CN105648314B - ‑80℃Akv值大于100J的中锰钢板的制备方法 - Google Patents

‑80℃Akv值大于100J的中锰钢板的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种‑80℃Akv值大于100J的中锰钢板及其制备方法，属于高强韧中厚钢板开发制造领域。成分为：C、Si、Mn、Al、Nb、V、Ni、Ti、P、S、Fe和不可避免的杂质；钢板厚度为12～20mm。制备方法：1)熔炼及锻造：2)两阶段轧制：固溶理后，进行一阶段轧制和二阶段轧制，超快冷至室温；3)两步热处理：两相区高温退火处理和两相区低温逆相变退火处理，空冷到室温。本发明钢板的屈服强度为525～755MPa，抗拉强度为800～845MPa，断后延伸率为26.3～29％，强塑积大于20GPa％，‑80℃低温冲击功＞100J；具有较好的板厚方向组织和力学性能均匀性，工艺稳定性好，且具有优良的强韧性匹配；本发明制备方法生产成本与难度低，可行性和使用安全性高。

Description

-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的制备方法
技术领域
本发明属于高强韧中厚钢板开发制造领域，特别涉及一种-80℃Akv值大于100J的中锰钢板及其制备方法。
背景技术
中厚钢板一股用于制造管线、海洋平台、远洋船舶等服役环境恶劣、承受较大风浪冲击和交变负荷以及各种电化学及生物腐蚀作用的产品，因此对其强韧性及耐腐蚀性提出了愈加严格的要求，要求新型的中厚板结构钢不仅要具有高的强度及良好的塑韧性、可焊性，还要具有低的韧脆转变温度及优异的冷成形能力。传统微合金化并结合TMCP的生产工艺，要在轧制及冷却过程中精确控制微合金元素的固溶与析出行为、显微组织的相变行为比较困难，导致工艺稳定性及产品组织性能均匀性较差，强塑积水平不高，且常添加了贵重合金元素Cr、Mo等；生产低温压力容器用高Ni钢的多阶段淬火回火工艺，组织均匀性良好，但在成分设计时加入了大量贵重合金元素如Ni、Cr等，以致钢材成本高，应用受限。
锰钢以其不添加或少量添加贵重合金元素的低成本优势及相对较好的综合力学性能获得了广泛的关注，有望成为新一代高强韧中厚钢板。热轧态中锰钢中厚板具有较高的强度，但冲击韧性极差。相关轧后热处理工作已有研究，但强塑性匹配及冲击性能始终保持在一个中等水平。本发明之前，申请号为CN201510241664，名称为“一种高强韧的超低碳中锰钢中厚板及其制备方法”的发明专利，公开了一种通过回火工艺获得高强度、高韧性的中锰中厚板的制备方法，但其对中锰钢-60℃以下的低温冲击性能未做相关研究。可见，要在不增加成本的基础上改善中厚板的强塑性匹配并进一步提高低温冲击韧性，相关品种及制备工艺有待进一步探索和优化。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种-80℃Akv值大于100J的高强韧性中锰钢板及其两步热处理的制备方法。
本发明的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板，成分按质量百分比为：C：0.01～0.03％，Si：1.0～1.6％，Mn：4.0～6.0％，Al：0.02～0.1％，Nb：0.02～0.06％，V：0.04～0.12％，Ni：0.4～1.5％，Ti：0.01～0.03％，P≤0.004％，S≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质；钢板厚度为12～20mm。
本发明的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板，屈服强度为525～755MPa，抗拉强度为800～845MPa，断后延伸率为26.3～29％，强塑积大于20GPa％，-80℃低温冲击功＞100J。
本发明的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板，室温组织为超细晶板条状铁素体及残余奥氏体。
本发明的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，熔炼及锻造：
按-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的成分配比，真空熔炼获得铸锭，并锻造成厚度为100～120mm的钢坯；
步骤2，两阶段轧制：
(1)将钢坯，在1150～1250℃，保温2～3h；
(2)一阶段轧制：开轧温度为1050～1100℃，终轧温度为1000～1080℃，道次为1～3道次，累计下压率为20～30％；
(3)二阶段轧制：开轧温度为900～950℃，终轧温度为850～900℃，道次为7～9道次，累计下压率≥75％，得到厚度为12～20mm的热轧板；
(4)采用超快冷工艺，将热轧板冷却至室温；
步骤3，两步两相区热处理：
(1)两相区高温退火处理：将热轧板，加热至700～750℃，退火时间为0.5h，然后淬火到室温；
(2)两相区低温逆相变退火处理：将热轧板，加热至580～640℃，退火时间为2.5～5h，然后空冷到室温，得到-80℃Akv值大于100J的中锰钢板。
其中：
步骤1中，熔炼温度为1620～1630℃；步骤2(4)中，冷却速度≥90℃/s；步骤3(1)和步骤3(2)中，加热速度为3～8℃/s。
本发明的技术思路是：通过对热轧态钢板进行两步两相区退火配分处理，净化铁素体、稳定奥氏体组织，获得超细晶的板条状铁素体及残余奥氏体，以达到高强塑积及高韧性的良好匹配。
两步两相区奥氏体逆相变退火配分工艺设计原理如下：
首先在两相区700～750℃进行0.5h的短时间高温退火配分处理，实现Mn元素在逆相变奥氏体板条界的初步少量富集，然后直接淬火到室温获得马氏体，保留Mn元素在边界的富集状态，以增加两相区低温退火时Mn元素的扩散驱动力并缩短扩散距离，从而大大增强两相区低温退火配分效果；在580～640℃进行2.5～5h的两相区低温退火配分处理，净化铁素体组织，并实现Mn元素在逆相变奥氏体中的充分富集，之后空冷到室温。通过这种新型的两步两相区退火处理，净化铁素体基体组织，以提高协调变形能力；调控逆相变奥氏体的含量 及稳定性，得到适当比例的超细晶的板条状铁素体+残余奥氏体两相组织，以提高低温冲击韧性。
本发明的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板及其制备方法，与现有技术相比，有益效果为：
(1)本发明的中锰钢板与传统TMCP工艺生产的中厚钢板相比，具有较好的板厚方向组织和力学性能均匀性，工艺稳定性好，且具有相当或更加优良的强韧性匹配。
(2)相比于9Ni等贵重合金钢厚板，本发明中贵重合金元素Ni、Cr、Mo含量较低，显著降低生产成本与难度。
(3)与现有通过回火方法制备的中锰钢中厚板相比，具有更佳的低温韧性，应用可行性及使用安全性提高。
附图说明
图1本发明实施例的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的制备方法中轧制及两步两相区退火工艺示意图；
图2本发明实施例1制得的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的EPMA形貌；
图3本发明实施例1制得的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的精细组织形貌，其中：(a)明场；(b)暗场；(c)奥氏体衍射斑；
图4本发明实施例2制得的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板-80℃条件下示波冲击载荷曲线。
具体实施方式
本专利在国家自然科学基金资助项目(51174059，51374002，51404155，U1260204)、新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-13-0111)、辽宁省高等学校优秀人才支持计划(LR2014007)资助下完成。以下实施例中，步骤2采用四辊可逆轧机进行轧制。
实施例1
本发明的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板，成分按质量百分比为C：0.01％，Si：1.53％，Mn：5.3％，Al：0.03％，Nb：0.04％，V：0.08％，Ni：0.56％，Ti：0.016％，P≤0.004％，S≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质；钢板厚度为12mm。
本发明的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，熔炼及锻造：
按-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的成分配比，在温度为1625℃进行熔炼，后锻造获得100mm×100mm的钢坯；
步骤2，两阶段轧制：
(1)将钢坯，在1200℃，保温2h；
(2)一阶段轧制：开轧温度为1050℃，终轧温度为1060℃，道次为1道次，累计下压率为22％；
(3)二阶段轧制：开轧温度为900℃，终轧温度为870℃，道次为8道次，累计下压率为84.6％，得到厚度为12mm的热轧板；
(4)采用超快冷工艺，将热轧板冷却至室温，冷却速度≥90℃/s；
步骤3，两步两相区热处理：
(1)两相区高温退火处理：将热轧板，加热至700℃，加热速度为8℃/s，退火时间为0.5h，然后淬火到室温；
(2)两相区低温逆相变退火处理：将热轧板，加热至640℃，加热速度为8℃/s，退火时间为2.5h，然后空冷到室温，得到-80℃Akv值大于100J的中锰钢板。
本实施例制得的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板，屈服强度为635MPa，抗拉强度为820MPa，断后延伸率及强塑积分别为29％和23.78GPa％，室温及-80℃冲击功分别为210J和103J。
实施例2
本发明的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板，成分按质量百分比为C：0.01％，Si：1.53％，Mn：5.3％，Al：0.03％，Nb：0.04％，V：0.08％，Ni：0.56％，Ti：0.016％，P≤0.004％，S≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质；钢板厚度为15mm。
本发明的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，熔炼及锻造：
按-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的成分配比，在温度为1625℃进行熔炼，后锻造获得120mm×120mm的钢坯；
步骤2，两阶段轧制：
(1)将钢坯，在1200℃，保温2h；
(2)一阶段轧制：开轧温度为1050℃，终轧温度为1080℃，道次为2道次，累计下压率为30％；
(3)二阶段轧制：开轧温度为950℃，终轧温度为900℃，道次为8道次，累计下压率为82.4％，得到厚度为15mm的热轧板；
(4)采用超快冷工艺，将热轧板冷却至室温，冷却速度≥90℃/s；
步骤3，两步两相区热处理：
(1)两相区高温退火处理：将热轧板，加热至750℃，加热速度为5℃/s，退火时间为0.5h，然后淬火到室温；
(2)两相区低温逆相变退火处理：将热轧板，加热至640℃，加热速度为5℃/s，退火时间为3.5h，然后空冷到室温，得到-80℃Akv值大于100J的中锰钢板。
本实施例制得的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板，屈服强度为525MPa，抗拉强度为800MPa，断后延伸率及强塑积分别为26.7％和21.36GPa％，室温及-80℃冲击功分别为220J和109J。
实施例3
本发明的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板，成分按质量百分比为C：0.03％，Si：1.2％，Mn：4.5％，Al：0.08％，Nb：0.06％，V：0.045％，Ni：0.8％，Ti：0.02％，P≤0.004％，S≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质；钢板厚度为12mm。
本发明的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，熔炼及锻造：
按-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的成分配比，在温度为1625℃进行熔炼，后锻造获得100mm×100mm的钢坯；
步骤2，两阶段轧制：
(1)将钢坯，在1200℃，保温2h；
(2)一阶段轧制：开轧温度为1050℃，终轧温度为1080℃，道次为1道次，累计下压率为22％；
(3)二阶段轧制：开轧温度为900℃，终轧温度为850℃，道次为8道次，累计下压率为84.6％，得到厚度为12mm的热轧板；
(4)采用超快冷工艺，将热轧板冷却至室温，冷却速度≥90℃/s；
步骤3，两步两相区热处理：
(1)两相区高温退火处理：将热轧板，加热至750℃，加热速度为8℃/s，退火时间为0.5h，然后淬火到室温；
(2)两相区低温逆相变退火处理：将热轧板，加热至640℃，加热速度为8℃/s，退火时间为3.5h，然后空冷到室温，得到-80℃Akv值大于100J的中锰钢板。
本实施例制得的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板，屈服强度为555MPa，抗拉强度为845MPa，断后延伸率及强塑积分别为28.3％和23.91GPa％，室温及-80℃冲击功分别为208J和112J。
实施例4
本发明的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板，成分按质量百分比为C：0.03％，Si：1.2％，Mn：4.5％，Al：0.08％，Nb：0.06％，V：0.045％，Ni：0.8％，Ti：0.02％，P≤0.004％，S≤0.003％， 余量为Fe及不可避免的杂质；钢板厚度为15mm。
本发明的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，熔炼及锻造：
按-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的成分配比，在温度为1625℃进行熔炼，后锻造获得120mm×120mm的钢坯；
步骤2，两阶段轧制：
(1)将钢坯，在1200℃，保温2h；
(2)一阶段轧制：开轧温度为1060℃，终轧温度为1050℃，道次为2道次，累计下压率为30％；
(3)二阶段轧制：开轧温度为930℃，终轧温度为870℃，道次为7道次，累计下压率为82.4％，得到厚度为15mm的热轧板；
(4)采用超快冷工艺，将热轧板冷却至室温，冷却速度≥90℃/s；
步骤3，两步两相区热处理：
(1)两相区高温退火处理：将热轧板，加热至700℃，加热速度为5℃/s，退火时间为0.5h，然后淬火到室温；
(2)两相区低温逆相变退火处理：将热轧板，加热至640℃，加热速度为5℃/s，退火时间为5h，然后空冷到室温，得到-80℃Akv值大于100J的中锰钢板。
本实施例制得的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板，屈服强度为590MPa，抗拉强度为840MPa，断后延伸率及强塑积分别为26.3％和22.09GPa％，室温及-80℃冲击功分别为229J和107J。
实施例5
本发明的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板，成分按质量百分比为C：0.03％，Si：1.0％，Mn：4.6％，Al：0.1％，Nb：0.06％，V：0.12％，Ni：1.5％，Ti：0.02％，P≤0.004％，S≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质；钢板厚度为20mm。
本发明的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，熔炼及锻造：
按-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的成分配比，在温度为1625℃进行熔炼，后锻造获得120mm×120mm的钢坯；
步骤2，两阶段轧制：
(1)将钢坯，在1200℃，保温3h；
(2)一阶段轧制：开轧温度为1100℃，终轧温度为1070℃，道次为3道次，累计下压率为 25％；
(3)二阶段轧制：开轧温度为950℃，终轧温度为880℃，道次为9道次，累计下压率为78％，得到厚度为20mm的热轧板；
(4)采用超快冷工艺，将热轧板冷却至室温，冷却速度≥90℃/s；
步骤3，两步两相区热处理：
(1)两相区高温退火处理：将热轧板，加热至750℃，加热速度为3℃/s，退火时间为0.5h，然后淬火到室温；
(2)两相区低温逆相变退火处理：将热轧板，加热至640℃，加热速度为3℃/s，退火时间为3.5h，然后空冷到室温，得到-80℃Akv值大于100J的中锰钢板。
本实施例制得的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板，屈服强度为575MPa，抗拉强度为840MPa，断后延伸率及强塑积分别为27.3％和22.93GPa％，室温及-80℃冲击功分别为234J和136J。
实施例6
本发明的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板，成分按质量百分比为C：0.03％，Si：1.0％，Mn：4.6％，Al：0.1％，Nb：0.06％，V：0.12％，Ni：1.5％，Ti：0.02％，P≤0.004％，S≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质；钢板厚度为20mm。
本发明的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，熔炼及锻造：
按-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的成分配比，在温度为1625℃进行熔炼，后锻造获得120mm×120mm的钢坯；
步骤2，两阶段轧制：
(1)将钢坯，在1200℃，保温3h；
(2)一阶段轧制：开轧温度为1100℃，终轧温度为1080℃，道次为3道次，累计下压率为25％；
(3)二阶段轧制：开轧温度为950℃，终轧温度为865℃，道次为9道次，累计下压率为78％，得到厚度为20mm的热轧板；
(4)采用超快冷工艺，将热轧板冷却至室温，冷却速度≥90℃/s；
步骤3，两步两相区热处理：
(1)两相区高温退火处理：将热轧板，加热至700℃，加热速度为3℃/s，退火时间为0.5h，然后淬火到室温；
(2)两相区低温逆相变退火处理：将热轧板，加热至610℃，加热速度为3℃/s，退火时间 为3.5h，然后空冷到室温，得到-80℃Akv值大于100J的中锰钢板。
本实施例制得的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板，屈服强度为715MPa，抗拉强度为835MPa，断后延伸率及强塑积分别为26.9％和22.46GPa％，室温及-80℃冲击功分别为195J和115J。
实施例7
本发明的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板，成分按质量百分比为C：0.03％，Si：1.0％，Mn：4.6％，Al：0.1％，Nb：0.06％，V：0.12％，Ni：1.5％，Ti：0.02％，P≤0.004％，S≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质；钢板厚度为12mm。
本发明的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，熔炼及锻造：
按-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的成分配比，在温度为1625℃进行熔炼，后锻造获得120mm×120mm的钢坯；
步骤2，两阶段轧制：
(1)将钢坯，在1200℃，保温3h；
(2)一阶段轧制：开轧温度为1080℃，终轧温度为1080℃，道次为2道次，累计下压率为30％；
(3)二阶段轧制：开轧温度为950℃，终轧温度为865℃，道次为9道次，累计下压率为86％，得到厚度为12mm的热轧板；
(4)采用超快冷工艺，将热轧板冷却至室温，冷却速度≥90℃/s；
步骤3，两步两相区热处理：
(1)两相区高温退火处理：将热轧板，加热至700℃，加热速度为8℃/s，退火时间为0.5h，然后淬火到室温；
(2)两相区低温逆相变退火处理：将热轧板，加热至580℃，加热速度为8℃/s，退火时间为3.5h，然后空冷到室温，得到-80℃Akv值大于100J的中锰钢板。
本实施例制得的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板，屈服强度为755MPa，抗拉强度为830MPa，断后延伸率及强塑积分别为27.0％和22.41GPa％，室温及-80℃冲击功分别为190J和110J。

Claims (4)

1.一种-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，熔炼及锻造：
按-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的成分配比，真空熔炼获得铸锭，并锻造成厚度为100～120mm的钢坯：所述的成分配比按质量百分比为：C：0.01～0.03％，Si：1.0～1.6％，Mn：4.0～6.0％，Al：0.02～0.1％，Nb：0.02～0.06％，V：0.04～0.12％，Ni：0.4～1.5％，Ti：0.01～0.03％，P≤0.004％，S≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质；
步骤2，两阶段轧制：
(1)将钢坯，在1150～1250℃，保温2～3h；
(2)一阶段轧制：开轧温度为1050～1100℃，终轧温度为1000～1080℃，道次为1～3道次，累计下压率为20～30％；
(3)二阶段轧制:开轧温度为900～950℃，终轧温度为850～900℃，道次为7～9道次，累计下压率≥75％，得到厚度为12～20mm的热轧板；
(4)采用超快冷工艺，将热轧板冷却至室温；
步骤3，两步两相区热处理；
(1)两相区高温退火处理:将热轧板，加热至700～750℃，退火时间为0.5h，然后淬火到室温；
(2)两相区低温逆相变退火处理:将热轧板，加热至580～640℃，退火时间为2.5～5h，然后空冷到室温，得到-80℃Akv值大于100J的中锰钢板，厚度为12～20mm。
2.根据权利要求1所述的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，熔炼温度为1620～1630℃。
3.根据权利要求1所述的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的制备方法，其特征在于，所述的步骤2(4)中，冷却速度≥90℃/s。
4.根据权利要求1所述的-80℃Akv值大于100J的中锰钢板的制备方法，其特征在于，所述的步骤3(1)和步骤3(2)中，加热速度为3～8℃/s。
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