CN102851591B - 一种高强高韧性船用低温钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高强高韧性船用低温钢及其制造方法，按重量百分比包含如下组分：C：0.04％～0.12％，Si：0.20％～0.55％，Mn：0.8％～1.4％，P：0.005％～0.015％，S≤0.005％，Als：0.02％～0.07％，N≤0.005％，Cu：0.05％～0.40％，Ni：0.05％～0.50％；其余为Fe和不可避免的杂质，并保证Ni/Cu比为1.2～1.5。还有Nb：0.005％～0.03％，Ti：0.005％～0.02％，Ca：0.001％～0.006％，Mg：0.0005％～0.002％中的1种或2种以上。该钢板具有低压缩比、高强度、优异的低温冲击功、良好的组织均匀性和延伸率，以保证即使在极地气候环境下修复补焊热影响区的低淬透性和抗冷裂纹能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于极地环境使用条件下的船舶或海洋平台结构用钢，尤其涉及一种高强高韧性船用低温钢及其制造方法。
背景技术
我国船舶工业的迅猛发展不仅加速了对船板数量的需求，对船板性能的要求也越来越高。为保证船舶的安全性和可靠性，各国船级社对不同规格、牌号船板的化学成分、力学性能和交货状态做出了严格的规定。高强度、优良的可焊性和表面质量、特别是优良的低温冲击韧性成为目前先进高强韧性船板的关键技术要求，而普通的A、B、D、E级船板早已无法满足这些要求。高等级船板要求较高的强度和塑性，还要求具有较低的屈强比、极低的韧脆转变温度和良好的抗裂纹敏感性。对于在极地气候条件下使用的破冰船或海洋平台，不仅要具备高强度、高韧性，还要具有抗疲劳、抗层状撕裂、良好焊接性和冷加工性等综合性能。
以往大部分高强船板的生产需采用热轧+轧后正火处理方式，对于40kg以上级别的船板甚至采用热轧+调质处理方式生产。随着高强度船板需求量的增加及对产品表面、板形等质量要求的提高，钢厂热处理能力的压力逐渐增大，同时巨大的热处理线投资，严重制约了高等级、高性能船板钢的批量生产。普通热轧方式生产的船板经常产生一些缺陷，如珠光体条带、厚度方向上组织不均、元素偏析和夹杂物产生的层状撕裂等，这些缺陷即使采用正火处理后仍无法完全消除，从而影响船板综合性能的提高。
随着微合金化技术的应用和控制轧制控制冷却技术的迅猛发展，使大部分原来以正火状态交货的D级、E级船板可以通过热机械处理(TMCP)获得良好的显微组织匹配，达到相应的强韧性指标、具有优良的焊接性。这种生产方式不仅减少热处理工序、降低生产成本，还大大节省了燃料消耗、缩短交货周期。
目前高等级低温船板钢大多添加Cr、Mo、V等贵重元素，并采用热轧+正火(或调质)方式生产。CN101705434A公开的0.03～0.05％C，0.20～0.30％Si，0.80～0.90％Mn，0.03～0.04％Al，1.6～1.8％Ni，1.1～1.3％Cu，0.4～0.6％Cr，0.4～0.6％Mo，0.03～0.05％Nb，0.01～0.02％Ti及CN101701326A公开的0.09～0.14％C，0.2～0.4％Si，1.1～1.6％Mn，0.001～0.005％Ti，0.20～0.35％Cu，0.15～0.40％Ni，0.002～0.10％Mo，0.02～0.05％Nb，0.002～0.15％Cr，0.007～0.060％V发明钢的成分设计中，采用了贵重的高Ni、Cr或Mo等合金体系。在CN101643887A公开的0.06％～0.18％C，1.00％～1.60％Mn，0.03％～0.30％Ni，0.03％～0.20％Cr，0.02％～0.25％Cu，0.020％～0.050％Alt，0.010％～0.040％Nb，0.003％～0.060％V及CN101381841A公开的0.12～0.20％C，0.15～0.50％Si，1.20～1.70％Mn，0.30～1.00％Ni，0.005～0.050％Ti，0.005～0.10％Al，0.010～0.050％ Nb；CN101045976A公开的0.030％～0.050％C，≤0.20％Si，1.50％～1.80％Mn，0.010％～0.020％Nb，0.040％～0.060％Als，0.008％～0.012％Ti，≤1.0％Cu，≤0.50％Mo，0.001％～0.005％Ca等发明钢中，热轧过程中由高Mn含量产生的组织带状、性能波动等缺陷，需要通过880～940℃，0.8～1.5h的离线正火处理加以消除，增加生产工序并妨碍生产的连续性和船板产能的提高，同时高淬透性元素的存在，不仅增加合金成本，还降低低温条件下修复补焊能力和钢板的可焊性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明所要解决的技术问题提出一种高强、高低温韧性、优良焊接性船板钢及其生产方法，该钢板具有低压缩比、高强度、优异的低温冲击功、良好的组织均匀性和延伸率，以保证即使在极地气候环境下修复补焊热影响区的低淬透性和抗冷裂纹能力。
一种高强高韧性船用低温钢，其特征在于，按重量百分比包含如下组分：C：0.04％～0.12％，Si：0.20％～0.55％，Mn：0.8％～1.4％，P：0.005％～0.015％，S≤0.005％，Als：0.02％～0.07％，N≤0.005％，Cu：0.05％～0.40％，Ni：0.05％～0.50％；其余为Fe和不可避免的杂质，并保证Ni/Cu比为1.2～1.5。
进一步作为化学成分还有Nb：0.005％～0.03％，Ti：0.005％～0.02％，Ca：0.001％～0.006％，Mg：0.0005％～0.002％中的1种或2种以上。
在高强高韧性船用低温钢中，所采用的组分作用如下：
C：是有效提高钢板强度的廉价元素，但随着碳含量的提高，则显著降低钢板的塑性、低温韧性和抗焊接裂纹敏感性。
Si：在炼钢过程中可以作为脱氧剂和还原剂，有利于钢板强度的提高，当含量超过0.5％时将促进马奥岛的形成，损害焊接性和低温韧性。
Mn：适量的锰可以改善钢的强度和韧性，但过高则在铸坯中缠身偏析，进而造成轧制后难以消除的组织带状，降低钢板横向性能和抗层状撕裂性。
Al：作为钢中常用的脱氧剂，适量的铝可以细化晶粒、提高冲击韧性，当铝与N结合时，防止N在钢中固溶而产生应变时效；铝过高则使夹杂物含量增多，降低焊接性。
Cu：为奥氏体稳定化元素，适量的铜可以提高钢板的强度和耐蚀性，改善低温韧性，加入过多则易造成热脆而破坏钢板表面质量。
Ni：是有效改善低温韧性的元素，在含铜钢中加入适量的镍，可以抑制热轧过程中产生的热脆。
Ti：微量钛与钢中C、N结合，形成细小稳定的C、N化物颗粒，在板坯加热过程中可以有效阻止奥氏体晶粒粗化，焊接时可以抑制焊接热影响晶粒粗化，改善基体组织和焊缝热影响区的低温韧性。
Nb：产生细晶强化的关键元素之一，在控轧过程中通过抑制奥氏体再结晶实现显微组织的细化，同时提高钢的强度和韧性。
Ca：通过钙处理实现对Al2O3夹杂物变性，CaO与Al2O3夹杂物结合形成铝酸钙上浮进入渣中，同时Ca与S结合形成的球状夹杂物，可以提高钢板横向性能。
Mg：与其它脱氧剂不同，镁与氧结合形成非常微细的析出物，这些微细析出物在钢中均匀弥散分布，避免了大颗粒氧化物夹杂物滞留钢中所产生的应力集中，降低对塑、韧性的不利影响。
一种高强高韧性船用低温钢的制造方法包括以下步骤：
a冶炼工序：包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸等工序，其中铁水预处理后S含量应小于0.003％，转炉冶炼控制渣碱度，挡渣出钢，钢渣厚度≤100mm，精炼喂硅钙线不少于500m，中包钢水过热度≤30℃，全程保护浇铸。铸坯下线堆冷≥72h后方可进行轧制。
b轧制工序：板坯加热温度1130～1180℃，均热时间30～50min，板坯出炉后采用高压水除鳞。实施二阶段控制轧制，第一阶段为再结晶区轧制，开轧温度1100～1050℃，一阶段终轧温度890～940℃，累积变形量≥60％，得到中间坯，中间坯厚度为3倍成品厚度；空冷到830～880℃开始第二阶段未再结晶区轧制，终轧温度750～800℃，此阶段累积变形量≥50％；轧后钢板进入层流冷却，冷却速率8～15℃/s，返红温度580～640℃。
本发明的优点是：铁水预处理、Mg-Al脱氧和喂硅钙线，实现了夹杂物变性，改善钢质纯净度，纯净钢冶炼工艺是保证船板获得优良低温韧性的关键措施之一。铸坯堆冷期间，在晶内弥散析出的C/N化析出物，阻碍奥氏体晶粒长大，促进细小奥氏体晶粒形成；同时，奥氏体向铁素体的相变充分，避免热装热送产生的混晶和晶粒粗大。轧制过程中通过采用低温加热、大变形量的再结晶区轧制、低终轧温度、控制层流冷却速度和返红温度等多种措施，获得了与力学性能相匹配的晶粒细化强化的显微组织，特别是本发明钢所具有的组织均匀性和低温韧性指标，充分满足船用低温钢性能要求，无需进行轧后正火处理。
经以上工序制备的高强高韧性船用低温钢，具有以下技术特征：发明钢由多相复合组织构成，包括铁素体、珠光体、少量贝氏体(或马氏体)；力学性能：屈服强度≥360MPa，抗拉强度：500～630MPa，延伸率≥25％，FATT≤-80℃，-60℃冲击功≥200J。
本发明采用低P、S纯净钢冶炼、添加适量Mg脱氧或喂线处理，降低夹杂物含量、促进夹杂物变性，保证了铸坯洁净度，获得高强塑性和优良的低温韧性；铸坯堆冷和低温加热工艺防止粗大奥氏体组织形成，二阶段大变形量轧制和轧后控冷，促进多相组织形成和细化，充分提高钢板强韧性；通过均匀、多相细化的组织控制技术获得高强塑性和高韧性，无需进行轧后正火处理，节省工序、燃耗、降低生产成本。
附图说明
图1是本发明钢实施例1的显微组织图；
图2是本发明钢实施例4的显微组织图；
图3是对比钢1热轧显微组织图；
图4是对比钢2热轧显微组织图；
图5是对比钢1正火后显微组织；
图6是对比钢2正火后显微组织。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进一步说明：
本发明高强高韧性船用低温钢的生产工艺路线如下：
铁水深脱硫-转炉冶炼-炉外精炼(合金化或喂硅钙线)-中薄板坯连铸-加热-粗轧-精轧-层流冷却-成品下线。
本发明钢及传统EH36两个对比钢的化学组成如表1所示。
表1发明钢及对比钢化学成分(wt％)
将具有上述成分的铸坯进行两阶段轧制，发明钢1、2、3采用低温加热+控轧，对比钢1、2采用常规热轧，制备工艺参数如表2。
表2发明钢与对比钢制备工艺参数
发明钢及对比钢综合力学性能见表3。由表3可见，发明钢具有良好的强塑性配比和优异的低温韧性，即使对于较厚规格(≥30mm)钢板，其-60℃夏比冲击功仍达到200J以上，韧脆转变温度低于-80℃。而对比钢1、2的强塑性虽然满足要求，但低温韧性不高，即使经过正火处理后有所改善但仍明显低于发明钢的冲击性能。
表3发明钢与对比钢的力学性能
表3中发明钢实施例1、4的显微组织由铁素体+珠光体+少量板条贝氏体组成，晶粒均匀细小，如图1、2所示。对比钢1、2热轧后的显微组织为多边形铁素体+珠光体，如图3、4所示，正火后的显微组织如图5、6所示。
比较图1、2与图3、4，发明钢的显微组织细化、碳化物均匀分布，针状铁素体和少量贝氏体的存在大大增强了基体组织的强韧性，而对比钢组织中存在严重的珠光体条带，且晶粒尺寸粗大，不利于强韧性的提高，特别是对横向性能产生不利影响。对比钢正火后的组织仍由多边形铁素体+珠光体组成，组织带状并未完全消除，如图5、6，晶粒尺寸发生细化使屈服强度略有增加，但对低温冲击韧性的提高幅度不大，说明对比钢通过轧后正火处理并未起到改善低温韧性的作用，反而增加了生产工序。
从以上实施例可知，本发明高强高韧性船用低温钢的生产方法，通过纯净钢冶炼、微合金化+两阶段控轧+控冷，充分发挥微合金元素的细化、强化作用，以获得尺寸细化的多相组织，改善显微组织的均匀性，无需轧后正火即可满足船用低温钢高强度高韧性的综合性能要求，同时与对比钢相比，发明钢具有低碳当量(Ceq≤0.39)和低焊接裂纹敏感系数(Pcm≤0.20)，表明钢板具备良好的可焊性和抗焊接裂纹敏感性。
Claims (1)
1.一种高强高韧性船用低温钢，其特征在于，按重量百分比包含如下组分：C：0.068％～0.12％，Si：0.20％～0.55％，Mn：0.8％～1.4％，P：0.005％～0.015％，S≤0.005％，Als：0.02％～0.07％，N≤0.005％，Cu：0.05％～0.40％，Ni：0.05％～0.38％；其余为Fe和不可避免的杂质，并保证Ni/Cu比为1.2～1.5；Mg：0.0005％～0.002％；还有Nb：0.005％～0.03％，Ti：0.005％～0.02％，Ca：0.003％～0.006％，中的1种或2种以上，屈服强度≥360MPa，抗拉强度：500～630MPa，延伸率≥25％，FATT≤-80℃，-60℃冲击功≥200J；所述的高强高韧性船用低温钢制造方法，包括冶炼工序和轧制工序，其中铁水预处理后S含量应小于0.003％，转炉冶炼控制渣碱度，挡渣出钢，钢渣厚度≤100mm，精炼喂硅钙线不少于500m，中包钢水过热度≤30℃，全程保护浇铸；铸坯下线堆冷≥72h后方可进行轧制；板坯加热温度1130～1180℃，均热时间30～50min，板坯出炉后采用高压水除鳞；实施二阶段控制轧制，第一阶段为再结晶区轧制，开轧温度1100～1050℃，一阶段终轧温度890～940℃，累积变形量≥60％，得到中间坯，中间坯厚度为3倍成品厚度；空冷到830～880℃开始第二阶段未再结晶区轧制，终轧温度750～800℃，此阶段累积变形量≥50％；轧后钢板进入层流冷却，冷却速率8～15℃/s，返红温度580～640℃。
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