一种经济节约型调质处理690MPa级高强高韧钢板
技术领域
本发明涉及一种经济节约型调质处理690MPa级高强高韧钢板,尤其适用于船舶及海洋工程领域的钢板。
背景技术
全国海洋经济发展规划(修订稿)提出,到21世纪中叶,海洋产业将成为国民经济的支柱产业之一,海洋经济在国内生产总值中的比重将达到8%左右(2005年为4%,2010年为5%)。海洋石油工业装备的国产化将促进我国海洋工程的科技进步,对振兴我国民族工业、在国际市场上增强竞争力有重大意义。其间,不可避免地要开发一系列的高新技术作为支持,而高性能船舶及海洋工程用高强高韧钢的研制是其中重要的组成部分。屈服强度为690MPa级别的高强钢是船舶及海洋工程通用钢中强度等级最高的一类,要求屈服强度大于690MPa,抗拉强度大于770MPa,且低温冲击温度一般不高于-40℃考核,有的甚至达到-60℃考核,而且对其强韧性要求非常高。尤其是自升式海洋平台的桩腿结构,其齿条钢特厚板的强度为690MPa级,冲击韧性为-40℃或-60℃考核,钢板厚度达到114mm-214mm,要求其在整个厚度截面范围内,组织和性能均匀,尤其对于心部的性能不应有明显的下降,这对于材料的成分及工艺设计提出了很高的挑战。
同时,由于这一类690MPa级高强高韧钢板的应用面广泛,使用量大,钢板的制造成本也是钢板的选材过程中不可忽略的一个方面。690MPa级钢板要求强韧性匹配好,为了保证钢板具有足够的淬透性,通常加入一定量的Cr、Mo、V、Ni等贵重合金元素,且为了获得良好的低温韧性,Ni的加入量一般也较高。这种合金设计方法的优点是性能稳定且强韧性匹配好,但带来的一个问题是由于合金成本的上升带来钢板的价格偏高,不利于大范围使用和推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有良好的强韧性匹配的经济节约型调质处理690MPa级高强高韧钢板。
根据本发明,提供了一种经济节约型调质处理690MPa级高强高韧钢板,其特征在于所述钢板的化学成分由按重量百分比计的下述材料组成:0.07%-0.15%的C、0.15%-0.40%的Si、0.80%-1.35%的Mn、0.20%-0.80%的Cr、0.05%-0.55%的Mo、0.01%-2.70%的Ni、0.01%-0.40%的Cu、0.02%-0.08%的V、0.055%-0.15%的Al、不超过0.015%的N、0.0004%-0.0025%的B、不超过0.004%的S、不超过0.012的P,余量为Fe和不可避免的杂质,其中,当钢板中的N含量≥0.0020%时,所述钢板中的B、Al、N元素满足下式:
根据本发明的优选实施例,钢板中的AlN析出物与N含量的关系可以满足下面的关系式:
根据本发明的优选实施例,钢板的厚度可以为12mm~214mm,并且在钢板的截面1/2处的金相组织中回火马氏体和下贝氏体的总比例可以占整个金相组织的体积的60%以上。
根据本发明的优选实施例,钢板的厚度可以为12mm~80mm,并且在钢板的截面1/2处的金相组织中回火马氏体和下贝氏体的总比例可以占整个金相组织的体积的80%以上。
根据本发明的优选实施例,钢板的厚度可以为114mm~180mm,所述钢板的化学成分可以由按重量百分比计的下述材料组成:0.09%-0.13%的C、0.20%-0.40%的Si、0.90%-1.10%的Mn、0.45%-0.55%的Cr、0.45%-0.55%的Mo、1.0%-2.7%的Ni、0.15%-0.40%的Cu、0.03%-0.06%的V、0.055%-0.15%的Al、不超过0.010%的N、0.0010%-0.0025%的B、不超过0.004%的S、不超过0.012%的P,余量为Fe和不可避免的杂质,其中,所述钢板中的Ni含量与钢板的厚度t可以满足关系式Ni≥0.5+exp[1.5×(t/127-1)],钢板的截面1/2处的金相组织中回火马氏体和下贝氏体的总比例可以占整个金相组织的体积的60%以上。
根据本发明的优选实施例,所述钢板可以应用于高性能船舶结构及船用容器,尤其适用于制造LPG运输船用球罐容器。
根据本发明的优选实施例,所述钢板可以应用于海洋工程,尤其适用于制造自升式海洋钻井平台的桩腿结构。
附图说明
图1A是根据本发明的一个示例性实施例的钢板的金相组织的照片。
图1B是根据本发明的另一个示例性实施例的钢板的截面1/4处金相组织的照片。
图1C是根据本发明的又一示例性实施例的钢板的截面1/2处金相组织的照片。
图1D是根据现有技术的对比例的钢板的截面1/2处金相组织的照片。
图2A是根据本发明的一个示例性实施例的钢板的透射电镜精细结构的照片。
图2B是根据现有技术的对比例的钢板的透射电镜精细结构的照片。
具体实施方式
研制经济节约型高强高韧钢是船舶及海洋工程领域的重要方向之一。为此,本发明提供了一种经济节约型调质处理690MPa级高强高韧钢板,其具有良好的强韧性匹配,不仅可应用于高性能船舶结构及船用容器,特别应用于制造LPG运输船用球罐容器,而且可应用于海洋工程,特别应用于制造自升式海洋钻井平台的桩腿结构。
下面将描述根据本发明的经济节约型调质处理690MPa级高强高韧钢板。
根据本发明的经济节约型调质处理690MPa级高强高韧钢板,其由按重量百分比计的下述化学成分组成:0.07%-0.15%的C、0.15%-0.40%的Si、0.80%-1.35%的Mn、0.20%-0.80%的Cr、0.05%-0.55%的Mo、0.01%-2.70%的Ni、0.01%-0.40%的Cu、0.02%-0.08%的V、0.055%-0.15%的Al、不超过0.015%的N、0.0004%-0.0025%的B、不超过0.004%的S、不超过0.012的P,余量为Fe和不可避免的杂质,其中,根据本发明,当钢板中的N含量大于等于0.0020%时,钢板中的B、Al、N元素应满足下式:
当钢板中的N含量大于等于0.0020%且Al、B、N元素的含量满足上面的不等式时,钢中的自由B含量可基本控制在0.0003wt%-0.0015wt%的范围内,而这个范围是获得良好淬透性和强韧性匹配的最佳自由B含量,下文将会对此进行详细的描述。
下面将详细地描述根据本发明的经济节约型调质处理690MPa级高强高韧钢板的成分的设计思路和原理。
为了在一定程度上节约贵重合金元素含量,可考虑加入微量B元素,通过自由B在晶界的偏聚,推迟高温相变的发生,从而提高钢板的淬透性。然而,B是强氮化物形成元素,B与N一旦形成BN析出物,则无法保证自由B在晶界的偏聚,因此影响钢的淬透性。因此,固定N元素、使B游离出来发挥作用是微B处理高强钢获得强韧性的重要手段。Ti是最常用的固N元素,在许多合金结构钢中都采用未来处理来保证B的淬透性效果。然而,TiN的析出温度非常高,达到1400℃以上,在高温下,TiN很容易聚集长大、形成粗大颗粒,影响钢板的韧性水平。
通常情况下,Al作为主要脱氧元素,其在钢中的残余量一般为0.02wt%左右,这种Al含量与N的结合温度在1100℃左右,比B与N的结合温度低约100℃,在B存在的情况下起不到固定N含量而使B游离出来的作用。在本发明,通过提高Al含量,可明显提高Al相对于B夺N的竞争力。本申请的发明人经实验研究发现,当钢中的Al含量提高至0.55wt%左右时,可使AlN的析出温度提高至近1200℃,且能够明显抑制BN的析出。当Al含量增加至0.10wt%以上时,在N含量为40ppm-50ppm(即,0.0040wt%-0.0050wt%)的情况下,可以完全抑制BN的析出。
一旦N被Al元素固定、BN的析出得到抑制,钢中的B就形成游离状态的自由B,可在热处理的过程中偏聚于奥氏体晶界,使晶界钝化不易发生高温相转变,把CCT曲线(连续冷却转变曲线)的高温相变部分显著向右推移,即使在低冷速条件下也使获得马氏体/下贝氏体的淬透组织的几率大大增加。另外,根据本发明的钢板包括前述含量的化学成分,又有N被Al元素固定,形成AlN析出物。AlN的析出温度为1100℃~1250℃,析出物的尺寸细小,一般均小于20nm,与在1350℃~1450℃析出的粗大TiN颗粒相比明显细化。这种细小的AlN析出物不会对钢的低温韧性产生损害作用;反而由于AlN析出相的弥散分布,还起到了钉扎奥氏体晶界、阻止晶粒长大,细化奥氏体晶粒尺寸从而改善钢的韧性水平。
本申请的发明人经研究发现,自由B含量为0.0003%~0.0015%是保证获得良好淬透性的理想范围。在本发明中,0.0004wt%~0.0025wt%为钢板中的全B含量,自由B为全B的一部分,其中,钢中的自由B含量可以通过化学相分析实验方法来确定。具体地讲,钢中的自由B含量在0.0003%~0.0015%的范围内就可起到明显的淬透性提高效果。当自由B(不是全B)含量超过0.0015%时,淬透性不再增加,钢的低温韧性反而明显恶化。因此,通过Al、N、B等三种元素的相互配比(即,满足上面的关系式),大部分N元素被Al固定形成AlN析出物,并将钢中的自由B控制在0.0003%~0.0015%的范围内,有利于获得大部分马氏体/下贝氏体组织,可以在提高淬透性的同时改善钢的低温韧性。有了Al、B、N等元素配合对钢的性能优化,采用复合微合金化改善钢的强韧性的其余合金元素Si、Cr、Mo、Ni、V、Cu等的加入量就可以依据成品钢板的厚度规格而有所不同,分别有明显的降低。另外,由于钢的淬透性提高,C含量可降低至0.07%-0.15%仍然能够保持较高的强度水平,而且C含量的降低还对钢的低温韧性提高有利。
根据本发明的一个优选实施例,钢板中的AlN析出物与N含量的关系满足下面的关系式:
本申请的发明人根据实验结果研究发现,为使690MPa级钢板获得良好的淬透性和强韧性水平,在基本没有Ti元素加入的情况下,获得一定含量的B需要通过形成AlN析出物来固定N元素。研究结果发现,只有当钢中析出的AlN量满足这个关系式时,钢中的大部分N才能被Al所固定,从而达到钢板的强韧性匹配的效果。
根据本发明的另一优选实施例,钢板的厚度可以为12mm~214mm,并且钢板的截面1/2处(即,钢板厚度的1/2处)的金相组织中回火马氏体和下贝氏体的总比例占整个金相组织的60%(体积百分比)以上。优选地,钢板的厚度可以为12mm~80mm,并且钢板的截面的1/2处的金相组织中回火马氏体和下贝氏体的总比例占整个金相组织的80%以上。
根据本发明的一个优选示例性实施例,提供的690MPa级高强高韧钢板为超厚钢板,该钢板的厚度为114mm~180mm,其由按重量百分比计的下述化学成分组成:0.09%-0.13%的C、0.20%-0.40%的Si、0.90%-1.10%的Mn、0.45%-0.55%的Cr、0.45%-0.55%的Mo、1.0%-2.7%的Ni、0.15%-0.40%的Cu、0.03%-0.06%的V、0.055%-0.15%的Al、不超过0.010%的N、0.0010%-0.0025%的B、不超过0.004%的S、不超过0.012%的P,余量为Fe和不可避免的杂质,而且,该钢板中的Ni含量与钢板的厚度t满足关系式Ni≥0.5+exp[1.5×(t/127-1)]。根据本发明该优选示例性实施例的超厚钢板,钢板厚度的1/2处的金相组织中(回火马氏体+下贝氏体)的比例占60%以上。
下面将描述根据本发明的经济节约型调质处理690MPa级高强高韧钢板的制造方法。
根据本发明,首先,采用铁水预处理+转炉(电炉)冶炼+LF+VD(或RH)炉外精炼工艺冶炼含有根据本发明的前述含量范围成分的钢水。根据生产钢种产品的厚度选择合适的浇注方式,钢板厚度小于80mm时选用连铸坯浇注,否则选用模铸锭浇注。模铸锭采用初轧机或水压机开坯。
接着,对连铸坯或经由模铸锭得到的板坯在低于1200℃的温度下进行低温加热,出炉后迅速采用高压水除鳞,为保证钢板的表面质量,高压水除鳞应充分。然后,对板坯采用两阶段控制轧制方法进行轧制,其中,第一阶段轧制采用低速大压下控制,第二阶段开轧温度不高于950℃,终轧温度为820℃~900℃。对控轧所得的钢板进行轧后快冷。
根据本发明,在对钢板进行轧后快冷后,对轧后的钢板进行调质热处理。具体地讲,将钢板在900℃-950℃保温(保温时间根据钢板厚度进行计算),出炉后在辊压式淬火机上淬火,然后在600℃-650℃回火(保温时间根据钢板厚度进行计算),出炉后空冷或水冷。这里,本领域技术人员可以在本发明的教导下根据钢板厚度自行选定对钢板的保温时间和回火时间。
上面简要地描述了根据本发明的具有良好的强韧性匹配的经济节约型调质处理690MPa级高强高韧钢板的制造方法,但本发明不限于此,本领域技术人员可以在本发明的钢板成分的教导下选择合适的制造方法制造出根据本发明的具有良好的强韧性匹配的经济节约型调质处理690MPa级高强高韧钢板。
根据本发明的钢板,由于节约了贵重合金元素的含量,所以明显降低了制造成本,同时,根据本发明的钢板具有良好的强韧性匹配,强度可达690MPa级,在-40℃甚至在-60℃下的低温冲击韧性满足要求,因此,根据本发明的钢板为经济节约型690MPa级高强高韧钢板。基于此,根据本发明的钢板可应用于高性能船舶结构及船用容器,特别是可应用于制造LPG运输船用球罐容器。另外,根据本发明的钢板可应用于海洋工程,特别是当钢板的厚度达到114mm~180mm(即,超厚钢板)时可应用于制造自升式海洋钻井平台的桩腿结构。
下面将结合具体的实施例来进一步描述根据本发明的经济节约型调质处理690MPa级高强高韧钢板。
采用前面描述的方法制得根据本发明的实施例1至实施例11的钢板,并选取3个对比钢种作为对比例1至对比例3的钢板,根据本发明的实施例1至实施例4的钢板及根据现有技术的对比例1至对比例3的钢板的化学成分如下面的表1所示,力学性能如下面的表2所示。根据本发明的实施例1至实施例4的钢板的化学成分在下面示出。这里,需要说明的是,根据现有技术的对比例2和对比例3中的Ti含量分别为0.018wt%和0.015wt%,是微合金化元素之一,而其余6种钢的Ti含量为0.002~0.003%,属于钢中的残留元素;另外,在下面的表1中没有示出钢中的P和S含量,是因为这两种元素为杂质元素,均在要求的含量范围内,同时为简洁起见,在下面的表1中也没有示出钢中的其它不可避免的杂质的含量。
表1本发明的实施例与对比例的化学成分(单位:wt%)
实施例5
一种高强高韧钢板材料,厚度为12mm,其成分以质量分数记算,包括:C:0.083%,Si:0.21%,Mn:1.18%,Cr:0.58%,Mo:0.12%,Ni:0.01%,Cu:0.09%,V:0.040%,Al:0.083%,N:0.0042%,B:0.0017%,余量为Fe。
实施例6
一种高强高韧钢板材料,厚度为95mm,其成分以质量分数记算,包括:C:0.11%,Si:0.30%,Mn:1.01%,Cr:0.25%,Mo:0.59%,Ni:0.81%,Cu:0.28%,V:0.027%,Al:0.141%,N:0.0095%,B:0.0012%,余量为Fe。
实施例7
一种高强高韧钢板材料,厚度为180mm,其成分以质量分数记算,包括:C:0.013%,Si:0.36%,Mn:1.18%,Cr:0.57%,Mo:0.43%,Ni:2.65%,Cu:0.27%,V:0.052%,Al:0.081%,N:0.0047%,B:0.0009%,余量为Fe。
实施例8
一种高强高韧钢板材料,厚度为81mm,其成分以质量分数记算,包括:C:0.071%,Si:0.39%,Mn:0.91%,Cr:0.38%,Mo:0.096%,Ni:0.73%,Cu:0.19%,V:0.034%,Al:0.095%,N:0.0051%,B:0.0025%,余量为Fe。
实施例9
一种高强高韧钢板材料,厚度为48mm,其成分以质量分数记算,包括:C:0.112%,Si:0.19%,Mn:0.89%,Cr:0.51%,Mo:0.13%,Ni:0.49%,Cu:0.31%,V:0.071%,Al:0.121%,N:0.0079%,B:0.0022%,余量为Fe。
实施例10
一种高强高韧钢板材料,厚度为59mm,其成分以质量分数记算,包括:C:0.101%,Si:0.31%,Mn:1.05%,Cr:0.36%,Mo:0.22%,Ni:0.55%,Cu:0.29%,V:0.067%,Al:0.089%,N:0.0055%,B:0.0014%,余量为Fe。
实施例11
一种高强高韧钢板材料,厚度为105mm,其成分以质量分数记算,包括:C:0.134%,Si:0.35%,Mn:1.03%,Cr:0.47%,Mo:0.52%,Ni:1.15%,Cu:0.03%,V:0.025%,Al:0.061%,N:0.0028%,B:0.0006%,余量为Fe。
表2本发明的实施例与对比例的力学性能
从表2的结果可以看出,采用本发明的实施例1~4,各种规格的钢板均获得了较好的强韧性匹配,尤其是低温冲击性能良好,-60℃均能达到120J以上的冲击功,且1/4处和1/2处的冲击功差异较小(一般在20%以内)。而对比例1~3,由于在某些方面与本发明的设计思路相悖,强韧性匹配不佳,低温冲击功普遍低于实施例1~4,且存在1/4处和1/2处差异较大,-40℃和-60℃差异较大的现象。例如,对比例3没有采用微B合金化思路,而Cr、Ni、Mo、Mn等元素的加入量均较高,但实际获得的低温韧性水平不高,表现在1/2处比1/4处、-60℃比-40℃的冲击功下降较为显著。再如,对比例2采用Ti+B的合金化思路,获得了较为均匀的低温韧性,但冲击功的总体水平不高。又如,对比例1采用高Al含量+B微合金化,但是由于B含量过高,使钢中的自由B过多,反而使-60℃的低温冲击功显著降低了。
金相组织
图1A示出了根据本发明的实施例2的钢板的金相组织,图1B和图1C分别示出了根据本发明的实施例4的钢板的截面1/4处和截面1/2处的金相组织,图1D示出了根据现有技术的对比例3的钢板的截面1/2处的金相组织。
从图1A至图1D所示的结果可以看出,实施例2和实施例4获得了数量较多的马氏体/下贝氏体组织,达到80%以上。而且,实施例4中的1/4处和1/2处的组织基本一致,均为淬透组织,这说明实施例4在厚度达到153mm的钢板实现了充分淬透,这个结果与表2的力学性能是相吻合的。图1D示出的对比例3的金相组织则表明,钢板的1/2处获得了大量粒状贝氏体,而马氏体组织的含量不到50%。研究结果表明,钢中的粒状贝氏体组织数量较多、M/A岛尺寸较大时,将大大影响低温韧性的改善。
透射电镜观察
图2A示出了根据本发明的实施例4的钢板的透射电镜精细结构。图2B示出了根据现有技术的对比例3的钢板的透射电镜精细结构。图2A和图2B所示的结果显示,实施例4的钢板在截面1/4处的精细结构是贝氏体铁素体+内部弥散析出碳化物,这种下贝氏体结构的形成有利于分割马氏体组织,使钢的组织细化,从而能够提高钢的强韧性水平。对图2B示出的对比例3的钢板精细结构观察则显示,存在较多的M/A岛,这说明经过高温回火,钢的岛状结构仍然没有完全分解,从而影响了钢的冲击韧性。
析出相分析
对于实施例4和对比例2,利用电化学萃取方法,提取钢中的AlN、TiN和BN析出物,并进行定量统计,其结果如下面的表3所示。在实施例4的钢板中,AlN固定的N含量达到0.0036%,TiN中固定的N含量为0.0002%,二者合计固定了钢中75%的N,而BN中的N含量仅占总N含量的20%,照此计算,钢中仍然有约0.0012%左右的B游离出来,对钢的淬透性和强韧性产生影响。
表3实施例4和对比例2的析出相分析结果(质量分数,%)
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AlN |
BN |
TiN |
实施例4 |
0.0105 |
0.0016 |
0.0009 |
对比例2 |
0.0010 |
0.0012 |
0.0215 |
本领域技术人员可以理解,按照本发明的高强高韧钢材料包括了上述各部分的任意组合。以上所述仅为本发明的优选实施例,并不能限定本发明,可以肯定的是凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均在本发明的保护范围之内。