CN105970099B - 一种含Cu止裂钢及其制备方法 - Google Patents

一种含Cu止裂钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种含Cu止裂钢及其制备方法。成分为C 0.02～0.10％，Cu 0.1～1％，Si 0.1～0.4％，Mn 0.5～1.2％，Al 0～0.2％，Cr 0.1～0.3％，Ni 0.5～1.5％，Mo 0～0.8％，Nb 0.01～0.05％，Ti 0.03～0.2％，S≤0.005％，P≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。其制备方法熔炼；热轧，粗轧温度1000～1100℃，精轧开轧温度800～1000℃。本发明通过设计适当微合金含量配比生成富铜纳米相，通过轧制和热处理工艺，控制钢中相组成及其形貌和尤其是富铜纳米相的析出，从而提高含Cu止裂钢的强度、韧性和止裂性能。

Description

一种含Cu止裂钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种船用高强度高韧性止裂钢，本发明也涉及的是一种船用高强度高韧性止裂钢的制备方法。
背景技术
随着海洋贸易的发展，集装箱船迅速向大型化发展，其重要部位的结构用钢板厚增加。在舱口围板、上甲板等部位已经使用厚度为60～80mm的厚板作为高强度部件材料。但板厚的增加带来了钢板不能止裂而导致裂纹贯通船体引发船体断裂造成重大灾难的风险。对此，国际船级社协会于2013年制定了新的政策，发布IACS UR S33“Requirements forUse of Extremely Thick Steel Plates”，对2014年以后生产的大型集装箱船需要在船体的强力甲板及舱口边围等重要部位使用的止裂钢性能指标进行严格规定。中国船级社也于同年发布“船用高强度厚板检验指南”，对大型集装箱船用厚板性能进行明确规定。
面对大型集装箱船用止裂钢需求爆发式增长的趋势和止裂钢性能要求的提高，发展高性能止裂钢成为近年船用结构钢发展的重要趋势。大型集装箱船用止裂钢需要具备防止裂纹生成和阻止裂纹传播的能力，同时具有较高的低温韧性和韧脆化转变温度以满足不同的航行需求。对此，国内外进行了大量研究，发展出通过晶粒细化、有效控制止裂钢相成分和控制止裂钢织构等多种提高止裂性能的机理。并在这些机理的基础上发展出多种利用控制合金元素含量和控制轧制工艺而得到具有优异性能的止裂钢，如Yoshiaki Murakami及其合作者在合理优化合金成分的基础上通过控制热机械处理有效对止裂钢织构进行控制，从而获得了止裂性能优异的止裂钢厚板。ChooWung-Yong及其合作者通过优化合金成分和控轧控冷工艺有效控制止裂钢相成分，进而获得性能优异的止裂钢。
国内也对船用高强度高韧性止裂钢进行了研发，如：专利申请号为201410469546.1；201210408198.8等专利文件中介绍了通过控制铸造、轧制工艺制备集装箱船用特厚钢板的方法，但其强度相对较低，且没有通过热处理对止裂钢的性能进行提高。国内外相关研究均没有通过生成富铜纳米相，并使用热处理工艺对富铜纳米相进行调控制备止裂钢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼具高强度、高韧性、优异的焊接性能和抑制裂纹形成、扩展特性，能满足超大型集装箱船体特殊部位构件性能要求的含Cu止裂钢。本发明的目的还在于提供一种含Cu止裂钢的制备方法。
本发明的含Cu止裂钢由质量百分比组成为：C 0.02～0.10％，Cu 0.1～1％，Si0.1～0.4％，Mn 0.5～1.2％，Cr 0.1～0.3％，Ni 0.5～1.5％，Nb 0.01～0.05％，Ti 0.03～0.2％，S≤0.005％，P≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质元素制成。
本发明的含Cu止裂钢中还可以包括Al 0～0.2％。
本发明的含Cu止裂钢中还可以包括Mo 0～0.8％。
本发明的含Cu止裂钢的制备方法为：
a.熔炼：按照质量百分比组成为：C 0.02～0.10％，Cu 0.1～1％，Si 0.1～0.4％，Mn 0.5～1.2％，Al 0～0.2％，Cr 0.1～0.3％，Ni 0.5～1.5％，Mo 0～0.8％，Nb 0.01～0.05％，Ti 0.03～0.2％，S≤0.005％，P≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质称重配料后，进行熔炼，然后浇注钢锭；
b.热轧：分为两个轧制阶段，第一阶段粗轧在奥氏体再结晶区进行，粗轧温度范围为1000℃～1100℃，采用大于10％的大压下率进行多道次轧制，再结晶区总压下率≥40％；当粗轧后钢板冷却至精轧温度时进行第二阶段精轧，精轧的开轧温度范围在800～1000℃，处于奥氏体非再结晶区或奥氏体-铁素体两相区，每道次压下率≥10％。
本发明的含Cu止裂钢的制备方法还可以包括：
1.还包括固溶处理：固溶温度800～1000℃，固溶时间0.25～10h，浇水冷却至室温。
2.还包括时效处理：时效温度450～700℃，保温时间0.25～5h，浇水冷却至室温。
3.还包括淬火配分处理：固溶温度800～1000℃，保温时间0.5-1h，淬火到马氏体转变开始温度(Ms)和马氏体转变结束温度(Mf)之间，之后控制温度在300～450℃，保温时间为3～10h，空冷至室温。
本发明的含Cu止裂钢所包含组分作用为：
C：C能够提高强度，但若其含量过高，会形成马氏体岛降低韧性，并导致焊接性能下降。因此C含量被限定在0.10％以内。
Cu：Cu是奥氏体稳定化元素，能降低奥氏体转变温度，抑制高温转变产物的生成，对组织的转变及组织细化产生影响。同时，Cu在一定的热处理条件下可以诱导析出细小沉淀相，并使Ni、Al、Mn等合金元素向该沉淀相前驱体聚合，形成富铜纳米相，该富铜纳米相强化可以有效代替碳强化，从而降低碳含量。因此，加入一定量的铜能够提高钢的强度、耐腐蚀性、抗疲劳性、提高抗蠕变强度和冲击韧性，同时改善材料的焊接性能、成型性能与机加工性能等。
Si：Si在钢中一般用于脱氧。Si固溶于铁素体中在固溶强化机制下有利于提高铁素体的强度和硬度，对塑韧性没有很大的影响。但Si的含量过多会对钢的塑韧性有不利的影响，并且不利于焊接性能，在压力加工过程中，容易产生裂纹。
Mn：Mn在钢中的作用是脱氧去硫。在钢中Mn在固溶强化方面有一定的效果，此外Mn还利于提高钢的力学性能如强韧性以及工艺性能淬透性和热加工性能。但Mn在钢中含量过高会影响钢在铸造时产生偏析现象，降低止裂钢性能。
Al：钢中的Al具有脱氧的能力和脱氮的作用。少量的Al有抑制低碳钢的时效作用，细化晶粒、提高冲击韧性、降低钢的冷脆性转变温度的作用。Al没有碳化物，氧化铝属于硬脆相。铝含量较高时，在锻轧过程中，氧化铝颗粒沿着加工方向形成条状物，影响到钢的塑韧性。
Ni：固溶形式的Ni能够提高铁素体的强度，同时抑制添加Cu可能导致的热变形过程的热脆发生。当Ni含量升高时，能保证较高塑性的同时提高强度。Ni还能保证钢性能的均匀性、提高奥氏体稳定性和提高低温冲击韧性。
Cr：对于低合金钢来说，在小范围内升高Cr的含量对强度提升很大，添加适当含量的Cr能保证提高强度的同时保证钢具有一定的塑性。此外Cr作为不锈钢的重要元素，它能提高钢的抗腐蚀能力。但Cr对钢的焊接性能有不利影响。
Mo：添加合金元素Mo可以起到一定固溶强化的作用，同时提高钢的淬透性。
Nb：在控制轧制过程中，Nb通过对奥氏体组织在粗轧阶段的动态再结晶行为的抑制有效细化显微组织，可以同时提高钢的强度和韧性。另外，Nb能减小过热现象和时效工艺带来的危害。
Ti：少量的Ti在钢中形成的细小氮、碳、氧化物，因此，在钢板加热过程中有利于增大奥氏体再结晶时的阻力而使奥氏体显微组织细小。
本发明使用控制轧制和工艺制备高强度高韧性含Cu止裂钢，控制奥氏体再结晶区的粗轧温度，粗轧道次和变形量，以及奥氏体非再结晶区或奥氏体-铁素体两相区精轧温度，精轧道次，以及始冷温度，冷却方式，冷却速度，终冷温度等轧制工艺和冷却参数，通过控制轧制和冷却工艺细化含Cu止裂钢的晶粒尺寸，提高力学性能。
在轧制工艺的基础上，本发明使用固溶、时效和淬火配分处理对含Cu止裂钢的强度、韧性和止裂性能进行进一步优化。通过合理的热处理，能够有效控制含Cu止裂钢的相组成和晶粒形貌。使含Cu止裂钢的性能获得进一步提高。
在钢中加入适量的Cu元素经过适当热处理之后，会出现富铜纳米相，从而对钢的显微组织和力学性能产生显著影响。因此，本发明利用固溶、时效及淬火配分处理的合理配合，实现了利用热处理工艺控制富铜纳米相的析出，从而大幅度提高含Cu止裂钢的止裂性能的目的。
附图说明
图1为制备工艺流程图。
图2为实施例1的金相组织照片。
图3为实施例2的金相组织照片。
图4为实施例3的金相组织照片。
图5为实施例4的金相组织照片。
图6为材料力学性能表。
具体实施方式
本发明的高强度高韧性含铜止裂钢的制造方法包括如下步骤：
a.熔炼：按照本发明合金元素设计成分的质量百分比进行称重配料后，可按照常规方法熔炼，也可在有特殊要求情况下可进行炉外精炼，然后浇注钢锭。
b.热轧：分为两个轧制阶段。第一阶段粗轧在奥氏体再结晶区进行，可按照不同使用要求选择的粗轧温度范围为1000℃～1100℃，采用大于10％的大压下率进行多道次轧制，再结晶区总压下率≥40％，粗轧后钢坯厚度≥2倍成品厚度。当粗轧后钢板冷却至精轧温度时进行第二阶段精轧。精轧的开轧温度按照不同使用要求的选择范围在800～1000℃，处于奥氏体非再结晶区或奥氏体-铁素体两相区，每道次压下率≥10％，累积变形量≥40％，成品钢板厚度10～90mm。
c.固溶处理：固溶温度800～1000℃，固溶时间0.25～10h，浇水冷却至室温。本步骤为非必要步骤。
d.时效处理：时效温度450～700℃，保温时间0.25～5h，浇水冷却至室温。本步骤为非必要步骤。
e.淬火配分处理：固溶温度800～1000℃，保温时间0.5-1h，淬火到马氏体转变开始温度(Ms)和马氏体转变结束温度(Mf)之间，之后控制温度在300-450℃，保温时间为3～10h，空冷至室温。本步骤为非必要步骤。
下面举例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例是一种高强度高韧性含铜止裂钢板及其制备方法，化学成分按重量百分比为：C：0.05％，Mn：1.4％，Si：0.14％，S：0.003％，P：0.004％，Al：0.034％，Cr：0.18％，Ni：0.75％，Cu：0.38％，Nb：0.024％，Ti：0.012％，其余为Fe和不可避免的杂质。粗轧温度为1050℃，轧制3道次，平均每次压下量18％，总压下率45％。精轧开轧温度900℃，终轧温度907℃，轧制后浇水冷却至室温，轧制5道次，平均每次压下量27％，总压下率80％，获得厚度为12mm的止裂钢板。不经历固、时效处理和淬火配分处理。金相组织照片见图2，材料力学性能见图6的表1。
实施例2
本实施例是一种高强度高韧性含铜止裂钢板及其制备方法，化学成分按重量百分比为：C：0.05％，Mn：1.4％，Si：0.14％，S：0.003％，P：0.004％，Al：0.034％，Cr：0.18％，Ni：0.75％，Cu：0.38％，Nb：0.024％，Ti：0.012％，其余为Fe和不可避免的杂质。粗轧温度为1050℃，轧制3道次，平均每次压下量18％，总压下率45％。精轧开轧温度900℃，终轧温度907℃，轧制后浇水冷却至室温，轧制5道次，平均每次压下量27％，总压下率80％，获得厚度为12mm的止裂钢板。在875℃进行固溶处理，保温时间1h。不经历时效处理。金相组织照片见图3，材料力学性能见图6的表1。
实施例3
本实施例是一种高强度高韧性含铜止裂钢板及其制备方法，化学成分按重量百分比为：C：0.05％，Mn：1.4％，Si：0.14％，S：0.003％，P：0.004％，Al：0.034％，Cr：0.18％，Ni：0.75％，Cu：0.38％，Nb：0.024％，Ti：0.012％，其余为Fe和不可避免的杂质。粗轧温度为1050℃，轧制3道次，平均每次压下量18％，总压下率45％。精轧开轧温度900℃，终轧温度907℃，轧制后浇水冷却至室温，轧制5道次，平均每次压下量27％，总压下率80％，获得厚度为12mm的止裂钢板。在925℃进行固溶处理，保温时间10h。不经历时效处理。金相组织照片见图4，材料力学性能见图6的表1。
实施例4
本实施例是一种高强度高韧性含铜止裂钢板及其制备方法，，化学成分按重量百分比为：C：0.05％，Mn：1.4％，Si：0.14％，S：0.003％，P：0.004％，Al：0.034％，Cr：0.18％，Ni：0.75％，Cu：0.38％，Nb：0.024％，Ti：0.012％，其余为Fe和不可避免的杂质。粗轧温度为1050℃，轧制3道次，平均每次压下量18％，总压下率45％。精轧开轧温度900℃，终轧温度907℃，轧制后浇水冷却至室温，轧制5道次，平均每次压下量27％，总压下率80％，获得厚度为12mm的止裂钢板。在875℃进行固溶处理，保温时间2h。在550℃进行时效处理，保温时间2h。金相组织照片见图4，材料力学性能见图6的表1。

Claims (8)

1.一种含Cu止裂钢，其特征是：是按照下述制备方法制备得到的质量百分比组成为：C0.02～0.10％，Cu 0.1～1％，Si 0.1～0.4％，Mn 0.5～1.2％，Cr 0.1～0.3％，Ni 0.5～1.5％，Nb 0.01～0.05％，Ti 0.03～0.2％，S≤0.005％，P≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质元素的含Cu止裂钢，所述制备方法为：
a.熔炼：称重配料后，进行熔炼，然后浇注钢锭；
b.热轧：分为两个轧制阶段，第一阶段粗轧在奥氏体再结晶区进行，粗轧温度范围为1000℃～1100℃，采用大于10％的大压下率进行多道次轧制，再结晶区总压下率≥40％；当粗轧后钢板冷却至精轧温度时进行第二阶段精轧，精轧的开轧温度范围在800～1000℃，处于奥氏体非再结晶区或奥氏体-铁素体两相区，每道次压下率≥10％。
2.根据权利要求1所述的含Cu止裂钢，其特征是还包括不超过质量百分比为0.2％的Al。
3.根据权利要求1或2所述的含Cu止裂钢，其特征是还包括不超过质量百分比为0.8％的Mo。
4.一种含Cu止裂钢的制备方法，其特征是：
a.熔炼：按照质量百分比组成为：C 0.02～0.10％，Cu 0.1～1％，Si 0.1～0.4％，Mn0.5～1.2％，Cr 0.1～0.3％，Ni 0.5～1.5％，Nb 0.01～0.05％，Ti 0.03～0.2％，S≤0.005％，P≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质称重配料后，进行熔炼，然后浇注钢锭；
b.热轧：分为两个轧制阶段，第一阶段粗轧在奥氏体再结晶区进行，粗轧温度范围为1000℃～1100℃，采用大于10％的大压下率进行多道次轧制，再结晶区总压下率≥40％；当粗轧后钢板冷却至精轧温度时进行第二阶段精轧，精轧的开轧温度范围在800～1000℃，处于奥氏体非再结晶区或奥氏体-铁素体两相区，每道次压下率≥10％。
5.根据权利要求4所述的含Cu止裂钢的制备方法，其特征是还包括固溶处理：固溶温度800～1000℃，固溶时间0.25～10h，浇水冷却至室温。
6.根据权利要求4或5所述的含Cu止裂钢的制备方法，其特征是还包括时效处理：时效温度450～700℃，保温时间0.25～5h，浇水冷却至室温。
7.根据权利要求4或5所述的含Cu止裂钢的制备方法，其特征是还包括淬火配分处理：固溶温度800～1000℃，保温时间0.5-1h，淬火到马氏体转变开始温度和马氏体转变结束温度之间，之后控制温度在300～450℃，保温时间为3～10h，空冷至室温。
8.根据权利要求6所述的含Cu止裂钢的制备方法，其特征是还包括淬火配分处理：固溶温度800～1000℃，保温时间0.5-1h，淬火到马氏体转变开始温度和马氏体转变结束温度之间，之后控制温度在300～450℃，保温时间为3～10h，空冷至室温。
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