CN109112419B - 海洋工程用调质eh550特厚钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开海洋工程用调质EH550特厚钢板及其制造方法。钢中含有C：0.08％～0.15％；Si：0.20％～0.55％；Mn：0.80％～1.35％；S≤0.003％；P≤0.010％；V：0.04％～0.08％；Als：0.015％～0.045％；N：0.003％～0.015％；Ni：0.50％～0.90％；Cr：0.20％～0.40％；Mo：0.002％～0.03％；Nb：0.02％～0.05％；Cu：0.20％～0.40％；Ti≤0.04％；其余为Fe和不可避免的杂质。采用两阶段控轧轧制，一阶段开轧温度1100～1150℃，一阶段终轧温度990～1130℃，二阶段开轧温度700～780℃，终轧温度680～750℃；采用先淬火后亚温淬火的热处理手段，淬火后对钢板进行回火处理，得到的厚度为80～100mm成品钢板，心部冲击韧性达到200J以上，不同位置综合性能均匀。

Description

海洋工程用调质EH550特厚钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于钢铁材料制备领域，涉及一种用于海洋工程的超高强大厚度结构钢板，特别涉及海洋工程用调质EH550特厚钢板及其制造方法。

背景技术

近年来，随着人们对海洋领域的不断探索和开发，与之相配套的海洋工程所需要的钢材及其研发与生产已成为重中之重，由于海洋平台服役时间比船舶长50％，多变复杂的海洋服役环境决定了海洋工程用钢必须具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、良好的焊接性、耐海水腐蚀以及好的冷加工性等性能。传统的80mm以下的海洋平台用钢板已经逐渐不能满足市场要求，海洋工程用钢厚度规格要求越来越大，强度也越来越高，而且市场份额也在逐年增加，但是超高强大厚度规格海工钢目前还基本依赖进口，不能实现国产化，所以此类型的海洋平台用钢将是未来几年国内钢厂企业重点研发生产的产品。

目前国内大厚度规格的产品，大都存在心部冲击韧性差的情况，产品越厚心部质量越难以保证，所以现在的国内研发水平，还不能满足大厚度海洋工程用钢的需求。对于厚规格的钢板，采用控轧控冷工艺得到的产品组织通常不均匀，需要对其进行后期热处理才能获得良好的综合性能。

CN201210387796.1公开了一种大厚度海洋工程用调质高强度钢板及其生产方法，虽然厚度达到了100mm以上，但是其屈服强度只有475MPa，无法满足海洋工程用钢对超高强调质钢板的需求，而且，其成分体系采用高C(0.15％～0.17％)、高Mn(1.45％～1.60％)体系，对后续焊接性能非常不利。

CN201210189994.7公开了一种低压缩比超高强度海洋工程用钢板及其生产方法，采用超高Ni含量(0.90％～1.30％)，合金成分非常高，虽然在强度级别上满足了海洋工程用超高强调质钢板的需求，但是其厚度规格只有25mm，远无法满足现代海洋工程对大厚度钢板的需求。

CN201510321655.3公开了一种特厚调质海洋工程用EH40钢及其制备方法，采用一次淬火+回火热处理工艺，该工艺不能使钢板心部获得良好的冲击韧性，虽然产品的厚度为100～120mm，但强度级别仅为40级别，无法满足更高级别海洋平台用钢指标要求。

CN201210545542.8公开了抗低温脆性断裂性能优良的特厚海洋工程用钢板制造方法，虽然也达到了-40℃低温韧性指标，产品的最大厚度为80mm，但钢中Mn含量达1.60％，不利于后续钢板焊接性能，而且强度级别仅为36级别，无论从厚度规格还是强度级别均无法满足更高级别海洋平台用钢指标要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明针对海洋工程用大厚度规格钢板心部质量不稳定进行攻关，提出海洋工程用调质EH550特厚钢板及其制造方法，采用低碳+低锰成分体系，适当提高镍含量，生产工艺为二次淬火+回火热处理工艺相，制备出具有高强度(屈服强度≥550MPa)、耐低温(-40℃冲击功≥150J)的大厚度尺寸海洋工程用钢。

本发明从合金元素筛选与配比、钢质洁净度控制、轧制工艺优化与热处理参数选择、显微组织强韧性匹配等几个方面进行了大量而系统的试验研究，最终确定了可满足本发明目的成分体系及其制造工艺。具体的技术方案是：

海洋工程用调质EH550特厚钢板的化学成分质量百分比如下：C：0.08％～0.15％；Si：0.20％～0.55％；Mn：0.80％～1.35％；S≤0.003％；P≤0.010％；V：0.04％～0.08％；Als：0.015％～0.045％；N：0.003％～0.015％；Ni：0.50％～0.90％；Cr：0.20％～0.40％；Mo：0.002％～0.03％；Nb：0.02％～0.05％；Cu：0.20％～0.40％；Ti≤0.04％；余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明钢中各合金成分的作用机理如下：

C：是有效提高钢板强度的廉价元素，但随着碳含量的提高，钢板的塑性、低温韧性和抗焊接裂纹敏感性显著降低；碳含量低，在调质后钢的硬度、强度偏低，但是塑性和韧性较高。因此，从经济性和产品性能角度考虑，本发明将C含量控制在0.08％～0.15％。

Si：是炼钢过程中主要的脱氧成分，在炼钢过程中可以作为脱氧剂和还原剂，有利于钢板强度的提高，当含量超过0.5％时将促进马奥岛的形成，损害焊接性和低温韧性。适量的Si能够提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比，还能提高钢在高温时的抗氧化性。因此，本发明将Si含量控制在0.20％～0.55％。

Mn：是保证钢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。适量的锰可以改善钢的强度和韧性，但过高则在铸坯中产生偏析，进而造成轧制后难以消除的带状组织，降低钢板横向性能和抗层状撕裂性。为了提高本发明材料的强韧性，因此本发明将Mn含量范围控制在0.80％～1.35％。

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，因此，本发明将P控制在不高于0.010％。

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，因此，本发明将S含量控制在不高于0.003％。

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。本发明将其含量范围控制在0.015％～0.045％。

V：在钢中加入V可以细化组织晶粒，提高强度和韧性。添加量小于0.02％时效果不明显；大于0.10％时，钢的韧性与可焊接性降低。在适量的N含量基础上，V可以充分析出，使钢中颗粒尺寸和间距明显减小，能够产生沉淀强化，起到提高强度的作用，因此，本发明将V含量控制在0.04％～0.08％。

N：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，合理的控制N元素的含量，能够起到细化晶粒的作用，因此本发明将N含量范围控制在0.003％～0.015％。

Ni：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点最低和碳当量或冷裂纹敏感系数Pcm的增加最小的特性，能提高钢的强度和韧性，并改善Cu在钢中引起的热脆性，因此本发明将Ni含量控制在0.50％～0.90％。

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，因此把添加Ti含量控制在≤0.04％。

Cr：提高钢的淬透性的重要元素，对于厚规格船板及海洋平台用钢而言添加较高Cr含量可以有效提高淬透性以弥补厚度带来的强度损失，改善厚度方向上性能的均匀性；但太高的铬和锰同时加入钢中，会导致低熔点Cr-Mn复合氧化物形成，在热加工过程中形成表面裂纹，同时会严重恶化焊接性能。因此本发明将Cr含量控制在0.2％～0.4％。

Mo：提高淬透性的元素，扩大γ相区，推迟γ→α相变时先析铁素体形成、促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变组织起重要作用，能有效提高材料强度；降低相变温度，降低贝氏体转变的临界冷速，有利于在较宽的冷速范围内促进贝氏体转变，使厚钢板具有较好的工艺适应性，能有效改善钢板厚度方向上强韧性能的稳定性。因此本发明将Mo含量控制在0.002％～0.03％。

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。因此，本发明将Cu含量控制在0.2％～0.4％。

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的含量小于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，本发明将Nb含量控制在0.02％～0.05％。

本发明还提供了海洋工程用调质EH550特厚钢板的制造方法：包括：冶炼→钢坯轧制→二次淬火处理→回火处理→成品钢板。其制备关键在于如下步骤：

(1)冶炼工艺：精选冶炼原料，原料应以铁水或优质返回钢为主，Cr、Mo等元素含量尽可能低，按目标值控制熔炼成分，严格控制残余元素含量，避免碳当量超上限；

(2)轧制工艺：钢坯加热温度1150～1200℃，采用奥氏体再结晶区和奥氏体非再结晶区两阶段控轧轧制技术，一阶段开轧温度1100～1150℃，一阶段终轧温度990～1130℃，二阶段开轧温度700～780℃，终轧温度680～750℃，结合大变形量轧制工艺细化原始组织、控制及调整相变组织的构成、均匀细化程度和多相粒子析出行为，获得大厚度钢板全厚度截面上的晶粒尺寸均匀化，提高钢种厚向强度与低温韧性的均匀性、抗应变时效性和耐腐蚀性。

(3)二次淬火工艺：采用先淬火后亚温淬火的热处理手段，其中一次淬火加热温度控制在890～920℃之间，亚温淬火温度控制在840～870℃之间，加热时间1.4～1.8min/mm，保温30～60min，通过二次淬火达到晶粒更加细化，组织更加均匀，而且一定程度上使钢板心部更容易淬透。

(4)回火工艺：对钢板进行回火处理，回火温度为620～640℃，在炉时间3.5～4.5min/mm，出炉后空冷，获得厚度为80～100mm的钢板成品。

有益效果：

(1)化学成分设计合理，具有较少的合金含量，钢板成本较低，采用低P、S纯净钢冶炼，改善钢质纯净度，保证了大厚度海洋平台用钢获得优良低温塑韧性；

(2)通过控制轧制+调质工艺相结合，实现大厚度超高强海工钢的组织强韧化，相变组织均匀细化、形态及晶粒尺寸控制以及更高尺寸精度及表面质量控制；

(3)采用二次淬火+回火工艺相结合，制备出80～100mm厚度规格的EH550海洋工程用特厚钢板，在全厚度截面上具有良好的强韧性，屈服强度≥550MPa、-40℃冲击功≥150J，其良好的组织性能均匀性、抗层状撕裂性等特点满足了海洋工程恶劣环境用钢的技术要求。

附图说明

图1为实施例1回火后钢板表面位置金相组织照片，其中(a)为200倍、(b)为500倍；

图2是本发明钢实施例1回火后钢板1/4位置金相组织照片，其中，(a)为200倍、(b)为500倍；

图3是本发明钢实施例1回火后钢板1/2位置金相组织照片，其中(a)为200倍、(b)为500倍。

从图中的金相组织中可以看出，采用一次淬火+二次亚温淬火+回火后的钢板组织均匀而且晶粒细化明显，钢板表面、1/4以及1/2处组织均以回火索氏体为主，使超高强调质海工钢具备良好的冲击韧性，及优良的综合力学性能。

具体实施方式

以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。

表1为本发明实施例钢的化学成分，表2为本发明实施例钢的轧制及热处理工艺；表3为本发明实施例钢的拉伸和冲击性能。

表1 本发明实施例钢化学成分 wt％

表2 本发明实施例钢轧制方法

表3 本发明实施例钢拉伸和冲击性能

从实施例中可以看出，采用一次淬火+二次亚温淬火+回火热处理工艺，对于80～100mm钢板来讲，能够很好的提高钢板的强韧性，屈服强度达到570MPa以上，心部冲击韧性达到200J以上，同时对于钢板不同位置综合性能非常均匀，能够很好的解决海洋工程用超高强调质特厚钢板心部冲击韧性不稳定的问题，得到综合力学性能优异的成品钢板。

Claims (2)

1.一种海洋工程用调质EH550特厚钢板的制造方法，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.13％～0.15％；Si：0.20％～0.55％；Mn：0.80％～1.00％；S≤0.003％；P≤0.010％；V：0.04％～0.08％；Als：0.015％～0.045％；N：0.003％～0.015％；Ni：0.50％～0.55％；Cr：0.20％～0.40％；Mo：0.002％～0.03％；Nb：0.02％～0.05％；Cu：0.25％～0.40％；Ti≤0.04％；其余为Fe和不可避免的杂质；

钢板的生产工艺为：冶炼→钢坯轧制→二次淬火处理→回火处理→成品钢板，其特征在于，

钢坯轧制：钢坯加热温度1150～1190℃，采用奥氏体再结晶区和奥氏体非再结晶区两阶段控轧轧制技术，一阶段开轧温度1110～1150℃，一阶段终轧温度990～1130℃，二阶段开轧温度700～780℃，终轧温度680～750℃；

二次淬火工艺：采用先淬火后亚温淬火的热处理手段，其中一次淬火加热温度为890～920℃，亚温淬火温度为840～870℃，加热时间1.4～1.8min/mm，保温30～60min；

回火工艺：淬火后对钢板进行回火处理，回火温度为620～640℃，在炉时间3.5～4.5min/mm，出炉后空冷。

2.如权利要求1所述的海洋工程用调质EH550特厚钢板的制造方法，其特征在于，钢板的厚度为80～100mm。

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