CN110114490A - 具有450MPa级抗拉强度和优异的抗氢致开裂性的厚壁钢板及其制造方法 - Google Patents

具有450MPa级抗拉强度和优异的抗氢致开裂性的厚壁钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

提供的是：具有450MPa级抗拉强度和优异的抗氢致开裂性的厚壁钢板；以及用于制造其的方法。本发明的厚壁钢板以重量％计包含0.03％至0.06％的C、0.2％至0.4％的Si、1.0％至1.6％的Mn、0.03％或更少的P、0.003％或更少的S、0.06％或更少的Al、0.01％或更少的N、0.05％至0.4％的Cu、0.05％至0.5％的Ni、0.0005％至0.003％的Ca、以及其余部分为Fe和其他不可避免的杂质，并且该厚壁钢板具有40mm或更大的厚度。

Description

具有450MPa级抗拉强度和优异的抗氢致开裂性的厚壁钢板及 其制造方法
技术领域
本公开涉及具有优异的抗氢致开裂性的厚壁钢板及其制造方法，并且具体地涉及具有40mm或更大的厚度且具有450MPa的抗拉强度的经正火热处理的厚壁钢板及其制造方法。
背景技术
根据美国石油学会(API)标准，用于保证氢致开裂的厚壁钢板已经用于线管、工艺管等，并且已经根据使用环境确定了钢材的所需性能和制造过程。在最终用户具有高温环境时，钢材的制造过程需要热处理过程，例如正火过程、淬火/回火过程等。此外，在钢管的制造过程包括正火过程时，热处理钢板需要正火钢材。
然而，正火钢材的强度由于空气冷却材料的特性而通常较低，并且当合金元素例如C、Mn等的含量增加以促进强度的增加时，抗氢致开裂性会急剧下降。原因是钢板中的珠光体的含量随着C、Mn等的添加而增加，并且抗氢致开裂性在珠光体分数的一定百分比内急剧下降。另外，由于正火钢材的特性，在钢管成形之后抗氢致开裂性降低，因此近年来对抗氢致开裂性的要求变得更加严格。
目前已经提出以下技术以用于生产确保抗氢致开裂性用的正火钢材。
韩国专利公开第2004-0021117号提出了一种具有600MPa的抗拉强度的用于压力容器的钢材，该钢材在韧性方面是优异的并且用于例如发电厂的锅炉、压力容器等材料。由该专利公开提出的用于压力容器的钢材具有组成，该组成以重量％计包含：碳(C)：0.08％至0.16％、硅(Si)：0.1％至0.4％、锰(Mn)：0.8％至1.8％、钼(Mo)：0.2％至0.8％、镍(Ni)：0.3％至0.8％、硼(B)：0.0005％至0.003％、钛(Ti)：0.005％至0.025％、铝(Al)：0.01％至0.08％、磷(P)：0.010％或更少、硫(S)：0.010％或更少、氮(N)：0.010％或更少、余量为铁(Fe)和其他不可避免的杂质。在Ac3至930℃的范围内的温度下对钢材进行热处理，然后以0.5℃/秒至5℃/秒的冷却速率强制冷却至室温。如上所述，专利公开涉及具有600MPa的抗拉强度的用于压力容器的钢材及其制造方法。
然而，上述韩国专利公开第2004-0021117号中描述的成分和制造条件由于较高的C含量而未能生产出在抗氢致开裂性方面优异的正火钢材。此外，还有一个缺点是在提高正火钢的强度方面不起作用的Mo被有意地用于该钢材中。另外，尽管事实是没有使用Cu，但是存在添加相对大量的Ni来防止热脆性的缺点。此外，存在未考虑对低强度钢材的抗氢致开裂性有很大影响的夹杂物的分布的问题。
韩国专利第0833070号提出了一种用于压力容器的厚壁钢板，该厚壁钢板在满足500MPa的抗拉强度的同时在抗氢致开裂性方面是优异的。在由以上专利提出的用于压力容器的厚壁钢板及其制造方法中，使用了下述钢材，该钢材具有组成，该组成以重量％计包含：碳(C)：0.1％至0.30％、硅(Si)：0.15％至0.40％、锰(Mn)：0.6％至1.2％、磷(P)：0.035％或更少、硫(S)：0.020％或更少、铝(Al)：0.001％至0.05％、铬(Cr)：0.35％或更少、镍(Ni)：0.5％或更少、铜(Cu)：0.5％或更少、钼(Mo)：0.2％或更少、钒(V)：0.05％或更少、铌(Nb)：0.05％或更少、钙(Ca)：0.0005％至0.005％、余量为Fe和其他不可避免的杂质。此外，这种钢板满足作为用于成分的关系的等式1：Cu+Ni+Cr+Mo<1.5％，等式2：Cr+Mo<0.4％，等式3：V+Nb<0.1％，以及等式4：Ca/S>1.0。如上所述，以上专利涉及用于制造具有500MPa的抗拉强度的钢材的方法，该方法包括：在1050℃至1250℃下对钢材进行再加热；在不低于非再结晶温度的温度下对经再加热的钢材进行热轧的再结晶控制轧制操作；以及在850℃至950℃的温度下对经热轧的钢材进行1.3×t+10分钟至1.3×t+30分钟的正火热处理的操作(其中t表示钢材的厚度(mm))。
然而，如在韩国专利公开第2004-0021117号中那样，由于上述韩国专利第0833070号包含Cr、Mo和V，这些元素对提高正火钢的强度不太有效，以及另外，其中所述的C含量为0.1重量％或更高，因此在确保抗氢致开裂性方面也存在问题。
发明内容
技术问题
本公开是为了解决现有技术的以上问题而作出的，并且本公开的目的是优化钢中的成分、钢的显微组织、轧制操作、冷却操作和热处理操作，以提供具有优异的抗氢致开裂性、具有40mm或更大的厚度的且具有450MPa的抗拉强度的正火热处理的厚壁钢板。另外，不同于现有技术，热处理操作在比常规正火热处理操作的温度高的温度下进行，并且不包含昂贵的析出类型元素、例如Cr、Mo、V等，以提供一种具有优异的抗氢致开裂性且具有450MPa的抗拉强度的正火热处理的厚壁钢板。
本公开的目的不限于以上描述。本领域技术人员将理解的是，从本公开的总体内容理解本公开并不困难。
技术方案
根据本公开的一方面，具有优异的抗氢致开裂性的厚壁钢板以重量计包含：碳(C)：0.03％至0.06％、硅(Si)：0.2％至0.4％、锰(Mn)：1.0％至1.6％、磷(P)：0.03％或更少、硫(S)：0.003％或更少、铝(Al)：0.06％或更少、氮(N)：0.01％或更少、铜(Cu)：0.05％至0.4％、镍(Ni)：0.05％至0.5％、钙(Ca)：0.0005％至0.003％、余量为Fe和其他不可避免的杂质，其中该厚壁钢板的厚度为40mm或更大，并且该厚壁钢板的抗拉强度为450MPa或更大。
该厚壁钢板还可以包含Nb：0.005％至0.05％和Ti：0.005％至0.03％。
该厚壁钢板可以为具有铁素体和珠光体的复合组织的显微组织，珠光体的面积分数可以小于10％。
该厚壁钢板还可以包含基于Al-Ca的夹杂物，在轧制方向上，具有2μm或更大直径的基于Al-Ca的夹杂物之间的最小距离可以为100μm或更大。
根据本公开的一方面，一种用于制造具有450MPa级抗拉强度和优异的抗氢致开裂性的厚壁钢板的方法，包括：准备板坯，该板坯具有组成，该组成以重量％计包含：碳C：0.03％至0.06％、硅(Si)：0.2％至0.4％、锰(Mn)：1.0％至1.6％、磷(P)：0.03％或更少、硫(S)：0.003％或更少、铝(Al)：0.06％或更少、氮(N)：0.01％或更少、铜(Cu)：0.05％至0.4％、镍(Ni)：0.05％至0.5％、钙(Ca)：0.0005％至0.003％、余量为Fe和其他不可避免的杂质；
在1100℃至1300℃下对板坯进行加热；
对经加热的板坯进行热轧，使得在900℃或更高的精轧温度下总轧制压缩厚度小于200mm，从而制备热轧钢板；以及
在1000℃至1100℃的温度下使热轧钢板经历正火热处理。
有益效果
根据本公开的一方面，通过优化钢中的成分、钢的显微组织和轧制操作，以相对较低的制造成本获得了具有优异的抗氢致开裂性、具有40mm或更大的厚度并具有450MPa的抗拉强度的钢板。
附图说明
图1是图示了具有与发明例1的成分相同成分的比较例5至10的根据正火温度的抗拉强度分布的图。
图2是示出了比较例7(低温轧制材料)的氢致开裂断裂表面中的基于Al-Ca的夹杂物的照片。
具体实施方式
可以有助于韧性和强度的提高。然而，当N含量超过0.01％时，N以固溶态存在，而处于固溶态的N对低温韧性有不利影响。因此，优选地将N的含量限制成0.01％或更少。
Cu：0.05％至0.4％
Cu可以是用于通过固溶强化提高铁素体的强度的元素，并且应以0.05％或更高的量添加。由于Cu是在热轧操作期间于表面上引起裂纹以妨碍表面品质的元素，因此优选地将Cu的上限限制成0.4％。
Ni：0.05％至0.5％
Ni可以是提高钢的韧性的元素，并且优选地以0.05％或更高的量添加，以减少在添加了Cu的钢的热轧操作期间产生的表面裂纹。另外，0.5％或更高的Ni含量会增加钢材的价格。因此，优选地将Ni的上限限制成0.5％。
Ca：0.0005％至0.003％
Ca可以用来使MnS夹杂物球化。在中央部分产生的具有相对较低熔点的夹杂物MnS可以在轧制时伸长成呈现为在钢的中央部分中的伸长的夹杂物。当MnS以相对较大的量存在并且是部分致密时，MnS可以在沿厚度方向伸长时用来使伸长率下降。所添加的Ca可以与MnS反应以包围MnS，从而干扰MnS的伸长。为了表现该MnS球化效果，Ca应以0.0005重量％或更高的量被添加。由于Ca具有较高的挥发性并因此具有相对较低的效益，考虑到在钢制造过程中产生的载荷，优选地将Ca的上限限制成0.003重量％或更少。
除了上述组成之外，本公开的钢板还可以可选地包含Nb和Ti。
Nb：0.005％至0.05％
Nb可以在对板坯进行再加热时固溶，并且可以在热轧操作期间抑制奥氏体晶粒生长，然后可以析出以将钢的强度提高至0.005％或更高。当Nb以超过0.05％的过多的量添加时，Nb在中央部分中与Ti一起析出从而诱导氢致开裂，使得Nb的上限在本公开中限制成0.05％。
Ti：0.005％至0.03％
Ti可以是在对板坯进行再加热以形成TiN时通过与N结合而有效抑制奥氏体晶粒的生长的元素。当Ti以超过0.03％的量添加时，热处理材料的低温冲击韧性会劣化。因此，Ti的上限在本公开中限制成0.03％。从低温韧性的观点来看，更优选地添加0.01％或更少的Ti。
本公开的钢板还可以包含Fe和不可避免的杂质，并且除了上述成分之外不排除添加其他成分。例如，除了钢的组成中的上述成分之外，本公开的钢板还可以另外包含其他成分。
根据元素的含量、轧制操作、冷却条件和热处理条件，具有以上组成的钢可以具有不同的显微组织，并且即使具有相同的组成，也可以根据显微组织影响强度和抗氢致开裂性。在下文中，将对本公开的具有优异的抗氢致开裂性的具有40mm或更大的厚度且具有450MPa的抗拉强度的正火钢材的显微组织进行描述。
基体组织：铁素体和珠光体的复合组织
根据本公开的具有优异的抗氢致开裂性的钢板可以是具有40mm或更大的厚度的钢板，并且可以是不论钢板的厚度如何在保持相对较高的450MPa或更大的抗拉强度的同时具有优异的抗氢致开裂性的钢板。通常，正火钢具有铁素体和珠光体的两相作为其基体组织，而不添加过多的成分。当基体组织中的珠光体分数为10％或更高时，由于抗氢致开裂性降低，因此本公开中的珠光体分数可以限制成小于10％。
具有2μm或更大的直径的基于Al-Ca的夹杂物之间的最小距离：100μm或更大。
基于Al-Ca的夹杂物可以是使低强度钢的抗氢致开裂性劣化的因素。当在轧制方向上，具有2μm或更大的直径的基于Al-Ca的夹杂物之间的的最小距离小于100μm时，可以使抗氢致开裂性劣化。优选的是，将具有2μm或更大的直径的基于Al-Ca的夹杂物之间的最小距离的下限限制成100μm。
接下来，将对制造本公开的具有优异的抗氢致开裂性、具有40mm或更大的厚度、且具有450MPa的抗拉强度的正火热处理钢板的方法进行描述。
首先，在本公开中，可以准备具有上述组成的钢板坯，然后，可以在1100℃至1300℃的温度范围内对钢板坯进行再加热。
再加热过程是将钢板坯加热至相对较高的温度以对钢板坯进行热轧的操作。当再加热温度高于由本公开限定的1300℃的上限时，奥氏体晶粒可能过度粗化，从而降低钢的强度并且产生氧化皮缺陷。当再加热温度低于1100℃时，合金元素的再固溶比会下降。因此，在本公开中，就强度和韧性而言，再加热温度的范围优选地限制成1100℃至1300℃，并且更优选地是1100℃至1180℃。
在本公开中，可以对经加热的板坯进行热轧，使得在900℃或更高的精轧温度下总的轧制压缩厚度小于200mm，从而制备热轧钢板。
精轧温度越低，晶粒越细。因此，可以改进钢的低温韧性。然而，当精轧温度低于900℃时，可以沿轧制方向分离出较大的基于Al-Ca的夹杂物，使得具有2μm或更大的直径的基于Al-Ca的夹杂物之间的最小距离小于100μm。因此，由于钢中的抗氢致开裂性会迅速劣化，优选地对经加热的板坯进行热轧，使本公开中的总轧制压缩厚度限制成小于200mm。
在热机械控制过程(TMCP)材料的情况下，随着板坯的总压缩厚度增加，晶粒可以更细，并且可以改进低温韧性。当板坯的总压缩厚度为200mm或更大时，正火钢材的基于Al-Ca的夹杂物可以在轧制操作期间沿轧制方向容易地分离，使得具有2μm或更大直径的基于Al-Ca的夹杂物之间的最小距离小于100μm。因此，由于钢中的抗氢致开裂性会迅速劣化，因此优选地对经加热的板坯进行热轧，使本公开中的总轧制压缩厚度限制成200mm或更小。
在本公开中，可以对热轧钢板进行冷却，优选地通过空气冷却进行冷却。由于要被提供的钢材在轧制之后经历热处理，因此冷却过程不是重要的过程变量，但是当钢板从相对较高的温度进行水冷却时，可能引起钢板的形状变形和生产率阻力。
在本公开中，热轧钢板是在1000℃至1100℃的温度范围内经历正火处理的。
正火温度是指在热轧操作之后经冷却的钢板在某个温度或更高温度下被再加热至奥氏体区的温度，并且可以在加热操作之后进行空气冷却操作。通常，正火温度可以直接以Ar3温度进行。由于本研究中提出的正火温度范围旨在通过奥氏体晶粒生长使晶粒粗化，因此可能偏离正常的正火温度。
在本公开中，当正火温度低于1000℃时，奥氏体晶粒不能充分地粗化。因此，在空气冷却操作时不能确保充分的可淬火性，并且在空气冷却操作时形成的铁素体和珠光体可能不会完全转变成奥氏体相。当正火温度超过1100℃时，奥氏体晶粒可能过度粗化。因此，低温韧性会劣化，并且会在钢的表面上引起高温氧化皮。考虑到这一点，在本公开中，正火再加热温度的范围优选地限制成1000℃至1100℃。
发明实施方式
在下文中，将通过实例的方式对本公开进行更具体地描述。然而，应当指出的是，以下实例意在说明和指明本公开，并不是限制本公开的范围。这是因为本公开的范围由权利要求中描述的事项以及由此合理推断的事项来确定。
(实施例)
对具有下表1中所示的组成的钢板进行再加热、热轧和正火以生产钢板。在下表2和表3中，发明例符合根据本公开的一方面的钢组成和制造条件，并且比较例与根据本公开的一方面的钢组成和制造条件中的任何一者偏离。
根据下表2中所示的制造过程条件制备下表1中所示的钢类型以生产钢板。具体地，将具有下表1中所示的组成的钢板加热至下表2中所示的加热温度，进行轧制至下表2中所示的精轧温度和总轧制压缩厚度，进行再加热至下表2中所示的再加热温度，然后进行空气冷却。
对如此制备的钢板测量珠光体面积分数、基于Al-Ca的夹杂物之间的距离、抗拉强度和氢致开裂敏感性、例如裂纹长度比(CLR)，并且结果在下表3中示出。
珠光体面积分数和基于Al-Ca的夹杂物之间的距离通过观察钢板的显微组织获得，并且氢致开裂敏感性(CLR)以及产生的氢致开裂的长度相对于试样的整个长度的百分比根据由NACE(美国腐蚀工程师协会)规定的方法测试。
下表1中列出的值是指重量百分比。比较例1至4是钢组成的成分和制造过程条件不满足根据本公开的一方面的范围的比较例，并且比较例5至10是钢组成的成分满足根据本公开的一方面的范围，但是制造过程条件不满足根据本公开的一方面的范围的比较例。
[表1]
*表1中的其余部分是铁和不可避免的杂质。
[表2]
[表3]
参照上表1至表3，满足根据本公开的一方面的钢组成和制造过程条件的发明例1和2具有450MPa或更高的抗拉强度以及1％或更小的氢致开裂敏感性(CLR)，并因此，可以看出，发明例上的抗氢致开裂性是优异的。
不满足根据本公开的一方面的成分系统、成分范围和过程条件中的一者的比较例1至10具有小于450MPa的抗拉强度或超过1％的氢致开裂敏感性(CLR)，并因此，可以看出，比较例上的抗氢致开裂性是不足够的。
如上所述，可以看出，通过根据本公开的组成和制造过程制造钢板，可以获得具有优异的抗氢致开裂性、具有40mm或更大的厚度且具有450MPa的抗拉强度的钢板。尽管如上所述已经示出了示例性实施方案，对于本领域技术人员而言明显的是修改和变化应在不偏离本发明的范围的情况下进行。

Claims (8)

1.一种具有优异的抗氢致开裂性的厚壁钢板，以重量％计包含：碳(C)：0.03％至0.06％；硅(Si)：0.2％至0.4％；锰(Mn)：1.0％至1.6％；磷(P)：0.03％或更少；硫(S)：0.003％或更少；铝(Al)：0.06％或更少；氮(N)：0.01％或更少；铜(Cu)：0.05％至0.4％；镍(Ni)：0.05％至0.5％；钙(Ca)：0.0005％至0.003％；余量为Fe和其他不可避免的杂质，
其中所述厚壁钢板的厚度为40mm或更大，以及
所述厚壁钢板的抗拉强度为450MPa或更大。
2.根据权利要求1所述的厚壁钢板，还包含铌(Nb)：0.005％至0.05％和钛(Ti)：0.005％至0.03％。
3.根据权利要求1所述的厚壁钢板，其中所述厚壁钢板为具有铁素体和珠光体的复合组织的显微组织，所述珠光体的面积分数小于10％。
4.根据权利要求1所述的厚壁钢板，其中所述厚壁钢板还包含基于Al-Ca的夹杂物，在轧制方向上，具有2μm或更大的直径的基于Al-Ca的夹杂物之间的最小距离为100μm或更大。
5.根据权利要求1所述的厚壁钢板，其中所述厚壁钢板的氢致开裂敏感性具有1％或更小的裂纹长度比(CLR)。
6.一种用于制造具有450MPa级抗拉强度和优异的抗氢致开裂性的厚壁钢板的方法，包括：
准备板坯，所述板坯具有以下组成，所述组成以重量％计包含：碳(C)：0.03％至0.06％；硅(Si)：0.2％至0.4％；锰(Mn)：1.0％至1.6％；磷(P)：0.03％或更少；硫(S)：0.003％或更少；铝(Al)：0.06％或更少；氮(N)：0.01％或更少；铜(Cu)：0.05％至0.4％；镍(Ni)：0.05％至0.5％；钙(Ca)：0.0005％至0.003％；余量为Fe和其他不可避免的杂质；
将所述板坯加热至1100℃至1300℃；
对经加热的板坯进行热轧使得在900℃或更高的精轧温度下总轧制压缩厚度小于200mm，从而制备热轧钢板；以及
在1000℃至1100℃的温度下使所述热轧钢板经历正火热处理。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述厚壁钢板为具有铁素体和珠光体的复合组织的显微组织，所述珠光体的面积分数小于10％。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述厚壁钢板还包含基于Al-Ca的夹杂物，在轧制方向上，具有2μm或更大的直径的基于Al-Ca的夹杂物之间的最小距离为100μm或更大。
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