CN112226687B

CN112226687B - 一种低轧制压缩比齿条钢板及其制造方法

Info

Publication number: CN112226687B
Application number: CN202011054651.0A
Authority: CN
Inventors: 朱隆浩; 赵坦; 王�华; 金耀辉; 李家安; 于浩男; 于占刚; 肖青松; 王刚; 李新玲
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2040-09-30
Also published as: CN112226687A

Abstract

本发明公开一种低轧制压缩比齿条钢板及其制造方法。钢中含有：压缩比的齿条钢板，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C 0.12％～0.15％，Si 0.1％～0.3％，Mn 1.0％～1.3％，P≤0.02％，S≤0.01％，Als 0.01％～0.03％，Ni 2.5％～3.0％，Cr 0.5％～0.8％，Mo 0.5％～0.8％，Cu 0.2％～0.5％，Nb 0.02％～0.04％，V 0.03％～0.06％，Ti 0.005％～0.03％，B 0.001％～0.0015％，余量为铁和不可避免的杂质。经电渣重熔、锻造后，一阶段开轧温度1150～1250℃，二阶段开轧温度950～1000℃，终轧温度850～900℃，轧制压缩比≤2；之后采用高温淬火+亚温淬火+回火处理，成品钢板芯部‑40℃夏比冲击功单值≥90J。

Description

一种低轧制压缩比齿条钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于钢铁材料制备领域，特别涉及一种低轧制压缩比的齿条钢板的成分设计及其制造方法。

背景技术

21世纪是海洋的世纪，随着科技的发展、人民生活水平的提高，世界各国都将目光聚焦在海洋中蕴藏的巨大资源上。近年来海工装备产业持续快速发展，也促进了海工平台用钢的大量需求和产品的升级换代，市场迫切需要综合性能良好的超高强度特厚海工钢板。

海洋工程平台服役环境恶劣，除常规受力外，还要考虑大风、浪涌、潮汐、冰块撞击、地震等多种因素影响，这就决定了海洋平台用钢的特殊性，在平台建造的选材方面必须能适应各种海况条件。同时，钢板长期处于潮湿、高盐度的海洋环境中，受到潮湿空气、海水、海洋生物附着而造成漆膜脱落、钢板表面腐蚀、腐蚀疲劳等问题，降低钢板的力学性能，缩短使用寿命，严重影响海洋工程平台的正常使用。另外，海洋平台远离海岸，不能像船舶那样定期进坞维修、保养。为了能够让海洋工程平台能够在复杂环境下安全使用，急需开发出一种综合性能优良的高品质海洋工程用超高强钢，这种海洋工程用超高强钢板必须具有高强度、高低温韧性、低屈强比、高延展性、抗疲劳、抗氢致裂纹、耐海洋环境腐蚀、耐海洋生物附着、焊接性能优良等优点。

目前，海洋工程用钢已能满足海工领域市场的大部分需求，但高强度级别综合性能优良的特殊钢材仍是世界各国的发展的目标，低轧制压缩比的齿条钢板其科研问题难度高，生产工艺严格，对设备要求高，开发难度大。

公告号为CN103031498B的专利《低压缩比特厚超高强应变时效的海洋工程钢板的制造方法》提出了一种低压缩比的特厚超高强海工钢板的制造方法，该发明提出的合金成分和加工方法无法生产厚度大于178mm的齿条钢。

公开号为CN110791713A的专利《一种低压缩比690MPa级特厚钢板及其制造方法》提出了一种厚度为120～160mm的690MPa级钢板及制造方法，该发明提出的钢板厚度无法满足齿条钢的要求，较低的合金成分无法保证钢板芯部冲击韧性，更大厚度的齿条钢板还需要考虑铸坯制备工艺的升级优化，该专利没有提及。

公开号为CN109266967A的专利《一种超低压缩比超厚调质水电钢板及其生产方法》提出了一种厚度120～180mm的690MPa级调质钢板，该发明的碳含量为0.08％～0.10％，碳当量Ceq＜0.52％，无法满足厚度178～210mm齿条钢的力学性能要求。

公开号为CN106319380A的专利《一种低压缩比690MPa级特厚钢板及其生产方法》提出了一种低压缩比的690MPa钢板及生产方法，该发明钢板合金含量较低，成品最大厚度为115mm，同样无法应用在特厚规格齿条钢的生产中。

公告号为CN102965592B的专利《一种低压缩比厚规格超高强海洋工程用钢板的生产方法》提出了一种低压缩比钢板的生产方法，该方法只适用于厚度220mm的连铸坯生产厚度80mm钢板，局限性太大且无法向更厚规格钢板生产推广。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，制备一种适用于海洋工程领域的大厚度低轧制压缩比的齿条钢板，其高安全服役性能可以达到海洋工程设备服役条件。形成一套特定的大厚度低轧制压缩比的齿条钢板成分及相应的生产工艺。

为实现本发明目的，本发明者通过合金元素筛选与配比、钢质洁净度控制、高效轧制工艺优化与参数选择等几个方面进行了大量系统的试验研究，最终确定了可满足本发明目的合金元素配比及轧制热处理工艺，具体的技术方案为：

一种低轧制压缩比齿条钢板，按重量百分比计，钢中含有：C 0.12％～0.15％，Si0.1％～0.3％，Mn 1.0％～1.3％，P≤0.02％，S≤0.01％，Als 0.01％～0.03％，Ni 2.5％～3.0％，Cr 0.5％～0.8％，Mo 0.5％～0.8％，Cu 0.2％～0.5％，Nb 0.02％～0.04％，V0.03％～0.06％，Ti 0.005％～0.03％，B 0.001％～0.0015％，其余为Fe和不可避免的杂质。

钢种化学成分的设计理由如下：

(1)C作为钢中基本的强化元素，在本发明方案中是保证强度、硬度的主要元素，C含量过低是会导致钢板强度不足。C含量过高将产生大量淬硬组织，焊接裂纹倾向较大，所以本发明精确控制C元素在钢中含量，将C的含量控制在0.12％～0.15％。

(2)Si可提高钢板的强度，可以有效的稳定铁素体相，同时Si作为脱氧剂可减少O含量，Si含量大于0.3％时会导致组织粗化，因此，本发明中的Si含量为0.1％～0.3％。

(3)Mn元素与Fe原子半径相似，可大量置换固溶于Fe基体中提高钢板强度。Mn含量低于1.0％时对钢板强度贡献较小，当Mn元素质量百分含量大于1.3％时，Mn元素的偏析又会使得特厚板芯部的低温韧性较差，焊接热影响区性能下降，因此，本发明中的Mn含量为1.0％～1.3％。

(4)P、S元素对钢板的力学性能和焊接性能没有益处，综合考虑成本因素，本发明将P、S含量控制为P≤0.02％，S≤0.01％。

(5)Al是钢中主要的脱氧元素，当Al含量过低时脱氧效果不佳，Ti等微合金元素因被氧化无法起到细化晶粒和提高焊接性能的目的；相反Al元素过高则形成大型夹杂物，因此，本发明中的Als含量为0.01％～0.03％。

(6)Ni是特厚钢板保证芯部冲击韧性的重要元素，对于压缩比较小的特厚钢板必须加入大量Ni元素，获得较低的韧脆转变温度，因此，本发明中的Ni含量为2.5％～3.0％。

(7)Cr元素的主要作用是提高钢的淬透性，同时固溶强化基体，提高钢板的强度，但是Cr的增加会降低钢板塑性和韧性，因此，本发明中的Cr含量为0.5％～0.8％。

(8)Mo元素可以显著提高钢板的淬透性，其淬透性效果与Mn类似，在结构钢中加入Mo元素，可以提高钢板力学性能，还可以缓解钢板的回火脆性。本发明中的Mo含量为0.5％～0.8％。

(9)Cu元素可以提高钢板的强度和韧性，特别适用于大厚度钢板，但是Cu元素加入过多也有缺点，Cu元素会使钢坯在热加工变形时产生热脆性，当Cu元素高于0.5％时热裂倾向明显，钢中加入Ni元素可以抑制钢板热裂倾向。本发明中的Cu含量为0.2％～0.5％。

(10)Nb元素在钢中起到细化晶粒的作用，提高钢板强度和韧性，加热时未溶解的Nb的C、N化物颗粒分布在奥氏体晶界上，可阻碍钢在加热时奥氏体晶粒长大；Nb能够有效地延迟变形奥氏体的再结晶，阻止奥氏体晶粒长大，提高奥氏体再结晶温度，细化晶粒，所以本发明中的Nb含量为0.02％～0.04％。

(11)V元素能够在钢中形成V(C、N)颗粒，在热处理过程中可以有效控制原始奥氏体晶粒长大，提高钢板的强度和韧性，合理设计V、Ti、N元素成分可以提高低压缩比特厚钢板的强韧性，本发明中的V含量为0.03％～0.06％。

(12)Ti元素是本发明化学成分的关键因素，Ti能产生强烈的沉淀强化作用，阻止奥氏体再结晶长大，晶粒细化提高钢材的屈服强度。合理设计Ti、V、N含量可以降低固溶于基体中的N含量，提高钢板综合性能，本发明中的Ti含量为0.005％～0.03％。

(13)B元素可以提高钢板淬透性，微量的B元素即可有明显的提高淬透性效果，B元素过量时钢板脆性增加，焊接裂纹倾向增加，本发明将B元素控制在0.001％～0.0015％。

本发明还包括一种低轧制压缩比的齿条钢板的制造方法，采用高洁净度合金化冶炼+电渣重熔+锻造+加热+间断式水冷轧制+热处理(包括两次淬火+回火处理)，其屈服强度≥690MPa，抗拉强度770～940MPa，钢板芯部、1/4处-40℃夏比冲击功单值≥90J。所述低轧制压缩比的齿条钢板成品厚度范围为200～260mm。轧制压缩比≤2。具体包括如下步骤：

(1)高洁净度合金化冶炼

将钢水通过转炉冶炼、LF炉、RH或VD炉进行精炼，进一步降低P、S和非金属夹杂物含量。得到重量百分比组成为：C 0.12％～0.15％，Si 0.1％～0.3％，Mn 1.0％～1.3％，P≤0.02％，S≤0.01％，Als 0.01％～0.03％，Ni 2.5％～3.0％，Cr 0.5％～0.8％，Mo0.5％～0.8％，Cu 0.2％～0.5％，Nb 0.02％～0.04％，V 0.03％～0.06％，Ti 0.005％～0.03％，B 0.001％～0.0015％，其余为Fe和不可避免的杂质。

(2)电渣重熔及锻造

经过模铸得到适合电极尺寸规格的铸锭。用石墨电极熔化所需渣量后，将电极更换为模铸锭，过热渣池，渣液温度高于电极熔化温度(电渣重熔渣液过热温度)150～350℃。金属电极熔化滴入结晶器中，制备出电渣重熔锭，电渣重熔锭厚度为500～700mm。锻造加热温度为1100～1200℃，终锻温度为850～950℃，锻造比大于2，锻造后的钢坯厚度为400～550mm。电渣重熔过程采用氩气密封保护，配置渣料时，按质量百分比计，加入1％～5％的BN，重熔过程中加入Al粉保证Als含量，以上工艺的目的是提高B元素的收得率。

(4)加热和轧制工艺

将电渣重熔锻造钢坯在炉温400～600℃时装入加热炉，目的是使钢坯在低温阶段保持内外温度一致，为高温段组织均匀做好准备。钢坯在后续升温过程中升温速率控制在5～8℃/min，避免钢坯受热过快导致钢坯内部受热不均。均热温度1200～1300℃，保温时间为240～480min，保证钢锭在烧透的前提下，避免组织异常长大。

第一阶段开轧温度为1150～1250℃，中间坯与成品厚度比为1.4～1.6，采用轧机冷却水或在线冷却设备为中间坯冷却，冷却速率为3～5℃/s，冷却至表面温度950～1000℃。第二阶段开轧温度为950～1000℃，终轧温度为850～900℃，轧制压缩比≤2。高温热轧目的是增大单道次压下量，改善板坯铸态组织，降低钢坯待温厚度，缩短钢板待温时间。中间坯冷却的目的是加快钢坯冷却速度，节省时间，同时使中间坯表层硬化，将第二阶段轧制变形渗透至钢板芯部，细化钢板芯部奥氏体晶粒尺寸，改善钢板芯部性能。第二阶段轧制工艺设计的目的是在Ac3温度以上再结晶温度区域增加形变积累促进奥氏体晶粒扁平化、细小化，改善钢板芯部组织。

(4)热处理

热处理采用高温淬火+亚温淬火+回火处理工艺，高温淬火温度为850～900℃，保温时间为1～1.5min/mm。亚温淬火温度为650～780℃，保温时间为1～1.5min/mm。钢板厚度1/4处冷却速率5～12℃/s。回火温度为400～650℃，保温时间为3.5～4.5min/mm。通过高温淬火和亚温淬火可以通过马氏体相变积累大量位错，从而提高强度。同时亚温淬火可以促进晶界处Cu纳米相析出处晶粒的形核长大，从而达到细化晶粒的作用。由于回火温度过高会导致钢板强度下降明显，屈强比升高，所以在保证冲击韧性的同时，尽量降低回火温度。

有益效果：

本发明同现有技术相比，有益效果如下：

(1)结合多种微合金共同作用和低轧制压缩比的齿条钢板关键生产技术，可以通过电渣重熔+锻造+控制轧制+热处理，细化原始奥氏体和回火态组织，起到强韧化作用。可以生产2倍以下轧制压缩比的大厚度齿条钢板。

(2)本发明创新的合金成分体系可以保证热处理后钢板的屈服强度≥690MPa，抗拉强度770～940MPa，钢板芯部、1/4处-40℃夏比冲击功单值≥90J。

(3)结合多种微合金共同作用和低轧制压缩比的齿条钢板关键生产技术，可以生产厚度200～260mm的齿条钢板，钢板厚度方向性能稳定性大幅度提升。

(4)结合创新的合金成分体系和高温淬火+亚温淬火+回火处理工艺，可以获得80％～95％的回火马氏体和5％～20％的铁素体贝氏体组织，可以有效的提升低轧制压缩比钢板的低温韧性，钢板各厚度位置力学性能一致。

附图说明

图1为实施例1钢板厚度1/4处的调质态金相组织，组织为铁素体贝氏体+回火马氏体；

具体实施方式

以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。

本发明实施例钢的化学成分见表1，本发明实施例钢铸坯加热及轧制工艺见表2，本发明实施例钢板热处理工艺见表3，本发明实施例钢板力学性能见表4。

表1本发明实施例钢化学成分 wt％

实施例	C	Si	Mn	P	S	Als	Ni	Cr	Mo	Cu	Nb	V	Ti	B
															1	0.121	0.21	1.29	0.02	0.004	0.02	2.55	0.56	0.67	0.46	0.021	0.034	0.009	0.0013
2	0.149	0.23	1.04	0.01	0.01	0.011	2.67	0.78	0.72	0.41	0.032	0.045	0.021	0.0014
															3	0.133	0.3	1.18	0.01	0.005	0.016	2.93	0.64	0.74	0.43	0.035	0.059	0.029	0.0011
4	0.126	0.16	1.14	0.02	0.01	0.019	2.99	0.67	0.53	0.37	0.028	0.06	0.017	0.001
															5	0.128	0.13	1.12	0.02	0.007	0.022	2.51	0.71	0.51	0.31	0.036	0.037	0.023	0.0013
6	0.141	0.11	1.09	0.01	0.008	0.027	2.57	0.73	0.59	0.33	0.038	0.038	0.026	0.0012
															7	0.146	0.29	1.01	0.02	0.007	0.029	2.63	0.8	0.57	0.36	0.033	0.042	0.005	0.0014
8	0.136	0.24	1.02	0.02	0.01	0.019	2.73	0.51	0.61	0.39	0.039	0.047	0.011	0.0015
															9	0.139	0.2	1.27	0.01	0.009	0.026	2.89	0.68	0.69	0.21	0.023	0.053	0.013	0.0011
10	0.123	0.27	1.21	0.02	0.004	0.021	2.78	0.53	0.64	0.28	0.026	0.057	0.019	0.0012
															11	0.147	0.24	1.16	0.02	0.006	0.02	2.84	0.79	0.79	0.24	0.029	0.031	0.027	0.0014
12	0.144	0.16	1.05	0.02	0.009	0.012	2.94	0.76	0.76	0.49	0.03	0.046	0.024	0.0013

表2本发明实施例钢电渣重熔及锻造工艺

表3本发明实施例钢钢锭加热和轧制工艺

表4本发明实施例钢板热处理工艺

表5本发明实施例钢板力学性能

由表1～5可见，采用本发明技术方案生产的海洋工程用钢，屈服强度≥690MPa，抗拉强度为770～940MPa，钢板芯部、1/4处-40℃夏比冲击功单值≥90J。钢板轧制压缩比≤2。

Claims

1. 一种低轧制压缩比齿条钢板，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C0.136%～0.15%，Si 0.1%～0.3%，Mn 1.02%～1.09%，P≤0.02%，S≤0.01%，Als 0.01%～0.03%，Ni 2.5%～3.0%，Cr 0.5%～0.73%，Mo 0.5%～0.61%，Cu 0.33%～0.5%，Nb 0.038%～0.04%，V 0.03%～0.047%，Ti 0.005%～0.03%，B 0.0012%～0.0015%，余量为铁和不可避免的杂质；

所述的低轧制压缩比齿条钢板的制造方法，钢板的生产工艺为：冶炼、电渣重熔、锻造、加热、轧制、热处理，

（1）电渣重熔及锻造

钢水经过模铸得到铸锭，用石墨电极熔化所需渣量后，将电极更换为模铸锭，电渣重熔渣液过热温度为150～350℃，电渣重熔锭厚度为500～700mm，电渣重熔锭锻造加热温度为1100～1200℃，终锻温度为850～950℃，锻造比大于2，锻造后的钢坯厚度为400～550mm；电渣重熔过程采用氩气密封保护，配置渣料时，按质量百分比计，加入1%～5%的BN，重熔过程中加入Al粉保证Als含量；

（2）加热和轧制工艺

将电渣重熔锻造钢坯在炉温400～600℃时装入加热炉，所述钢坯在后续升温过程中升温速率控制在5～8℃/min，均热温度1210～1300℃，保温时间为240～480min；

第一阶段开轧温度为1150～1250℃，中间坯与成品厚度比为1.4～1.6，中间坯冷却速率为3～5℃/s，冷却至表面温度950～1000℃；第二阶段开轧温度为950～1000℃，终轧温度为850～900℃，轧制压缩比≤2；

（3）热处理

热处理采用高温淬火+亚温淬火＋回火处理工艺，所述高温淬火温度为850～900℃，保温时间为1～1.5min/mm；所述亚温淬火温度为650～780℃，保温时间为1～1.5min/mm，钢板厚度1/4处冷却速率5～12℃/s；所述回火温度为450～520℃，保温时间为3.5～4.5min/mm。

2.根据权利要求1所述的一种低轧制压缩比齿条钢板，其特征在于，成品钢板屈服强度≥690MPa，抗拉强度770～940MPa，钢板芯部、1/4处-40℃夏比冲击功单值≥90J。

3.根据权利要求1或2所述的一种低轧制压缩比齿条钢板，其特征在于，成品钢板厚度200～260mm。

4.根据权利要求1所述的一种低轧制压缩比齿条钢板，其特征在于，所述中间坯采用轧机冷却水或在线冷却设备进行冷却。