CN108660389B

CN108660389B - 一种具有优异止裂性的高强厚钢板及其制造方法

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Publication number: CN108660389B
Application number: CN201710196157.XA
Authority: CN
Inventors: 周成; 严玲; 张鹏; 肖青松; 朱隆浩; 韩鹏; 陈华; 王�华; 李新玲
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2020-04-24
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: CN108660389A

Abstract

本发明涉及一种具有优异止裂性的高强厚钢板，所述钢板判定止裂性的宽板拉伸Kca值大于6000N/mm^1.5，在厚度方向上1/4和1/2处的屈服强度≥460MPa，抗拉强度570～720MPa，‑40℃夏比冲击功≥200J，零塑性转变温度小于‑60℃；按重量百分比计，包括以下组分C：0.04～0.16％，Si：0.1～0.5％，Mn：0.9～1.6％，Cu：0.1～0.3％，Ni：0.2～0.9％，P：≤0.02％，S：≤0.02％，Als：0.01％～0.05％，N：0.002～0.010％，Nb：0.02％～0.05％，Ti：0.01～0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明通过优化高强度钢板化学成分，采用控制轧制和控制冷却工艺控制板厚方向的显微组织和晶粒尺寸，得到成材率高、强度和韧性稳定的止裂钢板。用于集装箱船用钢，该钢板具有优异的止裂韧性，高屈服强度，优异的低温韧性和大厚度尺寸的特点。

Description

一种具有优异止裂性的高强厚钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及金属材料制备领域，特别涉及一种具有优异止裂性的高强厚钢板及其制造方法。

背景技术

随着集装箱船的超大型化推进，从前几年的最大装载数10000TEU推进到现在的20000TEU，从而需要船舶的结构构件(舱口围板和舱口围顶板)不断增厚，强度进一步提高。更为重要的是，为了抑制结构构件的脆性断裂，要求具有抑制脆性裂纹扩展的能力即止裂性(脆性断裂扩展停止性能)。然而，对于厚度为50mm以上的高强度厚板钢来说，具有优异止裂性及板厚1/4和1/2位置具有优异韧性和高强度的性能是难以保证的。因此，对于高强度厚板钢，获得优异止裂性技术是保证结构构件安全的重要条件。

申请号为200910147530.8的发明专利提出一种具有脆性龟裂传播停止特性的厚板钢制备方法，其特点是距表面深t/8～t/4的位置，主要由贝氏体为主，以相邻两个结晶方位差15°以上的大角度晶界包围形成平均晶粒尺寸为8μm以下。在该技术中，无法保证板厚方向t/4～t/2位置的止裂性、韧性和强度及微观组织的均匀性等要求；另外该技术要求在轧制途中需经过冷却、轧制和回热工序，制造工艺变得复杂，增加了实际操作难度，影响实际成材率。在该专利成分设计如下：C:0.05～0.12％、Si:0.05～0.30％、Mn:1.00～1.80％、Al:0.01～0.06％、Ti:0.005～0.03％、Nb:0.005～0.05％、B:0.0005～0.003％、N:0.0020～0.0090％，其中没有添加提高韧性的Ni元素，尤其在厚板钢中难以保证心1/2位置的韧性性能。

申请号为200810092346.3的发明专利提出一种具有脆性龟裂传播停止特性和板厚中央部的韧性优异的钢板制备方法。在该技术中，以90％以上的铁素体为主，通过晶粒细化，由此确保良好的脆性龟裂传播停止特性。然而，该技术以软质的铁素体为母相，难以得到适当的高强度钢板。在该专利成分设计如下：0.01～0.06％、Si:0.01～0.8％、Mn:1.0～1.8％、Al:0.01～0.08％、Nb:0.02～0.08％、Ni:0.20～0.8％，其中C含量范围为0.01～0.06％，C含量过低则难以保证厚钢板的高强度性能。

申请号为200810127424.9的发明专利提出一种具有脆性龟裂传播停止特性的高热能输入焊接用厚钢板。在该技术中，规定了贝氏体的面积百分比要求大于95％，且要求控轧位错密度在一定范围内。然而，该技术忽视了厚板钢是需要贝氏体和铁素体的配合才能达到优异的止裂性能，而且厚度方向1/2位置的韧性和强度没有说明，无法保证厚度方向性能的均匀性。其化学成分如下：C:0.030～0.15％、Si:1.0％以下但不含0％、Mn:0.8～2.0％、Al:0.01～0.10％、Ti:0.015～0.03％、B:0.001～0.0035％、N:0.005～0.01％、Cu:2.0％以下但不含0％、Ni:2.0％以下但不含0％、Cr:2.0％以下但不含0％、Mo:1.0％以下但不含0％。V:0.1％以下但不含0％。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有优异止裂性的高强厚钢板及其制造方法，适用集装箱船用钢，采用控制轧制和控制冷却工艺控制板厚方向的显微组织和晶粒尺寸，得到成材率高、强度和韧性稳定的止裂钢板。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种具有优异止裂性的高强厚钢板，所述钢板判定止裂性的宽板拉伸Kca值大于6000N/mm^1.5，在厚度方向上1/4和1/2处的屈服强度≥460MPa，抗拉强度570～720MPa，-40℃夏比冲击功≥200J，零塑性转变温度(NDT)小于-60℃；按重量百分比计，包括以下组分C：0.04～0.16％，Si：0.1～0.5％，Mn：0.9～1.6％，Cu：0.1～0.3％，Ni：0.2～0.9％，P：≤0.02％，S：≤0.02％，Als：0.01％～0.05％，N：0.002～0.010％，Nb：0.02％～0.05％，Ti：0.01～0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述钢板成品厚度范围为50～90mm。

一种具有优异止裂性的高强厚钢板制造方法，包括如下步骤：

(1)冶炼工艺：按上述组分进行冶炼、连铸后得到连铸坯，LF和RH精炼炉处理各需要10～20min，中包钢水过热度≤25℃，全程保护浇铸；

(2)加热工艺：为防止加热过程中钢坯过热、原始奥氏体晶粒粗大，加热温度控制在1100～1150℃，均热温度控制在1100～1130℃，到温保温时间30～50min；

(3)轧制工艺：对钢坯进行两阶段控制轧制，第一阶段为再结晶区轧制，轧制温度控制在再结晶临界温度以上范围为900～1000℃，单道次压下率大于15％，累计压下率40％～50％，一阶段轧制后对钢板表面进行间断式水冷至760～800℃为止，其目的是通过大压下率变形使钢板1/4和1/2厚度位置的奥氏体再结晶，细化奥氏体晶粒，间断式水冷可以减少待温时间，阻止晶粒长大；第二阶段为未再结晶区轧制，开轧温度在Ar3以上范围为760～800℃，采用单道次压下率大于12％，累计压下率最优控制在50％～60％之间，终轧温度720～760℃，其目的使奥氏体晶粒充分变形拉长，为相变形核提供储能和位置，提高相变形核率；

(4)冷却工艺：采用平均冷速大于3℃/s的快速层流冷却系统，返红温度控制在350～400℃，其目的是保证贝氏体和铁素体相的良好匹配形成具有优异强韧性的性能，之后采用铺垫热轧板的方式缓冷24小时，得成品。

以下阐述本发明的止裂钢中各合金成分作用机理，其中百分符号％代表重量百分比。

C：是保证强度的必要元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但是过高的C含量对钢的延性、韧性和焊接性有负面影响。从经济性和产品性能角度考虑，优选C含量控制在0.04～0.16％。

Si：是炼钢过程中主要的脱氧成分，为了得到充分的脱氧效果必须含0.10％以上，但若超过上限则会降低母材及焊接部位的韧性，以固溶形式存在的Si在提高强度的同时也能提高韧脆转变温度，因此优选Si含量为0.1～0.5％。

Mn：是保证钢的强度和韧性的必要元素，Mn与S结合形成MnS，避免晶界处形成FeS而导致的热裂纹，同时Mn也是良好的脱氧剂。为了提高本发明材料的强韧性，因此优选Mn含量范围为0.9～1.6％。

Cu：在钢中加入Cu，可以提高钢的耐蚀性、强度，改善焊接性、成型性与机加工性等。与Ni同时使用，还可以避免热脆性。Cu含量范围为0.1～0.3％

Ni：具有固溶强化作用，能促使合金钢形成稳定奥氏体组织，具备使Ar3点降低和碳当量或冷裂纹敏感系数Pcm的最小的特性，能提高钢的强度和韧性，并改善Cu在钢中引起的热脆性，因此本发明Ni含量控制在0.2～0.9％。

P：是对冲击值带来不利影响的元素，可以在板坯中心部位偏析以及在晶界聚集等损害低温韧性，本发明材料控制在不高于0.02％。

S：是对冲击值带来不利影响的元素，可以形成硫化物夹杂，成为裂纹源，本发明材料控制在不高于0.02％。

Al：作为本发明必须添加的脱氧和细化晶粒元素，添加含量在0.01％以上，但超过0.08％时容易产生铸坯热裂纹，同时钢的韧性降低。更优选含量范围为0.01～0.05％。

N：与Al、Ti、Nb等元素结合，形成氮化物，是使母材组织微细化的元素。为了发挥这样的效果，需要使N含有0.002％以上，然而过多的固溶N是使HAZ的韧性恶化的原因，因此N含量范围在0.002～0.010％。

Nb：有效细化钢的晶粒尺寸，作为提高钢的强度和韧性而添加的元素。当Nb含量小于0.01％时对钢的性能作用效果小，而超过0.05％时，钢的焊接性能和韧性均降低，因此Nb含量0.02～0.05％为本发明的优选范围。

Ti：作为提高钢的韧性和焊接部位韧性而添加的成分，以TiN形式存在而发挥作用，但超过0.04％时易形成大颗粒TiN而失去效果，因此添加Ti含量优选范围为0.01～0.03％。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过优化高强度钢板化学成分，采用控制轧制和控制冷却工艺控制板厚方向的显微组织和晶粒尺寸，得到成材率高、强度和韧性稳定的止裂钢板。用于集装箱船用钢，该钢板具有优异的止裂韧性(Kca>6000N/mm^1.5)，高屈服强度(≥460MPa)，优异的低温韧性(-40℃冲击功≥200J)和大厚度尺寸(成品厚度范围为50～90mm)的特点。

2.本发明通过添加适当Cu、Ni和微合金元素，控制硫磷含量，采用控制轧制和控制冷却方法，提高钢板厚度方向不同位置1/4和1/2厚度的低温韧性和屈服强度，使钢板具有优异的止裂性能，可满足460MPa级别的集装箱船用钢的力学性能要求。

3.本发明厚度方向上不同位置的组织构成均一，晶粒细小且均匀，低温冲击韧性及强度均匀，NDT温度低于-60℃。

4.本发明产品的制造工艺易于实现，产品性能稳定，成材率高。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明：

以下实施例对本发明进行详细描述。这些实施例仅是对本发明的最佳实施方案进行描述，并不对本发明的范围进行限制。

实施例：

具有优异止裂性的高强厚钢板实施例钢化学成分见表1。

表1实施例钢化学成分(％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cu	Nb	Ti	Als	N
												1	0.08	0.33	1.50	0.014	0.002	0.34	0.24	0.04	0.013	0.031	0.003
2	0.07	0.28	1.32	0.012	0.002	0.85	0.15	0.03	0.011	0.027	0.004
												3	0.09	0.45	1.12	0.011	0.002	0.54	0.27	0.03	0.022	0.025	0.005
4	0.13	0.31	1.22	0.012	0.002	0.70	0.16	0.04	0.011	0.045	0.003
												5	0.15	0.16	1.24	0.012	0.002	0.64	0.14	0.04	0.021	0.021	0.006
6	0.05	0.22	1.45	0.011	0.002	0.80	0.18	0.04	0.011	0.023	0.003

具有优异止裂性的高强厚钢板制造方法，包括如下步骤：

(1)冶炼工艺：按上述组分进行冶炼、连铸后得到300mm厚连铸坯，LF和RH精炼炉处理各需要10～20min，中包钢水过热度≤25℃，全程保护浇铸；

(2)加热工艺：加热温度控制在1100～1150℃，均热温度控制在1100～1130℃，到温保温时间30～50min；

(3)轧制工艺：对300mm厚断面钢坯进行两阶段控制轧制，第一阶段为再结晶区轧制，轧制温度控制在再结晶临界温度以上范围为900～1000℃，单道次压下率大于15％，累计压下率40％～50％，一阶段轧制后对钢板表面进行间断式水冷至760～800℃为止；第二阶段为未再结晶区轧制，开轧温度在Ar3以上范围为760～800℃，采用单道次压下率大于12％，累计压下率最优控制在50％～60％之间，终轧温度720～760℃；

(4)冷却工艺：采用平均冷速大于3℃/s的快速层流冷却系统，返红温度控制在350～400℃，之后采用铺垫热轧板的方式缓冷24小时，得成品。实施例生产方法见表2。

表2实施例钢制备方法

对比例钢化学成分见表3。

表3对比例钢化学成分(％)

对比例钢的制备方法见表4。

表4对比例钢的制备方法

实施例钢及对比例钢拉伸及冲击性能见表5。

表5实施例钢及对比钢常规力学性能、止裂性能及NDT温度

由表5可见，实施例钢板具有优异的止裂韧性：Kca>6000N/mm^1.5，高屈服强度≥460MPa，优异的低温韧性：-40℃冲击功≥200J，成品厚度达90mm。

Claims

1.一种具有优异止裂性的高强厚钢板，其特征在于，所述钢板为460MPa级别的集装箱船用钢，成品厚度范围为50～90mm，所述钢板判定止裂性的宽板拉伸Kca值大于6000 N/mm^1.5，在厚度方向上1/4和1/2处的屈服强度≥460MPa，抗拉强度570～720MPa，-40℃夏比冲击功≥200J，零塑性转变温度（NDT）小于-60℃；按重量百分比计，包括以下组分C：0.04～0.16%，Si：0.1～0.5%，Mn：0.9～1.6%，Cu：0.1～0.3%，Ni：0.2～0.9%，P：≤0.02%，S：≤0.02%，Als：0.01%～0.05%，N：0.002～0.010%，Nb：0.02%～0.05%，Ti：0.01～0.03%，其余为Fe和不可避免的杂质，制造方法包括如下步骤：

（1）冶炼工艺：按上述组分进行冶炼、连铸后得到连铸坯，LF和RH精炼炉处理各需要10～20min，中包钢水过热度≤25℃，全程保护浇铸；

（2）加热工艺：加热温度控制在1100～1150℃，均热温度控制在1100～1130℃，到温保温时间30～50min；

（3）轧制工艺：对钢坯进行两阶段控制轧制，第一阶段为再结晶区轧制，轧制温度控制在再结晶临界温度以上，范围为900～1000℃，单道次压下率大于15%，累计压下率40%～50%；一阶段轧制后对钢板表面进行间断式水冷至760～800℃为止；第二阶段为未再结晶区轧制，开轧温度在Ar3以上，范围为760～800℃，采用单道次压下率大于12%，累计压下率控制在50%～60%之间，终轧温度720～760℃；

（4）冷却工艺：采用平均冷速大于3℃/s的快速层流冷却系统，返红温度控制在350～400℃，之后采用铺垫热轧板的方式缓冷24小时，得成品。