CN103484771A - 一种海洋平台用高铝低密度中厚钢板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海洋平台用高铝低密度中厚钢板及其制备方法，属于金属材料领域。其特征在于包括以下质量百分比的化学成分：C0.04-0.10；Al0.5-4.0；Si0.2-1.0；Mn0.3-3.0；Cu0.5-2.0；Ni0.4-1.6；Nb0.04-0.10，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明采用两阶段控制轧制，轧后进行回火处理，轧前加热温度1150℃，再结晶区轧制温度≥980℃，非再结晶区轧制温度≤930℃；板厚为10-30mm，回火温度为500-800℃。本发明的低密度中厚板相比普通低碳合金钢密度降低4%，回火后抗拉强度可达到600MPa以上，延伸率大于20%，具有优良的综合力学性能。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种海洋平台用高铝低密度中厚钢板及其轧制与热处理工艺。
背景技术
近年来，随着对环保要求的日益严格，为减少CO2的排放量和降低燃料消耗，对钢铁材料轻量化的要求也越来越高。为适应这种形势，普遍采用提高钢铁材料强度，降低板材厚度的方法，并已取得了显著效果。但由于某些部件有一定的刚度要求，因此对其所使用的钢材厚度有所限定。对于这类部件，就不宜通过提高钢板强度和减薄钢板厚度来实现轻量化。在这种情况下，考虑过采用密度小的铝合金板，其缺点在于价格昂贵，且在可加工性和焊接方面难以控制。
随着我国海洋开发力度的不断加大，对海洋平台用钢的需求量将不断增加，海洋平台用钢将是未来几年钢铁行业重点研发和生产的产品。由于海洋用钢结构长期处于盐雾、潮气和海水及海生物的侵蚀作用而产生剧烈的电化学腐蚀，漆膜易发生剧烈皂化、老化，产生非常严重的结构腐蚀，不仅降低了结构材料的力学性能，缩短其使用寿命，而且又因远离海岸，不能像船舶那样定期进行维修、保养，所以对其耐腐蚀性的要求更高。因此当前海洋平台用钢除了要求高强度、高的低温韧性之外，对耐海洋气候及海水腐蚀提出了更高的要求。将汽车用钢的理念引入海洋平台的开发，高含量Al元素的引入可极大地提高钢材的耐腐蚀性能。
国内有关高铝含量的钢板已经形成多项专利，但都是用于制造薄板，尚未涉及海洋平台用中厚板的生产工艺，且铝含量过高，导致钢板中产生使性能恶化的κ碳化物，例如：
于西纳公司的名为“很高强度和低密度热轧薄钢板及其制造方法”，公开号为CN1688725A的中国专利涉及高铝低密度钢板的生产，但是该专利主要涉及薄钢板的生产，主要应用于汽车工业，尚未应用到海洋平台用中厚板生产，其轧制与热处理工艺与本发明差别较大。
安赛乐米塔尔法国公司的名为“具有良好可压延性的低密度钢”，申请号为CN200880016091的中国专利涉及一种热轧铁素体钢片材，但是其铝含量的组成为6-10%，这种含量的钢板中容易出现κ碳化物，使钢板的性能严重恶化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海洋平台用高铝低密度中厚钢板及其制备方法，在保证海洋平台用钢要求高强度、高的低温韧性的同时，提高钢材的耐腐蚀性能。。
本发明的目的通过如下措施来实现：钢铁材料包括以下质量百分比的化学成分：C0.04-0.10；Al0.5-4.0；Si0.2-1.0；Mn0.3-3.0；Cu0.5-2.0；Ni0.4-1.6；Nb0.04-0.10，其余为Fe及不可避免的杂质。
优选的质量百分比的化学成分为：C0.04-0.08；Al2.0-4.0；Si0.2-1.0；Mn0.8-1.5；Cu0.8-1.5；Ni0.6-1.2；Nb0.04-0.10，其余为Fe及不可避免的杂质。
最佳的质量百分比的化学成分为：C0.06；Al2.0；Si0.3；Mn1.0；Cu1.0；Ni0.8；Nb0.04，其余为Fe及不可避免的杂质。
本发明海洋平台用高铝低密度中厚钢板的有效化学成分设计依据及限定含
量范围的理由如下：
C：必要的碳含量主要起固溶强化作用，同时一部分碳原子将与加入的微量钒、铌、钛作用析出微合金碳化物，在高温变形阶段抑制再结晶，在较低温区起析出强化作用。综合考虑钢材的焊接性能，碳的含量选择在0.04-0.10%之间。
Al：铝作为轻量化元素加入钢中，一方面使钢铁材料的晶格常数增大，另一方面其本身的原子质量较小，因而可以降低钢铁材料的密度。同时，铝元素在钢中起到固溶强化的作用。但是，铝元素含量过高引起晶粒粗化，使性能恶化。因此，铝的含量选择在0.5-4.0%之间。
Si：硅以固溶方式存在于钢中时，能够显著提高钢的强度和硬度，但高含量的硅会使钢板表面形成Mn2SiO4稳定的氧化物恶化钢的热轧性能和表面镀覆性能，在热镀锌生产线中隔断锌液和钢板表面的反应，降低钢板的润湿性能，使钢板表面质量下降，工件覆镀性差。因此，硅的含量选择在0.2-1.0%之间。
Mn：锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，锰元素的添加使钢铁材料不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。因此，锰的含量选择在0.3-3.0%之间。
Cu：铜作为强化元素可以增加屈服强度并且降低韧脆转变温度，面心立方ε-Cu从α-Fe中析出可使钢材强化。对于中厚板，借助铜的析出强化作用可以基本上保持性能的均匀性，使得心部的性能和表面及1/4处相当。
Ni：在本发明中添加Ni元素的目的主要是阻止含铜量高的钢坯在加热或热轧时产生裂纹的倾向，也可以提高钢的淬透性与耐蚀性。考虑经济性，在本发明中根据铜含量适当添加镍元素，且保证Ni/Cu≥0.5。
Nb：铌是钢中常见的强化元素，钢中加入铌可有效提高强度，其主要机理是细晶强化和析出强化。铌对于细化晶粒，阻碍再结晶的作用主要表现在以下两个方面：即质点钉扎和溶质拖曳。考虑到铌的价格较高，铌的含量一般控制在0.04-0.10%。
钢中的杂质元素的上限控制在P≤0.01%，S≤0.005为宜，含量越低，钢种性能越好。
本发明的海洋平台用高铝低密度中厚钢板用真空感应冶炼炉制造，工艺步骤是：①将生铁和各种合金元素混合加热熔化；②温度升至1500℃-1550℃后，出炉浇注；③钢锭加热到1200℃保温2小时后锻成80mm厚的板坯。
本发明海洋平台用高铝低密度中厚钢板采用两阶段控制轧制，轧前加热温度1150℃，保温2h，再结晶区轧制温度≥980℃，非再结晶区轧制温度≤930℃，轧后水淬。
为了获得最佳效果，本发明的特征在于钢板可进行回火处理，最佳回火温度在500℃-800℃，回火时间1小时。在回火过程中，通过析出强化提高钢的强度，同时改善钢的韧性和塑性。回火后钢板的屈服强度和抗拉强度也有不同程度提高，并能保证钢板厚度方向的性能均匀性。
本发明的有益效果：本发明采用低碳、高铝含量设计，生产出密度显著降低的高性能中厚板钢板，生产成本低，且强度、塑性和焊接性能匹配良好，这种钢板可应用于海洋平台用钢。
具体实施方式：
按本发明的化学成分要求将各种成分加入到炉中熔化，待铁液达到1500-1550℃时出炉浇注。取样进行化学成分分析，化学成分结果见表1。
表1、本发明实施例钢种的冶炼成分（Wt%）
| 实施例 | C | Si | Mn | Cu | Ni | Nb | Al |
| 1 | 0.062 | 0.33 | 1.10 | 1.04 | 0.84 | 0.044 | 0.50 |
| 2 | 0.065 | 0.30 | 1.06 | 1.06 | 0.85 | 0.040 | 0.97 |
| 3 | 0.057 | 0.33 | 1.07 | 1.07 | 0.86 | 0.041 | 2.01 |
| 4 | 0.068 | 0.32 | 1.06 | 1.04 | 0.84 | 0.040 | 3.93 |
四组钢锭加热到1200℃保温2小时后锻成80mm厚的板坯，将板坯加热到1150℃保温2h，开轧温度1050℃，对板坯进行两阶段控制轧制，再结晶区轧制温度≥980℃，非再结晶区轧制温度≤930℃，非再结晶区积累变形量大于50%，轧后水淬。轧制过程的工艺参数见表2。
表2、本发明钢实施例的轧制工艺参数
对轧后钢板进行1小时回火处理，回火温度分别为500℃、600℃、650℃、
700℃和800℃，回火后的力学性能见表3。
表3、本发明钢实施例回火后的力学性能
Claims (5)
1.一种海洋平台用高铝低密度中厚钢板，其特征在于包括以下质量百分比的化学成分：C0.04-0.10；Al0.5-4.0；Si0.2-1.0；Mn0.3-3.0；Cu0.5-2.0；Ni0.4-1.6；Nb0.04-0.10，其余为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的海洋平台用高铝低密度中厚钢板，其特征在于质量百分的化学成分为：C0.04-0.08；Al2.0-4.0；Si0.2-1.0；Mn0.8-1.5；Cu0.8-1.5；Ni0.6-1.2；Nb0.04-0.10，其余为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的海洋平台用高铝低密度中厚钢板，其特征在于C0.06；Al2.0；Si0.3；Mn1.0；Cu1.0；Ni0.8；Nb0.04，其余为Fe及不可避免的杂质。
4.根据权利要求1-3所述的海洋平台用高铝低密度中厚钢板的制备方法，其特征在于轧制过程采用两阶段控制轧制，轧前加热温度1150℃，再结晶区轧制温度≥980℃，非再结晶区轧制温度≤930℃；板厚为10-30mm。
5.根据权利要求4所述的海洋平台用高铝低密度中厚钢板的轧制方法，其特征在于对钢板进行回火处理回火温度为500-800℃。
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