CN108998615B - 一种600MPa级具有优良耐磨性的海洋工程结构钢及生产方法 - Google Patents

一种600MPa级具有优良耐磨性的海洋工程结构钢及生产方法 Download PDF

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Abstract

一种600MPa级具有优良耐磨性能的海洋工程结构钢，其组分及wt%为：C：0.061~0.146%，Si：0.09～0.40%，Mn：1.02～2.75%，P：≤0.010%，S：≤0.004%，Als：0.025~0.065%，Nb：0.021~0.052%，Ti：0.010~0.025%，V：0.020~0.040%，Ni：1.05~3.40%，Mo：0.21~0.60%，Cr：0.27~0.50%，B：0.0010~0.0015%，W：0.18~0.80%；工艺：铁水脱硫；转炉冶炼；对铸坯加热；粗轧；精轧；淬火热处理；回火处理。本发明与现有技术相比，屈服强度≥600MPa，抗冲击断裂性能NDT温度≤‑65℃，耐磨性能优良。

Description

一种600MPa级具有优良耐磨性的海洋工程结构钢及生产方法
技术领域
本发明涉及一种海洋工程结构用钢及其生产方法，具体地属于耐磨钢及其生产方法，确切地涉及一种屈服强度≥600MPa的具有优良耐磨性能的抗冲击断裂钢及其生产方法。
背景技术
海洋蕴含着丰富的资源，北极航道的开通为各国节省了大量海洋运输资源，促进了北极穿梭油船、破冰船、破冰集装箱船等新概念船舶的发展，同时也促使这些高等级船舶用钢要具有：较高的强度和优良的韧性，尤其是抗冲击断裂性能，如NDT性能。再者，这些船体由于要长期接触于冰层，还应使钢材具有优良的的耐磨损性能。
经检索：
中国专利申请号为CN201210211872.3的文献，公开了《一种高韧性低NDT温度的船舶及海洋工程用钢材的生产工艺》，其包括如下重量百分比wt％的主成分：C：0.03～0.10，Mn：1.20～1.50，Si：0.10～0.35，Nb：0.015～0.03，Ti：0.005～0.020，Alt：0.020～0.040，残余成分按重量百分比如下：N≤0.006，O≤0.004，P≤0.015，S≤0.006，As≤0.04，Sn≤0.03；余量为Fe；所述工程用钢材的生产工艺，其包括如下步骤：(1)铸坯加热工序；(2)轧制及冷却工序：(3)正火处理工序；(4)制得工程用钢材成品。根据权利要求所述的高韧性低NDT温度的船舶及海洋工程用钢材的生产工艺，其特征在于：上述步骤(1)所述的铸坯加热工序具体是：对堆冷后铸坯进行加热；加热整体时间按铸坯厚度计时率≥8min/cm控制，其中，加热段控制温度1150-1280℃，均热段控制温度1230-1250℃。其在于轧制及冷却工序具体是：a.对加热后铸坯进行粗轧、精轧，然后控制冷却；b.通过奥氏体再结晶区范围内粗轧细化奥氏体晶粒，轧制温度980～1100℃、后两道的单道次压下率大于15％、粗轧总变形率≥50％；c.在奥氏体未再结晶区进行精轧，获得压扁的变形奥氏体；d.控制精轧速度1.5～6m/s、36-60mm钢板开轧温度840-880℃、9-36mm钢板开轧温度890-940℃,终轧温度770-820℃、道次压下量为4-30％，精轧总变形率为50～75％，制得精轧板件；e.对精轧板件进行水冷，冷却速度为2℃/s-10℃/s，冷却终止温度为660-710℃，制得板件。并通过正火处理工序具体：正火温度为900-940℃，处理时间为1.5～2.0min/mm，制得的钢材成品最大厚度为60mm，屈服强度ReH≥235MPa，抗拉强度Rm≥400MPa，-60℃时厚度心部V型冲击功Akv≥100焦耳(J)，Z向拉伸性能≥50％，NDT落锤温度-45℃。该文献存在的不足：1)由于未添加V、Mo、Cr、B、W合金元素，难以为钢种提供高强度、优良耐磨性能的前提基础；2)由于所采用的正火温度在900-940℃，相对温度较高，其会增大晶粒尺寸，相对于其热处理前的强度还会降低，在极地冰区使用，高强度难以保证，故认为不适宜在极地冰区使用。况且其屈服强度仅为235MPa级，NDT落锤温度仅为-45℃，不利于大型载重油船、集装箱船在极地寒冷、多冰易磨损区域行驶。
中国专利申请号为CN201711223762.8的文献，公开了《一种低屈强比马氏体-铁素体-奥氏体复相耐磨钢板》，其钢坯化学成分按质量百分比计包括：C0.20～0.25％，Si0.80～1.20％，Mn1.50～2.00％，Al0.30～0.50％，P≤0.014％，S≤0.004％，Ti0.010～0.040％，B0.0008～0.004％，N≤0.0050％，H≤1.5ppm，Ca0.0010～0.0030％，其中Ca/S＝0.5～1.5，余量为Fe。工艺参数控制为：铸坯或铸锭在加热炉中加热，其中加热温度为1180-1250℃，保温时间为2-5小时；采用中厚板轧机或热连轧轧机进行钢板轧制，其中，中厚板轧机的轧制工艺为：粗轧道次为2-6道次，粗轧终轧温度为980-1100℃；精轧道次为4-8道次，精轧终轧温度为830-950℃；轧后先空冷至740-840℃，然后快速冷却至320-400℃之间，最后堆垛缓冷至室温；热连轧轧机轧制工艺为：粗轧2-8道次，将钢坯轧制成20-60mm的中间坯，然后经过六机架或七机架轧机轧制成成品钢卷，其中终轧温度为830-950℃，轧后经过控制冷却，然后卷取成钢卷，冷却工艺为：先空冷至740-840℃，然后快速冷却至320-400℃之间，最后卷取缓冷至室温；对轧制的钢板或钢卷进行热处理：对钢板或钢卷进行回火处理，其中回火温度为不超过250℃，回火保温时间t和钢板厚度h的关系满足t＝xh，其中2≤x≤6，t的单位为分钟，h的单位为毫米。该文献实施例显示，其得到的成品钢板的力学性能为：屈服强度805～1020MPa，-40℃冲击功为48～94J，布氏硬度300～420HB。其发明钢用于在混泥土搅拌罐滚筒、自卸车车厢和航道疏浚用管道等设备或零部件的制造。其不足：其一是一种低屈强比马氏体-铁素体-奥氏体复相耐磨钢板。其中，马氏体组织属不稳定非平衡态组织，其具有较高的时效性，容易发生组织自我转变；其二使该文献钢中C含量较高，细化晶粒元素添加较少，难以获所需的高抗断裂韧性，其若作为大型载重油船、集装箱船、破冰船用钢，会使在极地高寒水域行驶的安全性难以保证。
发明内容
本发明在于克服现有技术存在的不足，提供一种屈服强度≥600MPa，抗冲击断裂性能NDT温度≤-65℃，耐磨性能优良的特别适用于在极地高寒水域行驶的海洋工程结构钢及生产方法。
实现上述目的的措施：
一种600MPa级具有优良耐磨性能的海洋工程结构钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.061～0.146％，Si：0.09～0.40％，Mn：1.02～2.75％，P：≤0.010％，S：≤0.004％，Als：0.025～0.065％，Nb：0.021～0.052％，Ti：0.010～0.025％，V：0.020～0.040％，Ni：1.05～3.40％，Mo：0.21～0.60％，Cr：0.27～0.50％，B：0.0010～0.0015％，W：0.18～0.80％，其余为Fe及不可避免的杂质。
优选地：Ni的重量百分比含量为1.26～3.15％。
优选地：Mo的重量百分比含量为0.21～0.53％。
优选地：W的重量百分比含量为0.23～0.74％。
生产一种600MPa级具有优良耐磨性能的海洋工程结构钢的方法，其步骤：
1)进行铁水脱硫，并控制铁水中S≤0.001％；
2)进行转炉冶炼，并控制钢水中C在0.061～0.146％，P≤0.010％；
3)常规连铸并对铸坯加热，控制加热温度在1210～1330℃；
4)进行粗轧，并粗轧开轧温度在1080～1191℃，粗轧道次不高于5道次；
5)进行精轧，并控制精轧开轧温度不高于985℃，精轧终轧温度在800～865℃，精轧道次不超5道次，且最后三道次累计压下率不低于35％；
6)进行淬火热处理，其加热温度为925～945℃，并在此温度下保温，保温时间按照所经精轧后钢板的厚度+40min，板厚以mm计；冷却方式：采用水冷；
7)进行回火处理，控制其加热温度在500～600℃，并在此温度下保温，保温时间按照所经精轧后钢板的厚度+60min，板厚以mm计；并采用空冷冷却至室温。
本发明各元素记主要工序的作用及机理：
C是改善钢综合性能必不可少的元素，可有效提高钢材强度，碳含量每增加0.1％屈服和抗拉强度分别提高约50MPa和90MPa，C元素与钢中Nb、V、Ti、Mo等元素结合以碳化物或碳氮化物的形式析出，细化组织，提高强度和韧性，改善焊接性能。但随着C含量增加，将增加Fe3C含量、淬硬性、碳偏析、M-A岛含量以及焊接冷裂纹敏感性系数，从而恶化塑韧性、焊接性能以及冷热加工性能，加剧焊接时产生冷裂纹的倾向。为保证钢板获得良好的综合性能，本发明钢碳元素含量设计为0.061～0.146％。
Si元素在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于钢中，它能显著提高钢中固溶体的强度，但一定程度上也降低韧性和塑性，本发明Si含量限定为0.09～0.40％。
Mn是重要的强韧化元素，随着Mn含量的增加，钢的强度明显增加，含1％的Mn大约可提高抗拉强度100MPa。Mn元素是确保钢强韧性和焊接热影响区低温韧性不可或缺的元素，适量Mn可细化组织，提高强度和改善低温韧性。过量Mn在加热时促进奥氏体晶粒长大，最终粗化产品组织尺寸，这些均不利于低温韧性和焊接性能。故本发明钢Mn含量限定为1.02～2.75％。
P、S是钢中的杂质元素。P是一种易于偏析的元素，在钢的局部产生严重偏析，降低塑性及韧性，对低温韧性极为有害。S与P一样在钢中易于偏析和富集，S与Mn极易形成粗大MnS夹杂，不仅损害低温韧性和厚度方向性能，还易成为形成裂纹的裂纹源。本发明钢，在冶金质量方面严格控制了硫、磷含量水平，即P≤0.010％，S≤0.004％，以满足钢种对纯净度、韧性的要求。
Al是钢中的主要脱氧元素，另外，Al的熔点较高，在生产中，钢中Al可与N形成AlN，而AlN可阻碍高温奥氏体长大，起到细化晶粒的作用。本发明优选Als含量为0.025～0.065％。
Nb、Ti是两种强烈的碳化物和氮化物形成元素，与氮、碳有极强的亲合力，可与之形成极其稳定的碳氮化物。弥散分布的Nb的碳氮化物第二相质点沿奥氏体晶界的分布，可大大提高原始奥氏体晶粒粗化温度，在轧制过程中的奥氏体再结晶温度区域内，Nb的碳氮化析出物可以作为奥氏体晶粒的形核核心，而在非再结晶温度范围内，弥散分布的Nb的碳氮化析出物可以有效钉扎奥氏体晶界，阻止奥氏体晶粒进一步长大，从而细化铁素体晶粒，达到提高强度和冲击韧性的目的；Ti的氮化物能有效地钉扎奥氏体晶界，有助于控制奥氏体晶粒的长大，大大改善焊接热影响区的低温韧性。因此，通过Nb、Ti微合金元素的细晶强化和沉淀强化作用，可以使钢板获得优良的强韧性。本发明钢Nb含量设计为0.021～0.052％，Ti含量设计为0.010～0.025％。
V元素和碳具有极强的亲和力，与碳形成极为稳定的化合物，可以细化钢的组织和晶粒，显著提高钢的强度和耐磨性。同时，V可增加钢的淬透性，增强其二次硬化作用，提高耐磨性。当V与Nb复合加入时，可明显改善横向裂纹现象的发生，显著提高再结晶温度。V含量限定为0.020～0.040％。
Ni在钢中能强化铁素体基体，抑制粗大的先共析铁素体，显著改善钢材的韧性，降低钢材的韧脆转变温度，提高钢的低温冲击韧性。本发明故将Ni的含量设计为1.05～3.40％，优选地含量为1.26～3.15％。
Mo元素在钢中的主要作用是固溶强化，少量Mo可以形成难熔碳化物，阻碍加热时奥氏体晶粒长大，细化产品组织，提高强度、硬度和耐磨性。Mo可以提高淬透性，减轻或消除其他合金元素所导致的回火脆性而大大有利于钢的韧性，提高回火稳定性，有效消除或降低钢中的残余应力，但过高的Mo在快速冷却和焊接冷却过程中极易获得粗大马氏体，降低基材低温韧性和恶化焊接性能，因此，本发明将Mo含量控制为0.21～0.60％，优选地含量在0.21～0.53％。
Cr元素是有效提高强度和淬透性的元素，当Cr与Ni等以适当比例复合添加时，其提高淬透性作用更为显著。钢中加入一定量的Cr可以提高强度和硬度，本发明Cr含量限定为0.27～0.50％。
B是强烈提高淬透性的元素，B的加入，可有效的抑制先共析铁素体的形核及生长，由于B在奥氏体晶界上的非平衡偏析，强烈抑制γ-α相变，促使奥氏体在淬火时形成细小的低碳马氏体，从而提高钢的屈服强度和抗拉强度，此外，B与N的交互作用，能明显提高钢的低温韧性。但钢中B含量过高会使导致热脆，影响钢的热加工性能。本发明的B含量选择在0.0010～0.005％。
W在钢中可与碳化合形成碳化物，部分溶入铁中形成固溶体，W可以增加钢的回火稳定性，形成特殊碳化物而增加耐磨性，本发明W含量控制为0.18～0.80％，优选地含量在0.23～0.74％。
本发明之所以控制最后三道次累计压下率不低于35％，是由于钢板轧制时，最后三道次采用较高的压下量(或压下率)，可以让提高轧制力进一步穿透钢板中心等部位，充分破碎、细化钢中的晶粒，从而使钢板获得良好的韧性基础。
本发明之所以控制淬火热处理阶段的加热温度为925～945℃，并在此温度下保温，保温时间按照所经精轧后钢板的厚度+40min进行，是由于本发明钢在上述淬火温度加热，可以获得均匀细小的奥氏体晶粒，淬火后可以得到细小的马氏体组织。若加热温度过高，则可能引起奥氏体晶粒粗化，淬火后得到的马氏体组织也粗大，从而使钢种脆化。若加热温度过低，则加热时的组织为奥氏体和铁素体，淬火后铁素体被保留下来，造成淬火硬度不足。
本发明之所以控制回火处理阶段其加热温度在500～600℃，并在此温度下保温，保温时间按照所经精轧后钢板的厚度+60min进行，是由于在此温度回火，可以减少或消除淬火应力，保证相应组织转变，提高钢的低温韧性，调整强度和韧性的配合。本发明钢高于或低于在此温度回火，可能导致强度、韧性等综合性能下降。
本发明与现有技术相比，屈服强度≥600MPa，抗冲击断裂性能NDT温度≤-65℃，耐磨性能优良，即经过制成20×40mm样片，然后均在1kg压力下采用1200目砂纸往返打磨50次后模拟试验检测，其磨损量≤0.05mg/cm。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
表1为本发明各实施例及对比例的化学成分列表；
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；
表3为本发明各实施例及对比例的性能检测列表。
本发明各实施例均按照以下步骤进行生产：
1)进行铁水脱硫，并控制铁水中S≤0.001％；
2)进行转炉冶炼，并控制钢水中C在0.061～0.146％，P≤0.010％；
3)常规连铸并对铸坯加热，控制加热温度在1210～1330℃；
4)进行粗轧，并粗轧开轧温度在1080～1191℃，粗轧道次不高于5道次；
5)进行精轧，并控制精轧开轧温度不高于985℃，精轧终轧温度在800～865℃，精轧道次不超5道次，且最后三道次累计压下率不低于35％；
6)进行淬火热处理，其加热温度为925～945℃，并在此温度下保温，保温时间按照所经精轧后钢板的厚度+40min，板厚以mm计；冷却方式：采用水冷；
7)进行回火处理，控制其加热温度在500～600℃，并在此温度下保温，保温时间按照所经精轧后钢板的厚度+60min，板厚以mm计；并采用空冷冷却至室温。
表1本发明各实施例及对比例的化学组分及质量百分比含量
Figure BDA0001798103940000081
表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数
Figure BDA0001798103940000082
表3本发明各实施例及对比例的综合性能检测结果
Figure BDA0001798103940000091
说明：各实施例及对比例中的磨损量的获得，是在经过制成20×40mm样片，然后均在1kg压力下采用1200目砂纸往返打磨50次后的模拟试验检测的结果。
由表3可知，本发明屈服强度满足≥600MPa，抗冲击断裂性能NDT温度均≤-65℃，明显优于对比钢1、2，磨损量低于对比钢1、2。是一种具有高强度、优良的抗冲击断裂性能以及耐磨性能钢，可用于在北极冰区穿梭的油船、破冰船、破冰集装箱船等新型船舶，减少船体与冰面、砂石的磨损，能提升船体安全使用性能。
本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims (1)

1.一种600MPa级具有优良耐磨性能的海洋工程结构钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.107~0.146%，Si：0.09～0.19%，Mn：2.15～2.75%，P：≤0.010%，S：≤0.004%，Als：0.065%，Nb：0.021~0.028%，Ti：0.021~0.025%，V：0.020~0.040%，Ni：2.34~3.40%，Mo：0.31~0.39%，Cr：0.27~0.29%，B：0.0010~0.0015%，W：0.57~0.80%，其余为Fe及不可避免的杂质；
生产方法：
1）进行铁水脱硫，并控制铁水中S≤0.001%；
2）进行转炉冶炼，并控制钢水中C在0.061~0.146%，P≤0.010%；
3）常规连铸并对铸坯加热，控制加热温度在 1210～1330℃；
4）进行粗轧，并粗轧开轧温度在1080～1191℃，粗轧道次不高于5道次；
5）进行精轧，并控制精轧开轧温度980~985℃，精轧终轧温度在800～865℃，精轧道次不超5道次，且最后三道次累计压下率不低于35%；
6）进行淬火热处理，其加热温度为925~945℃，并在此温度下保温，保温时间按照所经精轧后钢板的厚度+40min，板厚以mm计；冷却方式：采用水冷；
7）进行回火处理，控制其加热温度在500~547℃，并在此温度下保温，保温时间按照所经精轧后钢板的厚度+60min，板厚以mm计；并采用空冷冷却至室温。
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