CN110229999A - 一种900MPa级纳米析出强化高韧性钢板及其制造方法 - Google Patents

一种900MPa级纳米析出强化高韧性钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种900MPa级纳米析出强化高韧性钢板，其化学成份重量百分比为C：0.025～0.055％、Si：0.20～0.35％、Mn：0.7～1.50％、P≤0.015％、S≤0.010％、Ni：3.0～4.0％、Cr：0.50～0.80％、Mo：0.40～0.80％、V：0.01～0.035％、Cu：1.0～2.0％，Nb：0.02～0.045％、B：0.001～0.002％，其余为Fe和不可避免杂质。所述900MPa级纳米析出强化高韧性钢板的制造方法包括铸坯—板坯加热—轧制—轧后冷却—热处理。本发明所述钢板屈服强度≥900MPa，断后伸长率≥14.0％，‑40℃冲击功≥130J，‑80℃冲击功均值超过40J，可满足高等级船舶对钢板的强度、塑性、低温韧性及耐海水腐蚀性能的要求。

Description

一种900MPa级纳米析出强化高韧性钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种900MPa级纳米析出强化高韧性钢板及其制造方法，属于高强钢的技术领域。
背景技术
为适应船舶大型化、高速化以及多海域作业的发展要求，对船体结构用钢的要求也越来越高，要求钢板具有高强韧性、良好的焊接性以及优良的冷加工性能等综合性能。为保证钢板的强度通常采用调质处理，即淬火得到马氏体组织，同时采用回火工艺保证钢板的塑性及韧性，使得钢板得到较好的强韧性匹配。而为了保证钢板的淬透性，需要大量添加合金元素，进而提高了钢板的碳当量，其焊接裂纹敏感系数随之提高，最终导致钢板的焊接性能变差。
纳米强化是一种有效提高强度而没有导致碳当量显著提高的方法，同时，采用高Ni和Mo元素可以通过相变强化方式进一步保证强度稳定改善，实现低Pcm钢板的高强度和高韧性。在强化机制中，Cu具有较好的塑性，ε-Cu细小弥散，不易导致高应力集中而发生断裂，实现了强韧性配合。关于涉及纳米析出强化钢的专利申请很多，主要专利或专利申请可分为以下几类：
微合金化元素的碳氮化物的析出，如专利申请号为CN200910242371、CN201310412998、CN201310624648及CN201410367193、CN201610268167等，其均利用TiC纳米析出强化技术，并辅以组织强化手段得到高强度钢板。
微合金化元素的碳氮化物、稀土元素及Cu的复合析出，如专利申请号CN201810284047公开了一种富Cu纳米析出超高强钢板及其制备方法，主要采用Cu析出改善钢板强度，但钢板的低温韧性仅为-20℃为130J，韧性差。另外，成分设计中Ni、Cu、NB和Mn含量差异较大，加工工艺为TMCP+回火，而本工艺为调质工艺，即淬火+回火工艺。专利申请号为CN201410038855公开了一种稀土强化含铜析出强化钢及其制备方法，利用Cu的时效析出，达到强化低合金钢的作用，同时加入稀土元素显著改善钢的机械性能和焊接热影响区韧性，但其强度和韧性未列出，合金设计差异大。专利申请号为CN201610262134公开了一种纳米级棒状铜析出相强韧化海洋用钢板及其制备方法，发明制备出具有纳米尺度棒状Cu析出物、亚微米奥氏体板条结构和细小铁素体晶粒的钢材料，但工艺要求两阶段冷却以促进Cu的析出，工业生产实现具有较大的难度，合金含量设计差异明显，屈服强度偏低，仅为680MPa左右，热处理工艺为退火，而本专利为淬火+回火。
其他手段的析出，如专利申请号为CN201310289495公开了一种利用纳米渗碳析出提高中低碳钢强度的方法，其原理为未添加任何的微合金化元素，仅采用UFC技术发挥超细渗碳体纳米级析出的作用，提高钢板的强度，与本专利纳米Cu析出机制不同。专利申请号为CN201610277961公开了一种弥散强化微合金高强钢及其生产方法，该文献披露了一种等轴及针状铁素体+珠光体的一种薄规格的汽车板用钢，其纳米级析出包括V(C,N)、Th及Ni的析出物及Zr的析出物，钢板具有较好的综合力学性能、焊接性、回弹性能以及抗延迟断裂性能。
综上所述，亟需开发出一种具有高强度、高塑性、高韧性以及较好的焊接性能的钢板已成为未来船体结构用钢开发的一大方向。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种900MPa级纳米析出强化高韧性钢板及其制造方法，可满足高等级船舶对钢板的强度、塑性、低温韧性及耐海水腐蚀性能的要求，实现了利用在线强冷+离线淬火+回火工艺生产高等级的纳米强化析出钢，钢板屈服强度≥900MPa，断后伸长率≥14.0％，-40℃冲击功≥130J，-80℃冲击功均值超过40J。
本发明提供了一种900MPa级纳米强化析出钢，其化学成份重量百分比为C：0.025～0.055％、Si：0.20～0.35％、Mn：0.7～1.50％、P≤0.015％、S≤0.010％、Ni：3.0～4.0％、Cr：0.50～0.80％、Mo：0.40～0.80％、V：0.01～0.035％、Cu：1.0-2.0％，Nb：0.02～0.045％、B：0.001～0.002％，其余为Fe和不可避免杂质。
根据本发明所述纳米强化析出钢，所述纳米强化析出钢的的内部显微组织为回火马氏体组织+富铜析出相，其中富铜析出相尺寸在10nm以下含量在80％以上。
根据本发明所述纳米强化析出钢，所述钢板的屈服强度≥900MPa，断后伸长率≥14.0％，-40℃冲击功≥130J，-80℃冲击功平均值≥40J。
本发明还提供了一种900MPa级纳米强化析出钢的制造方法，其包括铸坯—板坯加热—轧制—轧后冷却—热处理，
其中，
S1.将钢坯加热至1130～1180℃，保温2.5～3.5h；
S2.采用控轧工艺，轧制过程分为再结晶区轧制和未再结晶区轧制；
S3.采取在线强冷，轧后开冷温度为840～860℃，水冷至200℃，水冷冷却速度为25～35℃/s；
S4.热处理为离线淬火+回火工艺，其中淬火温度为830～880℃，保温一段时间后入水淬火；回火温度为500～600℃，再保温后空冷至室温。
根据本发明所述纳米强化析出钢的制造方法，在S2中，所述再结晶区轧制的开轧温度为1030～1100℃，再结晶区累计压下率≥50％，中间坯待温厚度为2～4倍成品厚度。
根据本发明所述纳米强化析出钢的制造方法，在S2中，当所述待温至880～930℃进行未再结晶区轧制，其终轧温度为860～880℃，未再结晶累计压下率≥20％。
根据本发明所述纳米强化析出钢的制造方法，在S4中，淬火保温时间为2.5min/mm*t，其中t为成品厚度。
根据本发明所述纳米强化析出钢的制造方法，在S4中，回火保温时间为3min/mm*t，其中t为成品厚度。
根据本发明所述方法制备的纳米强化析出钢较之现有技术具有以下优点：本发明所述方法生产的结构用钢实现了强度高、低温韧性好、易焊接的综合平衡，具体体现在：钢板屈服强度≥900MPa，断后伸长率≥14.0％，-40℃冲击功≥130J，-80℃冲击功均值超过40J。
附图说明
图1为本发明实施例1所述纳米强化析出钢的显微组织图。
图2为本发明实施例1所述纳米强化析出钢的透射电镜分析图。
图3为本发明实施例1的富铜纳米析出强化相形貌，析出相尺寸低于10nm，且比例在86％。
图4为本发明实施例1的富铜纳米析出强化相能谱分析。
图5为本发明实施例2所述纳米强化析出钢的显微组织图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本发明提供了一种900MPa级纳米强化析出钢，化学成份重量百分比为C：0.025～0.055％、Si：0.20～0.35％、Mn：0.7～1.50％、P≤0.015％、S≤0.010％、Ni：3.0～4.0％、Cr：0.50～0.80％、Mo：0.40～0.80％、V：0.01～0.035％、Cu：1.0-2.0％，Nb：0.02～0.045％、B：0.001～0.002％，其余为Fe和不可避免杂质。
根据本发明所述纳米强化析出钢，所述纳米强化析出钢的内部显微组织为回火马氏体组织+富铜析出相，其中富铜析出相尺寸在10nm以下含量在80％以上。
根据本发明所述纳米强化析出钢，所述钢板的屈服强度≥900MPa，断后伸长率≥14％，-40℃冲击功≥130J，-80℃冲击功平均值≥40J。
以下是本发明所涉及的主要组分的作用及其限定说明：
C：保证钢板具有一定的固溶强化效果，而且相对较低的碳含量使得该钢种具有较低的韧脆转变温度以及良好的焊接性，有效降低焊接裂纹敏感性，因此综合考虑，钢中的C元素含量限定为0.025～0.055％。
Ni、Cr：保证钢板的耐腐蚀性能以及淬透性，同时较高的Ni元素可以降低韧脆转变温度，从而保证钢板低温韧性，因此本发明中Ni元素含量限定为3.0～4.0％且Cr元素含量限定为0.50～0.80％。
Cu：作为析出强化元素提高钢板的强度，本发明中Cu元素含量限定为1.0-2.0％；
Nb和V微合金化元素对钢板起细化强化作用，进一步保证钢板的低温韧性，本发明中Nb元素含量限定为0.03～0.045％且V元素含量限定为0.01～0.035％。
Mo：Mo加入抑制多边形铁素体相变，提高淬透性保证钢板的强度，本发明中Mo元素含量限定为0.4～0.8％。
B：进一步提高钢板的淬透性；本发明中B元素含量限定为0.001～0.002％。
严格控制钢水的纯净度，避免杂质元素P、S对钢板低温韧性的不利影响。
本发明所述纳米强化析出钢的内部显微组织为回火马氏体组织+富铜析出相，其中富铜析出相尺寸在10nm以下含量在80％以上，该组织类型可保证所述纳米强化析出具有钢高强度、高韧性、高塑性的优点，强度达到900MPa，断后伸长率≥14.0％，-40℃冲击功≥130J，-80℃冲击功均值超过40J。
本发明还提供了一种900MPa级纳米强化析出钢的制造方法，其包括铸坯—板坯加热—轧制—轧后冷却—热处理；
其中，
S1.板坯加热：将钢坯加热至1130～1180℃，保温2.5～3.5h；
S2.轧制：采用控轧工艺，轧制过程分为再结晶区轧制和未再结晶区轧制；
S3.轧后冷却：采取在线强冷，轧后开冷温度为840～860℃，水冷至200℃，水冷冷却速度为25～35℃/s；
S4.热处理为离线淬火+回火工艺，其中淬火温度为830～880℃，保温一段时间后入水淬火；回火温度为500～600℃，再保温后空冷至室温。
进一步地，在S2中，所述再结晶区轧制的开轧温度为1030～1100℃，再结晶区累计压下率≥50％，中间坯待温厚度为2～4倍成品厚度。本发明在第一阶段再结晶区轧制采用较高的压下率，保证钢板的致密性以及原奥氏体晶粒的均匀性。
进一步地，在S2中，当所述待温至880～930℃进行未再结晶区轧制，其终轧温度为860～880℃，未再结晶累计压下率≥20％。本发明在第二阶段的未再结晶区轧制采用控轧工艺，保证组织晶粒细小。
本发明在热轧后的冷却工艺上采取在线强冷，轧后开冷温度为840～860℃，水冷至200℃，水冷冷却速度为25～35℃/s，以控制轧后奥氏体晶粒尺寸。
本发明在S4中通过离线淬火得到马氏体组织保证钢板强度，其中保温时间为2.5min/mm*t，其中t为成品厚度，所述成品厚度t不超过80mm。
本发明在S4中通过回火工艺实现钢板强韧性的平衡，其中保温时间为3min/mm*t，其中t为成品厚度。
以下是本发明生产的900MPa级纳米强化析出钢的实例说明：
实施例1
钢坯的化学成分重量百分比包括，C：0.036％，Si：0.23％，Mn：0.95％，P：0.006％，S：0.005％，Ni：3.51％，Cu：1.52％，Cr：0.58％，Mo：0.53％，Nb：0.032％，V:0.002％，B：0.0015％其余为Fe和不可避免杂质。
1、冶炼及锻造：利用500Kg真空冶炼炉炼钢，浇铸完成后锻造为120mm钢坯；
2、加热制度：加热至1180℃，保温2.5h；
3、轧制工艺：轧制过程分为两个阶段，再结晶区轧制和未再结晶区轧制：再结晶区阶段轧制开轧温度为1058℃；待温至930℃进行未再结晶区轧制，终轧温度870℃，钢板厚度16mm；
4、轧后冷却工艺：轧后开冷温度840℃，快速淬火至200℃；
5、离线淬火：加热至830℃，保温40min，后淬火至室温；
6、热处理工艺：回火温度600℃保温48min，出炉空冷；
对本实施例的900MPa级析出强化钢力学性能检测，力学性能为：横向拉伸屈服强度906MPa，抗拉强度934MPa，断后伸长率16.5％；纵向拉伸屈服强度936MPa，抗拉强度963MPa，断后伸长率14.5％；-40℃纵向冲击功：174J、181J、190J，-80℃冲击功：43J、31J、66J。
实施例2
钢坯的化学成分重量百分比包括，C：0.05％，Si：0.32％，Mn：1.45％，P：0.008％，S：0.002％，Ni：3.2％，Cu：1.4％，Cr：0.64％，Mo：0.75％，Nb：0.04％，V:0.002％，B：0.001,其余为Fe和不可避免杂质。
1、冶炼及锻造：利用500Kg真空冶炼炉炼钢，浇铸完成后锻造为200mm钢坯；
2、加热制度：加热至1170℃，保温3.0h；
3、轧制工艺：轧制过程分为两个阶段，分为再结晶区轧制和未再结晶区轧制：再结晶区阶段轧制开轧温度为1100℃；待温至900℃进行未再结晶区轧制，终轧温度860℃，钢板厚度20mm；
4、轧后冷却工艺：轧后开冷温度855℃，快速淬火至200℃；
5、离线淬火：加热至845℃，保温50min，后淬火至室温；
6、热处理工艺：回火温度550℃，保温60min，出炉空冷；
对本实施例的900MPa级析出强化钢力学性能检测，力学性能为：横向拉伸屈服强度964MPa，抗拉强度1008MPa，断后伸长率14.5％；纵向拉伸屈服强度973MPa、抗拉强度1011MPa，断后伸长率15.0％；-40℃纵向冲击功：139J、147J、125J，-80℃冲击功：36J、68J、45J。
实施例3
钢坯的化学成分重量百分比包括，C：0.05％，Si：0.32％，Mn：1.45％，P：0.008％，S：0.002％，Ni：3.2％，Cu：1.4％，Cr：0.64％，Mo：0.75％，Nb：0.04％，V：0.003％，B：0.001,其余为Fe和不可避免杂质。
1、冶炼及锻造：利用500Kg真空冶炼炉炼钢，浇铸完成后锻造为200mm钢坯；
2、加热制度：加热至1180℃，保温3.0h；
3、轧制工艺：轧制过程分为两个阶段，分为再结晶区轧制和未再结晶区轧制：再结晶区阶段轧制开轧温度为1060℃；待温至890℃进行未再结晶区轧制，终轧温度850℃，钢板厚度30mm；
4、轧后冷却工艺：轧后开冷温度850℃，快速淬火至200℃；
5、离线淬火：加热至845℃，保温50min，后淬火至室温；
6、热处理工艺：回火温度550℃，保温60min，出炉空冷；
对本实施例的900MPa级析出强化钢力学性能检测，力学性能为：横向拉伸屈服强度969MPa，抗拉强度1016MPa，断后伸长率14.5％；纵向拉伸屈服强度983MPa、抗拉强度1015MPa，断后伸长率15.5％；-40℃纵向冲击功：159J、177J、135J，-80℃冲击功：46J、61J、43J。
实施例4
钢坯的化学成分重量百分比包括，C：0.036％，Si：0.23％，Mn：0.95％，P：0.006％，S：0.005％，Ni：3.51％，Cu：1.52％，Cr：0.58％，Mo：0.53％，Nb：0.032％，V:0.0035％，B：0.0015％其余为Fe和不可避免杂质。
1、冶炼及锻造：利用500Kg真空冶炼炉炼钢，浇铸完成后锻造为200mm钢坯；
2、加热制度：加热至1130℃，保温3.5h；
3、轧制工艺：轧制过程分为两个阶段，再结晶区轧制和未再结晶区轧制：再结晶区阶段轧制开轧温度为1030℃；待温至880℃进行未再结晶区轧制，终轧温度868℃，钢板厚度50mm；
4、轧后冷却工艺：轧后开冷温度860℃，快速淬火至200℃；
5、离线淬火：加热至880℃，保温125min，后淬火至室温；
6、热处理工艺：回火温度500℃保温150min，出炉空冷；
对本实施例的900MPa级析出强化钢力学性能检测，力学性能为：横向拉伸屈服强度904MPa，抗拉强度924MPa，断后伸长率16.0％；纵向拉伸屈服强度928MPa，抗拉强度934MPa，断后伸长率15.5％；-40℃纵向冲击功：144J、189J、170J，-80℃冲击功：41J、41J、56J。
实施例5
钢坯的化学成分重量百分比包括，C：0.046％，Si：0.23％，Mn：0.95％，P：0.006％，S：0.005％，Ni：3.41％，Cu：1.62％，Cr：0.55％，Mo：0.56％，Nb：0.042％，V:0.001％，B：0.002％其余为Fe和不可避免杂质。
1、冶炼及锻造：利用500Kg真空冶炼炉炼钢，浇铸完成后锻造为250mm钢坯；
2、加热制度：加热至1180℃，保温3.5h；
3、轧制工艺：轧制过程分为两个阶段，再结晶区轧制和未再结晶区轧制：再结晶区阶段轧制开轧温度为1058℃；待温至880℃进行未再结晶区轧制，终轧温度865℃，钢板厚度60mm；
4、轧后冷却工艺：轧后开冷温度860℃，快速淬火至200℃；
5、离线淬火：加热至880℃，保温150min，后淬火至室温；
6、热处理工艺：回火温度500℃保温180min，出炉空冷；
对本实施例的900MPa级析出强化钢力学性能检测，力学性能为：横向拉伸屈服强度905MPa，抗拉强度931MPa，断后伸长率15.5％；纵向拉伸屈服强度926MPa，抗拉强度960MPa，断后伸长率15.0％；-40℃纵向冲击功：154J、171J、170J，-80℃冲击功：43J、51J、62J。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种900MPa级纳米强化析出钢，其化学成份重量百分比为C：0.025～0.055％、Si：0.20～0.35％、Mn：0.7～1.50％、P≤0.015％、S≤0.010％、Ni：3.0～4.0％、Cr：0.50～0.80％、Mo：0.40～0.80％、V：0.01～0.035％、Cu：1.0～2.0％，Nb：0.02～0.045％、B：0.001～0.002％，其余为Fe和不可避免杂质。
2.如权利要求1所述的900MPa级纳米强化析出钢，其特征在于，所述纳米强化析出钢的的内部显微组织为回火马氏体组织+富铜析出相，其中富铜析出相尺寸在10nm以下含量在80％以上。
3.如权利要求1所述的900MPa级纳米强化析出钢，其特征在于，所述钢板的屈服强度≥900MPa，断后伸长率≥14.0％，-40℃冲击功≥130J，-80℃冲击功平均值≥40J。
4.一种900MPa级纳米强化析出钢的制造方法，其包括铸坯—板坯加热—轧制—轧后冷却—热处理，
其中，
S1.将钢坯加热至1130～1180℃，保温2.5～3.5h，所述钢坯的化学成份重量百分比为C：0.025～0.055％、Si：0.20～0.35％、Mn：0.7～1.50％、P≤0.015％、S≤0.010％、Ni：3.0～4.0％、Cr：0.50～0.80％、Mo：0.40～0.80％、V：0.01～0.035％、Cu：1.0-2.0％，Nb：0.02～0.045％、B：0.001～0.002％，其余为Fe和不可避免杂质；
S2.采用控轧工艺，轧制过程分为再结晶区轧制和未再结晶区轧制；
S3.采取在线强冷，轧后开冷温度为840～860℃，水冷至200℃，水冷冷却速度为25～35℃/s；
S4.热处理为离线淬火+回火工艺，其中淬火温度为830～880℃，保温一段时间后入水淬火；回火温度为500～600℃，再保温后空冷至室温。
5.如权利要求4所述的900MPa级纳米强化析出钢的制造方法，其特征在于，在S2中，所述再结晶区轧制的开轧温度为1030～1100℃，再结晶区累计压下率≥50％，中间坯待温厚度为2～4倍成品厚度。
6.如权利要求5所述的900MPa级纳米强化析出钢的制造方法，其特征在于，在S2中，当所述待温至880～930℃进行未再结晶区轧制，其终轧温度为860～880℃，未再结晶累计压下率≥20％。
7.如权利要求4至6中任一权利要求所述的900MPa级纳米强化析出钢的制造方法，其特征在于，在S4中，淬火保温时间为2.5min/mm*t，其中t为成品厚度。
8.如权利要求4至6中任一权利要求所述的900MPa级纳米强化析出钢的制造方法，其特征在于，在S4中，回火保温时间为3min/mm*t，其中t为成品厚度。
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