CN105506250A - 一种提高f级超高强海洋平台用钢ndt性能的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种提高F级超高强海洋平台用钢NDT性能的热处理工艺，包括在线淬火步骤、高温亚温淬火步骤以及回火热处理步骤，所述在线淬火步骤时温度为Ac3+(50~100)℃，得到均匀细小的板条马氏体组织；其中Ac3为亚共析钢加热时，铁素体完全转变为奥氏体的温度；本发明在线淬火形成的板条马氏体组织，在高温亚温淬火时在奥氏体晶界处残留少量的未溶铁素体，铁素体的存在可以有效抑制奥氏体晶粒的长大起到细化奥氏体晶粒的作用。淬火后，得到细密的板条马氏体和沿奥氏体晶界分布的少量细小的铁素体组织及微量在马氏体片层间残余的奥氏体组织。回火时，马氏体板条发生软化，过饱和碳原子析出，铁素体基体发生回复和再结晶。细小的板条马氏体组织在回火后，依然可以保证较高的强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高F级超高强海洋平台用钢NDT性能的热处理工艺，超高强度海工钢热处理技术领域。
背景技术
随着人类对能源需求的不断上涨以及陆上油气资源的不断消耗，海上资源开发的重要性日益突显。为实施建设海洋强国的发展战略，我国要提高海洋资源开发能力，必将加快海洋油气资源的开发。
海洋平台是人类用于开发海洋资源的重要超大型焊接钢结构，负责承载各种油气开采设备，为在海上进行钻井、采油、集运、观测、导航、施工等活动提供生产和生活设施。这些使用特征决定了海洋平台用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、耐海水腐蚀以及良好的冷加工性等性能。
据申请人了解,目前超高强海洋平台用钢已由355MPa~420 MPa 级别向500 MPa 、甚至690MPa级别以上发展。同时，随着海洋油气开采向深海和极地领域的进军，为确保海洋平台的长寿、稳定、安全，对海洋平台用钢的低温韧性提出更高的要求。不但需要满足夏比冲击功要求还需要具有良好的NDT、CTOD等抑制裂纹传播性能，一般F级海洋平台用钢NDT 性能需满足-60℃要求。
F级超高强海洋平台用钢尤其是厚度在60mm以上的特厚钢板，一般采用Q+T状态交货。对于采用传统Q+T工艺生产的F级超高强海洋平台用钢，为保证心部淬透性在淬火时通常会采用大的过冷度和较高的冷速。在这种极大的过冷度和冷速下，可是实现特厚板1/4位置和心部强韧性匹配，但是通常会出现钢板表面冲击韧性反常降低的情况。例如现有文献（Ni-Cr-Mo-B超厚钢板表面低碳回火马氏体组织的韧性研究，金属学报，2012、海洋工程用低合金高强度超厚钢板的淬透性与强韧性研究，博士论文，2013、等）指出，采用Q+T生产的特厚钢板，尽管表面得到均匀的板条马氏体组织，但是由于淬火过冷度和冷速过大，使得表面马氏体板条发生粗化失去对裂纹扩展的阻力，难以保证低温韧性。同时在极大的过冷度和冷速下，即使在回火后，表面依然保持着较高的位错密度。位错密度的增加会提高位错运动的阻力，增加位错运动的内应力，促进裂纹形核和扩展，极大损害韧性。
由于NDT试验需在钢板表面取样，且要求试验中保留原始表面，因此钢板近表的韧性直接影响其NDT性能。因此，现有传统Q+T工艺生产的F级大厚度超高强海洋平台用钢，通常为保证1/4和心部的强韧性，以牺牲表面韧性为代价，所以难以实现F级-60℃NDT性能要求。鉴于此，必须采取适当的热处理工艺，在确保钢板1/4和心部强韧性的同时，改善钢板表面冲击韧性以提高NDT性能。
采用TMCP（控制控冷）工艺，可以获得低温韧性良好的超高强海洋工程用钢板，但该方法不符合Q+T交货状态的要求。例如现有文献（F500级超高强韧船板钢的低温韧性机理研究，材料热处理技术，2011、FH690 级超高强船板显微组织特征及其对低温韧性影响，热加工工艺，2010、等）报道。
采用N（正火）工艺，可以获得低NDT温度的船舶及海洋工程用钢板；但该方法只适合低强度级别的海工钢的生产，不能满足超高强度级别的要求。例如现有专利（高韧性低NDT温度的船舶及海洋工程用钢材及生产工艺，CN103510000A）报道。
采用Q+P+T（淬火+碳分配+回火）工艺，可有效提高NDT性能，但需要在淬火后保温很长时间以实现碳分配过程，但该方法未能满足-60℃NDT要求。例如现有文献（热处理工艺对超高强度海洋平台用钢板E690 组织和 NDT 性能的影响，宽厚板，2013）报道。
采用Q+L+T（淬火+两相区淬火+回火）工艺，可有效提高超高强海洋工程用钢低温冲击韧性，但尚未提及其对NDT性能的影响。例如现有文献（两相区淬火对 NV-F690 钢性能与组织演变的影响，金属热处理，2012）。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术中大厚度F级超高强海洋平台用钢NDT性能难以满足-60℃的要求，钢板在热轧之后，如何通过适当的热处理工艺控制组织形态，在保证钢板强韧性匹配的情况下，显著提高表面韧性，以提高NDT性能使其满足F级超高强海洋平台用钢的要求。
为了达到以上目的，本发明的一种提高F级超高强海洋平台用钢NDT性能的热处理工艺，包括在线淬火步骤、高温亚温淬火步骤以及回火热处理步骤，其特征在于：所述在线淬火步骤时温度为Ac3+(50~100)℃，得到均匀细小的板条马氏体组织；其中Ac3为亚共析钢加热时，铁素体完全转变为奥氏体的温度；
在所述高温亚温淬火步骤时温度为Ac3-(5~20)℃，保温时间为1.4~2.0min/mm；
在所述回火热处理步骤时温度为Ac1-(50~150)℃，保温时间为2.0~4.0min/mm ；其中Ac1为亚共析钢加热时，铁素体开始转变为奥氏体的温度。
本发明进一步限定的技术方案为：在所述在线淬火步骤后还包括在线超快冷步骤，平均冷却速率15~50℃/s；终冷温度≤300℃。
进一步的，在所述高温亚温淬火步骤后采用高压水冷却，终冷温度≤100℃，平均冷却速率≥20℃/s。
进一步的，在高温亚温淬火步骤加热时得到均匀细小的奥氏体晶粒和极少量未溶铁素体，淬火后组织主要为板条马氏体，同时保留极少量细小的铁素体和马氏体板条间分布的极少量残余奥氏体组织。
进一步的，在回火热处理步骤后组织由回火马氏体、极少量铁素体及马氏体板条间分布的极少量残余奥氏体组成。
进一步的，所述在线淬火步骤时温度为Ac3+(80~100)℃，在所述高温亚温淬火步骤时温度为Ac3-(5~10)℃，保温时间为1.4~1.8min/mm；在所述回火热处理步骤时温度为Ac1-(50~80)℃，保温时间为2.0~3.5min/mm 。
进一步的，所述在线淬火步骤时温度为Ac3+(50~70)℃；在所述高温亚温淬火步骤时温度为Ac3-(10~20)℃，保温时间为1.4~1.8min/mm；在所述回火热处理步骤时温度为Ac1-(100~150)℃，保温时间为2.5~4.0min/mm。
进一步的，所述在线淬火步骤时温度为Ac3+(60~90)℃；在所述高温亚温淬火步骤时温度为Ac3-(5~15)℃，保温时间为1.5~2.0min/mm；在所述回火热处理步骤时温度为Ac1-(50~120)℃，保温时间为2.5~4.0min/mm。
进一步的，所述在线淬火步骤在轧后超快冷装置中进行，水冷中完成；所述高温亚温淬火步骤加热是在常化炉中进行，水冷过程中完成；所述回火热处理步骤是在回火炉中进行，空冷过程中完成。
本发明的有益效果：本发明在线淬火形成的板条马氏体组织，在高温亚温淬火时在奥氏体晶界处残留少量的未溶铁素体，铁素体的存在可以有效抑制奥氏体晶粒的长大起到细化奥氏体晶粒的作用。淬火后，得到细密的板条马氏体和沿奥氏体晶界分布的少量细小的铁素体组织及微量在马氏体片层间残余的奥氏体组织。回火时，马氏体板条发生软化，过饱和碳原子析出，铁素体基体发生回复和再结晶。细小的板条马氏体组织在回火后，依然可以保证较高的强度。由于亚温淬火温度较高，沿奥氏体晶界分布的铁素体数量极少，因此不会引起强度的大幅度降低。但是由于细小的铁素体可以分割原始奥氏体晶粒，有效细化晶粒，避免粗大板条马氏体组织，同时铁素体和残余奥氏体等软相的存在，可以有效抑制应力集中与阻碍裂纹萌生及扩展，提高低温韧性，进而大幅改善NDT性能。F级超高强海洋平台用钢经过在线淬火+高温亚温淬火+回火热处理工艺，可以在不降低或稍微降低强度、保证韧性的同时，显著提高F级超高强海洋平台用钢的NDT性能。
具体实施方式
实施例一
本实施例的一种提高F级超高强海洋平台用钢NDT性能的热处理工艺，采用的F级海洋平台钢，板厚115mm，是采用420mm厚铸坯轧制而成。
本实施例采用在线淬火+高温亚温淬火+回火热处理工艺，即在线淬火温度为Ac3+(80~100)℃，终冷温度≤300℃，采用在线超快冷，平均冷却速率20~50℃/s；高温亚温淬火温度为Ac3−(5~10)℃，保温时间为1.4~1.8min/mm，采用高压水冷却，终冷温度≤100℃，平均冷却速率≥20℃/s；；回火温度为Ac1−(50~80)℃，保温时间为2.0~3.5min/mm。在线淬火在轧后超快冷装置中进行，水冷中完成；高温亚温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F级超高强海洋平台用钢强度和韧性、塑性均满足船级社和GB 712-2011的要求，同时NDT性能满足-70℃。
实施例
2
本实施例是一种提高F级超高强海洋平台用钢NDT性能的热处理工艺，采用的F级海洋平台钢，板厚115mm，是采用420mm厚铸坯轧制而成。
采用在线淬火+高温亚温淬火+回火热处理工艺，即在线淬火温度为Ac3+(50~70)℃，终冷温度≤100℃，采用在线超快冷，平均冷却速率15~40℃/s；高温亚温淬火温度为Ac3−(10~20)℃，保温时间为1.4-1.8min/mm，采用高压水冷却，终冷温度≤100℃，平均冷却速率≥20℃/s；回火温度为Ac1−(100~150)℃，保温时间为2.5-4.0min/mm。在线淬火在轧后超快冷装置中进行，水冷中完成；高温亚温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F级超高强海洋平台用钢强度和韧性、塑性均满足船级社和GB 712-2011的要求，同时NDT性能满足-65℃。
实施例
3
本实施例是一种提高F级超高强海洋平台用钢NDT性能的热处理工艺，采用的F级海洋平台钢，板厚115mm，是采用420mm厚铸坯轧制而成。
采用在线淬火+高温亚温淬火+回火热处理工艺，即在线淬火温度为Ac3+(60~90)℃，终冷温度≤300℃，采用在线超快冷，平均冷却速率15~30℃/s；高温亚温淬火温度为Ac3−(5~15)℃，保温时间为1.5~2.0min/mm，采用高压水冷却，终冷温度≤50℃，平均冷却速率≥25℃/s；回火温度为Ac1−(50~120)℃，保温时间为2.5~4.0min/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F级超高强海洋平台用钢强度和韧性、塑性均满足船级社和GB 712-2011的要求，同时NDT性能满足-70℃。
由于采用上述技术方案，本具体实施方式制造的F级超高强海洋平台用钢NDT均满足-60℃要求，在线淬火+高温亚温淬火+回火，即在线淬火温度为Ac3+(50~100)℃，终冷温度≤300℃，采用在线超快冷，平均冷却速率15~50℃/s；高温亚温淬火温度为Ac3−(5~20)℃，保温时间为1.4~2.0min/mm，采用高压水冷却，终冷温度≤100℃，平均冷却速率≥20℃/s；回火温度为Ac1−(50~150)℃，保温时间为2.0~4.0min/mm。
在线淬火形成板条马氏体组织，保证高强度。高温亚温淬火加热时，在奥氏体晶界处残留少量的未溶铁素体，可以有效抑制奥氏体晶粒的长大，起到细化奥氏体晶粒的作用。淬火得到细密的板条马氏体和沿奥氏体晶界分布的少量细小的铁素体组织及微量马氏体片层间残余的奥氏体组织。回火时，马氏体板条发生软化，过饱和碳原子析出，铁素体基体发生回复和再结晶。细小的板条马氏体组织在回火后，依然可以保证较高的强度。而亚温淬火温度较高，沿奥氏体晶界分布的铁素体数量极少，因此不会引起强度的大幅度降低。高温亚温淬火可避免粗大的马氏体组织，同时由于回火马氏体板条间的铁素体和残余奥氏体等软相的存在，可以有效抑制应力集中并阻碍裂纹萌生及扩展，从而提高表面低温韧性，大幅改善NDT性能。采用在线淬火+高温亚温淬火+回火热处理工艺可以在不降低或稍微降低强度、保证韧性的同时，显著提高NDT性能，可以广泛用于F级超高强海洋平台用钢。
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 (9)
1.一种提高F级超高强海洋平台用钢NDT性能的热处理工艺，包括在线淬火步骤、高温亚温淬火步骤以及回火热处理步骤，其特征在于：所述在线淬火步骤时温度为Ac3+(50~100)℃，得到均匀细小的板条马氏体组织；其中Ac3为亚共析钢加热时，铁素体完全转变为奥氏体的温度；
在所述高温亚温淬火步骤时温度为Ac3-(5~20)℃，保温时间为1.4~2.0min/mm；
在所述回火热处理步骤时温度为Ac1-(50~150)℃，保温时间为2.0~4.0min/mm ；其中Ac1为亚共析钢加热时，铁素体开始转变为奥氏体的温度。
2.根据权利要求1所述的提高F级超高强海洋平台用钢NDT性能的热处理工艺，其特征在于：在所述在线淬火步骤后还包括在线超快冷步骤，平均冷却速率15~50℃/s；终冷温度≤300℃。
3.根据权利要求1所述的提高F级超高强海洋平台用钢NDT性能的热处理工艺，其特征在于：在所述高温亚温淬火步骤后采用高压水冷却，终冷温度≤100℃，平均冷却速率≥20℃/s。
4.根据权利要求1所述的提高F级超高强海洋平台用钢NDT性能的热处理工艺，其特征在于：在高温亚温淬火步骤加热时得到均匀细小的奥氏体晶粒和极少量未溶铁素体，淬火后组织主要为板条马氏体，同时保留极少量细小的铁素体和马氏体板条间分布的极少量残余奥氏体组织。
5.根据权利要求1所述的提高F级超高强海洋平台用钢NDT性能的热处理工艺，其特征在于：在回火热处理步骤后组织由回火马氏体、极少量铁素体及马氏体板条间分布的极少量残余奥氏体组成。
6.根据权利要求1所述的提高F级超高强海洋平台用钢NDT性能的热处理工艺，其特征在于：所述在线淬火步骤时温度为Ac3+(80~100)℃，在所述高温亚温淬火步骤时温度为Ac3-(5~10)℃，保温时间为1.4~1.8min/mm；在所述回火热处理步骤时温度为Ac1-(50~80)℃，保温时间为2.0~3.5min/mm 。
7.根据权利要求1所述的提高F级超高强海洋平台用钢NDT性能的热处理工艺，其特征在于：所述在线淬火步骤时温度为Ac3+(50~70)℃；在所述高温亚温淬火步骤时温度为Ac3-(10~20)℃，保温时间为1.4~1.8min/mm；在所述回火热处理步骤时温度为Ac1-(100~150)℃，保温时间为2.5~4.0min/mm。
8.根据权利要求1所述的提高F级超高强海洋平台用钢NDT性能的热处理工艺，其特征在于：所述在线淬火步骤时温度为Ac3+(60~90)℃；在所述高温亚温淬火步骤时温度为Ac3-(5~15)℃，保温时间为1.5~2.0min/mm；在所述回火热处理步骤时温度为Ac1-(50~120)℃，保温时间为2.5~4.0min/mm。
9.根据权利要求1所述的提高F级超高强海洋平台用钢NDT性能的热处理工艺，其特征在于：所述在线淬火步骤在轧后超快冷装置中进行，水冷中完成；所述高温亚温淬火步骤加热是在常化炉中进行，水冷过程中完成；所述回火热处理步骤是在回火炉中进行，空冷过程中完成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |