CN109112429B - 具有优良低温韧性的fh550级厚板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开具有优良低温韧性的FH550级厚板及其制造方法。钢中含有C：0.04％～0.10％，Si：0.3％～0.5％，Mn：1.0％～1.6％，Cu：0.5％～0.7％，Ni：0.5％～0.7％，Cr：0.2％～0.4％，Mo：0.2％～0.3％，P≤0.01％，S≤0.01％，Als：0.01％～0.05％，Nb：0.02％～0.05％，Ti≤0.005％～0.03％，V：0.04％～0.06％，N≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质。铸坯加热温度1150～1200℃；第一阶段轧制温度950～1000℃，轧后进行间断式水冷；第二阶段开轧温度840～890℃；第三阶段轧制温度730～780℃；平均冷速≥3℃/s，开冷温度710～750℃，返红温度280～330℃。生产的船及海工用钢厚度为50～80mm，具有优良的强度和低温韧性。

Description

具有优良低温韧性的FH550级厚板及其制造方法
技术领域
本发明属于厚板制备领域，特别涉及具有高强度、厚规格、优良低温韧性，尤其是板厚方向1/4和1/2位置的低温韧性性能优异的厚钢板及其制造方法。
背景技术
随着船舶和海洋平台向大型化、轻量化和节能化发展，对海工用钢的要求越来越高，要求具有高强度、优良韧性、可焊性及厚规格钢板。
各国船级社对船板钢的要求基本一致，制造工艺一般采用调质工艺或TMCP工艺生产，但淬火+回火工艺生产流程长，工艺复杂，成本高，交货周期长，国内外目前主要研究考虑采用TMCP工艺生产超高强度船板钢，在保证质量性能的前提下，大大缩短生产成本和生产周期，但采用TMCP工艺生产超高强度船板钢目前在国内外还基本处于研究阶段。为了适应船舶及海洋平台大型化发展要求，需开发具有更高强度、更大厚度和低温高韧性的钢板，优良低温韧性的TMCP型FH550级船舶及海洋平台用钢板即是适应这一要求而研发。
CN201310107425.8提出了一种具有良好低温韧性的TMCP型E47钢板及其制造方法，该钢板成分设计如下：C：0.03％～0.05％；Si：0.10％～0.20％；Mn：1.40％～1.58％；P：0.009％～0.018％；S:0.002％～0.005％；Alt：0.02％～0.05％；Cr：0.15％～0.19％；Ni：0.2％～0.3％；Cu：0.15％～0.23％；Mo：0.03％～0.07％；Ti：0.01％～0.015％；Nb：0.02％～0.025％；余量为Fe；该钢板中C、Si、Mn含量限定在很小范围内，增加了生产难度；而且，该钢种强度级别为470MPa，仅要求-40℃低温韧性。
CN201310092450.3提出了一种高强度优良低温韧性钢板及其制造方法，该钢板成分设计如下：0.03％≤C≤0.18％，0.20％≤Si≤0.30％，0.50％≤Mn≤1.10％，0.010％≤Ti≤0.030％，0.02％≤Cr≤1.15％，0.01％≤Mo≤0.80％，0.05％≤Ni≤1.40％，0.010％≤Nb≤0.040％，0.0001％≤V≤0.0650％，0.025％≤Al≤0.050％，0.001％≤Ca≤0.004％，0.0001％≤B≤0.0025％；此外，轧制工艺采用热轧+热处理方法，制造工艺复杂，成本高；而且，该钢种仅要求-40℃低温韧性。
CN101709432A提出了一种大厚度调质型海洋平台用钢。该钢成分设计如下：C：0.16％～0.18％，Si：0.15％～0.35％，Mn：1.10％～1.15％，P≤0.015％，S≤0.005％，Ni：1.30％～1.40％，Cr：1.20％～1.30％，Cu：0.05％～0.10％，Mo：0.45％～0.55％，Nb：0.03％～0.04％，Ti：0.020％～0.025％，V：0.05％～0.06％，Al：0.02％～0.04％，B：0.0014％～0.0023％；该技术采用轧制+调质热处理工艺，制造工艺复杂，合金成本和时间成本较高。该钢种在-60℃的平均冲击功低于100J，且无NDT试验性能结果，不能全面表明低温韧性性能。
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、强度和低温韧性稳定的钢板。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有优良低温韧性、高强度和大厚度尺寸的船用钢及其制造方法，该钢板具有优良的低温韧性(-60℃冲击功≥120J)，高屈服强度(≥550MPa)和大厚度尺寸(成品厚度范围为50～80mm)的特点。
为实现本发明目的，本发明者们从合金元素筛选与配比、钢质洁净度控制、工艺优化与参数选择、组织优化等几个方面进行了大量且系统的试验研究，最终确定了可满足本发明目的合金元素配比及制备工艺。具体的技术方案是：
一种具有优良低温韧性的FH550级高强厚钢板，按质量百分比计，钢中包括以下组分C：0.04％～0.10％，Si：0.3％～0.5％，Mn：1.0％～1.6％，Cu：0.5％～0.7％，Ni：0.5％～0.7％，Cr：0.2％～0.4％，Mo：0.2％～0.3％，P≤0.01％，S≤0.01％，Als：0.01％～0.05％，Nb：0.02％～0.05％，Ti：0.005％～0.03％，V：0.04％～0.06％，N≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质。
以下阐述本发明中各合金成分作用机理，其中百分符号％代表质量百分比：
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，本发明将C含量控制在0.04％～0.10％。
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Si含量必须在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，本发明将Si含量控制在0.3％～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，本发明将Mn含量范围控制为1.0％～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。本发明将Cu含量范围控制为0.5％～0.7％
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0.5％～0.7％。
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0.2％～0.3％。
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，本发明将P含量控制在P≤0.01％。
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，本发明将S含量控制在S≤0.01％。
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。本发明的优选含量范围为0.01％～0.05％。
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，本发明将Nb含量优选控制在0.02％～0.05％。
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，本发明将Ti含量优选控制在0.005％～0.03％。
V：在钢中可起到固溶强化的作用，在较低温度轧制时的析出可阻碍位错的运动，使奥氏体中有大量的位错，促进贝氏体形核，细化贝氏体最终组织，但过量V会对钢板的韧性和焊接产生不利影响，因此，本发明将V含量控制在0.04％～0.06％。
本发明还提供了具有优良低温韧性的FH550级厚板的制造方法，包括冶炼、连铸、铸坯加热、轧制、冷却。其主要工艺包括：
(1)冶炼工艺：按照本发明的成分范围进行冶炼，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，连铸后得到连铸坯；
(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1150～1200℃，均热温度控制在1140～1180℃，到温保温时间30～50min；
(3)轧制工艺：对加热后的铸坯进行三个阶段控制轧制，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950～1000℃，平均单道次压下率≥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，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，随后采用间断式水冷可以减少待温时间，冷却到奥氏体未再结晶区来阻止晶粒再结晶和长大；第二阶段为未再结晶区轧制，开轧温度在Ar3以上，范围为840～890℃，平均单道次压下率≥12％，累计压下率25％～50％之间；第三阶段轧制温度范围730～780℃，平均单道次压下率≥10％，累计压下率为20％～30％；第二、三阶段轧制目的是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≥3℃/s的快速层流冷却系统，开冷温度控制在℃开冷温度710～750℃，返红温度控制在280～330℃，其目的是析出细小粒状贝氏体和针状铁素体相，从而形成具有优异强韧性的性能，之后缓冷，以TMCP状态直接交货。
具有优良低温韧性的FH550级厚钢板的制造方法采用TMCP工艺，在厚度方向上1/4和1/2处的屈服强度≥550MPa，抗拉强度≥670MPa，-60℃夏比冲击功≥120J，零塑性转变温度(NDT)小于-60℃。成品厚度范围为50～80mm。
有益效果：
(1)本发明通过添加适当Cu、Cr、Mo、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，可满足550MPa级别的船用钢的力学性能要求。
(2)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℃；
(3)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
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为实施例钢的化学成分，表2为实施例钢的生产方法；表3为实施例钢的常规力学性能及NDT温度。
表1本发明实施例钢及对比钢化学成分 wt％
实施例 C Si Mn Cu Ni Cr Mo Als Nb Ti V
1 0.04 0.32 1.21 0.57 0.56 0.25 0.25 0.03 0.030 0.010 0.040
2 0.06 0.37 1.53 0.64 0.63 0.32 0.30 0.03 0.020 0.015 0.045
3 0.05 0.41 1.34 0.66 0.65 0.36 0.26 0.04 0.050 0.005 0.050
4 0.08 0.45 1.45 0.52 0.51 0.28 0.29 0.02 0.045 0.020 0.060
5 0.08 0.42 1.16 0.60 0.62 0.22 0.25 0.03 0.025 0.030 0.055
6 0.09 0.48 1.13 0.55 0.52 0.35 0.22 0.04 0.040 0.025 0.040
备注：P≤0.01％，S≤0.01％，N≤0.005％。
表2本发明实施例钢及对比钢制备方法
表3本发明实施例钢及对比钢常规力学性能及NDT温度
由上述实施例可见，采用本发明的成分设计、三阶段轧制、冷却工艺，生产出的FH550级厚板在厚度方向上1/4和1/2处的屈服强度＞560MPa，抗拉强度＞690MPa，-60℃夏比冲击功≥159J，零塑性转变温度(NDT)小于-70℃，具有优良的强度和低温韧性。

Claims (2)

1.一种具有优良低温韧性的FH550级厚板的制造方法，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.04％～0.10％，Si：0.3％～0.5％，Mn：1.13％～1.45％，Cu：0.52％～0.7％，Ni：0.51％～0.7％，Cr：0.22％～0.28％，Mo：0.2％～0.29％，P≤0.01％，S≤0.01％，Als：0.01％～0.05％，Nb：0.03％～0.045％，Ti：0.005％～0.03％，V：0.04％～0.055％，N≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质；
钢板的生产工艺为：冶炼、连铸、铸坯加热、轧制、冷却，其中：
铸坯加热：加热温度控制在1150～1200℃，均热温度控制在1140～1180℃，到温保温时间30～50min；
轧制：对铸坯进行三个阶段控制轧制，第一阶段为再结晶区轧制，轧制温度控制在950～1000℃，平均单道次压下率≥15％，累计压下率为40％～50％，一阶段轧制后对钢板表面进行间断式水冷；第二阶段为未再结晶区轧制，开轧温度为840～890℃，平均单道次压下率≥12％，累计压下率25％～50％；第三阶段轧制温度范围730～780℃，平均单道次压下率≥10％，累计压下率为20％～30％；
冷却：采用平均冷速≥3℃/s的快速层流冷却系统，开冷温度为720～750℃，返红温度控制在280～330℃，之后缓冷。
2.如权利要求1所述的具有优良低温韧性的FH550级厚板的制造方法，其特征在于，所述厚板的成品厚度范围为50～80mm。
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