CN104109801A - 高韧性、抗pwht软化脆化的钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

高韧性、抗PWHT软化脆化的钢板及其制造方法，其成分重量百分比为：C0.15～0.19％、Si≤0.30％、Mn1.40～1.70％、P≤0.013％、S≤0.003％、Ni0.05～0.30％、V0.09～0.15％、Al≤0.010％、N0.015～0.030％、Ca0.0010～0.0040％、余Fe和不可避免杂质；本发明采用高C－高Mn－极低Al的低合金钢成分体系，结合高V、高N合金化，Ceq≤0.48％、Als≤0.010％，N/V≥0.16、(％N)×(％V)≥0.0013、[5(％C)+(％Mn)]×(％P)≤0.029及[(％Mn)×(％V)]/t≥0.006，Ca/S＝1.00～3.00，(％Ca)×(％S)^0.28≤2.5×10^－3，优化控轧及后续热处理工艺，获得优良的低温韧性、强韧性匹配、焊接性改善型及抗多重PWHT软化与脆化的钢板。

Description

高韧性、抗PWHT软化脆化的钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及低碳(高强度)低合金钢，特别涉及一种高韧性、抗PWHT软化脆化的钢板及其制造方法，其屈服强度≥485MPa、抗拉强度≥600MPa、-40℃的Charpy横向冲击功(单个值)≥47J、焊接性改善型的低温结构及移动容器用钢，主要用于海洋风塔结构、寒地区域桥梁结构、尤其移动容器储罐承压结构的制造用材。 

背景技术

众所周知，低碳(高强度)低合金钢是最重要工程结构材料之一，广泛应用于石油天然气管线、海洋平台、船舶制造、桥梁结构、锅炉压力容器、建筑结构、汽车工业、铁路运输及机械制造之中。低碳(高强度)低合金钢性能取决于其化学成分、制造过程的工艺制度，其中强度、韧性和焊接性是低碳(高强度)低合金钢最重要的性能，它最终决定于成品钢材的显微组织状态。随着科技不断地向前发展，人们对钢的强韧性、焊接性提出更高的要求，即在维持较低制造成本的同时大幅度地提高钢板的综合机械性能和使用性能，以减少钢材的用量而节约成本，减轻钢构件自身重量、稳定性和安全性。 

目前世界范围内掀起了发展新一代高性能钢铁材料的研究高潮，通过合金组合设计、革新控轧/TMCP技术及热处理工艺获得更好的显微组织匹配，从而使钢板得到更高的强度韧性匹配、抗HIC及SCC性能、更优良的焊接性；本发明钢板正是采用上述技术，低成本地开发出综合力学性能优异的低温结构用钢。 

现有技术制造-40℃的低温横向冲击韧性(单个值)≥47J的厚钢板时，一般均要在钢中添加一定量的贵重合金元素Cu与Ni(有时可能还添加少量的元素Mo)、Nb与Ti微合金化，采用TMCP工艺，以确保母材钢板具有优异的低温韧性。 

如(《铁と钢》，Vol.73，1987，S610；《铁と钢》，Vol.72，1986， S1153；《The Firth(1986)international Symposium and Exhibit on Offshore Mechanics and Arctic Engineering》，1986，Tokyo，Japan，P354；《川崎制铁技报》，1985，P168；Accelerated Cooling Rolled Steel，1986，P209；《Accelerated Cooling Rolled Steel，1986，P249；Kawasaki steel technical report》，1999，No.40，P56；《Kawasaki steel technical report》，1993，No.29，P54；《住友金属》，Vol.50，No.1(1998)，P26；《钢铁研究(日文)》，1984，第314号，P19)。 

现有大量专利文献只是说明如何实现母材钢板的低温韧性，对于如何在焊接条件下，获得优良的热影响区(HAZ)低温韧性说明得较少，尤其采用大线能量焊接时如何保证热影响区(HAZ)的低温韧性少之又少。如日本专利昭63－93845、昭63－79921、昭60－258410、特平开4－285119、特平开4－308035、平3－264614、平2－250917、平4－143246及美国专利US Patent4855106、US Patent5183198、US Patent4137104)。 

还有如中国专利ZL201210209637.2、ZL201110071407.X、ZL201010204970.5所公开的正火型低温钢，其为了获得优良的低温韧性，采用合金组合设计，添加Cu、Ni(有时也添加少量的Mo)，微Nb、Ti合金化，获得了优良的低温韧性与焊接性；但钢板的制造成本较高，更重要的是对于焊后反复高温正火、长时间高温回火时，钢板发生较为严重的软化与脆化，不能满足高速运动的移动容器罐筒体及封头用钢的需要。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种高韧性、抗PWHT软化脆化的钢板及其制造方法，钢板屈服强度≥485MPa、抗拉强度≥600MPa、-40℃的Charpy横向冲击功(单个值)≥47J、焊接性改善型的低温结构及移动容器用钢，主要用于海洋风塔结构、寒地区域桥梁结构、尤其移动容器储罐承压结构的制造用材。 

正火回火状态60公斤级高强度、抗多重PWHT软化与脆化型低温用钢是厚板产品中难度大、技术含量高的品种之一；其原因是在正火回火条件下，改善焊接性与高屈服强度/抗拉强度之间的矛盾、高屈服强度/抗拉强度与优良的抗多重焊后热处理(PWHT)软化与脆化之间的矛盾、超低成本制造 与优良的低温韧性、焊接性改善及抗多重PWHT软化与脆化特性之间的矛盾；因此为解决上述矛盾，本发明充分挖掘成分设计与正火回火热处理匹配的潜力。 

本发明合金组合设计入手，采用了一种高C－高Mn－极低Al的低合金钢成分体系中，采用高、V高N合金化，碳当量Ceq≤0.48％、Als≤0.010％，控制N/V≥0.16、(％N)×(％V)≥0.0013、[5(％C)+(％Mn)]×(％P)≤0.029及[(％Mn)×(％V)]/t≥0.006，Ca处理且Ca/S比控制在1.00～3.00之间及(％Ca)×(％S)^0.28≤2.5×10^－3，优化控轧及后续热处理工艺，获得优良的低温韧性、强韧性匹配、焊接性改善型及抗多重PWHT软化与脆化的钢板，特别适宜于海洋风塔结构、寒地区域桥梁结构、尤其移动容器储罐承压结构的制造用材，并且能够实现低成本稳定批量工业化生产。 

具体的，本发明的高韧性、抗PWHT软化脆化的钢板，其成分重量百分比为： 

C：0.15％～0.19％ 

Si：≤0.30％ 

Mn：1.40％～1.70％ 

P：≤0.013％ 

S：≤0.003％ 

Ni：0.05％～0.30％ 

V：0.09％～0.15％ 

Al：≤0.010％ 

N：0.015％～0.030％ 

Ca：0.0010％～0.0040％ 

其余为Fe和不可避免的夹杂；且上述成分必须同时满足如下关系： 

N/V≥0.16，保证均匀细小的VN粒子从钢中析出，并以弥散的状态分布在钢中，细化钢板的显微组织，最大化VN析出强化，实现钒氮钢复合强化与韧化效能的同时，钢板在多重PWHT过程中，抵抗VN粒子Ostewild熟化，改善钢板的低温韧性及抗多重PWHT软化与脆化特性。 

(％N)×(％V)≥0.0013，保证数量足够的细小均匀VN在钢中析出，钉轧奥氏体晶粒长大、促进铁素体在VN粒子上形核，细化钢板显微组织，改 善钢板的低温韧性与抗多重PWHT软化与脆化特性。 

[(％Mn)×(％V)]/t≥0.006，其中t为钢板厚度；保证无论何种厚度的钢板，数量足够的VN粒子皆以细小均匀的状态从钢中弥散析出，回补因随着板厚变化而导致的钒氮复合强韧化效能的变化，保证所有厚度钢板钒氮复合强韧化作用最大化，提高钢板强度、低温韧性及抗多重PWHT软化与脆化特性。 

[5(％C)+(％Mn)]×(％P)≤0.029，控制高碳、高Mn钢水凝固宏观、板宏观偏析，降低钢板内部尤其钢板中心部位的偏析程度，确保钢板低温冲击韧性、抗多重PWHT软化与脆化特性及优良的焊接性。 

Ca/S在1.0～3.0之间且(％Ca)×(％S)^0.28≤1.0×10^－3；钢中夹杂物含量较少且均匀细小地弥散在钢中，改善钢板的低温韧性、均匀延伸率及焊接性，尤其改善焊接HAZ断裂韧性。 

获得的钢板组织为均匀细小的铁素体+珠光体，平均晶粒尺寸在10um以下。 

在本发明成分设计中： 

碳对钢板低温冲击韧性及焊接性影响很大，从改善钢板的低温冲击韧性及焊接性角度，希望钢中C含量比较低为宜；但从正火回火钢板的抗拉强度，更重要的从热轧过程和正火过程的显微组织控制角度，C含量不宜过低，过低C含量导致奥氏体晶界迁移率较高，这给热轧和正火的均匀细化组织带来较大问题，易形成混晶组织，同时过低C含量还造成晶界结合力降低，导致钢板低温冲击韧性低下、焊接热影响区低温冲击韧性劣化；综合以上的因素，C的含量控制在0.15％～0.19％之间。 

Si促进钢水脱氧并能够提高钢板强度，但是采用Al脱氧的钢水，Si的脱氧作用不大，Si虽然能够提高钢板的强度，但是Si严重损害钢板的低温韧性与焊接性，尤其对抗多重PWHT软化与脆化特性损害更大，因此钢中的Si含量应尽可能控制得低，考虑到炼钢过程的经济性和可操作性，Si含量控制在≤0.30％。 

Mn作为合金元素在正火回火型钢板中具有重要的作用，Mn不仅能够提高钢板强度尤其屈服强度，还具有扩大奥氏体相区，降低Ac₁、Ac₃、Ar₁、Ar₃相变点温度，细化钢板显微组织，改善钢板低温冲击韧性，用Mn替代 贵重合金元素Ni生产优良低温冲击韧性钢板的首选元素，是正火回火型钢板不可缺少的合金元素；但是加入过多Mn会增加钢板内部偏析程度，降低钢板力学性能的均匀性、低温韧性及焊接性(偏析所致)，且Mn具有较强淬硬倾向，提高钢板的淬硬性，影响钢板较大热输入焊接性；而较小热输入焊接时，焊接热影响区易形成脆硬组织如马氏体、M/A岛等，综合考虑上述因素，Mn含量控制在1.40％～1.70％之间。 

P作为钢中有害夹杂对钢板的低温冲击韧性和焊接性具有巨大的损害作用；理论上要求越低越好，但考虑到炼钢条件、炼钢成本和炼钢厂的物流顺畅，要求P含量控制在≤0.013％。 

S作为钢中有害夹杂对钢板的低温韧性(尤其横向低温韧性)损害作用很大，更重要的是S在钢中与Mn结合，形成MnS夹杂物，在热轧过程中，MnS的可塑性使MnS沿轧向延伸，形成沿轧向MnS夹杂物带，严重损害钢板的横向低温冲击韧性、Z向性能和焊接性，同时S还是热轧过程中产生热脆性的主要元素；理论上要求越低越好，但考虑到炼钢条件、炼钢成本和炼钢厂的物流顺畅原则，要求S含量控制在≤0.003％。 

众所周知，Ni不仅能够提高钢板大幅度提高正火回火型钢板低温韧性；更重要的是Ni与微合金元素V形成复合叠加强化作用，大幅度提高钢板的屈服强度与抗拉强度，确保在较低碳当量条件下获得60公斤级高强度正火回火型钢板；此外添加适量的Ni在强化、韧化正火回火型钢板的同时，不劣化钢板的焊接性；由此可见Ni含量在一定范围内(≤3.70％)添加得越多越好；但是Ni是非常贵重合金元素，在能够确保性能条件下，添加的量越少越好；根据本发明钢种机理研究表明：在碳当量低于0.48％的条件下，为了获得60公斤级正火回火型钢板，Ni含量适宜范围为0.05％～0.30％。 

本发明采用钒、氮复合强韧化技术生产正火回火型钢板；为了获得60公斤级正火回火型钢板，需要添加一定数量的合金元素V，保证V与N结合形成VN，细化钢板显微组织的同时，实现VN最大程度的析出强化效果；因此V含量下限不能低于0.09％，而过多加入V不仅增加制造成本，更重要的是恶化板坯表面质量、劣化钢板塑性、低温冲击韧性与焊接性，因此钢板V含量上限不能超过0.15％。 

本发明采用钒、氮复合强韧化技术生产正火回火型钢板；为了获得60 公斤级正火回火型钢板，需要添加一定数量的合金元素N，保证V与N结合形成VN，细化钢板显微组织的同时，实现VN最大程度的析出强化效果，更重要的是N的添加量不仅需要与V含量匹配，而且钢中N含量足以抑制VN粒子Ostewild熟化(细小粒子溶解消失、粗大粒子进一步长大、粗化)；因此钢中N含量控制在0.015％～0.030％之间。 

由于Al对N的化学亲合力大于V对N的化学亲合力，钢中的N容易与钢中Al结合，形成AlN粒子，导致V、N复合强韧化失效；因此为保证钢中N与V结合而非Al；因此Al控制在0.010％以下。 

对钢进行Ca处理，一方面可以纯净钢液，另一方面对钢中硫化物进行变性处理，使之变成不可变形的、稳定细小的球状硫化物，抑制S的热脆性、提高钢板冲击韧性和Z向性能、改善钢板冲击韧性的各向异性。Ca加入量的多少，取决于钢中S含量的高低，Ca加入量过低，处理效果不大；Ca加入量过高，形成Ca(O，S)尺寸过大，脆性也增大，可成为断裂裂纹起始点，降低钢的低温韧性，同时还降低钢质纯净度、污染钢液。一般控制Ca含量按ACR＝(wt％Ca)[1-1.24(wt％O)]/1.25(wt％S)，其中ACR为硫化物夹杂形状控制指数，因此Ca含量的控制范围为0.001％～0.004％。 

为改善60公斤级正火回火型钢板焊接性，降低焊接预热温度、适当拓宽焊接热输入量范围，钢板碳当量Ceq≤0.48％，其中Ceq＝C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5。 

本发明的高韧性、抗PWHT软化脆化的钢板的制造方法，其包括如下步骤： 

1)冶炼、铸造 

按权利要求1所述的成分冶炼，铸造采用连铸，连铸工艺采用凝固末端轻压下技术，以减轻连铸坯中心偏析，连铸轻压下率控制在3％～7％之间，控制中间包浇注温度在1500℃～1550℃； 

2)板坯加热温度1180℃～1280℃，保证高V、高N含量条件下VN完全固溶；板坯出炉后采用高压水除鳞，除鳞不尽可反复除鳞； 

3)轧制 

第一阶段为普通轧制，板坯除磷结束后，输送到粗轧机架进行连续不间断轧制，细化奥氏体晶粒； 

第二阶段采用再结晶控制轧制，控轧开轧温度1000℃～900℃，轧制道次压下率≥7％，再结晶区累计压下率≥60％，终轧温度700℃～800℃； 

4)正火 

钢板正火温度控制在880～920℃，正火保持时间为5min～20min，正火后钢板自然空冷至室温；其中保持时间为钢板中心达到正火温度后的计时时间； 

5)回火 

钢板回火温度控制在600～650℃之间、回火保持时间为25min～45min，保证VN以均匀、细小、弥散状态析出；回火后钢板自然空冷至室温；其中，保持时间为钢板中心达到回火温度后的计时时间。 

本发明的有益效果是： 

正火回火状态60公斤级高强度、抗多重PWHT软化与脆化型低温用钢是厚板产品中难度大、技术含量高的品种之一，尤其正火钢板和正火回火钢板在多重焊后热处理(PWHT)条件下，钢板一般均发生严重的软化(钢板屈服强度、抗拉强度急剧下降)与脆化(钢板低温冲击急剧劣化)；其原因是在正火回火条件下，改善焊接性与高屈服强度/抗拉强度之间的矛盾、高屈服强度/抗拉强度与优良的抗多重PWHT软化与脆化之间的矛盾、超低成本制造与优良的低温韧性、焊接性改善及抗多重PWHT软化与脆化特性之间的矛盾。 

因此为解决上述矛盾，本发明充分挖掘成分设计与正火回火热处理匹配的效能，运用钒氮复合强韧化技术，在添加少量贵重合金元素Ni的情况下，生产出综合性能优良的抗多重PWHT软化与脆化的钢板，而且降低贵重资源消耗，降低制造成本。 

附图说明 

图1为本发明实施例A的钢板显微组织中VN弥散析出状态的照片。 

图2为本发明实施例A的钢板显微组织中VN弥散析出状态的照片。 

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。 

本发明钢实施例参见表1，表2～表4为本发明钢实施例的制造工艺。表5、表6为本发明实施例钢的性能。 

由图1、图2可知，通过成分、控轧及后续热处理工艺结合，得到钢板的显微组织为均匀细小的铁素体+珠光体(可能存在少量的粒状贝氏体)，平均晶粒尺寸在10μm以下，VN以均匀、细小、弥散状态析出。 

根据本发明钢板技术特点，本发明通过合理的合金元素的组合设计与再结晶控轧、热处理工艺相结合，钢板即可获得优异的低温韧性，而且钢板具有优良的焊接性、抗多重PWHT软化与脆化特性，因而节约了用户构件制造的成本，缩短了用户构件制造的时间。 

由于本发明钢板生产过程中不需要添加任何设备，制造工艺简洁、生产过程控制容易，合金设计简单、贵重合金元素添加量少，因此制造成本低廉，具有很高性价比。 

随着我国经济持续发展，对能源需求量越来越大，而发展清洁能源作为国家战略提出，清洁能源工程建设及相关装备制造用关键材料(清洁能源运输设备：移动容器用钢)――高焊接性、正火回火型低温、抗多重PWHT软化与脆化特性的钢板，具有广阔的市场前景。 

表1                             单位：重量百分比 

钢样	C	Si	Mn	P	S	Ni	V	Al	N	Ca
											实施例A	0.15	0.26	1.45	0.013	0.0014	0.05	0.09	0.008	0.015	0.0040
实施例B	0.17	0.30	1.40	0.011	0.0030	0.23	0.11	0.010	0.022	0.0030
											实施例C	0.16	0.18	1.58	0.009	0.0007	0.19	0.10	0.006	0.019	0.0016
实施例D	0.18	0.28	1.62	0.007	0.0016	0.17	0.12	0.005	0.023	0.0020
											实施例E	0.19	0.21	1.65	0.008	0.0022	0.30	0.15	0.009	0.030	0.0010
实施例F	0.18	0.11	1.70	0.006	0.0015	0.26	0.13	0.007	0.027	0.0015

表2 

表3 

表4 

表5(母材性能) 

表6(模拟PWHT后性能) 

模拟PWHT工艺：950℃×45分钟+615温度×5小时。 

Claims (2)

1.高韧性、抗PWHT软化脆化的钢板，其成分重量百分比为：

C：0.15％～0.19％

Si：≤0.30％

Mn：1.40％～1.70％

P：≤0.013％

S：≤0.003％

Ni：0.05％～0.30％

V：0.09％～0.15％

Al：≤0.010％

N：0.015％～0.030％

Ca：0.0010％～0.0040％

其余为Fe和不可避免的夹杂；且上述元素含量必须同时满足如下关系：

N/V≥0.16；

(％N)×(％V)≥0.0013；

[(％Mn)×(％V)]/t≥0.006，其中t为钢板厚度，单位为mm；

[5(％C)+(％Mn)]×(％P)≤0.029；

Ca/S在1.0～3.0之间，且，(％Ca)×(％S)^0.28≤1.0×10^－3；

Ceq≤0.48％，其中，Ceq＝C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5；

获得的钢板组织为均匀细小的铁素体+珠光体，平均晶粒尺寸在10um以下。

2.如权利要求1所述的高韧性、抗PWHT软化脆化的钢板的制造方法，其特征是，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按权利要求1所述的成分冶炼，铸造采用连铸，连铸工艺采用凝固末端轻压下技术，连铸轻压下率控制在3％～7％之间，控制中间包浇注温度在1500℃～1550℃；

2)板坯加热温度1180℃～1280℃，板坯出炉后采用高压水除鳞，除鳞不尽可反复除鳞；

3)轧制

第一阶段为普通轧制，板坯除磷结束后，输送到粗轧机架，进行连续不间断轧制；

第二阶段采用再结晶控制轧制，控轧开轧温度1000℃～900℃，轧制道次压下率≥7％，再结晶区累计压下率≥60％，终轧温度700℃～800℃；

4)正火

钢板正火温度控制在880～920℃，正火保持时间为5min～20min，正火后钢板自然空冷至室温；其中保持时间为钢板中心达到正火温度后的计时时间；

5)回火

钢板回火温度控制在600～650℃之间、回火保持时间为25min～45min，回火后钢板自然空冷至室温；其中保持时间为钢板中心达到回火温度后的计时时间。