201810320314.8)公开了一种高延展性FH500级船板钢，其化学成分为：C0.04～0.08％，Si0.04～0.16％，Mn1.2～1.4％，Nb0.03～0.04％，Ti0.01～0.02％，Als0.02～0.04％，P≤0.02％，S≤0.01％，其余为Fe和不可避免杂质，采用120～140mm的钢坯进行加热、保温、粗轧、精轧、冷却等工艺获得成品船板钢，其屈服强度为541～597MPa，抗拉强度为622～686MPa，断后伸长率为30.5～31.5％，-60℃冲击功为187～216J。但是其冷却工艺为水冷-空冷-水冷三段式冷却，过程复杂，断后伸长率为室温断后伸长率，不能满足冰区船舶的使用要求。
发明《一种高强韧性EH36船板海工钢板及其生产方法》(申请号：202110051756.9)公开了一种高强韧性EH36钢板，其化学成分为：C0.09～0.13％，Si0.20～0.35％，Mn1.30～1.40％，P≤0.015％，S≤0.010％，Als0.040～0.050％，Nb0.025～0.035％，V0.020～0.030％，Ti0.005～0.012％，其余为Fe和不可避免杂质，通过多机制强韧化耦合组织调控，以及冶炼-连铸及热处理一体化生产技术得到最终钢板，其屈服强度、抗拉强度和冲击性能均较高，但其工艺过程包括正火处理，增加了其工艺复杂性，并且其断后伸长率为室温，且数值不高，不能满足船舶用钢的抗碰撞要求，且其强度级别相对偏低。
综上所述，目前高延展性船用钢板的生产主要存在以下问题。
(1)钢板的强度、低温韧性不足，不能满足使用要求。
(2)钢板的低温延展性不足，影响船舶的冰区服役要求。
(3)钢板的生产工艺过程复杂。
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成分设计合理、低温延展性优异的690MPa级钢板及制造方法。
本发明目的是这样实现的：
一种低温延展性优异的690MPa级钢板，该钢板的成分按重量百分比计如下：C:0.100％～0.180％，Si:0.15％～0.75％，Mn:0.80％～1.60％，V:0.060％～0.200％，Cu:0.40％～0.80％，Ni:2.50％～3.50％，Cr:0.80％～1.80％，Mo:0.60％～1.60％，La:0.020％～0.070％，B:0.0020～0.0040％，P≤0.008％，S≤0.003％，其余为Fe及不可避免杂质。
所述钢板的显微组织为回火索氏体+针状铁素体组织，按体积百分比计如下：回火索氏体40％～60％，铁素体40％～60％。
所述钢板屈服强度700MPa以上，抗拉强度800MPa以上，断后延伸率26.0％以上；-40℃拉伸性能：屈服强度750MPa以上，抗拉强度840MPa以上，断后延伸率23.0％以上；-80℃冲击功大于200J，FATT＜-75℃，NDTT≤-75℃。
本发明成分设计理由如下：
C：钢中基本的强化元素，在本发明技术方案中是保证强度、硬度的主要元素；其含量偏低时会使碳化物等的生成量降低，影响轧制时细化晶粒的效果。当含量偏高时，钢中渗碳体含量增加，对钢板的低温韧性及延展性有不利的影响。因此综合考虑成本、性能等因素，本发明控制C的范围为0.100％～0.180％。
Si：炼钢脱氧的必要元素，在钢中固溶能力较强，能提高钢的弹性极限以及屈服强度，但是含量过高时，对钢的低温韧性和表面质量有不利的影响。本发明控制Si的范围为0.15％～0.75％。
Mn：在钢中形成置换固溶体，可大量固溶于Fe基体中。能够延缓钢中铁素体和珠光体转变，大幅增加钢的淬透性，降低钢的脆性转变温度，改善冲击韧性，但是Mn含量过高，容易在钢中形成偏析，对钢的塑性和韧性均有不利影响。综合考虑，本发明控制Mn的范围为0.80％～1.60％。
V：强碳化物形成元素，对奥氏体再结晶影响较小，低温时V的碳化物大量析出，具有明显的析出强化和细化组织作用，从而提高钢的塑性和韧性，且在钢中具有很强的固溶强化作用，对于提高钢强度的均匀性及受到外力变形时的均匀性有促进作用。本发明控制V的范围为0.060％～0.200％。
Cu：能够提高钢中奥氏体的稳定性，增加钢的淬透性，适量添加时提高钢的强度、塑性及低温韧性，但含量过高时，钢的热脆性恶化，易产生热裂纹。本发明控制Cu的范围为0.40％～0.80％。
Ni：对钢的焊接热影响区硬化性和韧性没有不良影响，并且能提高钢的塑性及低温韧性，另外，Ni的加入还可以降低Cu含量高时的热裂纹倾向，综合考虑成本、性能等因素，本发明控制Ni的范围为2.50％～3.50％。
Cr：增加钢的淬透性，提升钢的强韧性能。少量Cr的添加，还能够有效延缓钢板的初期腐蚀。综合考虑成本、性能等因素，本发明控制Cr的范围为0.80％～1.80％。
Mo：提高钢板的淬透性，Mo元素在钢中可以形成细小碳化物，在不降低钢塑性的情况下能够有效提高钢板强度。本发明控制Mo的范围为0.60％～1.60％。
La：有良好的脱氧去硫作用，改善钢的流动性，减少非金属夹杂，使钢组织致密、纯净，改善钢的各向异性性能，对于提高钢的延展性、冲击韧性特别是低温冲击韧性有有益的作用。本发明控制La的范围为0.020％～0.070％。
B：硼可以显著提高钢板淬透性；它和Mo复合加入有助于在很宽冷速范围获得贝氏体组织，但含量过高会形成碳化物，对钢板的韧性产生不利的影响。本发明将B的重量百分含量控制在选择加入范围为0.0020％～0.0040％。
本发明技术方案之二是提供一种低温延展性优异的690MPa级钢板的制造方法，包括冶炼、连铸、铸坯冷却、加热炉加热、轧制、冷却和回火；
(1)冶炼：按照上述成分对钢进行冶炼，
a)在转炉冶炼时调整C、Si、Mn、P、S等元素的含量，使其含量至本发明范围内，并根据要求添加其它合金成分进行熔炼。
b)将钢水进行精炼，调整其它合金元素含量至本发明范围内。
c)将精炼后的钢水进行RH处理，RH处理时间≥40min，控制钢中[H]≤2.0ppm，[O]≤10ppm。
d)在RH处理结束前10min时加入La元素，保证加入量为目标控制量的1.1～2.6倍。
(2)连铸：将步骤(1)所得钢水经连铸制得所需铸坯，为了控制连铸坯中柱状晶的含量，控制中间包过热度50～70℃，全程保护浇注，二冷水比水量≥0.70～0.90m3/t，使连铸坯柱状晶比例＞98.0％，连铸结束时采用轻压下工艺，压下量7.0～15.0mm；
(3)铸坯冷却：为了控制连铸坯晶粒度，在出坯后对高温连铸坯采用快速冷却方式进行冷却，开冷温度920～950℃，冷却速度6.0～10.0℃/s，冷却至710～760℃后下线堆垛，以减少连铸坯快冷后的内部应力，堆垛时间≥36h，保证连铸坯温度＜100℃。
(4)加热炉加热：将步骤(3)所得铸坯加热至1100℃～1250℃；优选，加热采用分段加热工艺，连铸坯温度≤500℃，采用快速加热工艺，加热时间控制在0.10～0.30min/mm。连铸坯温度为500～900℃，不包括500℃，采用慢速加热工艺，以进一步释放连铸坯冷却过程中的内应力，并减小钢在升温过程中形成的热应力，同时使钢中析出相充分回溶，以控制原始奥氏体晶粒的细化，加热时间0.50～0.80min/mm。连铸坯温度为900℃以上，采用快速升温、短时保温的工艺，以防止奥氏体晶粒的长大，加热时间控制在0.10～0.30min/mm；保温时间1.0～4.0h，并保证连铸坯在900℃以上的时间≤5.0h。
(5)轧制：将铸坯经三阶段轧制成热轧钢板，第一阶段为了充分破碎连铸坯的柱状晶，为后续的晶粒细化做准备，采用高温快轧+大压下的方式进行，铸坯出炉经除鳞后直接进行轧制，轧制速度控制在1.5～2.5m/s，首道次压下量≥55mm，其余道次压下率15％～30％，终轧温度1050～1130℃，待温坯料厚度为3.5～4.0倍成品厚度，为了抑制中间坯晶粒的长大，对待温坯料采用喷水冷却，冷却速度3.0～12.0℃/s，冷却至第二阶段开轧温度以上5～10℃；第二阶段开轧温度930～980℃，道次压下量≥30mm，终轧温度850～900℃，待温厚度1.5～2.0倍成品厚度，第三阶段采用低温大压下工艺，使晶粒充分变形，进一步减小晶粒尺寸，开轧温度770～820℃，道次压下率20～25％，终轧温度720～780℃。
(6)冷却：为了保持轧后细小的晶粒，防止晶粒长大，轧后钢板立即进行加速冷却，冷却速度15.0～30.0℃/s，返红温度＜100℃，
(7)回火：将冷却后的钢板进行回火处理，回火温度600～700℃，在炉时间4.5～6.5min/mm。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用低碳的化学成分设计，降低钢的碳当量，提高钢的低温韧性及延展性，并添加V、Mo等易于形成圆球形析出相的微合金元素，通过析出强化和细晶强化提高钢的强度、韧性及延展性，取消Al、Ti等易于形成多面体析出相元素的加入，增加钢质的均匀性，精炼采用Si、Mn等元素脱氧，并添加La元素进一步提高钢的纯净度，增加钢的致密性；连铸采用高过热度、强二冷水的工艺，控制连铸坯柱状晶比例＞98％，采用连铸坯快冷的工艺控制奥氏体晶粒度；连铸坯再加热工艺采用基于低应力控制技术的分阶段加热工艺，轧制工艺采用三阶段控制轧制，前两阶段轧制通过高温快轧+大压下及待温时对坯料的快冷工艺，为最终钢板的细晶控制做准备，第三阶段采用低温大压下工艺，进一步细化晶粒尺寸；轧后钢板采用快速冷却工艺进行淬火处理，钢板回火采用高温+长时的回火工艺，缓解钢板的内应力，调控析出相分布及性能。最终得到的钢板具有优异的低温延展性及综合力学性能。
(2)钢板的金相组织为回火索氏体+针状铁素体组织，回火索氏体占比40％～60％，铁素体占比40％～60％。
(3)钢板具有优良综合力学性能，常温拉伸性能：屈服强度700MPa以上，抗拉强度800MPa以上，断后延伸率26.0％以上；-40℃拉伸性能：屈服强度750MPa以上，抗拉强度840MPa以上，断后延伸率23.0％以上。钢板-80℃冲击功大于200J，韧脆转变温度FATT＜-75℃，无塑性转变温度NDTT≤-75℃。
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，进行包括冶炼、铸坯冷却、连铸、加热炉加热、轧制、冷却和回火；
(1)冶炼：在RH处理结束前10min时加入La元素，保证加入量为目标控制量的1.1～2.6倍。
(2)连铸：控制中间包过热度50～70℃，全程保护浇注，二冷水比水量≥0.70～0.90m3/t，连铸结束时采用轻压下工艺，压下量7.0～15.0mm；
(3)铸坯冷却：连铸后对高温连铸坯进行快速冷却，开冷温度920～950℃，冷却速度6.0～10.0℃/s，冷却至710～760℃后下线堆垛，堆垛时间≥36h；
(4)加热：铸坯加热温度1100℃～1250℃，保温时间1.0～4.0h；连铸坯在900℃以上的时间≤5.0h；
(5)轧制：采用三阶段轧制；
第一阶段轧制采用高温快轧+大压下的方式进行，连铸坯出炉经除鳞后直接进行轧制，轧制速度控制在1.5～2.5m/s，首道次压下量≥55mm，其余每道次压下率15％～30％，终轧温度1050～1130℃，轧至待温坯料厚度为3.5～4.0倍成品厚度，对待温坯料采用喷水冷却，冷却速度3.0～12.0℃/s，冷却至第二阶段开轧温度以上5～10℃；
第二阶段开轧温度930～980℃，每道次压下量≥30mm，终轧温度850～900℃，轧至待温厚度1.5～2.0倍成品厚度；
第三阶段采用低温大压下工艺，开轧温度770～820℃，每道次压下率20％～25％，终轧温度720～780℃；
(6)冷却：轧后钢板立即进行加速冷却，冷却速度15.0～30.0℃/s，返红温度＜100℃；
(7)回火：将冷却后的钢板进行回火处理，回火温度600～700℃，在炉时间4.5～6.5min/mm。
进一步，所述连铸过程中，连铸坯柱状晶比例＞98.0％。
进一步，加热采用分段加热工艺，连铸坯温度≤500℃，采用快速加热工艺，加热时间控制在0.10～0.30min/mm；连铸坯温度为500～900℃，不包括500℃，采用慢速加热工艺，加热时间0.50～0.80min/mm；连铸坯温度为900℃以上，不包括900℃，加热时间控制在0.10～0.30min/mm。
本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢冶炼、连铸的主要工艺参数见表2。本发明实施例钢加热的主要工艺参数见表3。本发明实施例钢一阶段的主要工艺参数见表4。本发明实施例钢二、三阶段的主要工艺参数见表5。本发明实施例钢冷却、回火的主要工艺参数见表6。本发明实施例钢的组织组成及常规力学性能见表7。本发明实施例钢的低温性能见表8。
表1本发明实施例钢的成分(wt％)
表2本发明实施例钢冶炼、连铸的主要工艺参数
表3本发明实施例钢加热的主要工艺参数
表4本发明实施例钢一阶段的主要工艺参数
表5本发明实施例钢二、三阶段的主要工艺参数
表6本发明实施例钢冷却、回火的主要工艺参数
编号 冷却速度/℃/s 返红温度/℃ 回火温度/℃ 在炉时间/min/mm
1 26.3 38 616 6.3
2 21.2 63 629 5.1
3 16.4 47 684 4.8
4 22.2 52 696 4.6
5 23.1 68 673 5.2
6 20.6 58 668 4.7
7 21.7 42 637 4.9
8 18.5 82 646 5.4
9 19.8 64 658 5.3
10 17.2 33 608 5.9
表7本发明实施例钢的组织组成及常规力学性能
表8本发明实施例钢的低温性能
应用本发明生产的钢板屈服强度700MPa以上，抗拉强度800MPa以上，断后延伸率26％以上；-40℃拉伸性能：屈服强度750MPa以上，抗拉强度840MPa以上，断后延伸率23.0％以上；-80℃冲击功大于200J，FATT＜-75℃，NDTT≤-75℃。
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 (6)

1.一种低温延展性优异的690MPa级钢板，其特征在于,该钢板的成分按重量百分比计如下：C:0.100％～0.180％，Si:0.15％～0.75％，Mn:0.80％～1.60％，V:0.060％～0.200％，Cu:0.40％～0.80％，Ni:2.50％～3.50％，Cr:0.80％～1.80％，Mo:0.60％～1.60％，La:0.020％～0.070％，B:0.0020～0.0040％，P≤0.008％，S≤0.003％，其余为Fe及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的一种低温延展性优异的690MPa级钢板，其特征在于，所述钢板的显微组织为回火索氏体+针状铁素体组织，按体积百分比计如下：回火索氏体40％～60％，铁素体40％～60％。
3.根据权利要求1所述的一种低温延展性优异的690MPa级钢板，其特征在于，所述钢板屈服强度700MPa以上，抗拉强度800MPa以上，断后延伸率26％以上；-40℃拉伸性能：屈服强度750MPa以上，抗拉强度840MPa以上，断后延伸率23.0％以上；-80℃冲击功大于200J，FATT＜-75℃，NDTT≤-75℃。
4.一种权利要求1-3任一项所述的一种低温延展性优异的690MPa级钢板的制造方法，包括冶炼、铸坯冷却、连铸、加热炉加热、轧制、冷却和回火；其特征在于：
(1)冶炼：在RH处理结束前10min时加入La元素，保证加入量为目标控制量的1.1～2.6倍。
(2)连铸：控制中间包过热度50～70℃，全程保护浇注，二冷水比水量≥0.70～0.90m3/t，连铸结束时采用轻压下工艺，压下量7.0～15.0mm；
(3)铸坯冷却：连铸后对高温连铸坯进行快速冷却，开冷温度920～950℃，冷却速度6.0～10.0℃/s，冷却至710～760℃后下线堆垛，堆垛时间≥36h；
(4)加热：铸坯加热温度1100℃～1250℃，保温时间1.0～4.0h；连铸坯在900℃以上的时间≤5.0h；
(5)轧制：采用三阶段轧制；
第一阶段轧制采用高温快轧+大压下的方式进行，连铸坯出炉经除鳞后直接进行轧制，轧制速度控制在1.5～2.5m/s，首道次压下量≥55mm，其余每道次压下率15％～30％，终轧温度1050～1130℃，轧至待温坯料厚度为3.5～4.0倍成品厚度，对待温坯料采用喷水冷却，冷却速度3.0～12.0℃/s，冷却至第二阶段开轧温度以上5～10℃；
第二阶段开轧温度930～980℃，每道次压下量≥30mm，终轧温度850～900℃，轧至待温厚度1.5～2.0倍成品厚度；
第三阶段采用低温大压下工艺，开轧温度770～820℃，每道次压下率20％～25％，终轧温度720～780℃；
(6)冷却：轧后钢板立即进行加速冷却，冷却速度15.0～30.0℃/s，返红温度＜100℃；
(7)回火：将冷却后的钢板进行回火处理，回火温度600～700℃，在炉时间4.5～6.5min/mm。
5.根据权利要求4所述的一种低温延展性优异的690MPa级钢板的制造方法，其特征在于：所述连铸过程中，连铸坯柱状晶比例＞98.0％。
6.根据权利要求4所述的一种低温延展性优异的690MPa级钢板的制造方法，其特征在于：
加热采用分段加热工艺，连铸坯温度≤500℃，采用快速加热工艺，加热时间控制在0.10～0.30min/mm；连铸坯温度为500～900℃，不包括500℃，采用慢速加热工艺，加热时间0.50～0.80min/mm；连铸坯温度为900℃以上，不包括900℃，加热时间控制在0.10～0.30min/mm。
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