CN109536850B

CN109536850B - 一种高强韧低屈强比厚钢板及其生产工艺

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Publication number: CN109536850B
Application number: CN201910021904.5A
Authority: CN
Inventors: 康永林; 朱国明; 王九清; 郭呈宇
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2020-10-02
Anticipated expiration: 2039-01-10
Also published as: CN109536850A

Abstract

本发明提供了一种高强韧低屈强比厚钢板及其生产工艺，属于钢铁材料领域。该厚板的化学成分按质量百分比为：C≤0.07％、Si≤0.2％、Mn 1.0～2.5％、Ni 4.0～6.0％、Cr 0.4～1.2％、Mo 0.2～0.8％、V+Nb+Al 0.1～0.4％，余量为Fe和不可避免杂质。该生产工艺是在采用上述成分的基础上，采用控轧控冷与离线热处理工艺，制备出厚度为20～80mm的高强韧低屈强比厚钢板。控轧控冷工艺采用两阶段轧制，轧后堆冷至室温。热处理采用二次淬火工艺，经一次淬火+两相区二次淬火+回火后，得到高强韧低屈强比厚钢板。本发明优点在于，强度高、低温韧性高及较低的屈强比，可用于低温环境下的船体结构建造。

Description

一种高强韧低屈强比厚钢板及其生产工艺

技术领域

本发明属于钢铁材料技术领域，具体涉及一种高强韧低屈强比厚钢板及其生产工艺。

背景技术

高强韧厚板被广泛应用于海洋、矿山、建筑、核电等领域，而对船体结构用中厚板的性能要求包括高强度、高韧性、低屈强比与良好的焊接性，多采取化学成分精确控制与高洁净钢冶金技术、低成本高性能微合金化技术、TMCP技术、中厚板离线/在线热处理强化技术等。

目前TMCP技术已经广泛应用于低合金高强钢的生产过程中，但是对于强度级别较高的中厚板以及性能稳定性和均匀性要求更高的结构用钢而言，传统的调质热处理(淬火-高温回火，QT)生产工艺仍是无可替代的。调质型高强钢因其良好的性能均匀性和组织稳定性等优势占据着主流市场。

传统的淬火+回火(QT)工艺生产的高强韧中厚板，虽然具有良好的强度与韧性的匹配，但是屈强比偏高(>0.96)，且较高的碳含量会影响到钢板的焊接性能。为了降低屈强比，目前多采用淬火+两相区二次淬火+回火(QLT)工艺。但是对于中厚板，加热时间延长增大了晶粒粗化的可能，从而降低了钢的性能。

公开号为CN1323907的发明专利提出一种用于高强度低合金钢生产的弛豫－析出－控制相变(RPC)的工艺技术和相应的合金设计，通过该工艺，控制多种物理冶金过程，实现控制钢的相变，可获得超细复合组织，能够获得高强度、高韧性的低合金钢，屈服强度可达800MPa以上，但该种低合金钢屈强比过高(0.95以上)，不利于在某些领域的应用。

公开号为CN1786246的发明专利提出一种高强度高韧性低屈强比贝氏体钢及其生产方法，采用TMCP+RPC+SQ(控轧控冷+弛豫控制相变+亚温淬火)工艺，可生产抗拉强度800MPa级以上，屈强比低于0.85的钢板，但该工艺仅适合于12～60mm厚度贝氏体钢板的生产，且屈服强度相对不高。

公开号为CN101328564的发明专利提出一种具有优良焊接性的低屈强比HT780钢板及其制造方法，采用TMCP+DQ+N’+T(控轧控冷+直接淬火+两相区正火+回火)工艺，可获得屈服强度≥650MPa，屈强比≤0.80，-40℃冲击功≥100J的钢板，但整体工艺使得强度与低温冲击功相对不高。

公开号为CN101906591的发明专利提出一种超高强船板钢及其生产方法，采用控轧控冷+回火热处理工艺，可获得屈服强度＞550MPa，横向伸长率＞20％，-60℃冲击功＞200J的钢板，韧塑性较好，但强度较低。

公开号为CN105950997的发明专利提出一种高韧性高强度厚板及其生产方法，采用淬火+亚温淬火+回火工艺对轧制的钢板进行热处理，可使其屈服强度≥1200MPa，屈强比≤0.85，且可生产钢板厚度≥80mm，但断后伸长率≥12％，-40℃冲击功≥65J，韧塑性不高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高强韧低屈强比厚钢板及其生产工艺，其通过特殊的合金成分设计、控轧控冷与热处理工艺优化，控制厚板的相组成，实现高强度、高低温冲击韧性与低屈强比，从而生产出高强韧低屈强比的船体结构用厚钢板。

本发明提供一种高强韧低屈强比厚钢板，该钢板的成分按质量百分数为：C≤0.07％、Si≤0.2％、Mn 1.0～2.5％、Ni 4.0～6.0％、Cr 0.4～1.2％、Mo 0.2～0.8％、V+Nb+Al 0.1～0.4％，余量为Fe和不可避免杂质。

一种如上所述的高强韧低屈强比厚钢板的生产工艺，具体工艺步骤为：

采用两阶段轧制工艺对厚板坯进行轧制：开轧温度≥1180℃，除鳞后第一阶段7～11道次轧制，中间坯待温至920℃后，进行第二阶段5～7道次轧制，终轧温度≥850℃，轧后堆冷至室温；再采用一次淬火+两相区二次淬火+回火工艺对热轧板进行热处理：一次淬火温度≥860℃，二次加热至650～750℃后进行二次淬火，最后回火至500～600℃后空冷至室温，得到高强韧低屈强比厚钢板。

所述成品高强韧低屈强比厚钢板厚度为20～80mm，组织为铁素体+回火板条马氏体，屈服强度≥800MPa，屈强比≤0.93，-50℃冲击功≥200J，伸长率≥18％，断面收缩率≥70％。

本发明合金成分设计较复杂，合金含量较高，且加入了多种微合金元素。以下对本发明的高强韧低屈强比厚钢板中所含主要合金组分的作用及用量的选择进行具体分析说明：

C：C是保证钢板强度的主要元素之一，含量过低则强度不能保证，含量过高则会导致低温韧性与焊接性能降低。故本发明中C含量选择在≤0.07％，主要保证低温韧性与焊接性能，强度则由其他多种合金元素的添加来补足。

Si：Si可以通过固溶强化提高钢板的强度，但是Si含量过高会导致大尺寸夹杂物的产生，从而损害低温韧性与焊接性能。故本发明中Si含量≤0.2％，防止大尺寸夹杂物的产生导致低温韧性的恶化。

Mn：Mn能够提高钢板的淬透性，并通过固溶强化提高钢板的强度，但Mn含量过高对低温韧性与焊接性能不利，故本发明中Mn含量在1.0～2.5％，保证强度与低温韧性的匹配。

Ni：Ni能够提高钢板的淬透性，也是一种提高钢板强度与低温韧性的元素。Ni可以减小钢板对缺口的敏感性，降低钢的低温脆性转变温度。故本发明中Ni含量较高，提高钢板的强度与低温韧性。

Cr：Cr在调质中的主要作用是提高淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能。故本发明中加入适量的Cr，有利于较厚钢板在热处理后性能均匀。

Mo：Mo能够提高钢板的淬透性，并通过细化晶粒，强化铁素体，起到提高钢的强度和硬度的作用。最重要的是，钼能防止高温回火脆性的产生。故本发明中加入适量的Mo，以防止热处理后钢板产生高温回火脆性。

Nb、V、Ti、Al均为强碳化物形成元素，在钢中加入微量可形成弥散的析出相，起到沉淀强化的效果。同时，少部分Nb、V、Ti、Al固溶入晶粒，起到固溶强化的效果。此外，Nb、V、Ti、Al的析出可以在加热时对晶界起到钉扎作用，阻碍奥氏体晶界的迁移从而防止晶粒粗化，起到细晶强化的效果。但过高的Ti含量会导致大尺寸TiN颗粒产生，降低钢的低温韧性。故本发明中V+Nb+Al含量为0.1～0.4％，通过大量弥散析出纳米相细化晶粒，提高强度与低温韧性。

在轧制工艺上，本发明采用两阶段控轧控冷工艺。通过控制两阶段压下量与中间坯待温温度，促进再结晶，避开混晶区，从而获得细小均匀组织。轧后采用堆垛缓冷方式冷却至室温，防止钢板开裂。

在热处理工艺上，本发明采用一次淬火+两相区二次淬火+回火热处理工艺。通过引入两相区二次淬火环节，在进一步细化晶粒的基础上，引入铁素体以降低屈强比。通过控制热处理参数，调整钢的相组成，从而得到较高的强度与低温韧性，及较低的屈强比。

与现有技术相比，本发明优点在于：

(1)本发明合金成分中加入了大量的Ni，有效的提高了钢板的低温韧性。同时，通过添加适量微合金元素Nb、V、Al，在钢中形成大量弥散细小的纳米相，通过细晶强化与析出强化进一步增强增韧，制得钢板的-50℃冲击功≥200J。

(2)采用一次淬火+两相区二次淬火+回火的热处理工艺，通过两相区二次淬火引入铁素体，降低钢的屈强比。通过对热处理工艺参数的调节，调整钢的相组成，得到良好的强韧性与屈强比匹配，在钢板的屈服强度≥800MPa的情况下，达到屈强比≤0.93。

(3)通过本发明的成分与工艺制得的钢板，其组织为铁素体+回火板条马氏体，在厚度方向组织均匀，性能波动不大，可生产20～80mm厚的钢板。

附图说明

图1为实施例1中25mm厚高强韧低屈强比厚钢板的显微组织；

图2为实施例2中45mm厚高强韧低屈强比厚钢板的显微组织；

图3为实施例3中80mm厚高强韧低屈强比厚钢板的显微组织；

具体实施方式

本发明高强韧低屈强比厚板，其成分按质量百分数为：C≤0.07％、Si≤0.2％、Mn1.0～2.5％、Ni 4.0～6.0％、Cr 0.4～1.2％、Mo 0.2～0.8％、V+Nb+Al 0.1～0.4％，余量为Fe和不可避免杂质。

上述所述高强韧低屈强比厚钢板，其生产工艺如下：

采用两阶段轧制工艺对厚板坯进行轧制：开轧温度≥1180℃，除鳞后第一阶段7～11道次轧制，中间坯待温至920℃后，进行第二阶段5～7道次轧制，终轧温度≥850℃，轧后堆冷至室温。再采用一次淬火+两相区二次淬火+回火工艺对热轧板进行热处理：一次淬火温度≥860℃，二次加热至650～750℃后进行二次淬火，最后回火至500～600℃后空冷至室温，得到高强韧低屈强比厚钢板。

上述所述高强韧低屈强比厚板，其厚度为20～80mm。

上述所述高强韧低屈强比厚板，其屈服强度≥800MPa，屈强比≤0.93，-50℃冲击功≥200J，伸长率≥18％，断面收缩率≥70％。

上述所述高强韧低屈强比厚板，其显微组织为铁素体和回火板条马氏体。

实施例1

钢坯的化学成分按质量百分数为：C 0.06％、Si 0.11％、Mn 1.5％、Ni 4.5％、Cr0.6％、Mo 0.4％、V 0.1％、Nb 0.1％、Al 0.1％，余量为Fe和不可避免杂质。

将上述化学成分的厚板坯轧制成厚度为25mm的钢板。

在热处理工序中，一次淬火温度为900℃，两相区二次淬火温度为680℃，回火温度为550℃。得到的钢板的力学性能见表1，钢板的显微组织照片如图1所示，其显微组织为铁素体和回火板条马氏体。

实施例2

将上述化学成分的厚板坯轧制成厚度为45mm的钢板。

在热处理工序中，一次淬火温度为880℃，两相区二次淬火温度为700℃，回火温度为550℃。得到的钢板的力学性能见表1，钢板的显微组织照片如图2所示，其显微组织为铁素体和回火板条马氏体。

实施例3

将上述化学成分的厚板坯轧制成厚度为80mm的钢板。

在热处理工序中，一次淬火温度为860℃，两相区二次淬火温度为720℃，回火温度为570℃。得到的钢板的力学性能见表1，钢板的显微组织照片如图3所示，其显微组织为铁素体和回火板条马氏体。

表1本发明中实施例涉及的高强韧低屈强比厚钢板力学性能

注：按照GB/T 228.1-2010试验标准，拉伸试样采用标距为φ5的棒状试样，取样位置为横向取样，板厚1/4处；按照GB/T 229-2007试验标准，夏比冲击试样尺寸为10×10×55mm，取样位置为纵向取样，板厚1/4处。

Claims

1.一种高强韧低屈强比厚钢板的生产工艺，其特征在于，该工艺为：采用两阶段轧制工艺对厚板坯进行轧制，开轧温度≥1180℃，除鳞后第一阶段7～11道次轧制，中间坯待温至920℃后，进行第二阶段5～7道次轧制，终轧温度≥850℃，轧后堆冷至室温，再采用一次淬火+两相区二次淬火+回火工艺对热轧板进行热处理，一次淬火温度≥860℃，二次加热至650～750℃后进行二次淬火，最后回火至500～600℃后空冷至室温，得到高强韧低屈强比厚钢板，钢板的化学成分按质量百分数为：C≤0.07％、Si≤0.2％、Mn 1.0～2.5％、Ni 4.0～6.0％、Cr 0.4～1.2％、Mo 0.2～0.8％、V+Nb+Al 0.1～0.4％，余量为Fe和不可避免杂质；

所述得到高强韧低屈强比厚钢板的厚度在20～80mm，显微组织为铁素体和回火板条马氏体，屈服强度≥800MPa，屈强比≤0.93，-50℃冲击功≥200J，伸长率≥18％，断面收缩率≥70％。