CN101705439B - 低温高韧性f460级超高强度造船用钢板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低温高韧性F460级超高强度造船用钢板及其制备方法。该钢板包含的成分及其重量百分比为：C 0.05～0.15％、Si 0.15～0.35％、Mn 1.20～1.70％、P≤0.020％、S≤0.010％、Nb 0.02～0.04％、V 0.04～0.06％、Ti 0.0.10～0.020％、Cu 0.15～0.40％、Cr 0.10～0.30％、Ni 0.15～0.40％、Al 0.02～0.05％以及余量的Fe和杂质。该方法为：对连铸坯进行加热、保温处理，再进行热轧，而后对钢板进行冷却，制得成品造船用钢板。本发明考虑钢板服役环境，进行成分、工艺设计，以保证产品在多元条件下拥有优异综合力学性能，且其制备工艺简单，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种厚规格超高强度钢板及其制造方法，特别涉及一种低温(-60℃)高韧性F460级超高强度造船用厚钢板(≤60mm)及其制造方法。
背景技术
船板钢是宽厚板的主要专用板品种之一。近年来，我国造船业快速发展，带动了对船用钢板，特别是宽厚板的需求快速增长。据悉，去年我国造船业完工量为3000万吨，实际消费造船用钢板1200万吨。而同时，随着现代化造船工业向大型化、轻型化方向发展，一般强度的船板已经不能满足船体的需要，高强度、高质量等级E、F级船板的应用比例正在不断提高。另一方面，大型船舶为了减轻自重，增加载重，提高船舶整体性能，也力求增加高强度船板用量。如采用屈服强度为400MPa的高强度船板取代普通强度船板，自重可减少四分之一以上。目前，一些重要的特殊船舶已要求使用屈服强度590～780MPa的钢板。因此，高强度船体结构钢的研究和制造已成为世界上各钢铁生产企业广泛关注的领域。
公开号JP5295432A的发明专利提出了一种在线热机械处理高韧性高强度钢板的制造方法，其生产的钢板不采用微合金成分，但在TMCP工艺上要求过于严格，冷却速度要求大于20℃/s，这点在实际生产中，对于厚规格的宽厚板是很难实现的，增加了生产难度，可制造性低。
公开号为CN101514424A的发明专利提出了一种TMCP型海洋结构用厚板及其制造方法，该船板钢强度级别为400MPa，且冲击韧性在-20℃和-40℃条件下分别为D，E级别，未达到F级别船板钢的要求。同样，公开号为CN101289728A的发明专利也提出了一种低屈强比可大线能量焊接高强度高韧性钢板及其制造方法，该钢板屈服强度超过了500MPa，但成分设计较为复杂，Mo的含量为0.10～0.40％，且生产工艺要求也较为严格(要求厚度≥40mm的钢板在≥300℃的缓冷时间不低于24小时)，制造难度大，而其低温冲击韧性限于-40℃条件下的性能测试结果未达到F级别船板钢的性能指标。
另外，公开号为CN101255528A的发明专利提出了一种超低温韧性优异的含铌钢板及其轧制方法，该钢板具有优良的低温韧性，但在轧制过程中加入中间冷却工艺，即粗轧和精轧之间采用喷水冷却的方式，这在实际生产中增加了控制的难度。
发明内容
本发明的目的之一在于提出一种低温高韧性F460级超高强度造船用钢板，其可在宽厚板生产线上采用控制轧制与控制冷却工艺(TMCP)生产，从而克服了现有技术中的不足。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种低温高韧性F460级超高强度造船用钢板，其特征在于，该造船用钢板包含的成分及其重量百分比为：
C 0.05～0.15％、Si 0.15～0.35％、Mn 1.20～1.70％、P≤0.020％、S≤0.010％、Nb 0.02～0.04％、V 0.04～0.06％、Ti 0.0.10～0.020％、Cu 0.15～0.40％、Cr 0.10～0.30％、Ni 0.15～0.40％、Al 0.02～0.05％以及余量的Fe及和杂质。
所述船用钢板中所含Nb、V和Ti的重量百分比含量之和≤0.12％。
所述船用钢板的金相组织为针状铁素体与多边形铁素体的组合。
所述船用钢板厚度为18～60mm。
本发明的另一目的在于提出一种如上所述低温高韧性F460级超高强度造船用钢板的制备方法，其特征在于：
对具有与所述造船用钢板相同组分的连铸坯进行加热，并在1180～1250℃的温度条件下进行保温处理，而后进行热轧处理，轧制完成后对钢板进行冷却处理，冷却速度为7～12℃/s，最终制得成品造船用钢板。
该方法具体包括如下步骤：
按所述造船用钢板的组成配制冶炼原料，并将之熔炼、浇铸，形成连铸坯；
将上述连铸坯加热到1180～1250℃，保温2～3小时；
对连铸坯进行两阶段轧制，第一阶段粗轧开轧温度为1020～1100℃，总压缩比为50％～60％，第二阶段精轧的开轧温度为800～870℃，总压缩比不小于63％；
轧制完成后对钢板进行冷却处理，开冷温度为750～830℃，终冷温度为450～500℃，冷却速度为7～12℃/s。
所述第一阶段粗轧为再结晶区轧制，第二阶段精轧为未再结晶区轧制。
考虑到钢板服役环境，如应力释放、应变时效、应力释放耦合应变时效、无塑性转变温度(NDTT)和焊接性能等，本发明针对目前造船业对具有优良低温韧性的超高强度船板钢的需求，通过采用上述成分连铸坯，并采用控制轧制与控制冷却工艺对之进行加工，形成了具有优良低温韧性的460MPa级别超高强度造船用钢板。
以下对本发明超高强度造船用钢板中各组分的作用进行说明：
碳：碳是较强的固溶强化元素，能显著提高钢板强度，但降低韧性和塑性，明显恶化钢板焊接性能，在船板钢的化学成分设计中，为了使钢板具有良好的焊接性能、较好的低温冲击韧性，必须降低钢中的含碳量，使其控制在中下限，故碳含量设定为0.05～0.15％。
锰：锰对提高强度，降低钢材脆性转变温度，改善冲击韧性起着重要的作用，故锰含量设定为1.20～1.70％。
硫：硫常以条状硫化物的形态沿轧制方向分布，由于它破坏了钢的连续性，显著降低延展性和韧性，加剧各向异性，其影响程度随硫含量的提高而加剧。因此要采取措施降低硫含量，硫含量设定为20ppm左右。
铝：铝含量是船板钢标准明确要求的元素，一般要求Alt≥0.020％。
铌：铌通过两种途径细化晶粒，其一是铌对奥氏体的再结晶有明显延迟作用，提高完全再结晶温度，防止再结晶奥氏体晶粒长大；其二是随着轧制温度的降低，铌的碳、氮化物可在奥氏体向铁素体转变前弥散析出，成为铁素体的形核质点，使铁素体在较小过冷度下形成，不易长大，从而细化了铁素体晶粒，故铌含量设定为0.02～0.04％。
钒：钒在合金元素中是钢的强化元素，由于VC、V(CN)的沉淀强化，可使钢的强度明显提高，但是提高韧脆转变温度，其含量一般控制在0.10％以下，故V含量设定为0.04～0.06％。
钛：钛能产生强烈的沉淀强化作用，使钢的强度提高，还能阻止奥氏体再结晶。它能产生晶粒细化作用，提高钢材屈服强度，但对韧性的贡献不大。钛对焊接热影响区处的硬度也有好的影响作用。作为一种重要的微合金元素，钛可形成细小的钛的碳、氮化物颗粒，在板坯再加热过程中可通过阻止奥氏体晶粒的粗化从而得到较为细小的奥氏体显微组织。另外，钛的氮化物颗粒的存在可抑制焊接热影响区的晶粒粗化。因此，钛可以同时提高基体金属和焊接热影响区的低温韧性。由于钛能够以钛的氮化物形式固定游离氮原子，所以它可以阻止游离氮由于形成了硼的氮化物而对钢的淬透性产生的不利影响。当铝含量较低时(低于约0.005％)，钛可形成一种氧化物，可细化焊接热影响区的显微组织。钛的含量一般控制在0.02％以下，过多的钛含量会引起钛的氮化物的粗化，对低温韧性不利。
镍：镍的添加一般会形成较少的不利于钢板的低温韧性的硬化的显微组织组元，已证实高于0.2wt％的镍的添加量能有效改善焊接热影响区的韧性。镍的添加也能有效地防止在连铸和热轧期间发生铜诱发的表面开裂。
铜：铜能够增加钢板的强度，同时可以提高钢板的耐蚀性。
本发明的超高强度船板钢显微组织为针状铁素体+多边形铁素体，生产此种超高强度船板钢，连铸坯的加热温度为1180～1250℃，加热时间2～3h，一方面保证合金元素能够充分固溶，另一方面防止奥氏体出现异常长大现象。连铸坯出加热炉后进行两阶段轧制，其中第一阶段粗轧的开轧温度为1050～1100℃，总压缩比为50～60％；第二阶段精轧的开轧温度为800～850℃，总压缩比≥63％。轧制完成后进入层流冷却进行水冷，开冷温度为750～830℃，终冷温度为450～500℃，冷却速度为7～12℃/s.
与现有技术相比，本发明的优点在于：一、解决了厚规格超高强度船板钢在厚度方向上组织的不均匀性，通过未再结晶区的轧制过程，使的奥氏体得到充分的扁平化，结合相应的控制冷却工艺，使最终的相变产物为针状铁素体+多边形铁素体，从而保证了强度和低温韧性的良好匹配；二、通过低碳当量的成分设计，保证了良好的焊接性能，同时通过Nb、V、Ti微合金化，改善钢板的力学性能。本发明的船用钢板力学性能满足挪威船级社(DNV)对相应钢种的要求：母材和母材经应力释放处理后，两种条件下屈服强度≥460MPa、抗拉强度≥570MPa、延伸率≥17％；母材和母材经时效处理、经应力释放和经应力释放后经时效处理后，四种条件下-60℃冲击功≥31J。本发明可被广泛应用于各种超高强度船用钢板的制备工艺中。
附图说明
图1是实施例1低温高韧性F460级超高强度造船用钢板1/4厚度处的金相组织照片；
图2是实施例1低温高韧性F460级超高强度造船用钢板1/2厚度处的金相组织照片；
图3是实施例1低温高韧性F460级超高强度造船用钢板的微观结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
该低温高韧性F460级超高强度造船用钢板包含的成分及其重量百分比为：C0.06％、Si 0.23％、Mn 1.45％、P 0.008％、S 0.0009％、Nb 0.032％、V 0.04％、Ti 0.019％、Cu 0.23％、Cr 0.151％、Ni 0.22％、Al 0.042％以及余量的Fe及不可避免的杂质元素。
该低温高韧性F460级超高强度造船用钢板厚度为60mm，屈服强度≥460MPa、抗拉强度≥570MPa、延伸率≥17％、-60℃冲击功≥31J。且如图1～3所示，该船用钢板的金相组织为针状铁素体+多边形铁素体。
该低温高韧性F460级超高强度造船用钢板的制备工艺为：
按所述造船用钢板的组成配制冶炼原料，并将之熔炼、浇铸，形成厚度320mm的连铸坯；
将上述连铸坯加热到1200℃，保温2小时；
对连铸坯进行两阶段轧制，第一阶段粗轧开轧温度为1050℃，待温厚度160mm，第二阶段精轧的开轧温度为840℃；
轧制完成后对钢板进行冷却处理，开冷温度为800℃，终冷温度为460℃℃，冷却速度为8℃/s。
该低温高韧性F460级超高强度造船用钢板分别在热轧状态、经应变时效、经去应力退火、去应力退火和应变时效综合处理条件下的冲击性能见表1。热轧态拉伸性能及应力释放后拉伸性能分别见表2和表3。其零塑性转变温度测试结果见表7。
实施例2
该低温高韧性F460级超高强度造船用钢板包含的成分及其重量百分比为：C0.06％、Si 0.23％、Mn 1.45％、P 0.008％、S 0.0009％、Nb 0.032％、V 0.04％、Ti 0.019％、Cu 0.23％、Cr 0.151％、Ni 0.22％、Al 0.042％以及余量的Fe及不可避免的杂质元素。
该低温高韧性F460级超高强度造船用钢板厚度为50mm。控制轧制工艺过程中，粗轧开轧温度1030℃，待温厚度为150mm，精轧开轧温度830℃；控冷工艺中，开冷温度控制在790℃，终冷温度为500℃，冷却速度为10℃/s。
该低温高韧性F460级超高强度造船用钢板分别在热轧状态、经应变时效、经去应力退火、去应力退火和应变时效综合处理条件下的冲击性能见表4。热轧态拉伸性能及应力释放后拉伸性能分别见表5和表6。其零塑性转变温度测试结果见表7。
实施例3
该低温高韧性F460级超高强度造船用钢板包含的成分及其重量百分比为：C0.06％、Si 0.23％、Mn 1.45％、P 0.008％、S 0.0009％、Nb 0.032％、V 0.04％、Ti 0.019％、Cu 0.23％、Cr 0.151％、Ni 0.22％、Al 0.042％以及余量的Fe及不可避免的杂质元素。
该低温高韧性F460级超高强度造船用钢板厚度为18mm。钢坯加热温度为1250℃，保温2.5h，粗轧开轧温度1110℃，待温厚度为64mm，精轧开轧温度870℃，开冷温度为830℃，终冷温度为500℃，冷却速度为12℃/s。
该低温高韧性F460级超高强度造船用钢板力学性能如表8所示。
上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
表1实施1钢板在各种条件下的冲击能(t＝60mm)
注：(1)变形5％后，在250℃保温1小时，空冷；
(2)试样在600℃保温2小时，空冷；
(3)试样在600℃保温2小时，空冷，然后经5％变形后，在250℃保温1小时，空冷。
表2实施例1钢板在热轧状态的拉伸性能
表3实施例1热轧钢板经应力释放处理后的拉伸性能
表4实施例2钢板在各种条件下的冲击能(t＝50mm)
注：(1)变形5％后，在250℃保温1小时，空冷；
(2)试样在600℃保温2小时，空冷；
(3)试样在600℃保温2小时，空冷，然后经5％变形后，在250℃保温1小时，空冷。
表5实施例2钢板在热轧状态的拉伸性能
表6实施例2热轧钢板经应力释放处理后的拉伸性能
表7实施例1和实施例2零塑性转变温度试验结果
表8实例3力学性能
Claims (2)
1.一种低温高韧性F460级超高强度造船用钢板，其特征在于，它包含的成分及其重量百分比为：C 0.05～0.15％、Si 0.15～0.35％、Mn 1.20～1.70％、P≤0.020％、S≤0.010％、Nb 0.02～0.04％、V 0.04～0.06％、Ti 0.010～0.020％、Cu 0.15～0.40％、Cr 0.10～0.30％、Ni 0.15～0.40％、Al 0.02～0.05％以及余量的Fe及和杂质；
且所述Nb、V和Ti的重量百分比含量之和≤0.12％；
所述造船用钢板的厚度为18～60mm，其金相组织为针状铁素体与多边形铁素体的组合；
所述造船用钢板的制备方法为：
将具有与所述造船用钢板相同组分的连铸坯加热到1180～1250℃，并保温2～3小时；
而后进行两阶段热轧处理，其中第一阶段粗轧为再结晶区轧制，第二阶段精轧为未再结晶区轧制，第一阶段粗轧开轧温度为1020～1100℃，总压缩比为50％～60％，第二阶段精轧的开轧温度为800～870℃，总压缩比不小于63％；
轧制完成后对钢板进行冷却处理，冷却速度为7～12℃/s，最终制得成品造船用钢板。
2.根据权利要求1所述的低温高韧性F460级超高强度造船用钢板，其特征在于：在所述造船用钢板的制备方法中，在轧制完成后是将钢板进入层流冷却进行水冷处理，开冷温度为750～830℃，终冷温度为450～500℃。
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Denomination of invention: Low temperature high toughness f460 ultra high strength shipbuilding steel plate and its manufacturing method Effective date of registration: 20220721 Granted publication date: 20111221 Pledgee: China Construction Bank Zhangjiagang branch Pledgor: INSTITUTE OF RESEARCH OF IRON & STEEL,SHAGANG,JIANGSU PROVINCE Registration number: Y2022320010410 |