CN107354397B - 一种抗应力腐蚀高强度钢及其控轧控冷工艺 - Google Patents

一种抗应力腐蚀高强度钢及其控轧控冷工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种抗应力腐蚀高强度钢及其控轧控冷工艺，属于金属材料技术领域。该高强度钢化学成分质量百分比为：C≤0.06％，Si：0.20‑0.30％，Mn：1.5‑1.9％，P≤0.010％，S≤0.006％，Cr：0.20‑0.50％，Ni：0.20‑0.30％，Cu：0.20‑0.50％，Nb：0.03‑0.06％，N：0.004‑0.01％，其余为Fe，并且Nb和N的质量百分比满足：6≤Nb/N≤8。该高强度钢的控轧控冷工艺首先对连铸坯加热保温后进行第一阶段轧制，然后控制冷却：再开始第二阶段轧制和轧后冷却。本发明通过合理的合金成分设计和控轧控冷技术，改善钢的力学性能和抗应力腐蚀性能。按照本发明的化学成分和轧制工艺，可生产屈服强度大于550MPa级的钢，其内部纳米大量颗粒尺寸<10nm、分布均匀的Nb(C,N)析出相，使钢的力学性能及抗应力腐蚀性能显著优于普通成分和工艺生产的E550钢。

Description

一种抗应力腐蚀高强度钢及其控轧控冷工艺
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，特别是指一种抗应力腐蚀高强度钢及其控轧控冷工艺。
背景技术
随着海洋资源的加速开采，海洋平台用钢需求量和性能要求不断提升，海洋平台用高强度钢板须具备高强度、高韧性、抗层状撕裂、抗疲劳、耐腐蚀、优良焊接性等特点。此外，由于苛刻的海洋服役环境，需对海洋平台采取阴极保护措施，当阴极保护电位控制不当时，可能会产生氢析出，析出的氢渗会透到钢的内部，加上钢的生产过程与会使钢中存在一定量的氢，从而使高强度钢在海洋服役环境存在应力腐蚀断裂的危险。因此在常规高强度海洋平台用钢生产技术的基础上，开发一种微合金化和控轧控冷技术，使生产的高强度海洋平台用钢具有优异的抗氢致应力腐蚀性能，对海洋平台的服役寿命和安全性具有重要意义。
氢陷阱能够捕获氢原子，避免氢的聚集，降低高强度钢在腐蚀和应力交互作用下发生开裂。通过微合金化和控轧控冷技术，使微合金元素的碳氮化合物在钢中大量弥散析出。利用弥散分布的碳氮化物作为可扩散性氢的陷阱，捕集钢中的氢，使钢中的氢无害化，是改善高强度钢氢致开裂型应力腐蚀性的一个新的途径。均匀、高度弥散和捕集能较大的氢陷阱，具有最强的捕集效应，能有效降低高强度钢在海洋下氢致开裂型应力腐蚀的风险。在钢中添加微合金元素Nb，通过严格的控轧控冷工艺，Nb与钢中的C、N元素能形成大量稳定、细小、弥散的析出相在钢中析出。这些细小、弥散的析出相，能通过析出强化和细化晶粒，提高钢的力学性能，还能作为高能氢陷阱捕集氢，降低钢的氢致应力腐蚀开裂的风险。要获得大量细小、弥散的Nb(C/N)析出相，需控制合理的Nb、N含量及控轧控冷工艺。合适的Nb、N含量，是形成足够量Nb(C/N)析出相的成分保证。Nb在钢中的添加量太少，难以保证析出足够的Nb(C/N)相，但添加量也不宜过多，否则形成的析出相容易长大粗化。控制合适的N量，以保证在不大量消耗钢中的C的前提下，满足形成Nb(C/N)相。合适的控轧控冷工艺制度，是形成大量、细小、弥散析出相的工艺保证。
本发明提供一种微合金化和控轧控冷技术，以生产屈服强度大于550MPa级的抗氢致开裂型应力腐蚀的海洋环境用高强度钢。
发明内容
为了提高现有钢种E550的抗氢致开裂型应力腐蚀的能力，本发明提供一种抗应力腐蚀高强度钢及其控轧控冷工艺。根据本发明制造的钢，具有不低于E550钢的力学性能以及良好的抗氢致开裂型应力腐蚀性能。
该高强度钢的化学成分质量百分比为：C≤0.06％，Si：0.20-0.30％，Mn：1.5-1.9％，P≤0.010％，S≤0.006％，Cr：0.20-0.50％，Ni：0.20-0.30％，Cu：0.20-0.50％，Nb：0.03-0.06％，N：0.004-0.01％，其余为Fe。
其中，Nb和N的质量百分比满足：6≤Nb/N≤8。
该高强度钢中各元素作用如下：
碳：随着碳含量增加，钢的强度增加，而韧性、焊接性能降低。由于控轧控冷工艺和微合金化技术的应用，同时为改善焊接热影响区的性能，钢中的碳含量逐渐降低。
锰：Mn有固溶强化作用，还可降低相变温度，进而细化铁素体晶粒。添加1.0％～1.5％Mn，相变温度降低50℃，可细化铁素体晶粒并保持多边形；当添加1.5％～2.0％Mn时，可获得针状铁素体组织。Mn还可提高韧性、降低韧脆转变温度，但是Mn含量过大会加速控轧钢板的中心偏析，从而引起钢板和钢管力学性能的各向异性。
铌：Nb对晶粒细化作用十分明显，Nb可延迟奥氏体再结晶、降低相变温度，通过固溶强化、相变强化、析出强化等机制来获得要求的性能。含一定量Nb的钢，配合合理的轧制工艺，可诱导析出细微的Nb(C,N)化合物。
氮：N、C均能与Nb形成化合物，N、C同时存在时，倾向于形成复合化合物Nb(C,N)。Nb(C,N)弥散析出时，能析出强化、细化晶粒、捕集H原子。合适的N量，可保证不大量消耗钢中的C，并满足形成Nb(C/N)相。
其余元素：Ni可增加奥氏体过冷能力，降低贝氏体和马氏体的转变温度，促成贝氏体和马氏体的形成。Cr可有效减少钢在冷却时形成铁素体、珠光体。S、P在此钢中为有害元素，其含量应尽量降低。
该抗应力腐蚀高强度钢的控轧控冷工艺，包括如下步骤：
(1)连铸坯加热保温：连铸坯装炉加热至1220±20℃，保温2h，准备热轧；
(2)第一阶段轧制：开轧温度1100-1150℃，总压下量控制为奥氏体再结晶临界变形量的85-95％；
(3)第一阶段控制冷却：第一阶段轧后雾冷至950±20℃，缓冷至920±20℃保温，缓冷与保温时间合计20min；
(4)第二阶段轧制：开轧温度900-920℃，轧制至钢材目标厚度；
(5)第二阶段控制冷却：轧后水冷至430-450℃，然后空冷至室温。
控轧控冷是通过控制轧钢过程中钢的加热保温温度、轧制温度及变形量、轧制速度、冷却温度和速度、保温等工艺参数，调控钢的再结晶、相变、析出、晶粒度等，以获得所期望的显微组织和性能。本发明中的控轧控冷，目的在于控制析出大量、细小、弥散、均匀分布的Nb(C,N)析出相。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，钢的组织为细晶粒状贝氏体，力学性能优于E550钢要求。钢的基体存在大量弥散且小于10纳米的Nb(C,N)析出相，有效提高钢在海洋环境的抗氢致开裂型应力腐蚀开裂性能。通过微合金化和控轧控冷技术改善钢的组织和力学性能。按照本发明工艺制造的抗氢致开裂型应力腐蚀高强度钢，其组织为细晶粒状贝氏体，并且弥散分布大量Nb(C,N)纳米析出相，其力学性能满足E550钢标准要求，并具有海洋环境下优异的抗氢致开裂型应力腐蚀性能。
附图说明
图1为本发明的实施例抗氢致开裂型应力腐蚀高强钢的组织形貌图；
图2为本发明实施例及比较例纳米析出相的透射电镜形貌图，其中，(a)为实施例的透射形貌图，(b)和(c)为比较例1和比较例2的透射形貌图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种抗应力腐蚀高强度钢及其控轧控冷工艺。
采用本发明所述的适用于深海耐腐蚀的高强钢实施例的化学成分见表1。
表1：本发明高强度低合金钢实施例的化学成分(质量％)
元素 C Si Mn Cr Ni Cu Nb N P S
实施例 0.06 0.27 1.84 0.35 0.26 0.26 0.055 0.0075 0.008 0.005
在表1成分下，实施例和比较例分别采用以下控轧控冷工艺方案：
(1)连铸坯加热保温：将连铸坯装炉加热至1220℃，保温2h，实施例和比较例相同；
(2)第一阶段轧制：开轧温度1120℃，总压下量60％，实施例和比较例相同；
(3)第一阶段控制冷却：
A实施例：第一阶段轧后雾冷至960℃，缓冷至925℃保温，缓冷与保温时间合计20min；
B比较例1：第一阶段轧后雾冷至1000℃；
C比较例2：第一阶段轧后雾冷至830℃；
(4)第二阶段轧制：
A实施例：开轧温度910℃，轧制至钢材目标厚度；
B比较例1：开轧温度1000℃，轧制至钢材目标厚度；
C比较例2：开轧温度830℃，轧制至钢材目标厚度；
(5)第二阶段控制冷却：轧后水冷至445℃，然后空冷至室温，实施例和比较例相同。
采用实施例和比较例高强钢制造实验材料，将线切割后的轧制试样经磨制和机械抛光后，用3％的硝酸酒精溶液侵蚀，在金相显微镜下观察金相组织。如图1所示，本发明实施例由贝氏体-铁素体或粒状贝氏体组成，分布在铁素体基体上，粒状贝氏体呈板条状由晶界向内生长，组织结构相对均匀。由于比较例的组织结构和实施例基本一致，不再赘述。
采用本发明所述工艺制造的高强钢及比较例制作三种实验材料，分别进行力学性能测试实验、慢应变速率拉伸(SSRT)实验。SSRT试样采用5mA/cm2的恒电流进行12h预充氢。SSRT实验的腐蚀介质为3.5％NaCl溶液，拉伸速率为1.2×10-6s-1，拉伸前预加载730kgf，以消除拉伸间隙，拉伸方向为试样轧向。测试中的应力腐蚀敏感指数ISCC定义为材料在腐蚀介质中相对于自身空拉的延伸率损失百分比，即ISCC＝Iδ＝(1-δs/δ0)×100％。力学性能及应力腐蚀敏感指数测试结果如表2所示。
表2：本发明高强度低合金钢实施例和比较例的力学性能及应力腐蚀敏感系数
本发明实施例的力学性能和比较例相比均有明显提高，并且对于氢致应力腐蚀的敏感指数显著降低，具有突出的抗氢致应力腐蚀开裂的能力。因此通过实施本发明所述的微合金化和控轧控冷技术，提高了钢的力学性能，特别是显著提高了钢的抗应力腐蚀能力。
控制微合金Nb(N,C)的析出，使析出相细小、弥散，可以显著地促进相变组织的细化，有效改善钢材的组织，提高钢材的强度和塑韧性。同时，纳米析出相Nb(N,C)也可作为高度弥散均匀分布的氢陷阱来捕集氢，有效减弱氢导致的应力腐蚀敏感性。实验对实施例和比较例的Nb(N,C)析出相进行观察比较。取0.3mm厚的金属薄片，预减薄到50μm以下后冲出φ<3mm圆片，用电解双喷制备透射电镜分析试样并在JEOL2100透射电镜TEM上观察析出相的大小和形貌。
如图2所示，(a)为实施例的透射形貌图，从图中可以看到大量的Nb(C,N)析出相均匀分布在材料中，析出相颗粒尺寸<10nm。图2(b)和(c)为比较例1和比较例2的透射形貌图，在图2(b)中析出相颗粒数量显著减少，图2(c)中Nb(C,N)析出相颗粒数量减少也很明显，并且析出相颗粒尺寸较大。Nb(C,N)析出相数量减少及颗粒尺寸增大，都将降低氢捕集效果，降低抗应力腐蚀性能。这一结果与前文的力学性能及应力腐蚀敏感指数的结果一致。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种抗应力腐蚀高强度钢的控轧控冷工艺，其特征在于：包括如下步骤：
(1)连铸坯加热保温：连铸坯装炉加热至1220±20℃，保温2h，准备热轧；
(2)第一阶段轧制：开轧温度1100-1150℃，总压下量控制为奥氏体再结晶临界变形量的85-95％；
(3)第一阶段控制冷却：第一阶段轧后雾冷至950±20℃，缓冷至920±20℃保温，缓冷与保温时间合计20min；
(4)第二阶段轧制：开轧温度900-920℃，轧制至钢材目标厚度；
(5)第二阶段控制冷却：轧后水冷至430-450℃，然后空冷至室温；
所制得钢的化学成分质量百分比为：C≤0.06％，Si：0.20-0.30％，Mn：1.5-1.9％，P≤0.010％，S≤0.006％，Cr：0.20-0.50％，Ni：0.20-0.30％，Cu：0.20-0.50％，Nb：0.03-0.06％，N：0.004-0.01％，其余为Fe；
所述Nb和N的质量百分比满足：6≤Nb/N≤8。
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