CN109136756B - NbC纳米颗粒强化X90塑性管用钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种NbC纳米颗粒强化X90塑性管用钢板及其制造方法，该钢板的成分按重量百分比计如下：C 0.06％～0.12％，Si 0.10％～0.30％，Mn 0.60％～1.40％，Nb 0.07％～0.15％，N 0.001％～0.004％，Ti 0.01％～0.04％，Al 0.025％～0.045％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cu 0.10％～0.30％，Mo 0.10％～0.30％，Cr 0.10％～0.30％，Ni 0.10％～0.30％，其余为Fe以及不可避免的杂质元素。生产方法包括备料→转炉或电炉冶炼→炉外精炼→铸造→板坯再加热→控制轧制→控制冷却，采用本发明生产的钢板具有良好塑性变形能力的钢板，保证地质复杂地带铺设的油气输送管线管的安全。

Description

NbC纳米颗粒强化X90塑性管用钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种利用NbC纳米颗粒作为增强相的X90级输送油气塑性管用钢板及其制造方法。
背景技术
随着油气资源需求日益增加，新的油气田的投资建设逐渐增多。由于油气的生产地与消费地往往需要穿越冻土带、地震带、荒漠等地质条件恶劣地区，因此需要长输油气管道具有良好的塑性变形能力。表征管材塑性变形能力的典型性能参数是屈强比低(如Rt0.5/Rm≤0.80)，均匀延伸率高(如uEL≥10％)。
为了获得良好的塑性变形能力，通常采用两种手段：1)增加管材的壁厚；2)增加管材中的高塑性相的体积分数。在实际应用中，单独或者联合使用这两种方法，都存在一定不足之处。增加管材的壁厚，则会增加管道建设投资，降低性价比；增加管材中的高塑性相会限制管材的强度(高塑性相通常是低强度相)，与高压输送油气资源使用高强度材料的发展趋势不符。
目前，塑性管用钢板多为双相钢板，主要有两种生产工艺路线，一是控轧控冷(TMCP)后热轧态供货，一种是控轧控冷后的钢板进行热处理后再使用。由于采用双相组织策略来保证塑性变形能力，这种两相强度差别大的组织结构对提高材料的低温韧性与抗HIC能力不利。
例如CN201510830269.7公开了一种低温环境用高强韧低屈强比调质钢板，它的化学成分重量百分比为：C：0.045～0.068％；Si：0.13～0.25％；Mn：1.55～1.74％；P≤0.020％；S≤0.0015％；Cr：0.25～0.33％；Cu：0.14～0.21％；Ni：0.18～0.25％；Nb：0.035～0.044％；V：0.033～0.049％；Ti：0.010～0.016％；其它为Fe及不可避免的杂质。该专利通过调制工艺获得单相贝氏体组织，保证了钢板两道的低温韧性，但是没有获得本发明中优良的塑性变形能力。CN201510419067.3了提供一种在保证高强韧性的同时具有优异的耐硫化氢腐蚀性能的新型含Cu管线钢，合金成分及重量百分比为：C：0.015～0.035％；Si：0.10～0.20％；Mn：0.8～1.1％；Cu：1.0～2.0％；Ni：0.30～0.40％；Mo：0.30～0.40％；Cr：0.30～0.40％；Nb：0.04～0.06％。该发明中的Nb含量明显低于本发明中的技术方案，且该发明中优异的HIC能力来源于含量高的Cu，与本发明中的抗腐蚀原理有本质差异。专利CN101456034A、WO2009125863提供了基于应变设计要求的X70、X80管线钢及其制备方法，虽然都能获得高的塑性变形能力，但是其组织结构为F-B型双相组织，与本发明的单相组织具有显著的差异。
本发明采用NbC作为强化相，生产单相组织钢板，获得了比双相钢板更优的综合性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种通过合理的成分设计、控轧控冷、热处理等工艺匹配，保证地质复杂地带铺设的油气输送管线管的安全，具有良好塑性变形能力的钢板，实现了满足高压输送天然气、石油等用途的NbC纳米颗粒强化X90塑性管用钢板及其制造方法。
本发明目的是这样实现的：
一种NbC纳米颗粒强化X90塑性管用钢板，该钢板的成分按重量百分比计如下：C0.06％～0.12％，Si 0.10％～0.30％，Mn 0.60％～1.40％，Nb 0.07％～0.15％，N0.001％～0.004％，Ti 0.01％～0.04％，Al 0.025％～0.045％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cu 0.10％～0.30％，Mo0.10％～0.30％，Cr 0.10％～0.30％，Ni 0.10％～0.30％，其余为Fe以及不可避免的杂质元素。
所述塑性管用钢板显微组织为贝氏体组织，贝氏体组织相界面上均匀分布着纳米尺寸的NbC颗粒，所述NbC颗粒尺寸不超过300nm，所述NbC颗粒体积分数0.05％～0.20％。
本发明成分设计理由如下：
C：钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但提高C含量对钢的塑性、韧性和焊接性有负面影响；在本发明中，C的主要作用是与Nb元素结合，形成纳米尺寸的NbC颗粒用于强化材料。为此，本发明将C含量范围设定为0.06％～0.12％。
Si：Si具有脱氧炼钢与提高基体强度的作用。如果Si过量，会降低母材焊接热影响区的韧性，影响野外焊接施工；提高Si的含量，可以净化铁素体，减小珠光体的含量，有利于减少基体材料的包辛格效应。因此，Si含量在本发明中设定为0.10％～0.30％。
Mn：通过固溶强化提高钢的强度，是管线钢中补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素。Mn有助于获得细小的低温相变产物，可提高钢的韧性。提高Mn的含量，会加剧连铸坯中心偏析，不利于钢板低温韧性、抗HIC性能的提高。因此，本发明的Mn含量范围设计为0.60％～1.40％。
Nb：Nb是现代微合金化管线钢中常用元素之一，具有良好的细晶强化与沉淀强化效果；NbC在材料基体上析出后，可以在不明显影响材料塑性变形能力的前提下，提高其屈服强度；过量的Nb会增加成本与连铸工艺控制难度。本发明选取Nb含量范围0.07％～0.15％。
Ti：是强的固N元素，在板坯连铸中以TiN形式存在。细小的TiN粒子可有效地抑制板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，改善焊接热影响区的冲击韧性。当Ti添加量超过某一定值，TiN颗粒就会粗化，提升颗粒界面与基体的应力集中水平。因此，本发明选取Ti含量范围0.01％～0.04％。
N：钢中N元素除了形成细小的TiN颗粒细化奥氏体晶粒外，在塑性管用X90钢板中并没有其它明显的有利作用，因此需要保持在一个较低的含量水平，本发明选取的N含量范围0.001％～0.004％。
Al：通常作为钢中脱氧剂，如果形成AlN还有细化组织的作用。当Al的含量超过0.045％，过量的氧化铝夹杂会降低钢的洁净度。Al含量过低则脱氧不充分，Ti等易氧化元素就会形成氧化物，因此Al的含量下限设定为0.025％。
Cr、Mo、Cu、Ni：Cr、Mo是推迟铁素体形成、促进贝氏体形成的主要元素，对控制相变组织起重要作用，在一定的冷却条件和终轧温度下加入，可获得贝氏体组织，有利于强度、塑性与韧性的合理搭配。而Cu、Ni是通过固溶强化作用提高钢的强度，同时Cu还可以改善钢的耐蚀性，Ni的加入主要是改善低温韧性，同时降低Cu在钢中所引起的热脆倾向。针对这4种合金元素，本发明选取Cr、Mo、Cu、Ni的含量范围为0.10％～0.30％。
P、S：是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好。出于冶炼成本的考虑，又不能无限制的低。因此，本发明将P、S含量上限设定为0.010％与0.005％。
本发明技术方案之二是提供一种NbC纳米颗粒强化X90塑性管用钢板的制造方法，包括备料→转炉或电炉冶炼→炉外精炼→铸造→板坯再加热→控制轧制→控制冷却。
(1)板坯再加热：钢坯经过清理后，进行再加热，钢坯出炉温度Tso为1150～1220℃；
(2)控制轧制：粗轧终轧温度Trf≥1000℃；中间待温坯厚度t’为2.5t～4.0t，t为成品钢板厚度；精轧开轧温度Tfs为800～900℃，精轧终轧温度Tff为720～820℃；
(3)控制冷却：开冷温度Tcs为720～800℃、终冷温度Tcf为300～500℃、冷却速度Sc为15～24℃/s，得到细小均匀的贝氏体组织；
(4)控制冷却后进行热处理，水冷至室温，所述热处理采用固溶处理和等温热处理；
固溶处理：将控制冷却完成后的钢板，放入加热炉中进行固溶处理，钢板入炉前的温度范围为Ti为室温～Tcf，固溶温度Ts1为1180～1220℃，固溶处理时间ts1为0.5～2.5h(h，小时)；固溶处理的目的是使Nb充分固溶在奥氏体中，为后续的NbC析出做好准备；
等温热处理：固溶处理完成后，立即进行等温热处理，等温温度Ts2为580～620℃，等温时间ts2为0.1～5.0h；等温热处理的目的是使NbC纳米颗粒充分、均匀的析出贝氏体相界面上；
等温热处理完成后，使用水作为冷却介质加速冷却至室温，最终获得贝氏体组织，相界面上均匀分布着纳米尺寸的NbC颗粒，颗粒尺寸不超过300nm，体积分数0.05％～0.20％。
采用上述的成分、控轧控冷与热处理方案，克服了现有技术存在的缺陷，实现了满足X90塑性管用钢板的生产与应用。
为了满足塑性管用X90钢板所需的性能，本发明采用了低碳低锰，Nb与Ti复合微合金化，Cr、Mo、Cu与Ni复合合金化，不添加V的成分设计；连铸坯生产采用了纯净钢冶炼技术以及高品质板坯生产技术；钢板生产过程中采用了两阶段控制轧制技术、控制冷却与热处理技术，获得以贝氏体为主、NbC纳米颗粒增强的显微组织结构，具有良好的强韧性匹配和抗塑性变形能力。
本发明的有益效果在于：
(1)采用低C低Mn，复合添加Cu、Ni、Cr、Mo、Nb、Ti，不添加V的成分设计，有效地降低了生产成本。
(2)采用两阶段控轧的TMCP工艺来生产以贝氏体为主要组织的热轧钢板。
(3)热轧钢板经固溶处理与等温热处理后，获得具有高塑性的贝氏体组织；NbC纳米颗粒作为增强相，使钢板具有高屈服强度；经水冷至室温的热处理态钢板，满足塑性管用X90钢板的各项力学性能要求，且低温韧性、抗HIC性能尤其良好。
(4)钢板横向力学性能可以达到如下要求：屈服强度Rt0.5为560～680MPa，抗拉强度Rm为700～800MPa，屈强比Rt0.5/Rm≤0.88，-30℃冲击功CVN≥200J，-20℃DWTT剪切面积SA≥85％，HV10≤280；钢板纵向力学性能可以达到如下要求：Rt0.5为540～670MPa，抗拉强度Rm为700～800MPa，屈强比Rt0.5/Rm≤0.80，均匀延伸uEL≥10％。
(5)通过合理的成分设计与工艺制度匹配，实现了低温韧性、抗HIC性能优良的X90塑性管用钢板的高性价比生产。使用本发明生产的钢板所制造的钢管，可以在地质条件复杂地区使用，满足油气输送的安全要求。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行包括备料→转炉或电炉冶炼→炉外精炼→铸造→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→固溶处理→等温热处理→水冷至室温，
(1)板坯再加热：钢坯经过清理后，进行再加热，钢坯出炉温度Tso为1150～1220℃；
(2)控制轧制：粗轧终轧温度Trf≥1000℃；中间待温坯厚度t’为2.5t～4.0t，t为成品钢板厚度；精轧开轧温度Tfs为800～900℃，精轧终轧温度Tff为720～820℃；
(3)控制冷却：开冷温度Tcs为720～800℃、终冷温度Tcf为300～500℃、冷却速度Sc为15～24℃/s；
(4)控制冷却后进行热处理，水冷至室温，所述热处理采用固溶处理和等温热处理；
固溶处理：将控制冷却完成后的钢板放入加热炉中进行固溶处理，钢板入炉前的温度Ti为室温～Tcf，固溶温度Ts1为1180～1220℃，固溶处理时间ts1为0.5～2.5h；
等温热处理：固溶处理完成后立即进行等温热处理，等温温度Ts2为580～620℃，等温时间ts2为0.1～5.0h。
等温热处理完成后，使用水作为冷却介质加速冷却至室温，最终获得贝氏体组织，相界面上均匀分布着纳米尺寸的NbC颗粒，颗粒尺寸不超过300nm，体积分数0.05％～0.20％。
本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的主要工艺参数见表2。本发明实施例钢横向性能见表3。本发明实施例钢纵向性能与抗HIC结果见表4。本发明实施例钢钢板中NbC纳米颗粒尺寸与体积分数见表5。
表1本发明实施例钢的成分(wt％)
C<sup>*</sup> Si Mn Cu Cr Mo Ni Nb N<sup>*</sup> Ti<sup>*</sup> Al<sup>*</sup> P<sup>*</sup> S<sup>*</sup>
1 60 0.30 0.60 0.10 0.12 0.10 0.12 0.14 1 20 25 9 2
2 80 0.20 0.75 0.28 0.28 0.28 0.28 0.13 2 30 35 6 2
3 100 0.15 0.90 0.10 0.20 0.10 0.20 0.12 2 30 45 3 4
4 120 0.10 1.15 0.10 0.20 0.10 0.20 0.11 1 20 35 6 4
5 115 0.14 1.30 0.15 0.15 0.15 0.15 0.10 3 40 25 9 3
6 95 0.23 1.39 0.10 0.20 0.10 0.20 0.09 4 40 25 5 5
7 75 0.28 1.39 0.10 0.20 0.10 0.20 0.08 3 40 35 9 2
8 65 0.25 1.25 0.05 0.17 0.05 0.12 0.07 2 30 45 6 2
9 65 0.20 1.20 0.25 0.25 0.25 0.25 0.10 1 20 35 3 4
10 95 0.15 0.95 0.20 0.15 0.15 0.15 0.14 1 10 25 6 4
11 75 0.12 0.80 0.15 0.20 0.15 0.15 0.11 3 40 30 9 3
12 110 0.22 0.65 0.15 0.15 0.15 0.20 0.12 2 20 30 5 5
注：*表示该数值需乘以10～3
表2本发明实施例钢的主要工艺参数
Figure BDA0001788073530000091
注：RT代表室温。
表3本发明实施例钢横向性能
Rt0.5，MPa Rm，MPa Rt0.5/Rm -30℃CVN，J -20℃DWTT，％ HV10
1 585 740 0.79 230 90 240
2 568 735 0.77 255 90 250
3 586 745 0.79 255 90 235
4 560 740 0.76 245 90 240
5 594 770 0.77 265 95 235
6 598 765 0.78 270 95 250
7 586 750 0.78 250 95 255
8 592 760 0.78 275 95 240
9 586 745 0.79 230 90 235
10 591 745 0.79 220 95 245
11 580 745 0.78 280 90 247
12 561 735 0.76 260 95 245
表4本发明实施例钢纵向性能与抗HIC结果
Rt0.5，MPa Rm，MPa Rt0.5/Rm uEL，％ CLR，％ CTR，％ CSR，％
1 580 770 0.75 10 0 0 0
2 568 755 0.75 11 0 0 0
3 574 765 0.75 11 0 0 0
4 568 750 0.76 10 0 0 0
5 573 765 0.75 12 0 0 0
6 562 740 0.76 10 0 0 0
7 543 725 0.75 11 0 0 0
8 567 745 0.76 11 0 0 0
9 550 720 0.76 10 0 0 0
10 568 760 0.75 12 0 0 0
11 541 720 0.75 10 0 0 0
12 576 760 0.76 11 0 0 0
表5本发明实施例钢钢板中NbC纳米颗粒尺寸与体积分数
颗粒体积分数，％ 颗粒平均尺寸，nm
1 0.14 109
2 0.13 115
3 0.13 118
4 0.12 122
5 0.14 149
6 0.13 146
7 0.10 133
8 0.09 129
9 0.10 114
10 0.16 133
11 0.14 138
12 0.15 143
为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (2)

1.一种NbC纳米颗粒强化X90塑性管用钢板，其特征在于，该钢板的成分按重量百分比计如下：C 0.06％～0.12％，Si 0.10％～0.30％，Mn 0.60％～1.40％，Nb 0.07％～0.15％，N 0.001％～0.004％，Ti 0.01％～0.04％，Al 0.025％～0.045％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cu 0.10％～0.30％，Mo 0.10％～0.30％，Cr 0.10％～0.30％，Ni 0.10％～0.30％，其余为Fe以及不可避免的杂质元素；
所述NbC纳米颗粒强化X90塑性管用钢板的制造方法，包括备料→转炉或电炉冶炼→炉外精炼→铸造→板坯再加热→控制轧制→控制冷却，
(1)板坯再加热：钢坯经过清理后，进行再加热，钢坯出炉温度为1150～1220℃；
(2)控制轧制：粗轧终轧温度大于等于1000℃；中间待温坯厚度为2.5t～4.0t，t为成品钢板厚度；精轧开轧温度为800～900℃，精轧终轧温度为720～820℃；
(3)控制冷却：开冷温度为720～800℃、终冷温度为300～500℃、冷却速度为15～24℃/s；
(4)控制冷却后进行热处理，水冷至室温，所述热处理采用固溶处理和等温热处理；
固溶处理：将控制冷却完成后的钢板进行固溶处理，钢板入炉前的温度为室温至终冷温度，固溶温度为1180～1220℃，固溶处理时间为0.5～2.5h；
等温热处理：固溶处理完成后立即进行等温热处理，等温温度为580～620℃，等温时间为0.1～5.0h。
2.根据权利要求1所述NbC纳米颗粒强化X90塑性管用钢板，其特征在于，所述塑性管用钢板显微组织为贝氏体组织，贝氏体组织相界面上均匀分布着纳米尺寸的NbC颗粒，所述NbC颗粒尺寸不超过300nm，所述NbC颗粒体积分数0.05％～0.20％。
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