CN112011724B

CN112011724B - 一种极寒环境下使用的高韧性钢板及其制造方法

Info

Publication number: CN112011724B
Application number: CN201910451163.4A
Authority: CN
Inventors: 张才毅; 高珊; 芦晓辉; 陈佳美; 贺达伦; 施青; 徐国栋
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2021-11-12
Anticipated expiration: 2039-05-28
Also published as: CN112011724A

Abstract

本发明公开了一种极寒环境下使用的高韧性钢板，其化学元素质量百分比为：C 0.05％～0.16％；Si 0.60％～1.2％；Mn 0.40％～1.20％；Cr 0.30％～1.00％；Ni 0.40％～1.00％；Ti 0.01％～0.10％；Mo 0‑0.60％；Cu 0.30％～0.80％；Al 0.01％～0.06％；Nb 0.003～0.06％，V 0～0.08％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。此外，本发明还公开了上述的高韧性钢板的制造方法，其包括步骤：(1)冶炼和铸造；(2)加热；(3)轧制；(4)淬火+回火。该高韧性钢板具有高强、高韧、优异焊接性、良好表面质量及整板性能稳定的特点。

Description

一种极寒环境下使用的高韧性钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢板及其制造方法，尤其涉及一种高韧性钢板及其制造方法。

背景技术

建造用于极地的船舶，因为需要应用在低温寒冷海域，而海洋环境复杂多变，因而要经受超低温、冰雪磨蚀、低温风浪碰撞、强烈的海洋风暴及冻土碰撞等带来的诸多挑战，对船舶用低温钢的设计、选材和建造加工等提出了更高的要求。因而，极地船舶所采用的低温钢要求具有优良的极寒低温综合性能，其结构材料不仅需要具有高的强度、良好的塑性，而且还需要在-60℃、-80℃下具有优异的冲击韧性，特别是在极地海域严寒至-40℃的超低温环境下，需要钢板的断裂韧性良好，焊接性能优异。

现有技术中，生产高强韧厚钢板的技术通常有两种，一种是钢板在轧制后淬火+回火的调质热处理，另一种是控制轧制和控制冷却(Thermo-mechanical Control Process，简称TMCP)处理。采用TMCP生产的钢板，化学成分体系相对简单，合金元素添加较少，进而低碳当量有利于极大提高焊接性能，且生产成本经济，但轧制和冷却工艺控制难度较大。采用调质热处理生产的钢板性能稳定，但合金成分添加相对复杂，碳当量较高，使得钢板焊接冷裂纹等应用性能控制难度较大，且无法有效降低生产成本，不过采用调质热处理的优点在于整板性能稳定性良好，且尤其对于厚度较大的钢板而言，厚度方向性能的均匀性能够保持良好，且板形和表面质量控制更利于加工使用。

目前，涉及极地船舶用低温韧性高强钢，其制造主要是通过控轧TMCP方法获得。

例如：公开号为CN106086650A，公开日为2016年11月9日，名称为“一种可大线能量焊接的极地船用钢板及其制备方法”的中国专利文献公开了一种可大线能量焊接的极低船用钢板。在该专利文献所公开的技术方案中，该钢板的化学成分按质量百分比计为C0.03～0.07％，Si0.15～0.30％，Mn1.10～1.50％，P≤0.0070％，S≤0.0030％，Ti0.008～0.020％，N0.0030～0.0060％，Cu0.10～0.30％，Ni0.10～0.40％，Nb0.010～0.040％，Al0.020～0.050％，余量为Fe，钢板基体组织为铁素体+珠光体，其中珠光体弥散分布于铁素体晶粒之间，铁素体晶粒尺寸为4～8um。钢材具有优异的-60℃、-80℃低温冲击韧性、抗低温应变时效性能，经最大线能量200KJ/cm高效焊接后，焊接性能优异。

需要指出的是，该专利文献所公开的极低船用钢板适应200KJ/cm大线能量焊接，但其厚度较薄，仅在40mm以下。并且虽然钢板母材低温冲击韧性达到-80℃满足要求，但焊接性能仅能符合-60℃要求，且在断裂止裂韧性方面未有有效控制，因此在极寒地区等恶劣环境下的应用会受到限制，且焊接结构体的焊接部位韧性薄弱会给船体整体结构本身带来隐患。

又例如：公开号为CN105256117A，公开号为2016年1月20日，名称为“一种极地用-80℃低温韧性优异的高强度船用TMCP钢的制造方法”的中国专利文献公开了一种极地用-80℃低温韧性优异的高强度船用TMCP钢的制造方法。在该专利文献所公开的技术方案中，采用以常见连铸坯为原料，低磷硫冶炼工艺，采用TMCP工艺轧制。轧制时将中间坯近表加速冷却至Ar3以下，靠中间坯心部热量将近表重新返温，待中间坯表面温度稳定到设定开轧温度后进行未再结晶区轧制，轧后采用超快冷设备加速冷却，从而得到-80℃低温韧性优异的高强度船用TMCP钢。

然而，需要指出的是，该专利文献所获得的钢板，其化学成分配比不确定，容易造成钢板的批量生产性能稳定性较差，或者添加过量合金元素保证性能稳定性，但势必造成生产成本过高。此外，其c精轧开始控制温度在Ar3温度以下利用回温轧制钢板，对于大厚度规格可进行，但会伴随着生产节奏缓慢、效率低下的问题，而对于薄规格钢板，由于钢板本身的降温较快，因此利用钢板的芯部回温工艺适应性较差，钢板性能难度保证，实际执行难度大，效果差。

基于此，期望获得一种高韧性钢板，其具有高强、高韧、优异焊接性、良好表面质量及整板性能稳定的特点，可以非常适用于极低海域环境。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种极寒环境下使用的高韧性钢板，该高韧性钢板具有高强、高韧、优异焊接性、良好表面质量及整板性能稳定的特点，可以非常适用于极低海域环境。

为了实现上述目的，本发明提出了一种极寒环境下使用的高韧性钢板，其化学元素质量百分比为：

C 0.05％～0.16％；Si 0.60％～1.2％；Mn 0.40％～1.20％；Cr 0.30％～1.00％；Ni 0.40％～1.00％；Ti 0.01％～0.10％；Mo 0-0.60％；Cu 0.30％～0.80％；Al0.01％～0.06％；Nb 0.003～0.06％，V 0～0.08％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

在本发明所述的极寒环境下使用的高韧性钢板中，各化学元素的设计原理如下所述：

C：在本发明所述的技术方案中，C是最基本的强化元素。C溶解于钢中可以形成间隙固溶体，以起到固溶强化的作用。另外，C还可以与强碳化物的形成元素结合而生成碳化物析出，从而起到了沉淀强化的作用。与此同时，C还能够提高钢的淬透性。不过，对于本技术方案来说，含量太高的C对于钢板的延性、韧性、止裂性能和焊接性能均会产生不利影响，并且还会降低Nb、V等微合金化元素的固溶，从而影响析出强化效果。因此，在本发明所述的极寒环境下的高韧性钢板中将C的质量百分比控制在0.05％～0.16％之间。

Si：在本发明所述的极寒环境下使用的高韧性钢板中，添加Si可以作为还原剂和脱氧剂，并且可以消除FeO夹杂对钢的不良影响。此外，Si以固溶态存在于铁素体或奥氏体中，可以提高铁素体或奥氏体的硬度和强度。另外，Si还可以起到缩小奥氏体相区的作用。但是随着硅含量的增加，会降低钢的焊接性能。因此，在本发明所述的极寒环境下的高韧性钢板中将Si的质量百分比控制在0.60％～1.2％之间。

Mn：在本发明所述的技术方案中，可以通过Mn的固溶强化作用来提高钢板的强度，以补偿钢板中由于C含量的降低而引起钢板强度的损失。此外，Mn还是扩大γ相区的元素，其可以降低钢的γ→α相变温度，有助于在钢板中获得细小的相变产物，用以提高钢板的韧性及止裂性能。然而，当Mn含量过高时，尤其是对于厚度较厚的钢板而言，容易在钢板中心位置产生偏析，从而降低钢板中心部位的低温韧性。因此，在本发明所述的极寒环境下的高韧性钢板中将Mn的质量百分比控制在0.40％～1.2％之间。

Cr：在本发明所述的技术方案中，Cr是提高钢板的淬透性的重要元素之一。对于厚度较厚的钢板而言，需要通过添加较多的Cr元素来提高钢板的淬透性以弥补厚度带来的强度损失。此外，Cr在提高钢板强度的同时，还可以改善钢板在厚度方向上的性能的均匀性。另外，Cr还可以抑制先共析铁素体及珠光体的转变，有利于获得针状铁素体组织。然而，当含量过高的Cr和Mn同时加入钢板中，就会导致低熔点的Cr-Mn复合氧化物的形成，这样会使得钢板在热加工过程中形成表面裂纹，并且还会严重恶化钢板的焊接性能。为此，本发明所述的技术方案中将Cr的质量百分比控制在0.30％～1.00％。

Ni：在本发明所述的技术方案中，Ni是提高材料的低温韧性的元素。加入适量的Ni能够降低晶体的层错能，有利于位错的滑移运动，改善材料的冲击韧性，尤其能够改善厚度较厚的钢板中心部位的冲击韧性。另外，Ni还可以提升Mo的淬透性效果。不过，若Ni含量太高的话，板坯表面容易生成黏性较高的氧化铁皮，在后序的加工制造过程中难以去除，从而影响钢板的表面质量和疲劳性能。此外，若Ni含量太高也不利于特厚钢板的焊接性能。基于此，本发明所述的极寒环境下使用的高韧性钢板中将Ni的质量百分比控制在0.40％～1.00％。

Ti：在本发明所述的技术方案中，Ti是较强的固N元素。可以利用很少量的Ti实现固定一定含量的N元素，例如，0.02wt.％左右的Ti就可以固定钢中质量百分比含量为60ppm以下的N。在板坯连铸时，所加入的Ti可以和N形成细小的高温稳定的TiN析出相。这种细小的TiN粒子能够有效地阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒的长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度。对于厚度较厚的钢板而言，添加适当的Ti含量，有利于形成稳定的TiN粒子，在焊接时可以起到抑制热影响区晶粒长大的作用，以改善焊接热影响区的冲击韧性。基于此，在本发明所述的技术方案中，将Ti的质量百分比控制在0.01％～0.10％。

Mo：在本发明所述的技术方案中，Mo是提高钢板的淬透性的元素，其作用仅次于Mn元素。此外，Mo不仅能够有效地提高钢板的强度，还能够抑制先共析铁素体及珠光体的转变，以有助于钢板获得针状铁素体组织。但是，随着Mo含量的增加，钢板的屈服强度逐渐提高，而钢板的塑性却会逐渐降低。因此，在本发明所述的极寒环境下使用的高韧性钢板中将Mo的质量百分比限定在0-0.60％。

Cu：在本发明所述的技术方案中，Cu能够适当地提高钢板的淬透性，并且Cu还可以提高钢板的抗大气腐蚀能力。然而，向钢中添加含量过高的Cu元素会恶化钢板的焊接性能。因此，在本发明所述的技术方案中，控制Cu的质量百分比在0.30％～0.80％。

Al：对于本发明所述的极寒环境下使用的高韧性钢板而言，Al是为了脱氧而加入钢中的元素。在脱氧完全后，Al降低了钢板中的O的含量，以改善钢板的时效性能。此外，添加适量的Al还有利于细化晶粒，从而改善钢材的强韧性能。因此，本发明所述的极寒环境下使用的高韧性钢板将Al的质量百分比限定在0.01％～0.06％。

Nb：在本发明所述的技术方案中，Nb是提高再结晶终止温度最有效的元素之一。Nb能够有效地降低轧机载荷，对晶粒细化的作用十分明显。然而，Nb还是一种昂贵的金属元素，添加较多的Nb也会相应地增加生产制造成本。因此，在本发明所述的极寒环境下使用的高韧性钢板中控制Nb的质量百分比在0.003～0.06％。

V：在本发明所述的技术方案中，V是钢中的细化晶粒元素，也有析出强化的效果，但过量的V元素添加容易造成粗大V化物的析出长大，恶化低温冲击韧性。基于此，在本发明所述的技术方案中，控制V的质量百分比在0～0.08％

进一步地，在本发明所述的高韧性钢板中，在其他不可避免的杂质中，控制P≤0.010％并且/或者S≤0.003％。

上述方案中，由于P和S是钢中不可避免的有害杂质元素，它们极易在钢中形成偏析、夹杂等缺陷，恶化钢板的焊接性能、冲击韧性。因此，可以控制P和S的质量百分比为：P≤0.010％，并且/或者S≤0.0050％。

进一步地，在本发明所述的高韧性钢板中，钢板的厚度为30mm～120mm。

进一步地，在本发明所述的高韧性钢板，钢板的微观组织为铁素体+回火索氏体+的残余奥氏体。

进一步地，在本发明所述的高韧性钢板中，其中回火索氏体的相比例70-80％，铁素体的相比例为15-20％。

进一步地，在本发明所述的高韧性钢板中，钢板性能满足下列各项的至少其中之一：

屈服强度≥315MPa，抗拉强度≥510MPa的钢板；

至少-60℃下的夏比冲击功≥100J；

至少-60℃下的CTOD断裂韧性值≥0.25mm；

至少-10℃下的低温断裂止裂韧性Kca≥6000N/mm^3/2。

相应地，本发明的另一目的还在于提供一种上述的高韧性钢板的制造方法，通过该制造方法可以获得高韧性钢板，该高韧性钢板具有高强、高韧、优异焊接性、良好表面质量及整板性能稳定的特点，非常适用于极低海域环境。

为了达到上述发明目的，本发明提出了一种上述的高韧性钢板的制造方法，其包括步骤：

(1)冶炼和铸造；

(2)加热；

(3)轧制；

(4)淬火+回火：其中在淬火步骤中，加热至830℃-930℃，加热时间按1.2～1.5min/mm控制，采用水淬冷却至300℃以下，然后空冷；在回火步骤中，加热至530-690℃保温一段时间，然后空冷。

在本发明所述的制造方法中，当淬火温度高于930℃，钢板奥氏体化晶粒组织显著长大，进而影响钢板最终晶粒细化程度，但是若淬火温度低于830℃，则钢板奥氏体化过程不充分，进而会残留过量珠光体碳化物组织，碳化物在回火过程会发生长大，恶化韧性，同时，不充分的奥氏体化组织在淬火+回火过程中不能形成足量回火索氏体组织，影响强度性能。基于此，在本发明所述的制造方法中，需要控制在淬火步骤中，加热至830℃-930℃。

此外，考虑到回火温度高于690℃时，钢板淬火组织将会产生奥氏体化，而若低于530℃，钢板马氏体组织中的碳化物扩散不充分，影响钢板低温韧性及断裂止裂性能。因此，可以在回火步骤中，控制回火温度在530-690℃之间。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在回火步骤中，当回火加热温度≥640℃时，加热时间按1.2～1.5min/mm控制；当回火加热温度＜640℃时，加热时间按1.6-2.0min/mm控制。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在淬火步骤中，控制钢板芯部达到加热温度后的保温时间为30～80min；并且/或者在回火步骤中，控制钢板芯部达到加热温度的保温时间为30～50min。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，将铸坯加热到1000～1250℃，铸坯加热保温时间≤1.5min/mm，总加热保温时间≤450min，其中在930℃～1250℃高温段的保温时间≤200min。

上述方案中，考虑到若轧制前的加热温度小于1000℃时，Nb的碳氮化物不能完全固溶，但若是加热温度大于1250℃，则将导致奥氏体晶粒的长大。因此，控制铸坯加热温度在1000～1250℃。

而控制铸坯加热保温时间≤1.5min/mm，总加热保温时间≤450min，其中在930℃～1250℃高温段的保温时间≤200min，是因为加热总时间太长或者高温段加热时间太长，将会显著增加原始奥氏体晶粒尺寸长大效果，不利于后续轧制细化及最终钢板强韧性能的稳定控制。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3)中，控制终轧温度≥950℃，每一道次的压下率≥8％，轧制后空冷至室温。

本发明所述的极寒环境下使用的高韧性钢板及其制造方法具有如下所述的优点以及有益效果：

本发明所述的高韧性钢板不仅可以满足高强度的要求，而且还可以极好地实现-60℃母材低温韧性和焊接低温韧性，并且在-40℃下的断裂韧性性能及-10℃下的断裂止裂性能优异。

另外，本发明所述的高韧性钢板，通过合理的化学成分设计，尤其是采用超低C来提高钢板母材和焊接韧性，同时将Si的质量百分比控制在0.6～1.20％之间，从而使得本案的高韧性钢板在超低碳情况下，获得良好的强度和韧性平衡。而在此化学成分设计的基础上，利用Ni在低温条件下的优良性能，并通过控制Ni、Cr以及Cu的质量百分比，实现了显著地降低钢板韧脆转变温度，提高钢板的低温韧性和断裂止裂韧性稳定性的效果，进而使得钢板金属即使在-60℃下也具有非常高的冲击值。并且，在本发明所所述的高韧性钢板中，还通过添加Mo和Nb、Ti的固溶、沉淀、析出强化保证了钢板的高强度，在一些优选的实施方式中，钢板的抗拉强度可以达到510MPa以上。

本发明所述的制造方法也同样具有上述的优点以及有益效果。

需要说明的是，本发明所述的高韧性钢板除了可以用于极地船舶外，也可以适用于其他的同样服役条件下的极寒超低温环境，例如用于海洋平台或是石油天然气管道。

附图说明

图1显示了实施例5的极寒环境下使用的高韧性钢板的显微组织。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的极寒环境下使用的高韧性钢板及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1-7

上述实施例1-7的极寒环境下使用的高韧性钢板采用以下步骤制得：

(1)按照表1所示的化学成分进行冶炼和铸造。

(2)加热：将铸坯加热到1000～1250℃，铸坯加热保温时间≤1.5min/mm，总加热保温时间≤450min，其中在930℃～1250℃高温段的保温时间≤200min。

(3)轧制：控制终轧温度≥950℃，每一道次的压下率≥8％，轧制后空冷至室温。

(4)淬火+回火：其中在淬火步骤中，加热至830℃-930℃，加热时间按1.2～1.5min/mm控制，且加热时间不低于30min，采用水淬冷却至300℃以下，然后空冷；在回火步骤中，加热至530-690℃保温一段时间，然后空冷。其中，在回火步骤中，当回火加热温度≥640℃时，加热时间按1.2～1.5min/mm控制；当回火加热温度＜640℃时，加热时间按1.6-2.0min/mm控制,且加热时间不低于30min。而在淬火步骤中，控制钢板芯部达到加热温度后的保温时间为30～80min；并且/或者在回火步骤中，控制钢板芯部达到加热温度后的保温时间为30～50min。

表1列出了实施例1-7的极寒环境下使用的高韧性钢板的各化学元素的质量百分配比。

表1.(wt％，余量为Fe和除了P以及S以外的其他杂质)

表2列出了实施例1-7的极寒环境下使用的高韧性钢板的具体工艺参数。

表2.

采用50KJ/cm埋弧焊接方式对本案实施例1-7所得到的高韧性钢板进行焊接，在板厚1/2部的熔合线上取冲击试样，导入V型切口进行冲击韧性检测，在-60℃下进行三个样品的夏比冲击试验，焊接热影响区冲击韧性的数据是三次测量结果的平均值。

表3列出了本案实施例1-7中母材的拉伸性能和冲击韧性，以及焊接热影响区的拉伸、冲击韧性。母材的屈服强度、抗拉强度和伸长率为两个测试数据的平均值，母材和焊接热影响区-60℃夏比冲击功是三个测试数据的平均值。CTOD试验为全厚度尺寸试样，显示值为是三个测试数据的平均值。-10℃下的断裂止裂韧性指标Kca测试采用全厚度大尺寸双重拉伸试验检测。

表3.

由表3可以看出，本案各实施例的高韧性钢板，其钢板母材力学性能满足：屈服强度≥315MPa，抗拉强度≥510MPa，-60℃低温环境下夏比冲击功≥100J，-60℃下CTOD断裂韧性值≥0.38mm，-60℃低温环境下焊接接头冲击功≥64J。至少-10℃下的低温断裂止裂韧性Kca≥6000N/mm^3/2。并且本案各实施例在进行焊接后，具有良好的焊接性能良好，断裂止裂韧性优异。

如图1所示，实施例5的高韧性钢板的微观组织，为铁素体+回火索氏体+残余奥氏体，其中，回火索氏体的相比例为70-80％，铁素体的相比例为15-20％。

综上所述可以看出，本发明所述的高韧性钢板不仅可以满足高强度的要求，而且还可以极好地实现-60℃母材低温韧性和焊接低温韧性，并且在-40℃下的断裂韧性性能及-10℃下的断裂止裂性能优异。

需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。

此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种极寒环境下使用的高韧性钢板，其特征在于，其化学元素质量百分比为：

C 0.14％～0.16％；Si 0.60％～1.2％；Mn 0.40％～1.20％；Cr 0.30％～1.00％；Ni0.41％～1.00％；Ti 0.01％～0.10％；Mo 0.05％-0.54％；Cu 0.30％～0.80％；Al 0.01％～0.06％；Nb 0.003～0.06％，V 0～0.08％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；

所述高韧性钢板的微观组织为铁素体+回火索氏体+残余奥氏体，其中回火索氏体的相比例为70-80％，铁素体的相比例为15-20％。

2.如权利要求1所述的高韧性钢板，其特征在于，在其他不可避免的杂质中，控制P≤0.010％并且/或者S≤0.003％。

3.如权利要求1所述的高韧性钢板，其特征在于，所述钢板的厚度为30mm～120mm。

4.如权利要求1所述的高韧性钢板，其特征在于，所述钢板性能满足：

屈服强度≥315MPa，抗拉强度≥510MPa的钢板；

至少-60℃下的夏比冲击功≥100J；

至少-60℃下的CTOD断裂韧性值≥0.25mm；

至少-10℃下的低温断裂止裂韧性Kca≥6000N/mm^3/2。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的高韧性钢板的制造方法，其依次包括步骤：

(1)冶炼和铸造；

(2)加热；

(3)轧制；

6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在回火步骤中，当回火加热温度≥640℃时，加热时间按1.2～1.5min/mm控制；当回火加热温度＜640℃时，加热时间按1.6-2.0min/mm控制。

7.如权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，在淬火步骤中，控制钢板芯部达到加热温度后的保温时间为30～80min；并且/或者在回火步骤中，控制钢板芯部达到加热温度的保温时间为30～50min。

8.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，将铸坯加热到1000～1250℃，铸坯加热保温时间≤1.5min/mm，总加热保温时间≤450min，其中在930℃～1250℃高温段的保温时间≤200min。

9.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，控制终轧温度≥950℃，每一道次的压下率≥8％，轧制后空冷至室温。