CN102304670A - 一种具有-40℃应变时效高韧性钢板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种具有-40℃应变时效高韧性钢板及其生产方法，属于海洋平台结构钢技术领域。钢板化学成分组成：C 0.09～0.13％，Si 0.20～0.50％，Mn 1.00～1.50％、P≤0.010％，S≤0.003％，N 0.002-0.005％，Al 0.020～0.060％，Nb 0.03～0.05％，Ti 0.007～0.020％，Ni 0.20～0.45％，Cu 0.15～0.30％，Pcm≤0.21％，余量为Fe及不可避免的夹质。生产方法包括采用铁水脱硫、转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理、浇铸成铸坯、控制轧制、热处理。优点在于，钢板钢质纯净，组织均匀，钢板-40℃应变时效低温韧性优良、稳定；且生产工艺简单，成本低，适用于制作海洋平台等。

Description

一种具有-40℃应变时效高韧性钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于海洋平台结构钢技术领域，特别涉及一种具有-40℃应变时效高韧性钢板及其生产方法。

背景技术

海洋平台是开采海洋油气资源的重要设施，其工作环境恶劣，用于濒海的钢板必须能够经受-40℃的严寒考验，海洋平台一般采用大口径钢管制作钢结构。一般钢材在制造钢管过程中，钢材在一定的塑性变形和经加热100～300℃一定时间后，-40℃冲击功值会出现大幅度下降而硬度升高的现象；其主要是塑性变形后晶格出现了滑移层而扭曲，对固溶间隙溶质(C、N)的溶解能力下降，呈现出过饱和状态，促使被溶物质扩散及析出；在加热后，使原子活力增加，促使固溶体内过饱和物质加速析出，与位错交互作用下，钉扎位错阻止变形，引起应变时效。钢中氮、氧等会显著提高应变时效倾向，镍可降低该倾向。

本发明通过降低C、P、S含量，加入适量的Ti、Nb等元素固C和固N，并加入适量的Ni，从而降低应变时效的影响；通过控轧控冷细化晶粒，提高钢板综合性能；通过正火热处理使钢板沿厚度方向组织和性能均匀一致，保证钢板表面、1/4处及心部-40℃应变时效韧性优良。

在本发明前，专利号为200610124380.5的中国发明专利公开了“一种改善钢板的低温韧性和应变时效低温韧性的方法”，所涉及钢的C含量≤0.10％，P≤0.025％，S≤0.010％，V≤0.20％，Nb≤0.10％，该钢添加了V元素，没有添加改善应变时效韧性的Ni元素，生产方法为控制轧制及轧后加速冷却，钢板缺少正火等热处理工艺，其应变时效试验温度仅为-20℃。

专利号为200780043094.9的中国发明专利公开说明了“具有优良的抗应变时效性的低屈服比双相钢管线管”，该钢含有Mo、Ni、Cr、Cu、Ti、Nb、V等多种合金元素，合金成本高；采用两相区工艺轧制，终轧温度711～763℃，终冷温度338～588℃；钢板为热轧态，其组织为第一相为铁素体，第二相为珠光体、马氏体、下贝氏体、粒状贝氏体、上贝氏体、碳化物等多种组成，轧后钢板没有进行正火等热处理，其化学成分及生产工艺与本发明完全不同。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有-40℃应变时效高韧性钢板及其生产方法，以弥补现有技术的不足，提高应变时效低温韧性性能。本专利的合金配方相对简单，没有添加Mo等贵金属元素，通过洁净钢技术、控制轧制和控制冷却及正火热处理，得到一种均匀的铁素体+珠光体组织，从而获得稳定而且优良的-40℃应变时效冲击韧性，生产工艺可行，适合大生产，且生产成本低。

本发明的目的可以通过如下方案来实现的：

本发明钢板的化学成分按重量百分比为，C 0.09～0.13％，Si 0.20～0.50％，Mn1.00～1.50％、P≤0.010％，S≤0.003％，N 0.002-0.005％，Al 0.020～0.060％，Nb 0.03～0.05％，Ti 0.007～0.020％，Ni 0.20～0.45％，Cu 0.15～0.30％，Pcm≤0.21％，余量为Fe及不可避免的夹质。

C是最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化能有效地提高钢材强度，但随着碳含量的增加，钢材的延性、韧性及焊接性能下降，考虑到本发明的目的是制造应变时效高韧性钢，同时，为兼顾到在正火热处理过程中获得足够的碳化物和固溶碳强度相，本发明钢中的碳控制范围为0.09～0.13％。

Si：硅在钢中起固溶强化作用，同时也是脱氧元素，但含量过高，会降低钢的韧性，并恶化钢材的焊接性能。

Mn：锰是脱氧的元素之一，是提高强度的有效元素，且成本低廉，但锰含量过高对钢的焊接性能有不利影响。

P和S：磷和硫是钢中不开避免的有害元素，对钢的塑性和韧性不利，应尽量降低磷和硫含量，提高钢的洁净度。本发明钢中P控制≤0.010％，S控制≤0.003％。

N：在加钛的钢中，适量的氮与钛形成TiN，这种第二相粒子易在高温析出有利于强化基体，且TiN非常稳定，在加热时可有效阻止奥氏体晶粒长大。但氮含量过高会显著提高应变时效倾向，所以本发明的氮控制在0.002～0.005％范围内。

Al：铝是钢中的主要脱氧元素，有利于细化晶粒，一般钢中均加入一定量的铝。

Nb：铌是一种强碳化物形成元素，在钢中形成的NbC、Nb(CN)等第二相质点，可阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒，提高钢的应变时效韧性和强度，但Nb含量过高易产生晶间裂纹。

Ti：钛是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，通过固碳和固氮，降低应变时效的影响。Ti的未溶的碳氮化物在钢加热时可以阻止奥氏体晶粒的长大，在高温奥氏体粗轧时析出的TiN、TiC能有效抑制晶粒长大，同时提高Nb在奥氏体中的固溶度。在焊接时，钢中的TiN、TiC粒子能显著阻止热影响区晶粒长大，从而改善焊接性能。但钛含量过高，则生成TiC碳化物，使低温韧性降低。

Cu：铜在钢中主要起沉淀强化作用，还有利于获得良好的低温韧性，提高钢的抗疲劳裂纹扩展能力；当Cu含量过高时，在轧制过程中易产生网裂。

Ni：镍具有一定的强化作用，能显著降低应变时效倾向，提高钢材应变时效低温韧性，镍还能有效低阻止Cu的热脆引起的网裂。镍加入量小于0.10％，则起不到作用，但镍含量过高易造成钢板氧化铁皮难于脱落。

同时，本发明钢板的生产方法包括采用铁水脱硫、转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理、浇铸成铸坯、控制轧制、热处理；在工艺中控制的技术参数为：包括以下步骤：

(1)冶炼控制钢板的化学成分按重量百分比为C 0.09～0.13％，Si 0.20～0.50％，Mn 1.00～1.50％、P≤0.010％，S≤0.003％，N 0.002-0.005％，Al 0.020～0.060％，Nb 0.03～0.05％，Ti 0.007～0.020％，Ni 0.20～0.45％，Cu 0.15～0.30％，Pem≤0.21％，余量为Fe及不可避免的夹质。

(2)铸坯加热温度：1130～1260℃；

(3)控制轧制：在奥氏体再结晶区开轧温度1000～1100℃；奥氏体非再结晶区开轧温度900～950℃，终轧温度790～830℃，

(4)冷却：终冷冷却温度650～710℃；

(5)热处理：正火保温温度870～910℃、正火保温时间为板厚(mm)×1.4～1.6(分钟/mm)。

优选地，步骤(3)在奥氏体再结晶阶段单道次最大变形率≥20％，累计变形率≥55％。

本发明的技术具有如下优点：

(1)本发明采用洁净钢冶炼技术，通过采用铁水脱硫、转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理工艺，使P≤0.010％，S≤0.003％，钢质更纯净，为获得优良的应变时效冲击韧性奠定了基础。

(2)本发明成分设计采用中碳、微合金化，通过添加微量Nb、Ti、Ni、Cu元素，结合控轧控冷和正火热处理工艺，获得均匀稳定的铁素体和珠光体组织，因而本发明钢具有优良而且稳定的-40应变时效低温韧性；本发明生产的钢-40应变时效冲击功≥190J。

(3)本发明的钢最适合制作海洋平台等，生产工艺简单，成本低，适应大生产要求，利于推广应用。

附图说明

图1为本发明的经过正火热处理后，均匀的铁素体+珠光体组织金相图。

具体实施方式

按照本发明的成分要求，工业生产冶炼了本发明的钢，并浇铸成板坯，板坯加热到1200～1220℃出炉轧制，开轧温度分别为1050、1065、1090℃，第一阶段最大变形率分别为24、23、21％，累计变形率分别为63、62、57％；非再结晶区开轧温度分别为920、915、940℃，终轧温度790、810、830℃，终冷冷却温度分别为670、680、690℃；轧制钢板厚度规格分别为50.8、63.5、66mm；正火温度分别为900、890、880℃，正火保温时间分别为75、95、100分钟。

本发明实施例1～3与比较钢的化学成分、拉伸力学性能及-40℃应变时效冲击性能见表1。如图1所示，实施例通过上述工艺后的金相组织。

通过表1对比可知，本发明以中碳为特点，加入了适当的Ni、Cu、Nb、Ti，经过正火热处理后，得到了一种均匀的铁素体+珠光体组织，钢板应变时效冲击性能优良，-20℃应变时效冲击功在281～317J之间，远大于比较钢，其-40℃应变时效冲击功在190～266J之间。本发明组织均匀，-40℃应变时效冲击性能优良稳定。

表1  本发明与比较钢的化学成分、力学性能及-40应变时效性能

Claims (3)

1.一种具有-40℃应变时效高韧性钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按重量百分比为，C 0.09～0.13％，Si 0.20～0.50％，Mn 1.00～1.50％、P≤0.010％，S≤0.003％，N 0.002-0.005％，Al 0.020～0.060％，Nb 0.03～0.05％，Ti 0.007～0.020％，Ni 0.20～0.45％，Cu 0.15～0.30％，Pcm≤0.21％，余量为Fe及不可避免的夹质。

2.一种权利要求1所述的有-40℃应变时效高韧性钢板的生产方法，工艺包括采用铁水脱硫、转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理、浇铸成铸坯、控制轧制、热处理；其特征在于，在工艺中控制的技术参数为：

(1)冶炼控制钢板的化学成分按重量百分比为C 0.09～0.13％，Si 0.20～0.50％，Mn 1.00～1.50％、P≤0.010％，S≤0.003％，N 0.002-0.005％，Al 0.020～0.060％，Nb 0.03～0.05％，Ti 0.007～0.020％，Ni 0.20～0.45％，Cu 0.15～0.30％，Pem≤0.21％，余量为Fe及不可避免的夹质。

(2)铸坯加热温度：1130～1260℃；

(3)控制轧制：在奥氏体再结晶区开轧温度1000～1100℃；奥氏体非再结晶区开轧温度900～950℃，终轧温度790～830℃，

(4)冷却：终冷冷却温度650～710℃；

(5)热处理：正火保温温度870～910℃、正火保温时间为板厚(mm)×1.4～1.6(分钟/mm)。

3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤(3)在奥氏体再结晶阶段单道次最大变形率≥20％，累计变形率≥55％。

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