CN106191661A - 一种低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法，钢水成分：C：0.03‑0.06%，Si：0.1‑0.2%，Mn：0.5‑0.8%，Ni：8.6‑9.1%，Mo：0.02‑0.05%，Als：0.015‑0.035%，S≤0.005%，P≤0.007%，N≤0.007%，以及余量Fe和不可去除杂质，采用真空度≤50Pa的真空炉冶炼并合金化；加热温度1160‑1220℃，保温时间90‑180min，开坯后坯料厚度120‑150mm；采用两阶段控制轧制，轧制后待温10‑15s，之后以15‑40℃/s的冷却速率加速冷却至440‑550℃后再空冷至室温；钢板加热至575‑605℃回火45‑70min后空冷至室温。本发明利用9Ni钢材料特性及薄规格钢板冷却特性，将控轧控冷与热处理工艺有机结合，在提高材料性能的同时缩短工艺流程、减少工艺能耗，达到了降低高强韧薄规格9Ni钢板生产成本的目的。

Description

一种低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法
技术领域
本发明涉及一种超低温用钢及其制造方法，尤其是涉及一种低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法。
背景技术
随着天然气在能源需求中比例不断提高，LNG输送及储存技术迅速发展，而9Ni钢因其在-196℃超低温环境下具有优良韧性得以广泛应用。目前我国已经实现了9Ni钢的规模化工业生产。作为一种典型的热处理钢种，9Ni钢生产难度大，特别是热处理工艺窗口窄，过程能耗高，因而生产成本高（特别是薄规格9Ni钢吨钢热处理成本高）。因此，如何在前道工序实施有效的组织调控，从而减少热处理工艺流程及能耗，达到降低生产成本的目的，是9Ni钢生产在顺应钢铁行业发展大趋势过程中面临的重要课题。据检索，现有技术中，专利CN103088198A公开了一种生产9Ni钢的在线热处理方法，具有生产流程短、效率高的特点，但该方法依赖在线加热设备，投资高、能耗大，从实际生产经验来看难以在规模化生产中推广应用。专利CN101864537A公开了一种应用于深冷环境的超高强度9Ni钢及其制备工艺，通过在线淬火加离线热处理制备综合性能良好的9Ni钢，含Cu元素，但该工艺中轧制后加速冷却至200℃以下，“一淬到底”的在线淬火方式使材料在快速冷却过程中发生马氏体相变，因此板形难以控制，而且离线热处理包括两相区淬火和回火等两道工艺，与调质相比未能缩短工艺流程。专利CN103602888A公开了一种低压缩比热轧9Ni钢厚板及其制造方法，针对厚规格9Ni钢板生产提出了优化工艺，该方法用于制造厚规格9Ni钢板，但该方法采用常规的离线调质热处理，未充分利用控制冷却进行组织调控，离线热处理包含淬火和回火，工艺成本及能耗较高。另一个值得关注的重要问题是，在上述及其它已公开技术中，都未能利用9Ni钢材料特性针对薄规格（8mm厚度及以下）情况提出优化工艺，工艺降本及降耗存在较大空间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：⑴如何利用9Ni钢淬透性高以及薄规格钢板空冷速率高的特点设定合理控制冷却工艺，使元素分布和显微组织更有利于改善材料强韧性匹配，且有利于薄板板形的控制，降低对矫直工艺的要求，进一步降低工艺成本；⑵如何显著缩短工艺流程并减少了能耗，大大降低薄板热处理成本。
本发明解决以上技术问题的技术方案是：
一种低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法，包括以下步骤：
㈠炼钢：钢水的重量百分比成分为：C：0.03-0.06%，Si：0.1-0.2%，Mn：0.5-0.8%， Ni：8.6-9.1%，Mo：0.02-0.05%，Als：0.015-0.035%，S≤0.005%，P≤0.007%，N≤0.007%，以及余量Fe和不可去除杂质，采用真空度≤50Pa的真空炉冶炼并合金化；
㈡开坯：加热温度1160-1220℃，保温时间90-180min，开坯后坯料厚度120-150mm；
㈢轧制：采用两阶段控制轧制，板坯加热温度1140-1180℃，一阶段轧制温度为1020-1120℃，道次压下量15-30%，二阶段轧制温度为750-960℃，道次压下量≥12%，累计压下率≥60%，轧制厚度≤8mm；
㈣冷却：轧制后待温10-15s，使轧件温度均匀化，之后以15-40℃/s的冷却速率加速冷却至440-550℃后再空冷至室温；
㈤热处理：钢板加热至575-605℃回火45-70min后空冷至室温。
本发明工艺条件的限定起到的作用为：
9Ni钢是典型的热处理钢种，通常认为该材料需要水冷淬火工艺得到马氏体相(C以间隙原子形式存在于体心四方结构中)，并在随后的回火工艺中得到回火马氏体与回转奥氏体的混合组织。与该现有工艺认知不同的是，本发明认为9Ni钢中C原子含量很低，其高淬透性主要来自于高Ni含量，以适中的冷却速率发生相变形成铁素体板条束，同时使碳原子以小尺寸M-A组元形式存在于板条界或板条束界上，这种结构更有利于回火过程中回转奥氏体的形成与稳定化。9Ni钢化学成分决定了其具有高淬透性，若利用空冷工艺完成上述组织转变，一方面能够降低淬火能耗，另一方面也有利于板形控制。进一步地，在轧制后的控制冷却过程中而不是离线热处理中完成上述组织转变，则能够缩短热处理工艺流程并显著降低工艺成本。材料的淬透性主要由化学成分决定，而规格则显著影响冷却速率。本发明中8mm以下厚度规格的9Ni钢板在空冷条件下能够得到接近于淬火条件的板条束组织。轧制后加速冷却至440-550℃，该温度区间接近但仍高于过冷奥氏体相变临界点，在随后的空冷过程中γ-Fe以切边机制转变为α-Fe，得到板条束形态的铁素体组织，而C原子则仍能够发生扩散，在板条界或板条束界上富集或以M-A组元间隙原子形式存在，该组织及元素分布状态更有利于后续工艺中回转奥氏体的形成（图1所示为薄规格9Ni钢板控制冷却状态的组织形态，基体组织为尺寸细小的铁素体板条束）。此外，轧制后以15-40℃/s的冷却速率加速冷却能够避免高温缓冷条件下有害元素晶界偏聚及粗大碳化物析出，从而有利于低温韧性。在之后的离线回火工艺中，回转奥氏体在板条界或板条束界上形成，并在保温过程中进一步富集Ni等合金元素以提高稳定性；铁素体板条束在保温过程中则发生回复，同时铁素体中的P等有害元素也被排至回转奥氏体中，从而改善了基体性能。为了在回火过程中得到回转奥氏体，回火温度需要控制在材料相变临界点附近，温度过低则不能形成奥氏体，温度过高则奥氏体稳定性不足，而恰当的回火时间则能够在保证强度的前提下使回转奥氏体富集足够多的合金元素而在-196℃的超低温条件下也能够保持结构稳定；因此本发明中将回火温度控制在575-605℃，将回火时间控制在45-70min。
本发明化学成分含量限定理由如下：
Ni元素能够稳定奥氏体相、提高淬透性、降低韧脆转变温度并能够改善变形性能。本发明将Ni含量控制在8.6-9.1%，配合本发明的控轧控冷及热处理工艺，可以细化组织并得到适度回复的板条束组织加少量（体积分数1-5%）稳定的回转奥氏体，该混合组织具有较高强度及优良低温韧性。Ni含量过低，回转奥氏体稳定性下降，低温韧性难以保证；Ni含量过高则使成本增加。
C元素能够通过固溶强化或析出强化提高强度，同时能够稳定奥氏体相，但C含量过高不利于焊接热影响区低温韧性。9Ni钢稳定奥氏体相的主要元素为Ni，C含量应控制在较低水平，因此本发明将C含量控制在0.03-0.06%。
Si在炼钢过程中为脱氧元素，适量Si能够抑制Mn和P的偏聚，而O含量过高、Mn和P的偏聚都会损害9Ni钢低温韧性。但Si以间隙固溶原子形式存在时不利于韧性，因此含量不能过高。本发明将Si控制在0.1-0.2%。
Mn是奥氏体稳定元素，也是铁素体强化元素，还能够提高淬透性。Mn含量过低不利于强度，含量过高则易于形成大尺寸的MnS并损害塑性及韧性。因此本发明将Mn控制在0.5-0.8%。
Mo能够提高淬透性，同时也能够提高铁素体基体的回火抗力，使9Ni钢强度容易保证，微量添加即可发挥显著作用，含量过高则增加材料成本。本发明将Mo元素添加量控制在0.02-0.05%。
Al在炼钢过程中为脱氧元素，但过量添加会形成大尺寸的Al3O2和AlN并损害低温韧性。本发明将Al含量（Als）控制在0.015-0.035%。
S易与Mn形成MnS，P容易在晶界偏聚并降低晶界抗裂纹扩展能力，N容易与Al形成大尺寸的AlN，这些元素都会降低9Ni钢低温韧性，需要控制在最低限度。
本发明的有益效果是：
⑴利用9Ni钢淬透性高以及薄规格钢板空冷速率高的特点合理制定控制冷却工艺，在高温段加速冷却，在低温段自然空冷，与传统在线淬火工艺“一淬到底”的方式相比降低了能耗，并且元素分布和显微组织更有利于改善材料强韧性匹配。此外，在相变温度区间采取空冷方式也有利于薄板板形的控制，从而降低了对矫直工艺的要求，进一步降低了工艺成本；⑵热处理工艺仅有一道回火，与传统9Ni钢离线调质工艺相比减少了一道淬火，因而显著缩短了工艺流程并减少了能耗，大大降低了薄板热处理成本。
总之，本发明利用9Ni钢材料特性及薄规格钢板冷却特性，将控轧控冷与热处理工艺有机结合，在提高材料性能的同时缩短工艺流程、减少工艺能耗，达到了降低高强韧薄规格9Ni钢板生产成本的目的。本发明用于制造8mm及以下厚度规格高强韧9Ni钢板，与常规的离线调质工艺相比，能够降低吨钢热处理成本500元以上，并且与在线淬火加离线回火工艺相比能耗更低且性能更佳，具有良好的应用前景及经济效益。
附图说明
图1为薄规格9Ni钢板控制冷却状态的组织形态图。
图2为实施例1中9Ni钢板回火组织的光学显微照片。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种低成本高强韧薄规格9Ni钢板制造方法，按元素重量百分比其成分为：0.05%C，0.19%Si，0.59%Mn，9.1%Ni，0.022%Mo，0.019%Als，0.0011%S，0.004%P，0.004%N，以及余量Fe和不可去除杂质，采用300Kg真空感应炉炼钢，铸坯厚度200mm。将铸坯在加热炉中加热至1200℃并保温140min后开坯成150mm厚锻坯。将锻坯在加热炉中加热至1140℃，一阶段轧制开轧温度1105℃、终轧温度1040℃，压下规程为150mm -112mm -84mm -63mm -47mm -35mm，二阶段轧制开轧温度940℃、终轧温度775℃，压下规程为35mm -26mm -19.5mm-15mm -12mm -9.6mm -8mm。轧制后待温15s再以15℃/s的冷却速率加速冷却至440℃，之后空冷至室温。将轧板放入加热炉中加热至575℃回火70min后空冷至室温。上述工艺所得9Ni钢板显微组织如图2所示，为板条束基体加回转奥氏体第二相，屈服强度675MPa，抗拉强度722MPa，延伸率26%，-196℃横向冲击功142J（冲击试样截面尺寸为7.5mm×10mm），强度及韧性优良。
实施例2
本实施例提供一种低成本高强韧薄规格9Ni钢板制造方法。按元素重量百分比其成分为：0.06%C，0.11%Si，0.76%Mn，8.6%Ni，0.045%Mo，0.032%Als，0.0008%S，0.003%P，0.003%N，以及余量Fe和不可去除杂质，采用150Kg真空感应炉炼钢，铸坯厚度150mm。将铸坯在加热炉中加热至1220℃并保温90min后开坯成120mm厚锻坯。将锻坯在加热炉中加热至1160℃，一阶段轧制开轧温度1110℃、终轧温度1055℃，压下规程为120mm -89mm -67mm -50mm -37mm-27mm，二阶段轧制开轧温度945℃、终轧温度780℃，压下规程为27mm -20mm -15mm -12mm-10mm -8mm -6.8mm -6.0mm。轧制后待温12s再以30℃/s的冷却速率加速冷却至524℃，之后空冷至室温。将轧板放入加热炉中加热至605℃回火45min后空冷至室温。上述工艺所得9Ni钢板显微组织为板条束基体加回转奥氏体第二相，屈服强度656MPa，抗拉强度719MPa，延伸率23%，-196℃横向冲击功84J（冲击试样截面尺寸为5mm×10mm），强度及韧性优良。
实施例3
本实施例提供一种低成本高强韧薄规格9Ni钢板制造方法。按元素重量百分比其成分为：0.03%C，0.16%Si，0.63%Mn，8.9%Ni，0.036%Mo，0.024%Als，0.001%S，0.004%P，0.003%N，以及余量Fe和不可去除杂质，采用150Kg真空感应炉炼钢，铸坯厚度150mm。将铸坯在加热炉中加热至1160℃并保温180min后开坯成120mm厚锻坯。将锻坯在加热炉中加热至1180℃，一阶段轧制开轧温度1120℃、终轧温度1060℃，压下规程为120mm -90mm -67mm -50mm -37mm-28mm -24mm，二阶段轧制开轧温度960℃、终轧温度765℃，压下规程为24mm -18mm -13.5mm -11mm -9mm -7mm -6mm -5.1mm。轧制后待温10s再以40℃/s的冷却速率加速冷却至550℃，之后空冷至室温。将轧板放入加热炉中加热至590℃回火60min后空冷至室温。上述工艺所得9Ni钢板显微组织为板条束基体加回转奥氏体第二相，屈服强度668MPa，抗拉强度716MPa，延伸率24%，-196℃横向冲击功52J（冲击试样截面尺寸为3.3mm×10mm），强度及韧性优良。
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 (6)

1.一种低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
㈠炼钢：钢水的重量百分比成分为：C：0.03-0.06%，Si：0.1-0.2%，Mn：0.5-0.8%， Ni：8.6-9.1%，Mo：0.02-0.05%，Als：0.015-0.035%，S≤0.005%，P≤0.007%，N≤0.007%，以及余量Fe和不可去除杂质，采用真空度≤50Pa的真空炉冶炼并合金化；
㈡开坯：加热温度1160-1220℃，保温时间90-180min，开坯后坯料厚度120-150mm；
㈢轧制：采用两阶段控制轧制，板坯加热温度1140-1180℃，一阶段轧制温度为1020-1120℃，道次压下量15-30%，二阶段轧制温度为750-960℃，道次压下量≥12%，累计压下率≥60%，轧制厚度≤8mm；
㈣冷却：轧制后待温10-15s，使轧件温度均匀化，之后以15-40℃/s的冷却速率加速冷却至440-550℃后再空冷至室温；
㈤热处理：钢板加热至575-605℃回火45-70min后空冷至室温。
2.如权利要求1所述的低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法，其特征在于：所述步骤㈣中，轧制后加速冷却至440-550℃，该温度区间接近但仍高于过冷奥氏体相变临界点，在随后的空冷过程中γ-Fe以切边机制转变为α-Fe，得到板条束形态的铁素体组织，而C原子则能够发生扩散，在板条界或板条束界上富集或以M-A组元间隙原子形式存在，该组织及元素分布状态更有利于后续工艺中回转奥氏体的形成；轧制后加速冷却还能够避免高温缓冷条件下有害元素晶界偏聚及粗大碳化物析出，有利于低温韧性。
3.如权利要求1所述的低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法，其特征在于：所述步骤㈤中，钢板加热至575-605℃回火45-70min后空冷至室温，回转奥氏体在板条界或板条束界上形成，并在保温过程中进一步富集合金元素以提高稳定性；铁素体板条束在保温过程中则发生回复，同时铁素体中的有害元素也被排至回转奥氏体中，从而改善了基体性能。
4.如权利要求1或2或3所述的低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：按元素重量百分比其成分为：0.05%C，0.19%Si，0.59%Mn，9.1%Ni，0.022%Mo，0.019%Als，0.0011%S，0.004%P，0.004%N，以及余量Fe和不可去除杂质，采用300Kg真空感应炉炼钢，铸坯厚度200mm；将铸坯在加热炉中加热至1200℃并保温140min后开坯成150mm厚锻坯；将锻坯在加热炉中加热至1140℃，一阶段轧制开轧温度1105℃、终轧温度1040℃，压下规程为150mm -112mm -84mm -63mm -47mm -35mm，二阶段轧制开轧温度940℃、终轧温度775℃，压下规程为35mm -26mm -19.5mm -15mm -12mm -9.6mm -8mm；轧制后待温15s再以15℃/s的冷却速率加速冷却至440℃，之后空冷至室温；将轧板放入加热炉中加热至575℃回火70min后空冷至室温；所得9Ni钢板显微组织为板条束基体加回转奥氏体第二相，屈服强度675MPa，抗拉强度722MPa，延伸率26%，-196℃横向冲击功142J。
5.如权利要求1或2或3所述的低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：按元素重量百分比其成分为：0.06%C，0.11%Si，0.76%Mn，8.6%Ni，0.045%Mo，0.032%Als，0.0008%S，0.003%P，0.003%N，以及余量Fe和不可去除杂质，采用150Kg真空感应炉炼钢，铸坯厚度150mm；将铸坯在加热炉中加热至1220℃并保温90min后开坯成120mm厚锻坯；将锻坯在加热炉中加热至1160℃，一阶段轧制开轧温度1110℃、终轧温度1055℃，压下规程为120mm -89mm -67mm -50mm -37mm -27mm，二阶段轧制开轧温度945℃、终轧温度780℃，压下规程为27mm -20mm -15mm -12mm -10mm -8mm -6.8mm -6.0mm；轧制后待温12s再以30℃/s的冷却速率加速冷却至524℃，之后空冷至室温；将轧板放入加热炉中加热至605℃回火45min后空冷至室温；所得9Ni钢板显微组织为板条束基体加回转奥氏体第二相，屈服强度656MPa，抗拉强度719MPa，延伸率23%，-196℃横向冲击功84J。
6.如权利要求1或2或3所述的低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：按元素重量百分比其成分为：0.03%C，0.16%Si，0.63%Mn，8.9%Ni，0.036%Mo，0.024%Als，0.001%S，0.004%P，0.003%N，以及余量Fe和不可去除杂质，采用150Kg真空感应炉炼钢，铸坯厚度150mm；将铸坯在加热炉中加热至1160℃并保温180min后开坯成120mm厚锻坯；将锻坯在加热炉中加热至1180℃，一阶段轧制开轧温度1120℃、终轧温度1060℃，压下规程为120mm -90mm -67mm -50mm -37mm -28mm -24mm，二阶段轧制开轧温度960℃、终轧温度765℃，压下规程为24mm -18mm -13.5mm -11mm -9mm -7mm -6mm -5.1mm；轧制后待温10s再以40℃/s的冷却速率加速冷却至550℃，之后空冷至室温；将轧板放入加热炉中加热至590℃回火60min后空冷至室温；所得9Ni钢板显微组织为板条束基体加回转奥氏体第二相，屈服强度668MPa，抗拉强度716MPa，延伸率24%，-196℃横向冲击功52J。
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