CN103882305A

CN103882305A - 一种抗低温应变时效脆性的超高强度船板及其生产方法

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Publication number: CN103882305A
Application number: CN201210559488.2A
Authority: CN
Inventors: 严玲; 叶其斌; 张朝锋; 王勇; 周成
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-06-25

Abstract

本发明提供了一种抗低温应变时效脆性的超高强度船板及其生产方法，钢的化学成分为：C0.04%~0.08%，Si0.15%~0.45%，Mn0.8%~1.2%，P0.005%~0.015%，S≤0.005%，Al0.02%~0.08%，N≤0.005%，还有Cu0.05%~0.50%，Ni0.05%~0.40%，V0.02%~0.10%，Nb0.005%~0.05%，Ti0.005%～0.05%，Ca0.0005%~0.006%中的2种以上。板坯加热温度1100~1150℃，再结晶区开轧温度1050～1100℃，终轧温度880~940℃，累积变形量≥60%，空冷到810～840℃开始未再结晶区轧制，终轧温度780～820℃，累积变形量≥50%；轧后层流冷却，冷速8～15℃/s，返红温度550～640℃。本发明获得具有低应变时效敏感系数、满足极寒气候条件下使用的超高强度船体结构用钢。

Description

一种抗低温应变时效脆性的超高强度船板及其生产方法

技术领域

本发明属于超高强度结构钢制造技术领域，涉及一种具有优良抗应变时效性的超高强度低温船用钢板及其制造方法，包括炼钢和精炼、连铸、轧制和冷却工艺，用于低温环境使用条件下的船舶或海洋平台结构用钢。

背景技术

钢板经冷加工塑性变形或达到规定的塑性应变后，在室温或较高温度下表现出的强度与硬度升高而塑性和韧性下降的现象，称为应变时效。在船体建造过程中，钢板要经受各种形式的冷、热弯曲，其中冷弯曲加工包括冷矫、辊弯、模压、卷边和折边弯曲等。为保证船体结构的建造质量，要求钢板必须具有良好的冷加工性能，及钢材加工时易于成形，不产生裂纹等缺陷；在加工后仍能满足强度、塑性和韧性要求，这就要求对钢的应变时效敏感性有严格的要求，以确保材料在使用过程中的性能稳定。高强度低温船体结构用钢，在低温、海浪和冰层撞击等恶劣条件下使用，应变时效敏感性的大小对材料的塑性、尤其是低温韧性显著相关，应变时效增加钢的冷脆倾向，使韧脆转变温度提高。当材料的抗应变时效敏感性较小时，则材料在低温环境下的韧性骤降，船体结构用钢板受到撞击等塑性变形后，极易发生裂纹起裂、扩展、甚至失稳断裂，对船身安全性造成严重威胁。因此，提高材料的抗应变时效性是高强度低温船体结构用钢制备的控制关键之一。

应变时效性与钢材成分、冶炼方法、塑性应变量的大小及温度条件等因素相关。如钢材的含碳量、合金元素的种类和含量对材料的应变时效会产生影响；随着钢材冷加工塑性变形应变量的增大，应变时效后低温韧性的降低越显著。出现应变时效最明显的时间与温度条件有关，温度越高，出现应变时效的时间就越短，甚至在不到1小时即出现最大的应变时效量；而当温度大于300℃后，应变时效将逐渐减弱以至消失。此外，V型缺口导致应力更易集中，材料抗冲击能力下降；特别是经过5%应变后，晶格发生畸变，在随后的250℃高温时效过程中，钢中固溶的N、C原子将析出于晶界和位错处，产生晶界脆化和位错塞积，从而导致抗冲击能力下降。就钢材本身而言，低温状态下材料易发生晶界脆化，材料抗冲击能力下降。为提高材料的抗应变时效性，应从材料的成分设计、制备工艺等多方面采取严格的控制措施。

CN200610124380.5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”，采用低碳和微合金成分设计与控轧-控冷工艺相结合，使热轧钢板的低温韧性性仅能满足-40℃温度要求，应变时效后的低温韧性能满足-20℃温度要求，该性能指标无法满足极寒气候条件下低温船用钢-60℃以下的使用要求。CN200810114810.4中提到的“一种提高正火钢板力学性能的热处理方法”，其特征在于，采用轧后离线热处理的方式，将热轧后的钢板置于淬火炉中进行正火处理，保温一定时间，出炉后放入淬火机进行弱水冷处理。该发明钢及生产工艺在增加了轧后热处理的工序环节。

CN200780043094.9、CN200780018634.8和CN201010251848.3等三个专利分别公开了具有抗应变时效性的管线用钢及其制造方法。CN01801055.5和CN200680010439.6两项专利针对汽车用钢板，为实现汽车用钢优良的冲压成形性，根据现有的烧结涂装工艺相特点，通过铁素体相的硬化，利用应变时效硬化特性，改善应变时效处理后钢板的疲劳性能。

发明内容

本发明目的在于提供一种抗低温应变时效脆性的超高强度船用钢及其制造方法，采用洁净钢冶炼、低碳含量、微合金化和两阶段控轧+轧后加速冷却工艺，使C、N化物在低温段应变诱导析出，减少钢中C、N固溶量，避免因C、N化物时效析出聚集所导致的晶界脆化和韧性降低，获得具有低应变时效敏感系数、满足极寒气候条件下使用的超高强度船体结构用钢。

一种抗低温应变时效脆性的超高强度船板，其特征在于，按重量百分比包含如下组分：

C：0.04%~0.08%，Si：0.15%~0.45%，Mn：0.8%~1.2%，P：0.005%~0.015%，S≤0.005%，Als：0.02%~0.08%，N≤0.005%，作为化学成分还有Cu：0.05%~0.50%，Ni：0.05%~0.40%；V：0.02%~0.10%，Nb：0.005%~0.05%，Ti：0.005%～0.05%，Ca：0.0005%~0.006%中的2种以上，其余为Fe和不可避免的杂质。

在抗低温应变时效脆性的超高强度船用钢中，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、抗应变时效性和焊接性。

Si：在炼钢过程中可以作为脱氧剂和还原剂，适当提高Si含量以弥补因C含量降低引起的钢板强度下降，但当含量超过0.5%时将促进MA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，但过高则在铸坯中产生偏析，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。

V：与自由N结合，有效降低钢中自由N含量，降低钢的应变时效性。同时，V在较高温度下的部分析出，提高了钢的奥氏体未再结晶区温度，细化晶粒，而固溶和析出的V不仅可以提高钢的强度，对塑性的提高也有益。

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：通过钙处理实现对钢中夹杂物的变性及洁净钢液，CaO与Al₂O₃夹杂物结合形成铝酸钙上浮进入渣中；Ca与S结合形成的球状夹杂物，可以提高钢板横向性能。Ca加入量的多少取决于钢中S含量的高低，Ca加入量过少，处理效果不佳；Ca加入量过多，形成Ca(O,S)的尺寸过大，脆性增大，极易造成裂纹源，降低钢的低温韧性，降低钢的洁净度。

N：N的控制范围与Ti和Als的控制范围相对应，如果N含量过高，钢中自由N增加，显著降低钢的抗应变时效性和低温韧性。

一种抗低温应变时效脆性的超高强度船板的生产方法包括以下步骤：

1)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含量应尽可能小于0.003%，转炉冶炼控制渣碱度，挡渣出钢，钢渣厚度≤100mm，精炼喂硅钙线量3~5m/t，中间包钢水浇注温度≤1550℃，钢水过热度≤25℃，全程保护浇铸。铸坯下线堆冷≥72h后方可进行轧制。

2)轧制工序：板坯加热温度1100~1150℃，均热时间30～200min，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1050～1100℃，一阶段终轧温度880~940℃，累积变形量≥60%，得到中间坯，中间坯厚度为2倍成品厚度；空冷到810～840℃开始第二阶段未再结晶区轧制，终轧温度780～820℃，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550～640℃。

1、采用低碳并添加少量Nb、Ti或Cu、Ni等低成本成分体系，通过TMCP控轧和加速冷却实现组织、性能控制，在线获得具有超高强度的船体结构用钢，减少了离线热处理工序，降低生产成本。

2、在轧制工序中，对两阶段控制轧制压下量的分配提出具体工艺要求，第一阶段充分利用再结晶区大变形量轧制，获得足够的形变相变形核部位和畸变能，细化形变奥氏体晶粒并在随后的冷却中使细小的奥氏体晶粒保持下来，实现对相变前、后的组织细化，提高脆性裂纹扩展功。

3、通过优化冷却工艺改善低温脆性，当轧后冷速过小时，则细晶组织难以获得，降低材料抵抗裂纹传播能力；冷速过大则导致瞬间温降过快，会抑制C、N原子析出，从而固溶在基体组织中，尽管在一定程度上提高了钢板强度，但在后续的变形及时效过程中析出，形成晶界脆化，降低韧性。

附图说明

图1为实施例2的显微组织及析出相形貌。

具体实施方式

本发明钢实施例1～5的化学组成如表1所示。采用连铸板坯厚度230mm，经4～10的压缩比，轧制成不同厚度规格的成品钢板，各实施例制备工艺参数如表2所示。

表1发明钢化学成分(wt%)

表2发明钢制备工艺参数

实施例1～5经发明工艺制备后，测定钢板的拉伸力学性能和低温冲击韧性及应变时效性，性能检测结果如表3所示。

采用GB/T 4160-2004中规定的夏比(V型缺口)冲击试验方法测定并计算几个实施例钢板的应变时效敏感系数，其中，应变时效敏感性系数C如下公式所示，

C = \frac{{\overset{&OverBar;}{A}}_{k} - {\overset{&OverBar;}{A}}_{ks}}{{\overset{&OverBar;}{A}}_{k}} \times 100 %

式中，Ak-未经应变时效的冲击功的平均值；

Aks-经过应变时效后的冲击功的平均值。

表3发明钢力学性能

由表3中力学性能可见，发明钢样品具有较高的强度和冲击韧性，应变时效前后低温冲击功下降幅度很小，应变时效敏感系数均小于10%，表明发明钢具有优良的抗低温应变时效脆性特性，可以避免在低温状态下因材料晶界脆化所导致的断裂发生。

实施例2的应变时效前后的金相显微组织及二相粒子析出形貌，如图1(a)、(b)、(c)所示。图(a)、(b)为应变时效前后显微组织形貌，比较两图可见，显微组织的构成基本相同，均为铁素体+珠光体+少量贝氏体，晶粒尺寸均匀、细小，这些细小均匀的晶粒尺寸增加了晶界面积，增大了裂纹扩展路径和裂纹扩展功，可以有效抑制裂纹的传播；提高材料的抗冷裂纹敏感性。图(c)为在控轧与控冷工艺下，可见发明钢中的二相粒子细小、弥散析出，这种析出行为有效降低了钢中C、N原子的固溶及其在晶界的偏聚，提高了材料低温下的抗应变时效性。

Claims

1.一种抗低温应变时效脆性的超高强度船板，其特征在于钢的化学成分的重量百分比为：C：0.04%~0.08%，Si ：0.15%~0.45%，Mn：0.8%~1.2%，P：0.005%~0.015%，S≤0.005%，Als：0.02%~0.08%，N≤0.005%，作为化学成分还有Cu：0.05%~0.50%，Ni：0.05%~0.40%，V：0.02%~0.10%，Nb：0.005%~0.05%，Ti：0.005%～0.05%，Ca：0.0005%~0.006%中的2种以上，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.一种用于权利要求1所述的抗低温应变时效脆性的超高强度船板的生产方法，其特征在于：板坯加热温度1100~1150℃，均热时间30～200min，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1050～1100℃，一阶段终轧温度880~940℃，累积变形量≥60%，得到中间坯，中间坯厚度为2倍成品厚度；空冷到810～840℃开始第二阶段未再结晶区轧制，终轧温度780～820℃，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550～640℃。

3.根据权利要求2所述的抗低温应变时效脆性的超高强度船板的生产方法，其特征在于：所述板坯通过铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸而成，其中铁水预处理后S含量小于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3~5m/t，中间包钢水浇注温度≤1550℃，钢水过热度≤25℃，全程保护浇铸，铸坯下线堆冷≥72h。