CN105925904A - 一种高温高强度、低温冲击韧性优良的含Mo钢板及其制造方法 - Google Patents

一种高温高强度、低温冲击韧性优良的含Mo钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高温高强度、低温冲击韧性优良的含Mo钢板，该钢板的化学成分按质量百分比计为C 0.14‑0.18%，Si 0.25‑0.35%，Mn 0.75‑0.85%，Mo 0.25‑0.35%，Al 0.02‑0.05%，P ≤0.012%，S ≤0.005%，Cu ≤0.20%，Cr ≤0.20%，Ni 0.20‑0.30%，Nb：0.010‑0.020%和/或Ti：0.010‑0.025%，余量为Fe及不可避免的杂质，碳当量Ceq=[C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]*100%，Ceq介于0.36‑0.40。工制造艺流程为转炉‑LF精炼‑真空脱气‑连铸‑缓冷‑加热‑轧制‑控冷‑缓冷‑热处理‑精检‑探伤‑性能检验‑包装入库。本申请钢板具有较高的高温强度，同时具有较好的低温冲击韧性，较低的碳当量，焊接性能优良，钢板为铁素体+珠光体组织，正火态交货。

Description

一种高温高强度、低温冲击韧性优良的含Mo钢板及其制造 方法
技术领域
本发明属于冶金钢板技术领域，具体涉及一种在高温环境下仍具有较高强度，同时低温冲击韧性优良的含Mo钢板及其制造方法。
背景技术
含Mo的合金钢板，且正火态交货，主要应用于压力容器、汽轮机、冶金机械等领域，与其他普通C-Mn钢铁材料比较，其适用温度范围广，尤其是高温适应范围更广；与常规Cr-Mo钢比较，具有生产容易，交货期短、成本低、应用领域广泛的优势；与调质钢板比较，正火态钢板材料生产过程中更节省能源，钢板焊接后性能更稳定。
目前，高温环境下仍保持高强度的含Mo合金钢板所制造的设备，主要应用于高温环境，尤其是400-500℃高温环境，一般要求相应的钢板要保证足够的高温拉伸性能；但对于冲击韧性，则以0℃或20℃要求为主。一般而言，高温下钢板具有良好的冲击韧性；但设备在寒冷地区的冬季也会不可避免的会发生故障，或进行停车检修等操作，此时设备处于停机状态下，钢板温度迅速恢复在环境温度，若钢板的低温冲击韧性较低则极容易出现冷裂纹的问题。因此，产品设计单位、机械制造厂家以及设备使用厂家也开始关注高温作业钢板的低温（-20℃）韧性，并对钢板的低温冲击功的提出了更加具体要求。
对于高温作业的钢板，由于Mo的存在，有利于提升和稳定钢板的高温性能，使钢板在高温条件下仍具有较高的强度，尤其是抗蠕变性能，但一定的Mo含量却对钢板低温冲击性能极不利，严重恶化钢板的低温冲击韧性，两者矛盾。理论上，通过添加功能性合金能够提高低温韧性，但是合金的添加会造成钢材的碳当量过高，影响钢板的焊接性能。因此，钢板的高温强度、低温冲击韧性、焊接性能等需要综合考虑，以满足在寒冷地区作业的高温设备所用钢板之需。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术提供一种具有高温高强度、低温冲击韧性优良的含Mo钢板，钢板的化学成分基于En 10028标准，并在此基础上进行了创造性改善，该钢板含有0.25～0.35%的Mo含量，通过其他微合金化作用，采用合理的轧制及热处理手段，正火态交货，所得到的钢板具有高温强度高、低温冲击韧性优良及碳当量低便于焊接的综合性能，可广泛应用于低温环境下使用的高温作业压力容器、汽轮机、冶金机械等领域。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种高温高强度、低温冲击韧性优良的含Mo钢板，该钢板的化学成分按质量百分比计为C 0.14-0.18%，Si 0.25-0.35%，Mn0.75-0.85%，Mo 0.25-0.35%，Al 0.02-0.05%，P ≤0.012%，S ≤0.005%，Cu ≤0.20%， Cr≤0.20%，Ni 0.20-0.30%，Nb：0.010-0.020%和/或Ti：0.010-0.025%，余量为Fe及不可避免的杂质，碳当量Ceq=[C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]*100%，Ceq介于0.36-0.40。
上述钢板厚度方向1/4处及1/2处横向冲击试样的-20℃低温冲击功≥31J；钢板500℃高温拉伸屈服强度≥200MPa。
优选地，该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.16%，Si：0.30%，Mn：0.82%，Mo：0.30%，Al：0.030%，P：0.012%，S：0.002%，N： 0.004%，Cr：0.04%，Cu：0.02%， Ni：0.27%，Nb：0.018%，余量为Fe及不可避免的杂质。
优选地，该钢板的化学成分按质量百分比计为：0.16%，Si：0.30%，Mn：0.80%，Mo：0.30%，Al：0.033%，P：0.011%，S：0.002%，N： 0.004%，Cr：0.04%，Cu：0.02%， Ni：0.27%，Ti：0.020%，余量为Fe及不可避免的杂质。
钢板化学成分的设计原理如下
由碳当量公式可知，C、Mn对Ceq的贡献系数较高，为改善钢板焊接性能，同时为了保证钢板强度，本发明严格设计C与Mn成分范围的上限与下限。
1）C含量的确定
考虑到钢的塑性、韧性、冲击性能和焊接性，C含量不宜过高，选用低碳较合适。本发明C含量的范围确定为0.14-0.18%，优选，0.16-0.18%；
2）Si含量的确定
此处的Si为强化铁素体，可提高材料的基体强度，对材料抗拉强度有贡献，但过高含量的Si对钢板表面涂覆性能不利。本发明的Si含量范围确定为0.25-0.35%；
3）Mn含量的确定
由碳当量公式可以看出，Mn的系数较高，对焊接性能的害处较大；但Mn元素能有效提升钢板的强度，本发明Mn含量的范围确定为0.75-0.85%；
4）Mo含量的确定
Mo存在于钢的固溶体和碳化物中，有固溶强化作用，能改善钢的热稳定性，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力；对正火态钢板而言，过量的Mo能使组织从珠光体形态向贝氏体形态转变。本发明Mo含量的范围确定为0.25-0.35%。
5）Al含量的确定
添加Al元素主要是用来细化晶粒。本发明Al含量的范围确定为0.02-0.05%。
6）P、S含量的确定
硫在钢中常以硫化铁的形式存在，并呈网状分布在晶粒边界，因而显著地降低钢的韧性；钢材中的磷能全部溶于钢中，使其在室温下的强度升高，塑性降低，产生冷脆现象。本发明P、S含量的范围确定为P ≤0.012%，S ≤0.005%。
7）Nb、Ti含量的确定
Nb、Ti均是微合金元素，在钢中与C、N等元素形成第二相粒子，通过钉扎效应，在轧制过程中阻止高温下奥氏体晶粒回复再结晶，与控制轧制结合达到细化晶粒的作用。本发明Nb、Ti含量的范围确定为Nb：0.010-0.020%和/或Ti：0.010-0.025%。
8）Ni含量的确定
Ni在钢中为纯固溶元素，它与铁以互溶形式存在于α和γ铁相中，通过其在晶粒内的内吸附作用细化铁素体晶粒，提高钢的冲击韧度。但Ni也是扩大奥氏体的元素，可使Ac3温度点降低，由于临界点的降低和Ni使钢中其它元素扩散速度的降低，因而可提高钢的淬透性，易使钢中出现贝氏体和马氏体，于焊接即为不利。因此，控制合适的Ni含量，使其保持单一的铁素体+珠光体是改善韧性的关键。本发明Ni含量的围确定为0.20-0.30。
9）Ceq的确定
碳当量Ceq是钢板强度的成分保证，但过高的Ceq会增加钢板焊接淬硬性，给焊接、冷作带来不利的影响，容易发生冷裂纹。因此，在保证强度的前提下，严控Ceq范围0.36-0.40。
上述高温高强度、低温冲击韧性优良的含Mo钢板的制造方法，工艺流程为，转炉-LF精炼-真空脱气-连铸-缓冷-加热-轧制-控冷-缓冷-热处理-精检-探伤-性能检验-包装入库；
主要工序的具体操作如下，
1）冶炼工艺：高炉铁水经过转炉吹炼，采用顶底复吹，无渣出钢，随钢水加入脱氧剂预脱氧，随后送入LF精炼炉精炼，强化脱氧，有效精炼时间≥30min；钢水随炉进行RH真空脱气处理，真空度133Pa以下，保持时间≥20min；连续浇铸，开浇温度1520-1550℃，铸坯厚度370mm及以上；
2）加热：将连铸坯放入步进梁加热炉加热，均热段温度1220-1240℃，在炉总时间1.0～1.3min/mm；
3）轧制：采用控轧工艺，二阶段开轧温度850-900℃，开轧厚度不低于2倍目标板厚；轧后水冷至500-600℃，钢板目标厚度6-40mm；
4）热处理：钢板正火态交货，正火保温温度为：Ac3+（30-50）℃，根据相变公式Ac3=（910-203+44.7Si-15.2Ni+31.5Mo）℃进行计算，考虑Mo的充分固溶，正火温度设定为880-930℃，在炉时间1.5-3.0min/mm*T，T为钢板厚度，单位：mm，正火时间不低于30min。通过正火，钢板获得较细小的铁素体+珠光体组织，实现了钢板强度与韧性的良好结合。
与现有技术相比，本发明的优点在于：提供了一种优化化学元素成分的钢板兼备较高的高温强度、优良的低温冲击韧性和焊接性能，钢板厚度方向1/4处及1/2处横向冲击试样的-20℃低温冲击功≥31J；钢板500℃高温拉伸屈服强度≥200MPa；碳当量0.36-0.40。另外，针对钢板的化学成分设计了对应的制造方法，钢板正火态交货，强度不会显著降低，性能均一，具有铁素体+珠光体组织，焊后组织均匀，抑制低温区焊接裂纹的产生。
附图说明
图1为实施例3的钢板1/4厚度处金相组织；
图2为实施例3的钢板1/2厚度处金相组织。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明各实施例的熔炼化学成分见表1(wt%)，剩余为Fe及不可避免的杂质元素。
实施例1
钢板轧制规格20mm*2000mm*6000mm（厚度*宽度*长度）
钢板的制造工艺流程为转炉-LF精炼-真空脱气-连铸-缓冷-加热-轧制-控冷-缓冷-热处理-精检-探伤-性能检验-包装入库；
主要工序的具体操作为
冶炼步骤：高炉铁水经转炉吹炼，通过顶底复吹，去除铁水中的C，通过氧化性气氛脱P，保证转炉无渣出钢，防止回P；出钢温度1620℃，出钢过程加入脱氧剂脱氧，随后送入LF精炼炉进行精炼，强化脱氧，控制夹杂物形态，有效精炼时间35min；钢水随炉进入RH真空处理，真空度66Pa，保持时间28min，钢水定H含量1.0ppm；最后钢水进入连铸平台，进行连续浇铸，开浇温度1532℃，连铸坯370mm厚度规格。
加热工艺：将370mm厚度规格连铸坯放入步进梁加热炉加热，均热段温度1220-1240℃，在炉总时间380min，均热段保温时间40min。
轧制工艺：采用控轧工艺，二阶段开轧温度880℃，开轧厚度50mm；轧后水冷至580℃；钢板目标厚度20mm。
热处理工艺：正火，保温温度890℃，在炉时间50min，出炉冷床空冷。
钢板主要性能见附后表2、表3、表4及表5。
实施例2
钢板轧制规格8mm*2200mm*7000mm（厚度*宽度*长度）
钢板的制造工艺流程为转炉-LF精炼-真空脱气-连铸-缓冷-加热-轧制-控冷-缓冷-热处理-精检-探伤-性能检验-包装入库；
主要工序的具体操作为
冶炼步骤：高炉铁水经转炉吹炼，通过顶底复吹，去除铁水中的C，通过氧化性气氛脱P，保证转炉无渣出钢，防止回P；出钢温度1624℃，出钢过程加入脱氧剂脱氧，随后送入LF精炼炉进行精炼，强化脱氧，控制夹杂物形态，有效精炼时间37min；钢水随炉进入RH真空处理，真空度66Pa，保持时间26min，钢水定H含量0.9ppm；最后钢水进入连铸平台，进行连续浇铸，开浇温度1534℃，连铸坯150mm厚度规格。
加热工艺：将150mm厚度规格连铸坯放入步进梁加热炉加热，均热段温度1220-1240℃，在炉总时间165min，均热段时间20min。
轧制工艺：采用控轧工艺，二阶段开轧温度900℃，开轧厚度24mm；轧后水冷至593℃；钢板目标厚度8mm。
热处理工艺：正火，保温温度890℃，在炉时间30min，出炉冷床空冷。
钢板主要性能见附后表2、表3、表4及表5。
实施例3
钢板轧制规格36mm*2000mm*6000mm（厚度*宽度*长度）
钢板的制造工艺流程为转炉-LF精炼-真空脱气-连铸-缓冷-加热-轧制-控冷-缓冷-热处理-精检-探伤-性能检验-包装入库；
主要工序的具体操作为
冶炼步骤：高炉铁水经转炉吹炼，通过顶底复吹，去除铁水中的C，通过氧化性气氛脱P，保证转炉无渣出钢，防止回P；出钢温度1626℃，出钢过程加入脱氧剂脱氧，随后送入LF精炼炉进行精炼，强化脱氧，控制夹杂物形态，有效精炼时间31min；钢水随炉进入RH真空处理，真空度66Pa，保持时间30min，钢水定H含量1.0ppm；最后钢水进入连铸平台，进行连续浇铸，开浇温度1535℃，连铸坯370mm厚度规格。
加热工艺：将370mm厚度规格连铸坯放入步进梁加热炉加热，均热段温度1220-1240℃，在炉总时间395min，均热段时间42min。
轧制工艺：采用控轧工艺，二阶段开轧温度880℃，开轧厚度72mm；轧后水冷至559℃；钢板目标厚度36mm。
热处理工艺：正火，保温温度890℃，在炉时间80min，出炉冷床空冷。
钢板主要性能见附后表2、表3、表4及表5。
钢板厚度方向1/4处和1/2处金相组织见图1。
表1
成分 板厚 C Si Mn P S Mo Al Nb N Ni Cr Ti Cu Ceq Fe
实施例1 20mm 0.16 0.30 0.82 0.012 0.002 0.30 0.030 0.018 0.004 0.27 0.04 - 0.02 0.38 余量
实施例2 8mm 0.15 0.30 0.78 0.011 0.002 0.30 0.034 - 0.004 0.28 0.04 0.020 0.02 0.37 余量
实施例2 36mm 0.15 0.30 0.76 0.011 0.002 0.28 0.036 0.013 0.004 0.28 0.04 0.015 0.02 0.37 余量
表2 各实施例钢板的高温强度
表3钢板低温韧性
表4 各实施例钢板夹杂物含量
表5 各实施例钢板中N、O含量
上述各实施例所获得的钢板具有较高的高温强度，同时具有较好的低温冲击韧性，适应温度范围更广，较低的碳当量，焊接性能优良，钢板为铁素体+珠光体组织，正火态交货，性能均一，焊接后钢板仍具有较好均一的性能，无焊接热影响区出现低温裂纹的现象。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高温高强度、低温冲击韧性优良的含Mo钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比计为C 0.14-0.18%，Si 0.25-0.35%，Mn 0.75-0.85%，Mo 0.25-0.35%，Al 0.02-0.05%，P ≤0.012%，S ≤0.005%，Cu ≤0.20%， Cr ≤0.20%，Ni 0.20-0.30%，Nb：0.010-0.020%和/或Ti：0.010-0.025%，余量为Fe及不可避免的杂质，碳当量Ceq=[C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]*100%，Ceq介于0.36-0.40。
2.根据权利要求1所述的高温高强度、低温冲击韧性优良的含Mo钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.16%，Si：0.30%，Mn：0.82%，Mo：0.30%，Al：0.030%，P：0.012%，S：0.002%，N： 0.004%，Cr：0.04%，Cu：0.02%， Ni：0.27%，Nb：0.018%，余量为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的高温高强度、低温冲击韧性优良的含Mo钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比计为：0.16%，Si：0.30%，Mn：0.80%，Mo：0.30%，Al：0.033%，P：0.011%，S：0.002%，N： 0.004%，Cr：0.04%，Cu：0.02%， Ni：0.27%，Ti：0.020%，余量为Fe及不可避免的杂质。
4.一种制造权利要求1所述高温高强度、低温冲击韧性优良的含Mo钢板的方法，其特征在于：工艺流程为转炉-LF精炼-真空脱气-连铸-缓冷-加热-轧制-控冷-缓冷-热处理-精检-探伤-性能检验-包装入库；
主要工序的具体操作为，
1）冶炼工艺：高炉铁水经过转炉吹炼，采用顶底复吹，无渣出钢，随钢水加入脱氧剂预脱氧，随后送入LF精炼炉精炼，强化脱氧，有效精炼时间≥30min；钢水随炉进行RH真空脱气处理，真空度133Pa以下，保持时间≥20min；连续浇铸，开浇温度1520-1550℃，铸坯厚度370mm及以上；
2）加热：将连铸坯放入步进梁加热炉加热，均热段温度1220-1240℃，在炉总时间1.0～1.3min/mm；
3）轧制：采用控轧工艺，二阶段开轧温度850-900℃，开轧厚度不低于2倍目标板厚；轧后水冷至500-600℃，钢板目标厚度6-40mm；
4）热处理：钢板正火态交货，正火保温温度为：Ac3+（30-50）℃，根据相变公式Ac3=（910-203+44.7Si-15.2Ni+31.5Mo）℃进行计算，考虑Mo的充分固溶，正火温度设定为880-930℃，在炉时间1.5-3.0min/mm*T，T为钢板厚度，单位：mm，正火时间不低于30min，正火后钢板的主体组织形式为铁素体和珠光体。
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