CN103320694A - 一种温度不高于-101℃级别的低温用钢 - Google Patents
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Abstract
一种温度不高于-101℃级别的低温用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.03～0.08%；Si：0.10～0.50%；Mn：0.60～1.20%；P、S：≤0.010%；Ni：2.00～2.95%；Mo：0.060～0.10%；Nb：0.042～0.06%；Ti：0.01～0.06%，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明具有性价比高的特点，与传统-101℃级别低温钢相比，通过添加微量的Ti、Nb等元素，不仅降低了生产成本，并具有良好的经济效益；还经热处理后，能使屈服强度ReL≥345MPa，抗拉强度Rm440~690MPa，延伸率A≥21%，-110℃横向冲击功AKV≥200J；且钢板的焊接性能优良，焊缝及熔合线区域的-101℃横向AKV≥100J，完全满足不高于-101℃级别低温钢用户使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温用钢，具体地属于一种采用TMCP工艺生产，且温度不高于-101℃级别的低温用钢，厚度规格为12～35mm。
背景技术
低温钢主要用于制作储存和运输各类液化气体的设备。通常将各种液化石油气、液氨、液氧、液氮等生产、储存容器和输送管道以及在寒冷地区服役的设备，称为低温容器，制造这些容器所用的钢，统称为低温钢。由于低温容器特殊用途，对低温钢性能的要求更加严格，首先要保证在使用温度下具有足够的冲击韧性值，要求材料在使用温度下具有足够的抗脆性开裂的能力,甚至还要求材料具有抗脆性裂纹扩展的止裂性能。此外，从安全角度考虑，希望低温钢的屈强比不要高。
近年来随着我国石油、化工及能源工业的迅猛发展，石油、化工装置的规模在不断地扩大，低温钢的需求量巨大。随着冶金科技的进步，连铸技术、熔炼脱磷、转炉精炼等高纯度钢制造技术得到开发应用，大幅度降低钢中的P、S含量使Ni系低温钢的韧性得到了提高，同时，TMCP工艺也可以改善钢板的韧性和强度，即使在较低合金添加的情况下，通过细化晶粒而使钢板获得高的强度和韧性。因此，具有较高的可行性和很好的市场前景。此外，较高的性价比可降低企业的生产成本，提高企业利润。
经检索国内外公开发表文献中，为保证良好的力学性能，通常加入较多的Ni、Cr、Cu等贵重合金，尤其贵重金属Ni的含量普遍在3.0～3.80%，含量较高，增加了钢板的生产成本；如一种高韧性-110℃低温钢及其制造方法，由下述重量百分比%的成分组成：C 0.02～0.12，Si 0.10～0.35，Mn 0.30～0.80，P≤0.015，S≤0.010，Ni 3.20～3.80，Ti 0.005～0.05，Al 0.005～0.10，此外还含有Nb≤0.050，V≤0.10，Cu≤2.0，Mo≤0.50，Zr≤0.040，RE≤0.020中的两种或两种以上，余量为Fe。实施例钢板的屈服强度ReL=400-430MPa，抗拉强度Rm =550～580 MPa，延伸率A=29-32%，-110℃横向AKV=145-214J；一种抗高回火参数SR脆化的低温镍钢及其制造方法，其成分重量百分比为：C：0.025～0.06％、Si：≤0.15％、Mn：0.45～0.85％、P：≤0.012％、S：≤0.002％、Cu：0.1～0.4％、Ni：2.8～3.8％、Cr：0.1～0.3％、Mo：0.05～0.3％、Als：0.04～0.07％、Ti：0.006～0.012％、Nb：0.008～0.025％、N：≤0.0040％、Ca：0.001～0.003％其余为Fe和不可避免的夹杂；钢板屈服强度339-373MPa，抗拉强度508-525 MPa，延伸31-38%，横向Akv（-101℃）=259-309J。
发明内容
本发明的目的在于解决目前国内外-101℃级别低温用钢中贵重合金Ni元素加入量多，性价比不高等不足，提供一种以Ni、Mn作为基本元素，通过添加少量Ti、Nb后的复合作用，获得屈服强度ReL≥345MPa，抗拉强度Rm 440~690 MPa，延伸率A≥21%，-110℃横向冲击功AKV≥200J，焊缝及熔合线区域的-101℃横向AKV≥100J的温度不高于-101℃级别的低温用钢。
实现上述目的的措施：
一种温度不高于-101℃级别的低温用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.03～0.08%；Si：0.10～0.50%；Mn：0.60～1.20%；P、S：≤0.010%；Ni：2.00～2.95%；Mo：0.060～0.10%；Nb：0.042～0.06%；Ti：0.01～0.06%，其余为Fe和不可避免的杂质。
优选地，C的重量百分比为0.03～0.06%。
优选地，Mn的重量百分比为0.63～0.90%。
优选地，Ni 的重量百分比为2.00～2.85%。
优选地，Mo的重量百分比为0.070～0.090%。
优选地，Ti的重量百分比为0.025～0.04%。
优选地，Nb的重量百分比为0.042～0.049%。
本发明的-101℃级别低温钢中合金元素的作用机理如下：
本发明钢中C的含量为0.03～0.08%。C是提高钢材强度最有效的元素，碳含量每增加0.1%抗拉强度大约提高90MPa，屈服强度大约提高40～50MPa。但是，随着碳含量增加，钢材的延伸率和冲击韧性下降，尤其是低温韧性下降的幅度更大。而且，钢材的焊接热影响区还会出现淬硬现象，导致焊接冷裂纹的产生。因此，对-101℃级别低温钢而言，必须严格控制碳含量；优选地控制在0.03～0.06%。
Mn 具备轻微的细化组织的作用，是提高钢的屈服强度和抗拉强度的元素之一，含1%的Mn 大约可提高抗拉强度100MPa，还可以降低钢的韧脆转变温度。Mn 在冶炼中的作用是脱氧和消除S 的影响，钢中的Mn 与S 结合生成MnS，可以防止S引起的热脆性。一般说来，在低碳低合金高强度钢中，均添加适量Mn，以提高钢材的强度，Mn含量选择在0.60～1.20 %，优选地控制在0.63～0.90%。
Ni 在钢中为纯固溶元素，可强化铁素体基体，并具有明显降低韧脆转变温度的作用，是形成和稳定奥氏体的主要合金元素。Ni的加入使Fe—C平衡图共析点向左下方移动，既降低共析珠光体（P）的含碳量，又降低钢的临界点。不仅使钢中珠光体细化，且含量也相对地增多，这些细密的转变产物能降低钢材的冷脆转变温度，而且在液态和固态时，Ni 和Fe 能以任何比例互熔于α 和γ 铁相中，通过其在晶粒内的吸附作用，抑制粗大的先共析铁素体形成，细化铁素体晶粒，改善钢的低温性能，特别是韧性；同时含Ni钢的晶体即使在低温下，其位错易于交叉位移，优先塑性变形，而不致先形成解理开裂。Ni 还是扩大奥氏体相区的元素，降低奥氏体的转变温度，从而影响碳与合金元素的扩散速度，阻止奥氏体向珠光体转变，降低钢的临界冷却速度，可提高钢的淬透性。因此，控制合适的Ni 含量，使其保持单一的铁素体+珠光体，是改善韧性的关键，Ni 含量选择在为2.00～2.9%，优选地控制在2.00～2.85%。
Mo 是缩小奥氏体相区的元素，同时也抑制奥氏体的分解，推迟晶界铁素体转变而有利于贝氏体组织的形成。Mo 也是一个固溶强化元素，能有效提高钢材强度特别是高温强度，还能提高钢的抗氢脆能力和回火稳定性。微量Mo 的加入还可提高焊缝金属的韧性，同时也加大了钢的淬硬性，从而提高了钢材对焊接冷裂纹的敏感性。低温试验钢中，复合加入微量的Ti、Mo 元素，既不影响第二相质点的析出强化作用，又可避免出现沿晶碳化物的不利组织，有利于提高钢材的强度和韧性。当然，钢中Mo 元素的含量一定要控制在较低的水平，以避免出现过多的贝氏体（MA 岛）组织，Mo 含量选择在0.060～0.10%，优选地控制在0.070～0.090%。
Ti 是钢中的强脱氧剂，也是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，能显著地降低奥氏体中C、N 的含量，减轻钢的淬硬性倾向，防止延伸率的降低。只要冷却速度适宜，微量Ti 元素将产生细小、稳定、弥散地TiN、Ti(C,N)颗粒，能有效地钉扎晶界，阻止高温奥氏体晶粒粗化，起到细化晶粒的作用，因而能显著提高钢的室温强度、高温强度和钢的韧性。特别是在焊接金属中，Ti 形成弥散的高熔点的第二相质点，能有效阻止焊接过程中粗晶的长大。同时，也可以有效地阻止轧制道次间和轧制后奥氏体晶粒的长大。但是，过多的Ti 在钢中易形成粗大TiN颗粒，导致晶界的脆化，降低材料的韧性，故Ti含量选择在0.010～0.040%，优选地控制在0.025～0.04%。
Nb 的作用与Ti 相似，但比Ti 强烈，是一种细化晶粒的元素。Nb是强烈的碳氮化物形成元素，可与碳、氮形成极其稳定的Nb (C,N )化合物。沿奥氏体晶界弥散分布的Nb (C,N )粒子，阻碍晶粒长大，显著提高原始奥氏体晶粒粗化温度，从而细化了铁素体晶粒，改善了钢的强度和低温韧性。但是，在缺少碳的情况下Nb在钢中以固溶形式存在，将推迟先共析铁素体的析出，并强烈延迟奥氏体开始分解为珠光体的时间，而对奥氏体到贝氏体的转变几乎没有影响，在这种情况下，钢板中出现贝氏体的机率增大，钢板的冲击韧性反而劣化。同时，Nb也易与Fe、C等元素形成低熔点共晶物，从而增加焊缝接头热裂纹的倾向，因此，在成分设计时控制Nb的加入量，Nb含量选择在0.042～0.060%，优选地控制在0.042～0.049%。
本发明与现有技术相比，具有：性价比高的特点，与传统-101℃级别低温钢用3.5Ni作为主要合金元素相比，通过添加微量的Ti、Nb等元素，降低了生产成本，具有良好的经济效益和社会效益；经热处理后，屈服强度ReL≥345MPa，抗拉强度Rm 440~690 MPa，延伸率A≥21%，-110℃横向冲击功AKV≥200J，具有优良的低温韧性；同时，钢板的焊接性能优良，焊缝及熔合线区域的-101℃横向AKV≥100J，完全满足不高于-101℃级别低温钢用户使用要求。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；
表2为本发明各实施例及对比例的性能检测列表；
表3为本发明各实施例钢及对比例焊接试验后的冲击性能列表。
本发明各实施例按照TMCP常规工艺生产。
表1 各实施例及对比例化学成分（Wt%）
| 实施例 | Si | Mn | P | Cu | Ni | Mo | Als | Ti | Nb | C | N | S |
| 1 | 0.44 | 0.80 | 0.006 | 0.028 | 2.95 | 0.086 | 0.005 | 0.010 | 0.042 | 0.030 | 0.0023 | 0.0023 |
| 2 | 0.35 | 0.90 | 0.007 | 0.027 | 2.72 | 0.070 | 0.012 | 0.025 | 0.052 | 0.039 | 0.0021 | 0.0020 |
| 3 | 0.24 | 0.75 | 0.006 | 0.030 | 2.51 | 0.078 | 0.007 | 0.033 | 0.045 | 0.060 | 0.0017 | 0.0022 |
| 4 | 0.32 | 0.60 | 0.006 | 0.029 | 2.00 | 0.090 | 0.008 | 0.040 | 0.049 | 0.045 | 0.0024 | 0.0021 |
| 5 | 0.11 | 1.18 | 0.008 | 0.028 | 2.18 | 0.061 | 0.005 | 0.06 | 0.051 | 0.08 | 0.0023 | 0.0023 |
| 6 | 0.48 | 0.64 | 0.006 | 0.027 | 2.32 | 0.082 | 0.012 | 0.036 | 0.056 | 0.052 | 0.0021 | 0.0021 |
| 7 | 0.27 | 0.7 | 0.007 | 0.030 | 2.61 | 0.1 | 0.007 | 0.029 | 0.06 | 0.036 | 0.0017 | 0.0017 |
| 8 | 0.17 | 0.86 | 0.006 | 0.029 | 2.85 | 0.94 | 0.008 | 0.052 | 0.047 | 0.056 | 0.0024 | 0.0024 |
| 对比例1 | 0.37 | 0.74 | 0.006 | 0.032 | 281 | 0.061 | 0.005 | / | / | 0.071 | 0.0026 | 0.0033 |
| 对比例2 | 0.18 | 0.82 | 0.008 | 0.025 | 2.34 | 0.082 | 0.012 | 0.024 | / | 0.056 | 0.0024 | 0.0041 |
表2 各实施例及对比例力学性能检测情况
表3 各实施例及对比例焊接试验冲击性能
本发明各实施例焊接试验条件：焊接材料：CHNiCrMo6，电流：140A，电压：10~20 V，焊速：15 cm/min，线能量：不超过15 KJ/cm。
上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。
Claims (7)
1.一种温度不高于-101℃级别的低温用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.03～0.08%；Si：0.10～0.50%；Mn：0.60～1.20%；P、S：≤0.010%；Ni：2.00～2.95%；Mo：0.060～0.10%；Nb：0.042～0.06%；Ti：0.01～0.06%，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的一种温度不高于-101℃级别的低温用钢，其特征在于：C的重量百分比为0.03～0.06%。
3.如权利要求1所述的一种温度不高于-101℃级别的低温用钢，其特征在于：Mn的重量百分比为0.63～0.90%。
4.如权利要求1所述的一种温度不高于-101℃级别的低温用钢，其特征在于：Ni 的重量百分比为2.00～2.85%。
5.如权利要求1所述的一种温度不高于-101℃级别的低温用钢，其特征在于：Mo的重量百分比为0.070～0.090%。
6.如权利要求1所述的一种温度不高于-101℃级别的低温用钢，其特征在于：Ti的重量百分比为0.025～0.04%。
7.如权利要求1所述的一种温度不高于-101℃级别的低温用钢，其特征在于：Nb的重量百分比为0.042～0.049%。
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