CN108660383A - 一种适用于-100℃的无镍经济型低温钢、钢管、钢板及其制造方法 - Google Patents

一种适用于-100℃的无镍经济型低温钢、钢管、钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于‑100℃的无镍经济型低温钢，其微观组织为铁素体+珠光体，所述适用于‑100℃的无镍经济型低温钢的化学元素质量百分含量为：0＜C≤0.18％；Si：0.15～0.4％；Mn：0.3～0.95％；Cr：0.15～0.55％；Cu：0.1～0.4％；Ti：0.005～0.06％；余量为Fe和其他不可避免的杂质；其中，Ti/Cu≥0.05。此外，本发明还公开了一种采用上述的无镍经济型低温钢制成的钢板、钢管及其制造方法。本发明所述的无镍经济型低温钢在不添加元素Ni的情况下，将Mn含量控制在一定范围，且无需添加Al元素，在对Cu和Ti元素合理配比的情况下实现钢的低温性能。

Description

一种适用于-100℃的无镍经济型低温钢、钢管、钢板及其制造 方法
技术领域
本发明涉及一种钢、钢产品及其制造方法，尤其涉及一种无镍低温钢、钢产品及其制造方法。
背景技术
低温环境本质上主要分为两类，一类是在低温下为实现某工艺要求，如丙烷脱氢制丙烯等，另一类是为了提高效率而把气体液化后输送或存储，前者如天然气等长输管道，后者如液化气瓶等。就金属而言，奥氏体不锈钢因其没有明显的韧脆转变温度而满足上述要求，但由于奥氏体不锈钢价高而缺乏竞争力，因此性价比高的铁素体型低温钢是研究的热点和工程应用的重点。从元素对低温韧性作用来看，一般认为C、Si、P、S、N等是有害元素，尤其P的危害最大，而Mn、Ni等是有益元素。因此，铁素体型低温钢，总体而言主要依靠Ni、Mn等元素，尤其是Ni元素实现低温性能(参见图1)。图1显示了现有技术中的低温液态物质常压沸点及对应中美低温钢。此外，据统计，Ni每增加1wt％，脆性临界转变温度约可降低20℃，但添加Ni无疑会增加钢生产成本。
目前，现有技术中的低温钢种多采用Ni和Mn来实现其低温性能，例如：
公开号为CN101448966，公开日为2009年6月3日，名称为“低温下具有超高强度和优良韧性的低碳合金钢管及其制造方法”的中国专利文献公开了一种低碳合金钢管及其制造方法，该专利文献所公开的技术方案中不仅需要添加Ni，且Mn的含量在0.3～1.5％。
公开号为CN102424936A，公开日为2012年4月25日，名称为“一种耐低温冲击的合金结构钢及其制造方法”的中国专利文献涉及一种耐低温冲击的合金结构钢，其镍和锰含量为：锰：0.60-1.10％，镍：0.20-0.50％，并且含量为0.030-0.060％。
公开号为CN102965568A，公开日为2013年3月13日，名称为“相变韧化低合金钢板及其制备方法”的中国专利文献公开了一种相变韧化低合金钢板及其制备方法，其中，Mn含量为2.6～3.8％，Al的含量为0.01～0.06％。Cu元素在上述专利文献中仅作为残余元素加以控制。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种适用于-100℃的无镍经济型低温钢。该无镍经济型低温钢在不添加元素Ni的情况下，将Mn含量控制在一定范围，且无需添加Al元素，在对Cu和Ti元素合理配比的情况下实现钢的低温性能。
为了实现上述目的，本发明提出了一种适用于-100℃的无镍经济型低温钢，其微观组织为铁素体+珠光体，所述适用于-100℃的无镍经济型低温钢的化学元素质量百分含量为：
0＜C≤0.18％；
Si：0.15～0.4％；
Mn：0.3～0.95％；
Cr：0.15～0.55％；
Cu：0.1～0.4％；
Ti：0.005～0.06％；
余量为Fe和其他不可避免的杂质；
其中，Ti/Cu≥0.05。
本发明所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢的各化学元素的设计原理如下所述：
C：在本发明所述的无镍经济型低温钢中，C是低温性能有害元素，原则上应越低越好，但由于C是客观存在的，而且过度降低C的质量百分比，一则不经济，再则对钢的强度不利，因此，在本发明所述的无镍经济型低温钢中C的质量百分含量控制在0＜C≤0.18％。
Si：Si：0.15～0.4％：Si也是低温性能有害元素，因而，也需要限定其添加量，但由于Si可起到固溶强化提高钢的强度的作用，因此，在本发明所述的无镍经济型低温钢中，控制Si的质量百分含量在0.15～0.4％。
Mn：Mn是低温性能有益元素，并可提高钢的强度，但Mn的质量百分比过高时，组织偏析倾向加重，易与S结合形成夹渣物，不利于钢的低温性能，因此，在本发明所述的无镍经济型低温钢中，控制Mn的质量百分含量在0.3～0.95％。
Cr：Cr是淬透性元素，对提高强度有利，但淬透性过高也不利于生产，含量过高不仅降低了经济性，更不利于低温冲击韧性，因此，在本发明所述的无镍经济型低温钢中，控制Cr的质量百分含量在Cr：0.15％～0.55％。
Cu：Cu是奥氏体化形成元素，而面心立方结构的奥氏体组织无低温韧脆转变温度，因此，残余奥氏体有利于提高钢低温韧性，但Cu的添加量过高易于引起轧制时开裂，因此，在本发明所述的无镍经济型低温钢中，控制Cu的质量百分含量在Cu：0.10％～0.40％。
Ti：在本发明所述的技术方案中，Ti可细化晶粒，提高晶界结合力和强度，并能抑制Cu致开裂，但Ti的质量百分含量过高也不利于加工，因此控制Ti的质量百分含量在Ti：0.005～0.06％。
此外，发明人经过大量实验研究发现将Ti与Cu的质量百分比控制在Ti/Cu≥0.05有利于提高钢的低温性能，这是由于：Ti的含量过低时，尤其是在Ti/Cu＜0.05时，Ti对抑制Cu致不开裂的效果不明显。
为了提高钢的低温冲击性能，对于不可避免的杂质元素的质量百分含量应当控制的越低越好，然而受工艺条件限制以及从节约生产成本角度考虑，将不可避免的杂质元素控制在：P≤0.015％，S≤0.015％，N≤100ppm，O≤50ppm，H≤5ppm，Pb≤120ppm，Bi≤120ppm，As≤200ppm，、Sn≤200ppm。
在一些优选的实施方式中，不可避免的杂质可进一步控制在P≤0.010％，S≤0.008％，N≤80ppm，O≤40ppm，H≤4ppm，Pb≤100ppm，Bi≤100ppm，As≤150ppm，、Sn≤150ppm。
进一步地，在本发明所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢中，C元素含量为0＜C≤0.10％。
进一步地，在本发明所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢中，Si元素含量为0.2～0.38％。
进一步地，在本发明所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢中，Mn元素含量为0.35～0.75％。
进一步地，在本发明所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢中，Cr元素含量为0.35～0.85％。
进一步地，在本发明所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢中，Cu元素含量为0.15～0.3％。
进一步地，在本发所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢中，Ti元素含量为0.015～0.05％。
进一步地，在本发明所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢中，Ti/Cu≥0.1。
进一步地，在本发明所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢中，采用10*10*55mm标准冲击试样时，所述适用于-100℃的无镍经济型低温钢在热轧态或正火态或正火+回火态下的-100℃低温冲击功≥100J，或者所述适用于-100℃的无镍经济型低温钢在冷轧/拔态下的-100℃低温冲击功≥60J。
进一步地，在本发明所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢中，所述适用于-100℃的无镍经济型低温钢的热轧态或正火态或正火+回火态产品的屈服强度≥280MPa，抗拉强度≥400MPa，延伸率≥35％。
进一步地，在本发明所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢中，所述适用于-100℃的无镍经济型低温钢的冷轧产品的屈服强度≥340MPa，抗拉强度≥500MPa，延伸率≥30％。
本发明的另一目的在于提供一种钢板。其采用上述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢制成。
相应地，本发明的又一目的在于提供上述钢板的制造方法，包括步骤：
(1)冶炼并铸造成板坯；
(2)加热：加热温度1100-1300℃，保温时间≥30min；
(3)热轧：终轧温度≥800℃；
其中，控制从板坯到成品板的总变形量不低于30％。
在一些优选的实施方式中，步骤(2)的加热温度可控制在1150～1250℃，保温时间控制在≥45min。此外，在一些优选的实施方式中，步骤(3)的终轧温度可控制在≥850℃。
进一步地，本发明还提供了一种上述钢板的制造方法，包括步骤：
(1)冶炼并铸造成板坯；
(2)加热：加热温度1100-1300℃，保温时间≥30min；
(3)热轧；
(4)冷轧；
(5)热处理：冷轧后也可正火或正火+回火热处理。采用正火步骤或正火+回火步骤进行热处理，其中正火温度为800-950℃，正火保温时间≥20min，然后空冷；回火温度为480-630℃，正火保温时间≥20min，然后空冷。
其中，控制从板坯到成品板的总变形量不低于30％。
需要说明的是，当钢板为热轧产品时，无需后续的热处理，可热轧态交货，当然在另一些实施方式中，热轧后也可以采用正火或正火+回火热处理，其中，正火温度为800-950℃，正火保温时间≥20min，然后空冷；回火温度为480-630℃，回火保温时间≥20min，然后空冷。在一些优选的实施方式中，正火温度优选控制为865～900℃，正火保温时间优选控制为≥30min，回火温度优选控制为500-580℃，优选回火保温时间≥30min，然后空冷。
此外，当钢板为冷轧产品时，先热轧到中间厚度，然后视冷轧产品厚度规格，经一道次或多道次冷轧到产品规格，产品越薄冷轧道次越多，冷轧后可无需后续的热处理，既可冷轧态交货，也可正火态或正火+回火态使用。
在一些优选的实施方式中，正火温度优选控制为850～910℃，正火保温时间优选控制为≥30min，然后空冷。回火温度优选控制为500-580℃，优选回火保温时间≥30min，然后空冷。
此外，本发明的另一目的在于提供一种钢管，其采用上述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢制成。
相应地，本发明的又一目的在于提供上述钢管的制造方法，包括步骤：
(1)冶炼并铸造成管坯；
(2)加热：加热温度1100-1300℃，保温时间≥60min；
(3)穿孔：穿孔温度为1050-1200℃；
(4)再加热：温度900-1050℃，保温时间≥20min；
(5)热轧：终轧温度≥800℃；
(6)热处理：热轧后也可正火或正火+回火热处理。正火温度为800-950℃，正火保温时间≥20min，然后空冷；回火温度为480-630℃，正火保温时间≥20min，然后空冷。
其中，控制从管坯到成品管的总变形量不低于30％。
在一些优选的实施方式中，从管坯到成品管的总变形量不低于45％。
进一步地，本发明还提供了一种上述钢管的制造方法，包括步骤：
(1)冶炼并铸造成管坯；
(2)加热：加热温度1100-1300℃，保温时间≥60min；
(3)穿孔：穿孔温度为1050-1200℃；
(4)再加热：温度900-1050℃，保温时间≥20min；
(5)热轧；
(6)冷轧或冷拔；
(7)热处理：热轧后也可正火或正火+回火热处理。正火温度为800-950℃，正火保温时间≥20min，然后空冷；回火温度为480-630℃，正火保温时间≥20min，然后空冷。
其中，控制从管坯到成品管的总变形量不低于30％。
进一步地，在本发明所述的钢管的制造方法中，所述步骤(3)还包括空减和连轧。
需要说明的是，当钢管为热轧产品时，无需后续的热处理，可热轧态交货，当然在另一些实施方式中，热轧后也可以采用正火或正火+回火热处理，其中，正火温度为800-950℃，正火保温时间≥20min，然后空冷；回火温度为480-630℃，正火保温时间≥20min，然后空冷。在一些优选的实施方式中，正火温度优选控制为850～910℃，正火保温时间优选控制为≥30min，回火温度优选控制为500-580℃，优选回火保温时间≥30min，然后空冷。
此外，当钢管为冷轧/拔产品时，先热轧到中间母管，然后视冷轧/拔产品厚度规格，经一道次或多道次冷轧/拔到产品规格，产品越薄冷轧/拔道次越多，冷轧后可无需后续的热处理，既可冷轧/拔态交货，也可正火态或正火+回火态使用。
在一些优选的实施方式中，正火温度优选控制为850～910℃，正火保温时间优选控制为≥30min，然后空冷。回火温度优选控制为500-580℃，优选回火保温时间≥30min，然后空冷。
本发明所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢在不添加元素Ni的情况下，将Mn含量控制在一定范围，且无需添加Al元素，在对Cu和Ti元素合理配比的情况下实现钢的低温性能。采用所述的无镍经济型低温钢的钢板、钢管也具有上述优点。
附图说明
图1显示了现有技术中的低温液态物质常压沸点及对应中美低温钢。
图2示意性地显示了与表6对应的无镍经济型低温钢的热轧态和正火态低温冲击性能与现有产品的比对结果。
图3为实施例3的无镍经济型低温钢正火态金相组织图。
图4为实施例3的无镍经济型低温钢热轧态金相组织图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢、钢管、钢板及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例1-12
实施例1-12的无镍经济型低温钢采用表1所列出的各化学元素的质量百分含量进行冶炼，其中，将实施例1-6的无镍经济型低温钢制成钢板，将实施例7-12的无镍经济型低温钢制成钢管。
表1.(余量为Fe和除了P、S、N、O、H、Pb、Bi、As和Sn以外的其他不可避免的杂质元素)
实施例1-3的无镍经济型低温钢制成钢板的制造方法，包括步骤：
(1)冶炼并铸造成板坯；
(2)加热：加热温度1100-1300℃，保温时间≥30min；
(3)热轧：终轧温度≥800℃。
其中，控制从板坯到成品板的总变形量不低于30％。
表2列出了实施例1-3的制造方法所涉及的步骤中具体工艺参数。
表2.
实施例4-6的无镍经济型低温钢制成钢板的制造方法，包括步骤：
(1)冶炼并铸造成板坯；
(2)加热：加热温度1100-1300℃，保温时间≥30min；
(3)热轧；
(4)冷轧；
(5)热处理：采用正火步骤或正火+回火步骤进行热处理，其中正火温度为800-950℃，正火保温时间≥20min，然后空冷；回火温度为480-630℃，回火保温时间≥20min，然后空冷。
其中，控制从板坯到成品板的总变形量不低于30％。
表3列出了实施例4-6的制造方法所涉及的步骤中具体工艺参数。
表3.
实施例7-9的无镍经济型低温钢制成钢管的制造方法，包括步骤：
(1)冶炼并铸造成管坯；
(2)加热：加热温度1100-1300℃，保温时间≥60min；
(3)穿孔：穿孔温度为1050-1200℃，随后空减、连轧；
(4)再加热：温度900-1050℃，保温时间≥20min；
(5)热轧：终轧温度≥800℃；
其中，控制从管坯到成品管的总变形量不低于30％。
表4列出了实施例7-9的制造方法所涉及的步骤中具体工艺参数。
表4.
实施例10-12的无镍经济型低温钢制成钢管的制造方法，包括步骤：
(1)冶炼并铸造成管坯；
(2)加热：加热温度1100-1300℃，保温时间≥60min；
(3)穿孔：穿孔温度为1050-1200℃，随后空减、连轧；
(4)再加热：温度900-1050℃，保温时间≥20min；
(5)热轧；
(6)冷轧或冷拔；
(7)热处理：采用正火步骤或正火+回火步骤进行热处理，其中正火温度为800-950℃，正火保温时间≥20min，然后空冷；回火温度为480-630℃，回火保温时间≥20min，然后空冷。
其中，控制从管坯到成品管的总变形量不低于30％。
表5列出了实施例10-12的制造方法所涉及的步骤中具体工艺参数。
表5.
上述实施例的微观组均为铁素体+珠光体，且晶粒度7级，为各实施例的优异的低温性能奠定了组织基础。
采用表1中所示的实施例3的无镍经济型低温钢的成分配比分别获得热轧态、正火态、冷轧态和冷拔态的相应钢种产品，然后进行各温度下低温冲击性能测试，试样规格为10*2.5*55mm，测试结果列于了表6。为便于比较，把-80℃和-100℃时的按常规倍数关系折算成10*10*55mm规格的值列入表中，对比例参照采用美标A333。
表6.
图2示意性地显示了表6中的热轧态和正火态的无镍经济型低温钢低温冲击性能与现有产品的比对结果。结合表6和图2，可以看出图2中虚线显示了美标A333对低温冲击功平均值和最小值的下限要求。在试样规格为10*2.5*55mm时，无镍经济型低温钢的热轧态在-40℃～-100℃的冲击功范围在29～32J，并且随温度降低，冲击韧性尽管整体上呈下降趋势，但降幅轻微，最高值与最低值仅差3J，其中-60℃时性能最好。相比于正火态，无镍经济型低温钢在相同温度下热轧态的冲击功韧性略微降低，但二者总体变化不大，冲击功最大相差约3J。
此外，对无镍经济型低温钢的断面形貌可以看出，正火态和热火态均在-100℃时韧性断裂，由此说明，热轧态钢产品和正火态钢产品的冲击韧性处于同一水平。相比于美标A333要求，本发明所述的无镍经济型低温钢的低温冲击功达到其平均值的6倍。况且相较于适用于-100℃的A333Gr.3、A333Gr.4和06Ni3MoDG均含高价元素Ni而言，本发明所述的技术方案中完全不含Ni元素。因此，本发明所述的无镍经济型低温钢具有低温冲击性能佳且经济性价比高的优点。
对实施例3和4采用弧状拉伸试样，室温拉伸性能结果列于表7。
表7.
序号 状态 Rp0.2(MPa) Rm(MPa) A(％)
实施例3 热轧 302 442.5 35.5
实施例4 正火 288 429 37.25
A333Gr.3 正火+回火 ≥240 ≥450 ≥30
A333Gr.4 正火+回火 ≥240 ≥415 ≥30
06Ni3MoDG 正火态 ≥250 ≥455 ≥30
由表7可以看出，实施例3和4各室温拉伸性能与A333Gr.3、A333Gr.4和06Ni3MoDG相比，本案实施例3和4正火态和热轧态总体上处于同一水平，正火态的屈服和抗拉强度略低，而延伸率略高。并且本案实施例3和4的屈服强度和延伸率高于A333Gr.3、A333Gr.4和06Ni3MoDG，抗拉强度比A333Gr.4高，比A333Gr.3和06Ni3MoDG低。由此可见，从机械性能和经济性角度来看，本发明所述的无镍经济型低温钢性能均优于A333Gr.4，尽管机械性能略低于A333Gr.3和06Ni3MoDG，但从合金成本而言，经济上优于A333Gr.3和06Ni3MoDG。
图3为实施例3的无镍经济型低温钢正火态金相组织图。
图4为实施例3的无镍经济型低温钢热轧态金相组织图。
结合图3和图4可以看出，实施例3的微观组均为铁素体+珠光体，且晶粒度7级，为实施例3的优异的低温性能奠定了组织基础。
需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种适用于-100℃的无镍经济型低温钢，其特征在于，其微观组织为铁素体+珠光体，所述适用于-100℃的无镍经济型低温钢的化学元素质量百分含量为：
0＜C≤0.18％；
Si：0.15～0.4％；
Mn：0.3～0.95％；
Cr：0.15～0.55％；
Cu：0.1～0.4％；
Ti：0.005～0.06％；
余量为Fe和其他不可避免的杂质；
其中，Ti/Cu≥0.05。
2.如权利要求1所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢，其特征在于，C元素含量为0＜C≤0.10％。
3.如权利要求2所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢，其特征在于，Si元素含量为0.2～0.38％。
4.如权利要求1所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢，其特征在于，Mn元素含量为0.35～0.75％。
5.如权利要求1所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢，其特征在于，Cr元素含量为0.25～0.50％。
6.如权利要求1所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢，其特征在于，Cu元素含量为0.15～0.3％。
7.如权利要求1所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢，其特征在于，Ti元素含量为0.015～0.05％。
8.如权利要求1所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢，其特征在于，Ti/Cu≥0.1。
9.如权利要求1所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢，其特征在于，采用10*10*55mm标准冲击试样时，所述适用于-100℃的无镍经济型低温钢在热轧态或正火态或正火+回火态下的-100℃低温冲击功≥100J，或者所述适用于-100℃的无镍经济型低温钢在冷轧/拔态下的-100℃低温冲击功≥60J。
10.如权利要求1或9所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢，其特征在于，所述适用于-100℃的无镍经济型低温钢的轧态或正火态或正火+回火态产品的屈服强度≥280MPa，抗拉强度≥400MPa，延伸率≥35％。
11.如权利要求1或9所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢，其特征在于，所述适用于-100℃的无镍经济型低温钢的冷轧产品的屈服强度≥340MPa，抗拉强度≥500MPa，延伸率≥30％。
12.一种钢板，其采用如权利要求1-11中任意一项所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢制成。
13.如权利要求12所述的钢板的制造方法，其特征在于，包括步骤：
(1)冶炼并铸造成板坯；
(2)加热：加热温度1100-1300℃，保温时间≥30min；
(3)热轧：终轧温度≥800℃。
其中，控制从板坯到成品板的总变形量不低于30％。
14.如权利要求12所述钢板的制造方法，其特征在于，包括步骤：
(1)冶炼并铸造成板坯；
(2)加热：加热温度1100-1300℃，保温时间≥30min；
(3)热轧；
(4)冷轧；
(5)热处理：采用正火步骤或正火+回火步骤进行热处理，其中正火温度为800-950℃，正火保温时间≥20min，然后空冷；回火温度为480-630℃，回火保温时间≥20min，然后空冷。
其中，控制从板坯到成品板的总变形量不低于30％。
15.一种钢管，其采用如权利要求1-11中任意一项所述的适用于-100℃的无镍经济型低温钢制成。
16.如权利要求15所述的钢管的制造方法，其特征在于，包括步骤：
(1)冶炼并铸造成管坯；
(2)加热：加热温度1100-1300℃，保温时间≥60min；
(3)穿孔：穿孔温度为1050-1200℃；
(4)再加热：温度900-1050℃，保温时间≥20min；
(5)热轧：终轧温度≥800℃；
其中，控制从管坯到成品管的总变形量不低于30％。
17.如权利要求15所述的钢管的制造方法，其特征在于，包括步骤：
(1)冶炼并铸造成管坯；
(2)加热：加热温度1100-1300℃，保温时间≥60min；
(3)穿孔：穿孔温度为1050-1200℃；
(4)再加热：温度900-1050℃，保温时间≥20min；
(5)热轧；
(6)冷轧或冷拔；
(7)热处理：采用正火步骤或正火+回火步骤进行热处理，其中正火温度为800-950℃，正火保温时间≥20min，然后空冷；回火温度为480-630℃，回火保温时间≥20min，然后空冷。
其中，控制从管坯到成品管的总变形量不低于30％。
18.如权利要求16或17所述的钢管的制造方法，其特征在于，所述步骤(3)还包括空减和连轧。
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