CN110684930A - 一种低温高韧性铈锆复合处理fh40船板钢及其制备方法 - Google Patents

一种低温高韧性铈锆复合处理fh40船板钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢，所述船板钢的原料化学成分质量百分比为：C 0.04～0.08％，Si 0.2～0.4％，Mn 1.4～1.7％，P≤0.012％，S≤0.005％，Nb 0.020～0.055％，Ti 0.01～0.02％，V 0.025～0.060％，Ni 0.20～0.35％，Al 0.01～0.04％，Ce 0.01～0.04％，Zr 0.01～0.03％以及余量的Fe和不可避免的杂质；其制备方法包括以下步骤：S1、准备原料熔炼成钢坯；S2锻造得到锻坯；S3轧制；S4冷却成钢。本发明通过采用控轧控冷技术，并且复合添加Ce、Zr合金元素，使晶粒细化，获得组织为铁素体和贝氏体；生产出的钢板强度高，屈服强度≥435MPa，抗拉强度≥530MPa，断后延展率≥22.4％，低温冲击韧性良好，‑60℃纵向冲击功≥244J。

Description

一种低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及一种低温高韧性铈锆复合处 理FH40船板钢及其制备方法。
背景技术
近年来造船行业发展迅速，普通强度造船钢板不能满足造船业发 展要求。诸如在极地资源及航线开发的背景下，船舶需要抵抗住-60℃ 及以下的低温气候，因此，极地运输船、资源勘探船、破冰船、舰艇 建造过程中，比如甲板、燃气轮机、轴承和连接件等部件都需要用到 高强船板钢。不仅要求船板具有良好的强韧性匹配、稳定性，还要有 良好的低温韧性、大线能量焊接性能、耐海水腐蚀性能。目前国内外 对AH、BH、DH、EH系列的高强钢合金化组织与性能研究较多，但是 对于FH系列的高强船板钢组织与性能研究不多，尤其是稀土复合元 素添加后的影响机制研究更少，并且大热输入焊接性能较差，焊缝热 影响区韧性较低，不能满足实际生产需求。因此，开发具有低温高韧 性铈锆复合处理FH40船板钢，对于提高船舶的在-60℃及其以下工作 的安全性具有重要的意义。
近年来，FH40级船板钢的制备也取得了一定的成果，而且相关 的专利也有公开的报导。
如：公开号为CN 103695769 B的专利公开了一种高强度FH40海 洋工程用钢钢板及其生产方法，该发明中其屈服强度为420-440MPa， 抗拉强度仅为530～580MPa，伸长率仅为22-24％；-60℃的V型冲击 功仅为在180～240J；并且没有给出该钢板的组织特征。
公开号为CN105112782 A的专利公开了一种热轧态船用低温铁素 体LT-FH40钢板及其生产方法，该发明通过低碳和铌-钛合金化的成 份设计，低磷硫冶炼工艺，配合合理的控轧控冷技术，工艺复杂，生 产周期长，生产效率低。
公开号为CN101876033A的专利公开了一种低温高韧性船板钢， 该专利所公开的船板钢，其低温冲击韧性较高，-60℃纵向冲击功可 达250J以上，但是其抗拉强度较低，约为480MPa。远不能满足现代 大型船舶的需求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种 低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢，所述船板钢的原料 化学成分质量百分比为：C 0.04～0.08％，Si 0.2～0.4％，Mn 1.4～ 1.7％，P≤0.012％，S≤0.005％，Nb0.020～0.055％，Ti 0.01～ 0.02％，V 0.025～0.060％，Ni 0.20～0.35％，Al 0.01～0.04％， Ce 0.01～0.04％，Zr 0.01～0.03％以及余量的Fe和不可避免的杂质。
在原料组分中添加C、Si、Mn、P、S、Nb、V、Al、Ti、Ni、Ce 和Zr进行成分微调，其中：
C：是微合金钢中主要强化元素，是提高钢板淬透性的主要元素； 其含量偏低时会使碳化物等的生成量降低，影响轧制时细化晶粒的效 果。当含量偏高时，对钢板的低温韧性与焊接性能不利。本发明控制 C的范围为0.04％～0.08％。
Si：能够促进钢水脱氧并提高钢板的强度，在钢中固溶能力较强， 可以起到一定的强化作用，但含量过高会严重损害钢板的低温韧性和 焊接性能。因此本发明控制Si含量在0.05％～0.2％。
Mn：适当的Mn可以延缓钢种铁素体和珠光体转变，大幅增加钢 种淬透性，降低钢材脆性转变温度，改善冲击韧性。本发明控制Mn 的范围为1.4％～1.7％。
Ti：Ti能产生强烈的沉淀强化作用，提高钢的强度，还能阻止 奥氏体再结晶；同时，能够产生晶粒细化的作用，提高钢材的屈服强 度。本发明控制Ti的范围为0.01％～0.02％。
Nb：一种是高温区通过Nb对奥氏体晶界的溶质拖曳效应提高奥氏 体完全再结晶温度，防止再结晶奥氏体晶粒长大；另一种是较低温区 通过Nb的碳、氮化物成为铁素体的形核质点，从而细化了铁素体晶 粒。本发明控制Nb的范围为0.02％～0.055％。
V：同Ti一样均为强碳化物形成元素。低温时V的碳、氮化物大 量析出可以起到细化、由于VC、V(CN)的沉淀强化晶粒的作用，进而 提高钢板的强度。在V、Nb、Ti共存的情况下，适当的钒含量对提高 焊缝韧性具有良好的作用。本发明控制V的范围为0.025％～0.060％。
Al：是强的氧化物形成元素，也是强的氮化物形成元素，一般要 求Al≥0.020％，就能够保证钢板在焊接和热处理过程再加热时能获 得细的奥氏体晶粒。本发明控制Al的范围为0.01％～0.04％。
Ni：是唯一能够改善低温冲击韧性(DWTT、NDT、CTOD和CVN)的 元素。也能有效的防止在连铸和热轧期间发生铜诱发的表面开裂。本 发明控制Ni的范围为0.2％～0.35％。
Ce：Ce的氧化物、硫化物或氧硫化物均是热稳定性好的高熔点 夹杂物，这些高熔点夹杂物在大热输入焊接过程中不会发生溶解，能 够成为铁素体的有效形核质点，有益于提高HAZ韧性。其作用还在于 在炼钢的过程有利于钢水纯净化。本发明控制Ce的范围为0.01％～ 0.04％。
Zr：与Ni、Nb形成细小的富(Ni，Zr，Nb)粒子，能改善钢的 蠕变性能可显著提高母材的低温冲击韧性，钢中含Zr夹杂物尺寸都 在微米级，它们都是在凝固过程中析出，对韧性有着十分重要的影响。 本发明控制Zr的范围为0.01％～0.03％。
优选的，所述船板钢组织为铁素体和贝氏体，其中铁素体体积分 数为71～80％，贝氏体体积分数为20～29％，铁素体平均晶粒尺寸 为9.0～10.8μm。
优选的，所述船板钢厚度为16～26mm，屈服强度为435～480MPa， 抗拉强度为530～599MPa，屈强比为0.76～0.83，-60℃冲击功为 244～275J，断后伸长率为22.4～24.2％。
一种低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢的制备方法，包括以 下步骤：
S1、准备上述化学质量百分比的原料采用金属锰、硅铁、铌铁、 钢芯铝、钛铁、镍板合金、钼铁、钒铁、铈粉、锆铁进行成分微调； 将铈粉熔炼后通过金属皮包裹加入到熔炼炉底部，熔炼出钢水并铸造 成钢坯；
S2、锻造：将步骤S1制备的钢坯加热到1160～1220℃，保温0.5～ 1h进行锻造，开锻温度为1130～1170℃，终锻温度850～900℃，然 后空冷，得到锻坯；
S3、轧制：
(3)粗轧：将步骤S2制备的锻坯加热至1200～1230℃，保温1～ 2h，然后对钢坯进行2-4道次粗轧，开轧温度为1150～1180℃，总 累积压下率为52.5～67.6％，得到中间坯，
(4)精轧：对中间坯进行4道次精轧，开轧温度为940～960℃， 总累积压下率为24.6～64.6％，终轧温度为860～880℃，得到厚度 为16～26mm的钢板；
S4：冷却成钢：对钢板进行水冷-空冷-水冷三段式冷却：I段水 冷，冷却至640～680℃，II段空冷，III段水冷冷却，终冷温度为 480～550℃，随后缓冷至室温，得到低温高韧性铈锆复合处理FH40 船板钢。
优选的，所述步骤S1制备得到的钢坯厚度为110～135mm。
优选的，所述步骤S2中锻造阶段压下率为20.8～25.0％，且锻 坯的厚度为95～105mm。
优选的，所述步骤S3中粗轧的单道次压下率为16.3～23.5％， 精轧的单道次压下率为20.2～25.4％，且中间坯的厚度为34～64mm。
优选的，所述步骤S4中I段水冷的速率为100～150℃/s，II段 空冷时间为3.3～5.0s，III段水冷冷却速度28～44℃/s。
本发明的有益效果为：本发明复合添加Ce和Zr，铸态组织为先 共析铁素体、针状铁素体和珠光体；轧态组织为铁素体和贝氏体，对 于γ-α相变后的铁素体晶粒尺度控制有明显细化作用；既能提高强 度，又可以提高低温韧性。该船板钢铁素体体积分数为71～80％， 贝氏体体积分数为20～29％，厚度为16～26mm，屈服强度为435～ 495MPa，抗拉强度为530～599MPa，屈强比为0.76～0.83，-60℃冲 击功为244～275J，断后伸长率为22.4～24.2％。通过对铸坯进行 锻造，可以提高铸件的致密度和减小出现缺陷的倾向；采用三段式快 速冷却的方法，可以适当提高终轧温度，实现船板钢的高温轧制，降 低轧机负荷。-60℃低温冲击韧性值均远远满足船级社的要求，从使 用性能方面改善了船体在运行时的安全性。
附图说明
图1为本发明实施例3制备的低温高韧性铈锆复合处理FH40船 板钢的轧态金相组织照片；
图2为本发明实施例3制备的低温高韧性铈锆复合处理FH40船 板钢的铸态金相组织照片；
图3为本发明实施例3制备的低温高韧性铈锆复合处理FH40船 板钢的应力-应变曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一
S1、准备上述化学质量百分比的原料采用金属锰、硅铁、铌铁、 钢芯铝、钛铁、镍板合金、钼铁、钒铁、铈粉、锆铁进行成分微调； 将铈粉熔炼后通过金属皮包裹加入到熔炼炉底部，熔炼出钢水并铸造 成厚度为135mm的钢坯；
S2、锻造：将步骤S1制备的钢坯加热到1200℃，保温1h进行 锻造，开锻温度为1170℃，终锻温度900℃，然后空冷，锻造厚度依 次为135mm→105mm，锻造压下率为22.2％，得到锻坯；
S3、轧制：
(1)粗轧：将步骤S2制备的锻坯加热至1210℃，保温1.5h， 然后对钢坯进行3道次粗轧，开轧温度为1170℃，轧制厚度依次为 105mm→75mm→59mm→46mm，总累积压下率为56.2％，得到46mm中 间坯，
(2)精轧：对中间坯进行4道次精轧，开轧温度为960℃，总 累积压下率为24.6～64.6％，轧制厚度依次为46mm→37mm→33mm→ 29mm→26mm，终轧温度为880℃，得到厚度为26mm的钢板；
S4：冷却成钢：对钢板进行水冷-空冷-水冷三段式冷却：I段水 冷，冷却至640～680℃，II段空冷，III段水冷冷却，终冷温度为 480～550℃，随后缓冷至室温，得到低温高韧性铈锆复合处理FH40 船板钢。
本实施例制备的低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢组织为铁 素体和贝氏体组织，其中铁素体体积分数为71％，贝氏体体积分数 为20％，铁素体平均晶粒尺寸为10.8μm。所述钢板的力学性能见表 2。
实施例二
S1、准备上述化学质量百分比的原料采用金属锰、硅铁、铌铁、 钢芯铝、钛铁、镍板合金、钼铁、钒铁、铈粉、锆铁进行成分微调； 将铈粉熔炼后通过金属皮包裹加入到熔炼炉底部，熔炼出钢水并铸造 成厚度为120mm的钢坯；
S2、锻造：将步骤S1制备的钢坯加热到1190℃，保温1h进行 锻造，开锻温度为1160℃，终锻温度900℃，锻造厚度依次为120mm →100mm，锻造压下率为16.7％，然后空冷，得到锻坯；
S3、轧制：
(1)粗轧：将步骤S2制备的锻坯加热至1215℃，保温1.5h， 然后对钢坯进行3道次粗轧，开轧温度为1080℃，轧制厚度依次为 100mm→71mm→54mm→43mm，总累积压下率为57％，得到厚度为43mm 的中间坯，
(2)精轧：对中间坯进行4道次精轧，开轧温度为960℃，轧 制厚度依次为43mm→34mm→29mm→24mm→21mm，总累积压下率为 51.2％，终轧温度为880℃，得到厚度为21mm的钢板；
S4：冷却成钢：对钢板进行水冷-空冷-水冷三段式冷却：I段水 冷，冷却至640～680℃，II段空冷，III段水冷冷却，终冷温度为480～550℃，随后缓冷至室温，得到低温高韧性铈锆复合处理FH40 船板钢。
本实施例制备的低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢组织为铁 素体和贝氏体组织，其中铁素体体积分数为75％，贝氏体体积分数 为24％，铁素体平均晶粒尺寸为10.1μm。所述钢板的力学性能见表 2。
实施例三
S1、准备上述化学质量百分比的原料采用金属锰、硅铁、铌铁、 钢芯铝、钛铁、镍板合金、钼铁、钒铁、铈粉、锆铁进行成分微调； 将铈粉熔炼后通过金属皮包裹加入到熔炼炉底部，熔炼出钢水并铸造 成厚度为110mm的钢坯；
S2、锻造：将步骤S1制备的钢坯加热到1215℃，保温1h进行 锻造，开锻温度为1155℃，终锻温度900℃，锻造厚度依次为110mm →95mm，锻造压下率为13.7％，然后空冷，得到锻坯；
S3、轧制：
(1)粗轧：将步骤S2制备的锻坯加热至1215℃，保温1.5h， 然后对钢坯进行3道次粗轧，开轧温度为1080℃，轧制厚度依次为 95mm→67mm→50mm→41mm，总累积压下率为56.8％，得到厚度为41mm 的中间坯，
(2)精轧：对中间坯进行4道次精轧，开轧温度为960℃，轧 制厚度依次为41mm→30mm→24mm→19mm→16mm，总累积压下率为60％，终轧温度为860～880℃，得到厚度为16mm的钢板；
S4：冷却成钢：对钢板进行水冷-空冷-水冷三段式冷却：I段水 冷，冷却至640～680℃，II段空冷，III段水冷冷却，终冷温度为 480～550℃，随后缓冷至室温，得到低温高韧性铈锆复合处理FH40 船板钢。
本实施例制备的低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢组织为铁 素体和贝氏体组织，其中铁素体体积分数为80％，贝氏体体积分数 为29％，铁素体平均晶粒尺寸为9.0μm。所述钢板的力学性能见表 2。
表1本发明实施例1-3的钢板化学成分(wt％)
Figure BDA0002048174520000101
表1(续)
Figure BDA0002048174520000102
表2本发明实例1-3制备的船板钢的力学性能参数
Figure BDA0002048174520000103
Figure BDA0002048174520000111
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技 术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改 变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技 术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改 变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢，其特征在于，所述船板钢的原料化学成分质量百分比为：C 0.04～0.08％，Si 0.2～0.4％，Mn 1.4～1.7％，P≤0.012％，S≤0.005％，Nb 0.020～0.055％，Ti 0.01～0.02％，V 0.025～0.060％，Ni 0.20～0.35％，Al0.01～0.04％，Ce 0.01～0.04％，Zr 0.01～0.03％以及余量的Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢，其特征在于，所述船板钢组织为铁素体和贝氏体，其中铁素体体积分数为71～80％，贝氏体体积分数为20～29％，铁素体平均晶粒尺寸为9.0～10.8μm。
3.根据权利要求1所述的一种低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢及其制备方法，其特征在于，所述船板钢厚度为16～26mm，屈服强度为435～480MPa，抗拉强度为530～599MPa，屈强比为0.76～0.83，-60℃冲击功为244～275J，断后伸长率为22.4～24.2％。
4.一种权利要求1所述的一种低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备上述化学质量百分比的原料采用金属锰、硅铁、铌铁、钢芯铝、钛铁、镍板合金、钼铁、钒铁、铈粉、锆铁进行成分微调；将铈粉熔炼后通过金属皮包裹加入到熔炼炉底部，熔炼出钢水并铸造成钢坯；
S2、锻造：将步骤S1制备的钢坯加热到1160～1220℃，保温0.5～1h进行锻造，开锻温度为1130～1170℃，终锻温度850～900℃，然后空冷，得到锻坯；
S3、轧制：
(1)粗轧：将步骤S2制备的锻坯加热至1200～1230℃，保温1～2h，然后对钢坯进行2-4道次粗轧，开轧温度为1150～1180℃，总累积压下率为52.5～67.6％，得到中间坯，
(2)精轧：对中间坯进行4道次精轧，开轧温度为940～960℃，总累积压下率为24.6～64.6％，终轧温度为860～880℃，得到厚度为16～26mm的钢板；
S4：冷却成钢：对钢板进行水冷-空冷-水冷三段式冷却：I段水冷，冷却至640～680℃，II段空冷，III段水冷冷却，终冷温度为480～550℃，随后缓冷至室温，得到低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢。
5.根据权利要求4所述的一种低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢及其制备方法，其特征在于，所述步骤S1制备得到的钢坯厚度为110～135mm。
6.根据权利要求4所述的一种低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中锻造阶段压下率为20.8～25.0％，且锻坯的厚度为95～105mm。
7.根据权利要求4所述的一种低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中粗轧的单道次压下率为16.3～23.5％，精轧的单道次压下率为20.2～25.4％，且中间坯的厚度为34～64mm。
8.根据权利要求4所述的一种低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中I段水冷的速率为100～150℃/s，II段空冷时间为3.3～5.0s，III段水冷冷却速度28～44℃/s。
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