CN104694850A - 一种止裂性能优异的厚钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢材制造领域，具体涉及一种止裂性能优异的厚钢板及其制造方法。本发明的厚钢板化学成分为普碳钢或微合金钢，其制造方法为对出炉后的钢坯进行轧制变形的同时进行水冷，保证每道次轧制时钢坯表面的温度降至400~800℃，轧制结束后采用超快速冷却以≥15℃/s的冷速冷却至600~700℃，最终空冷至室温。本发明的厚钢板组织以铁素体为母相，第二相为珠光体，厚钢板的上下表层为超细晶层，单面超细晶层的厚度≥0.1倍板厚，超细晶层的铁素体平均晶粒尺寸≤3μm，大角晶界的晶界密度≥0.676μm^-1，具有优异的止裂性能，心部韧性得到改善，能够作为造船，尤其是大型集装箱船，海洋平台和原油、天然气运输管道等的结构用材。

Description

一种止裂性能优异的厚钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于钢材制造领域，具体涉及一种止裂性能优异的厚钢板及其制造方法。

背景技术

在船舶、建筑物、桥梁、海洋结构物及原油和天然气输送管道等领域应用的钢材，为了保证使用安全和避免使用过程中对环境造成危害，要求钢材难以发生脆性断裂，这就要求钢材具有优异的止裂性能，使脆性裂纹在传播过程中能迅速的停止下来。

另一方面，出于降低运输成本、提高效率和降低排放的需求，集装箱船向着大型化发展。同时，随着经济的复苏，国际贸易的恢复大大增加了集装箱的运输量，进一步推动了对大型集装箱船的需求。集装箱船的大型化，随之而来的是使用大规格和高强度的钢板。船体的安全性至关重要，则要求船体不发生脆性破坏；即使发生了脆性破坏，为了避免船体的全面损坏，则要求船体具有优异的止裂性。从这一要求出发，要求集装箱船的上甲板舱口围板部分所使用的钢板具有优异的止裂性。因此在集装箱船建造中，期望使用具有优异的止裂性能的厚钢板，目前中厚板的厚度一般为 4.5~25.0 mm，厚板厚度为25.0~100mm。

现有技术中提高钢板止裂性能的方法，包括添加合金元素和细化组织，如专利CN 101341269 B给出一种添加合金元素Ni和控制轧后冷速的方法开发止裂性优良的钢板的方法，该方法的缺点在于使用了贵重金属Ni，提高了成本，同时使碳当量Ceq升高，恶化焊接性能；同时，在止裂性的提高上不是很有效；文献“表层超细晶厚钢板的研制”（赵四新, 姚连登, 赵小婷. 世界钢铁, 2009, 5: 18-22.）一文中提出了在轧制过程中采用传统生产线上的ACC冷却系统对钢坯进行冷却控温来生产表层超细晶钢的方法，该方法的缺点是传统生产线上的ACC冷却系统离轧机位置远，导致控制的自由度不够，生产效率低；同时ACC冷却系统的冷却能力不足。

对于传统的控轧控冷工艺（Thermal Mechanical Controll Processing，TMCP）和新一代控轧控冷工艺（New Generation TMCP，NG-TMCP），在轧制过程钢坯绝大部分都在空气中冷却，使热轧中组织的调控手段较单一；同时钢坯厚度方向的温度梯度较小，变形很难深入到心部，造成厚钢板的心部性能难以保证。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种止裂性能优异的厚钢板及其制造方法，目的是通过轧制水冷同步的方法，得到一种止裂性优异和心部韧性改善的厚钢板。

本发明的止裂性能优异的厚钢板化学成分为普碳钢或微合金钢，具体成分按照质量百分比为：C：0.04~0.20%、Si：0.10~0.50%、Mn：1.0~2.0%、P＜0.10%、S＜0.10%、Al＜0.10%、Nb：0~0.10%、V：0~0.10%、Ti：0~0.05%、N：0.0020~0.010%，Mo：0~0.5%，Cr：0~1.0%，Ni：0~1.0%，余量为Fe；其金相显微组织是以铁素体为基体，第二相为珠光体，厚钢板的心部铁素体平均晶粒尺寸≤8μm，大角晶界的晶界密度≥0.407μm^-1以上，厚钢板的上下表层为超细晶层，单面超细晶层的厚度≥0.1倍板厚，超细晶层的铁素体平均晶粒尺寸≤3μm，大角晶界的晶界密度≥0.676μm^-1。

本发明的止裂性能优异的厚钢板的制造方法，按照以下步骤进行：

（1）按照质量百分比为：C：0.04~0.20%、Si：0.10~0.50%、Mn：1.0~2.0%、P＜0.10%、S＜0.10%、Al＜0.10%、Nb：0~0.10%、V：0~0.10%、Ti：0~0.05%、N：0.0020~0.010%，Mo：0~0.5%，Cr：0~1.0%，Ni：0~1.0%，余量为Fe的化学成分冶炼钢水，浇铸后锻造成钢坯，将钢坯加热至1000~1250℃；

（2）对出炉后的钢坯进行轧制变形，在轧制的同时对钢坯进行水冷，保证每道次轧制时钢坯表面的温度降至400~800℃，在水冷的间隙钢板表层有回温现象，在轧制结束后，采用超快速冷却将轧制得到的钢板以≥15℃/s的冷速冷却至600~700℃，并最终空冷至室温，得到止裂性能优异的厚钢板。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

晶粒细化是提高钢板韧性和止裂性的重要手段，对于厚钢板，很难实现厚度方向的全面细化，但实现厚钢板表层的超细化和心部适当细化则是可能的。本发明在轧制中对钢坯的温度进行调控，即在轧机旁边添加水冷装置，在轧制的同时对钢坯实施水冷，使钢坯表面的温度降低至400~800℃，然后继续施加变形，在水冷的间隙，由于心部温度较高，心部对表层会有显著的热传导发生，表层温度会升高。在轧制过程中实施水冷，增大了钢坯厚度方向上的温度梯度，使变形能深入到心部，从而细化心部的组织，改善心部的韧性，实现对钢板组织性能的高效、灵活的调控，以提高生产效率，降低成本。

本发明对于钢材的成分没有特定的要求，包括普碳钢和微合金钢，本发明中将钢坯加热至1000~1250℃，其中，对于成分为普碳钢的钢坯，加热温度为1000~1200℃，当温度超过1200℃时将产生粗大的奥氏体晶粒，使后续的组织细化变得困难；对于成分为微合金钢的钢坯，加热温度为1150~1250℃，如温度低于1150℃，微合金元素无法完全固溶，则微合金元素难以发挥作用，而当温度高于1250℃时，则产生粗大的奥氏体晶粒，使后续的组织细化变得困难。

本发明还在钢坯出炉后即进行冷却和变形，在钢板轧制的同时实施多次水冷，保证每次轧制时钢板表面的温度降至400~800℃，同时水冷的间隙钢板表层有回温现象，在变形结束后，采用超快冷把钢板以≥15℃/s的冷速冷却至600~700℃，当终冷温度低于600℃时，易产生贝氏体组织，甚至马氏体组织，当高于700℃时，则不利于组织的细化。冷却结束后，空冷至室温。

本发明的厚钢板，组织以铁素体为母相，第二相为珠光体，在厚度方向上使上、下表层至少0.1倍板厚厚度层内的组织的铁素体晶粒尺寸在3μm以下，大角晶界的晶界密度在0.676μm^-1以上，心部的铁素体平均晶粒尺寸为8μm以下，大角晶界的晶界密度在0.407μm^-1以上，即能实现止裂性能优异和心部韧性改善的厚钢板的开发，这种钢板可以作为造船，尤其是大型集装箱船，海洋平台和原油、天然气运输管道等的结构用材。

附图说明

图1 为本发明的轧制水冷同步过程示意图；

其中：1：轧机；2：轧辊；3：轧机旁超快冷装置；4：轧制中的钢坯；5：轧后超快冷装置；6：轧后控冷过程的钢板。

图2为实施例1的20mm厚钢板实验室轧制过程1/4厚度处和1/2厚度处钢坯温度随轧制过程的变化；

图3为实施例1的20mm厚的钢板铁素体晶粒尺寸在钢板厚方向的分布图；

图4为实施例1中用EBSD（电子背散射衍射）法测得的距钢板表面2mm位置处的IPF（Inverse Pole Figure）图；

图5为实施例1中用EBSD法测得的距钢板表面9mm位置处的IPF图；

图6为钢板表层超细晶层和心部的冲击试样冲击断口脆性断面率随温度的变化。

具体实施方式

以下列举实施例以更好的说明本发明。在符合本发明宗旨的范围内，实施例也可以改变，这些均包含在本发明的技术范围内。

实施例1

本实施例的止裂性能优异的厚钢板化学成分为微合金钢，具体成分按照质量百分比为：C 0.13%、Si 0.39%、Mn 1.5%、P 0.014%、S 0.002%、Al 0.039%、Nb 0.034%、V 0.031%、Ti 0.016%、N 0.0032%，余量为Fe；其金相显微组织是以铁素体为基体，第二相为珠光体，厚钢板的心部铁素体平均晶粒尺寸≥8μm，大角晶界的晶界密度≥0.407μm^-1以上，厚钢板的上下表层为超细晶层，单面超细晶层的厚度≥0.1倍板厚，超细晶层的铁素体平均晶粒尺寸≤3μm，大角晶界的晶界密度≥0.676μm^-1。

本发明的止裂性能优异的厚钢板的制造方法，如图1所示，按照以下步骤进行：

（1）采用160kg真空感应炉，按照质量百分比为：C 0.13%、Si 0.39%、Mn 1.5%、P 0.014%、S 0.002%、Al 0.039%、Nb 0.034%、V 0.031%、Ti 0.016%、N 0.0032%，余量为Fe的化学成分冶炼钢水，浇铸后锻造成尺寸为长100mm×宽80mm×厚85mm的钢坯，将钢坯加热至1200℃并保温2小时；

（2）采用Φ450mm二辊可逆热轧实验轧机对出炉后的钢坯进行轧制变形，轧制压下规程为：85→70→60→50→40→30→20mm，在轧制的同时对钢坯进行水冷，保证每道次轧制时钢坯表面的温度降至600~800℃，在水冷的间隙钢板表层有回温现象，在轧制结束后，采用超快速冷却将轧制得到的钢板以≥50℃/s的冷速冷却至650℃，并最终空冷至室温，得到止裂性能优异的20mm厚钢板。

轧制过程中在钢坯1/4厚度和1/2厚度位置埋下热电偶，测量轧制过程这两个厚度位置的温度变化，轧制过程钢坯1/4厚度和1/2厚度位置的温度变化如图2所示，从图2中可以看出1/4厚度位置与心部的温差很大，同时可看出表层的温度较低。

将得到的厚钢板制备成金相试样，沿钢板的纵向切取试样，包含试样的上下表面，依次用80#、240#、600#、800#、1000#、1200#和1500#的砂纸对金相试样的纵向截面进行研磨，随后用颗粒度为25000的人造金刚石研磨膏抛光，随后用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀10s左右，在LAICA DM 2500 M光学显微镜上观察钢板厚度方向的组织，采用截线法测量钢板厚度方向上每1mm间隔铁素体的晶粒尺寸，铁素体晶粒尺寸沿厚度方向上的变化如图3所示，从图3中可以看出表层至少2mm以内的晶粒尺寸在3μm以下，是表层超细晶钢。

    采用上面的金相试样，经电解抛光后，采用配备EBSD装置的FEI钨灯丝扫描电子显微镜在钢板纵断面上分别对距钢板表面2mm位置和9mm位置进行测试，测定区域为130μm×140μm，步长为0.3μm，2mm厚度位置和9mm厚度位置的IPF图分别如图4和图5所示，从图4中可以看出在距钢板表面2mm处，组织以铁素体为主，含少量的珠光体，铁素体晶粒尺寸为3.0μm，其中的黑线为晶界取相差≥15°的晶界，白线为晶界取相差介于2~15°的晶界；从图5中可以看出在距钢板表面9mm处，组织以铁素体为主，含少量的珠光体，铁素体晶粒尺寸为7.1μm。黑线为晶界取相差≥15°的晶界，白线为晶界取相差介于2~15°的晶界。

    对得到的厚钢板进行夏比冲击实验，沿钢板轧向在超细晶层和心部分别加工尺寸为2.5mm×10mm×55mm小尺寸V型缺口冲击试样，实验设备为摆锤冲击实验机，实验温度分别为-40℃、-60℃、-80℃、-120℃、-140℃和-196℃，每个温度做三个试样，冲击断口的脆性断面率取平均值，钢板超细晶层和心部位置的冲击断口的脆性断面率随实验温度的变化如图6所示，根据50%FATT法，可知超细晶层的韧脆转变温度为-118℃，心部为-58℃，由此推知实验钢板的止裂性优异。

实施例2

本实施例的止裂性能优异的厚钢板化学成分为微合金钢，具体成分按照质量百分比为：C 0.04%、Si 0.49%、Mn 1.0%、P 0.014%、S 0.002%、Al 0.039%、N 0.0098%，Mo 0.045%，Cr 0.56%，Ni 0.54%，余量为Fe；其金相显微组织是以铁素体为基体，第二相为珠光体，厚钢板的心部铁素体平均晶粒尺寸≤8μm，大角晶界的晶界密度≥0.407μm^-1以上，厚钢板的上下表层为超细晶层，单面超细晶层的厚度≥0.1倍板厚，超细晶层的铁素体平均晶粒尺寸≤3μm，大角晶界的晶界密度≥0.676μm^-1。

本发明的止裂性能优异的厚钢板的制造方法，如图1所示，按照以下步骤进行：

（1）采用160kg真空感应炉，按照质量百分比为：C 0.04%、Si 0.49%、Mn 1.0%、P 0.014%、S 0.002%、Al 0.039%、N 0.0098%，Mo 0.045%，Cr 0.56%，Ni 0.54%，余量为Fe的化学成分冶炼钢水，浇铸后锻造成尺寸为长120mm×宽85mm×厚90m的钢坯，将钢坯加热至1200℃并保温2小时；

（2）采用Φ450mm二辊可逆热轧实验轧机对出炉后的钢坯进行轧制变形，轧制压下规程为：90→80→70→60→50→40→30mm，在轧制的同时对钢坯进行水冷，保证每道次轧制时钢坯表面的温度降至600~700℃，在水冷的间隙钢板表层有回温现象，在轧制结束后，采用超快速冷却将轧制得到的钢板以≥35℃/s的冷速冷却至700℃，并最终空冷至室温，得到止裂性能优异的30mm厚钢板。

将得到的厚钢板制备成金相试样，沿钢板的纵向切取试样，包含试样的上下表面，依次用80#、240#、600#、800#、1000#、1200#和1500#的砂纸对金相试样的纵向截面进行研磨，随后用颗粒度为25000的人造金刚石研磨膏抛光，随后用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀10s左右，在LAICA DM 2500M光学显微镜上观察钢板厚度方向的组织，采用截线法测量钢板厚度方向上每1mm间隔铁素体的晶粒尺寸，表层至少3mm以内的晶粒尺寸在3μm以下，是表层超细晶钢。

对得到的厚钢板进行夏比冲击实验，沿钢板轧向在超细晶层和心部分别加工尺寸为2.5mm×10mm×55mm小尺寸V型缺口冲击试样，实验设备为摆锤冲击实验机，实验温度分别为-40℃、-60℃、-80℃、-120℃、-140℃和-196℃，每个温度做三个试样，冲击断口的脆性断面率取平均值，根据50%FATT法得到超细晶层的韧脆转变温度为-120℃，心部为-60℃，由此推知实验钢板的止裂性优异。

实施例3

本实施例的止裂性能优异的厚钢板化学成分为普通碳钢，具体成分按照质量百分比为：C 0.20%、Si 0.23%、Mn 2.0%、P 0.014%、S 0.002%、Al 0.039%、N 0.002%，余量为Fe；其金相显微组织是以铁素体为基体，第二相为珠光体，厚钢板的心部铁素体平均晶粒尺寸≤8μm，大角晶界的晶界密度≥0.407μm^-1以上，厚钢板的上下表层为超细晶层，单面超细晶层的厚度≥0.1倍板厚，超细晶层的铁素体平均晶粒尺寸≤3μm，大角晶界的晶界密度≥0.676μm^-1。

本发明的止裂性能优异的厚钢板的制造方法，如图1所示，按照以下步骤进行：

（1）采用160kg真空感应炉，按照质量百分比为：C 0.20%、Si 0.23%、Mn 2.0%、P 0.014%、S 0.002%、Al 0.039%、N 0.002%，余量为Fe的化学成分冶炼钢水，浇铸后锻造成尺寸为长250mm×宽150mm×厚160mm的钢坯，将钢坯加热至1000℃并保温2小时；

（2）采用Φ450mm二辊可逆热轧实验轧机对出炉后的钢坯进行轧制变形，轧制压下规程为：160→140→120→100→85→65→50mm，在轧制的同时对钢坯进行水冷，保证每道次轧制时钢坯表面的温度降至400~600℃，在水冷的间隙钢板表层有回温现象，在轧制结束后，采用超快速冷却将轧制得到的钢板以≥15℃/s的冷速冷却至600℃，并最终空冷至室温，得到止裂性能优异的50mm厚钢板。

将得到的厚钢板制备成金相试样，沿钢板的纵向切取试样，包含试样的上下表面，依次用80#、240#、600#、800#、1000#、1200#和1500#的砂纸对金相试样的纵向截面进行研磨，随后用颗粒度为25000的人造金刚石研磨膏抛光，随后用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀10s左右，在LAICA DM 2500 M光学显微镜上观察钢板厚度方向的组织，采用截线法测量钢板厚度方向上每1mm间隔铁素体的晶粒尺寸，表层至少5mm以内的晶粒尺寸在3μm以下，是表层超细晶钢。

对得到的厚钢板进行夏比冲击实验，沿钢板轧向在超细晶层和心部分别加工尺寸为2.5mm×10mm×55mm小尺寸V型缺口冲击试样，实验设备为摆锤冲击实验机，实验温度分别为-40℃、-60℃、-80℃、-120℃、-140℃和-196℃，每个温度做三个试样，冲击断口的脆性断面率取平均值，根据50%FATT法得到超细晶层的韧脆转变温度为-119℃，心部为-59℃，由此推知实验钢板的止裂性优异。

Claims (2)

1.一种止裂性能优异的厚钢板，其化学成分为普碳钢或微合金钢，具体成分按照质量百分比为：C：0.04~0.20%、Si：0.10~0.50%、Mn：1.0~2.0%、P＜0.10%、S＜0.10%、Al＜0.10%、Nb：0~0.10%、V：0~0.10%、Ti：0~0.05%、N：0.0020~0.010%，Mo：0~0.5%，Cr：0~1.0%，Ni：0~1.0%，余量为Fe；特征在于其金相显微组织是以铁素体为基体，第二相为珠光体，厚钢板的心部铁素体平均晶粒尺寸≤8μm，大角晶界的晶界密度≥0.407μm^-1以上，厚钢板的上、下表层为超细晶层，单面超细晶层的厚度≥0.1倍板厚，超细晶层的铁素体平均晶粒尺寸≤3μm，大角晶界的晶界密度≥0.676μm^-1。

2.权利要求1所述的止裂性能优异的厚钢板的制造方法，其特征在于按照以下步骤进行：

（1）按照质量百分比为：C：0.04~0.20%、Si：0.10~0.50%、Mn：1.0~2.0%、P＜0.10%、S＜0.10%、Al＜0.10%、Nb：0~0.10%、V：0~0.10%、Ti：0~0.05%、N：0.0020~0.010%，Mo：0~0.5%，Cr：0~1.0%，Ni：0~1.0%，余量为Fe的化学成分冶炼钢水，浇铸后锻造成钢坯，将钢坯加热至1000~1250℃；

（2）对出炉后的钢坯进行轧制变形，在轧制的同时对钢坯进行水冷，保证每道次轧制时钢坯表面的温度降至400~800℃，在水冷的间隙钢板表层有回温现象，在轧制结束后，采用超快速冷却将轧制得到的钢板以≥15℃/s的冷速冷却至600~700℃，并最终空冷至室温，得到止裂性能优异的厚钢板。