CN105441650A - 一种降低超高强度海工钢屈强比的热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

一种降低超高强度海工钢屈强比的热处理工艺，采用临界温度淬火+高温短时回火，即淬火温度为Ac3±20℃，保温时间为1.4-1.8min/mm；回火温度为Ac1?(80-150)℃，保温时间为0.5-2.0min/mm；得到低屈强比的超高强度海工钢。本发明在保证钢板强韧性匹配的情况下，显著降低超高强度海工钢的屈强比，使其完全满足需要420MPa-690MPa级及690MPa级以上超高强度海工钢的船体结构和海洋平台等。

Description

一种降低超高强度海工钢屈强比的热处理工艺
技术领域
本发明属于超高强度海工钢热处理技术领域，具体的说是一种降低超高强度海工钢屈强比的热处理工艺。
背景技术
随着国家《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》和《海洋工程装备制造业中长期发展规划》实施，将促进海洋工程装备制造业的发展，加大对高端海洋工程用钢的需求。由于海洋工程服役时间长，采用的钢板必须具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、良好的焊接性及耐海水腐蚀等特性。当前，国际工程用钢主要是屈服强度为355MPa、420MPa、460MPa的钢材。自升式海洋平台的桩腿、悬臂梁、升降齿条机构等需要460MPa-690MPa级及690MPa级以上的高强钢等专用钢。
一般来说，在采用各种强化机制提高海工钢强度的同时，其屈强比将不可避免地上升，但对于某些具有特殊用途的海工钢，出于安全考虑，对海工钢的屈强比有严格要求。例如，英国劳氏船级社明确要求420MPa-690MPa级超高强度海工钢屈强比≤0.94。以Q+T（淬火+回火）状态交货的超高强度海工钢必须采用适当的热处理工艺，以提高其强韧性的匹配。深入研究超高强度海工钢的热处理工艺，通过优化工艺参数，摸清热处理工艺参数和超高强度海工钢屈强比的关系，对超高强度海工钢的应用及其发展有着重要的意义。
采用Q+T（淬火+回火）工艺热处理的超高强度海工钢，淬火温度为890-930℃，保温时间为1.4-1.8min/mm；回火温度为580-650℃，保温时间为2.5-4.5min/mm。对于Q+T处理的超高强度海工钢，显微组织为回火马氏体，屈强比很难降低到0.94以下。为适应海工钢高强韧化的发展趋势，开发具有低屈强比的高强度钢板具有重要的市场价值。
TMCP（控轧控冷）工艺，可以降低超高强度钢的屈强比。钢坯经过两阶段轧制，轧后快速（或超快）冷却，可以在保证强度的同时，实现了高的低温韧性和低的屈强比，广泛用于超高强度低屈强比的结构、桥梁、建筑、管线用钢；但是不能满足以Q+T状态交货的超高强度海工钢。例如现有专利（具有优良低温韧性的高强度且低屈强比的结构用钢，CN200880117319.5、一种低屈强比高性能桥梁钢及其制造方法，CN201510021680.X、低屈强比高强度厚板及其制备工艺，CN201010127855.2、等）和文献（780MPa级低屈强比建筑结构用钢组织调控与工艺开发，东北大学博士论文，2012、新一代控制轧制和控制冷却技术与创新的热轧过程，东北大学学报，2009、超快冷工艺生产高纲级管线钢的研究，武汉科技大学博士论文，2014、等）报道。
通过TMCP+热处理工艺，例如TMCP+Q+T（控轧控冷+淬火+回火）、TMCP+L+T（控轧控冷+亚温淬火+回火）、TMCP+T（控轧控冷+回火），也可以降低超高强度钢的屈强比，同时保持良好的低温韧性，可以获得高韧性低屈强比钢板；但增加了轧钢过程中的控冷工艺。例如现有专利（低屈强比低裂纹敏感性Q550CF调质钢及生产方法，CN201410240349.2、一种低屈强比高韧性钢板及其制造方法，CN201110287965.X、等）和文献（低C含Cu NV-F690特厚板的精细组织和强韧性，金属学报，2012、热处理工艺对690MPa级低屈强比高强钢组织性能的影响，材料热处理学报，2013、等）报道。
多步热处理工艺，例如Q+L+T（淬火+两相区淬火+回火）工艺，对降低钢板的屈强比也是一种有效的方法，可显著降低超高强度结构和船板钢的屈强比；但增加了热处理过程中的两相区淬火工艺。例如现有专利（一种连铸坯生产水电站用特厚钢板的制造方法，CN201210576537.3、一种高强度高韧性低合金耐磨钢及其制造方法，CN201010200002.7、钒硼微合金化高强钢及其热处理工艺、CN201310532733.5、等）和文献（热处理工艺对NV-F690船板钢组织和性能的影响，材料热处理学报，2011、两相区二次淬火对高强度船体钢低温韧性的影响，金属热处理，2012、等）报道。
L+T（两相区淬火+回火）和N+T（正火+回火）工艺，钢板可以达到很低的屈强比；但强度却大幅下降，有可能不能满足超高强度钢的要求。例如现有文献（热处理工艺对低屈强比高强度结构钢组织与性能的影响，金属热处理，2014、等）报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：
针对现有技术中超高强度海工钢屈强比过高（>0.94），钢板通过热轧之后如何通过简单的热处理工艺改变组织形态，在保证钢板强韧性匹配的情况下，显著降低超高强度海工钢的屈强比。
本发明解决以上技术问题的技术方案是：
一种降低超高强度海工钢的屈强比的热处理工艺，采用临界温度淬火+高温短时回火，即淬火温度为Ac3±20℃（注：Ac3为亚共析钢加热时，铁素体完全转变为奥氏体的温度），保温时间为1.4-1.8min/mm；回火温度为Ac1−(80-150)℃（注：Ac1为亚共析钢加热时，铁素体开始转变为奥氏体的温度），保温时间为0.5-2.0min/mm。
其中，临界温度淬火具体为：淬火温度为Ac3±20℃，保温时间为1.4-1.8min/mm，然后水冷至室温，得到均匀细小的奥氏体晶粒，淬火后组织主要为板条马氏体，同时保留部分针片状铁素体组织；形成的板条马氏体组织作为硬相组织，使钢具有高的抗拉强度；形成的针片状铁素体组织作为软相组织，使钢具有低的屈服强度和良好的伸长率，淬火后的钢兼具低屈强比和高强度；
高温短时回火具体为：回火温度为Ac1−(80-150)℃，保温时间为0.5-2.0min/mm，然后空冷至室温，使钢中铁素体开始发生再结晶，相邻的针片状铁素体发生合并，铁素体尺寸变大，钢的屈服强度降低，伸长率升高，并使板条马氏体发生分解，大量的C原子脱溶形成渗碳体，马氏体组织转变为α-铁素体和渗碳体，钢的抗拉强度降低，而冲击韧性明显改善。
其中，淬火加热是在常化炉中进行，水冷过程中完成；回火加热是在回火炉中进行，空冷过程中完成。
本发明还提出一种采用以下热处理工艺的低屈强比超高强度海工钢制制备方法；同时采用以上制备方法制得的低屈强比超高强度海工钢。
本发明的有益效果是：通过临界温度淬火+高温短时回火，即淬火温度为Ac3±20℃，保温时间为1.4-1.8min/mm；回火温度为Ac1−(80-150)℃，保温时间为0.5-2.0min/mm。临界温度淬火，形成的板条马氏体组织作为硬相组织，使钢具有高的抗拉强度；形成的针片状铁素体组织作为软相组织，使钢具有低的屈服强度和良好的伸长率，淬火后的钢兼具低屈强比和高强度。高温短时回火，钢中铁素体开始发生再结晶，相邻的针片状铁素体发生合并，铁素体尺寸变大，钢的屈服强度降低，伸长率升高；板条马氏体发生分解，大量的C原子脱溶形成渗碳体，马氏体组织转变为α-铁素体和渗碳体，钢的抗拉强度降低，而冲击韧性明显改善。超高强度海工钢经过临界温度淬火+高温短时回火，可以大幅降低屈强比，同时保持良好强度，不降低或者稍微降韧性和塑性。
具体实施方式
实施例 1
本实施例是一种降低超高强度海工钢屈强比的热处理工艺，采用临界温度淬火+高温短时回火，即淬火温度为Ac3±20℃，保温时间为1.4-1.8min/mm；回火温度为Ac1−(120-150)℃，保温时间为0.5-1.0min/mm；淬火加热是在常化炉中进行，水冷过程中完成、回火加热是在回火炉中进行，空冷过程中完成。本实施例所制造的超高强度海工钢拉伸和冲击性能满足船级社和GB 712-2011的要求，同时屈强比为0.91-0.93。
实施例 2
本实施例是一种降低超高强度海工钢屈强比的热处理工艺的制造方法，采用临界温度淬火+高温短时回火，即淬火温度为Ac3±20℃，保温时间为1.4-1.8min/mm；回火温度为Ac1−(100-120)℃，保温时间为1.0-1.5min/mm；淬火加热是在常化炉中进行，水冷过程中完成、回火加热是在回火炉中进行，空冷过程中完成。本实施例所制造的超高强度海工钢拉伸和冲击性能满足船级社和GB 712-2011的要求，同时屈强比为0.90-0.920。
实施例 3
本实施例是一种降低超高强度海工钢屈强比的热处理工艺的制造方法，采用临界温度淬火+高温短时回火，即淬火温度为Ac3±20℃，保温时间为1.4-1.8min/mm；回火温度为Ac1−(80-100)℃，保温时间为1.5-2.0min/mm；淬火加热是在常化炉中进行，水冷过程中完成、回火加热是在回火炉中进行，空冷过程中完成。本实施例所制造的超高强度海工钢拉伸和冲击性能满足船级社和GB 712-2011的要求，同时屈强比为0.88-0.91。
本实施例1-3制造的低屈强比超高强度海工钢，临界温度淬火+高温短时回火，即淬火温度为Ac3±20℃，保温时间为1.4-1.8min/mm；回火温度为Ac1−(80-150)℃，保温时间为0.5-2.0min/mm。临界温度淬火，形成的板条马氏体组织作为硬相组织，使钢具有高的抗拉强度；形成的针片状铁素体组织作为软相组织，使钢具有低的屈服强度和良好的伸长率，淬火后的钢兼具低屈强比和高强度。高温短时回火，钢中铁素体开始发生再结晶，相邻的针片状铁素体发生合并，铁素体尺寸变大，钢的屈服强度降低，伸长率升高；板条马氏体发生分解，大量的C原子脱溶形成渗碳体，马氏体组织转变为α-铁素体和渗碳体，钢的抗拉强度降低，而冲击韧性明显改善。超高强度海工钢经过临界温度淬火+高温短时回火，可以大幅降低屈强比，同时保持良好强度，不降低或者稍微降韧性和塑性。可以广泛用于需要420MPa-690MPa级及690MPa级以上超高强度的船体结构和海洋平台等。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种降低超高强度海工钢屈强比的热处理工艺，其特征在于：采用临界温度淬火+高温短时回火热处理工艺，其中，
所述临界温度淬火具体为：淬火温度为Ac3±20℃，保温时间为1.4-1.8min/mm，然后水冷至室温，得到均匀细小的奥氏体晶粒，淬火后组织主要为板条马氏体，同时保留部分针片状铁素体组织；形成的板条马氏体组织作为硬相组织，使钢具有高的抗拉强度；形成的针片状铁素体组织作为软相组织，使钢具有低的屈服强度和良好的伸长率，淬火后的钢兼具低屈强比和高强度；
所述高温短时回火具体为：回火温度为Ac1−(80-150)℃，保温时间为0.5-2.0min/mm，然后空冷至室温，使钢中铁素体开始发生再结晶，相邻的针片状铁素体发生合并，铁素体尺寸变大，钢的屈服强度降低，伸长率升高，并使板条马氏体发生分解，大量的C原子脱溶形成渗碳体，马氏体组织转变为α-铁素体和渗碳体，钢的抗拉强度降低，而冲击韧性明显改善。
2.如权利要求1所述的降低超高强度海工钢屈强比的热处理工艺，其特征在于：其中淬火加热是在常化炉中进行，水冷过程中完成；回火加热是在回火炉中进行，空冷过程中完成。
3.包权利要求1或2所述热处理工艺的超高强度海工钢制备方法。
4.根据权利要求3所述的制备方法制得的超高强度海工钢。
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