CN112251670A - 一种延伸性能良好的690MPa级钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种延伸性能良好的690MPa级钢板及其制造方法。钢中含有：C 0.10％～0.12％、Si 0.10％～0.40％、Mn 0.60％～1.20％、P≤0.02％、S≤0.01％、Als 0.01％～0.03％、Ni 1.5％～3.0％、Cr 0.3％～0.5％、Mo 0.4％～0.6％、V 0.03％～0.05％、B 0.001％～0.0015％，余量为铁和不可避免的杂质。铸坯拉速≤1.0m/min，开轧温度1000～1050℃，最后三道次单道次压下率10％～15％，终轧温度900～950℃；淬火温度870～930℃，保温时间1.0～2.0min/mm，钢板厚度1/4处冷却速率为5～30℃/s冷却至室温，回火温度600～650℃，保温2.5～3.5min/mm。钢板厚度80～150mm，延伸率≥20％，‑40℃冲击功≥90J。

Description

一种延伸性能良好的690MPa级钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于钢铁材料制备领域，特别涉及一种用于提高钢板拉伸延伸率的EH690超高强度海工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，高服役安全性的超高强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。
公开号为CN106636920A的专利《一种高淬透性高强韧特厚海工钢板及其制备方法》提出了一种特厚高延伸率海工钢板，该发明成分只有Mo、Nb两种强化合金元素，而且只采用了常规的控轧控冷加回火工艺，无法实现150mm屈服强度690MPa钢板提高延伸率的目的。
公开号为CN103343285A的专利《一种690级超高强度海洋工程用钢板及其生产方法》提出了一种超高强度海工钢，采用Nb+V+Ti微合金成分设计，TMCP工艺轧制生产，但延伸率无法稳定高于20％。
公开号为CN104988429B的专利《屈服强度690MPa级桥梁用结构钢板及其生产方法》提出了一种屈服强度690MPa级桥梁用结构钢板，其化学成分中Ni、Cu、Cr、Mo合金含量均低于0.4％，配合常规的轧制调质处理无法保证大厚度690MPa钢板的延伸性能。
公开号为CN105603322B的专利《超低成本800MPa级高韧性、优良焊接性的钢板及其制造方法》提出了一种焊接性能优良的超高强度海工钢板，其化学成分中没有加入Cu、Ni元素，钢板的低温韧性无法得到保证，且生产工艺为TMCP+回火工艺，该工艺下的钢板虽然延伸率较高，但未经调质处理的钢板厚度方向上的力学性能稳定性较差。无法生产延伸率高且综合性能优良的调质钢板。
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延伸性能良好的屈服强度690MPa超高强度钢板，其力学性能、高服役安全性能可以达到海洋工程设备服役条件，钢板延伸率≥20％。形成一套特定的大厚度延伸性能良好的超高强度海工钢板成分及相应的生产工艺。
本发明利用C、Mn、Ni、Mo、V元素相配合的成分设计和大厚度高延伸率海工钢板关键生产技术，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。具体的技术方案是：
一种延伸性能良好的屈服强度690MPa超高强钢板，按质量百分比计,钢中含有：C0.10％～0.12％、Si 0.10％～0.40％、Mn 0.60％～1.20％、P≤0.02％、S≤0.01％、Als0.01％～0.03％、Ni 1.5％～3.0％、Cr 0.3％～0.5％、Mo 0.4％～0.6％、V 0.03％～0.05％、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C固溶含量和碳化物含量降低，晶粒细化作用较低，钢板强度不足。C含量过高将产生大量淬硬组织，形变过程中裂纹倾向较大，降低钢板延伸率，所以本发明中精确控制C元素在钢中含量，C含量为0.1％～0.12％。
(2)Si可提高钢板的强度，同时Si作为脱氧剂可减少O含量，Si含量低于0.1％时脱氧效果不明显，Si含量大于0.4％时会导致组织粗化，因此，本发明中Si含量为0.1％～0.4％。
(3)Mn元素与Fe原子半径相似，可大量固溶于Fe基体中，提高钢板强度。Mn含量低于0.6％时对钢板强度贡献较小，同时Mn是扩大奥氏体相区元素，提高奥氏体稳定性，当Mn元素质量百分含量大于1.2％时，在淬火过程中钢板马氏体转变倾向减弱，不利于调质处理，而且Mn元素的偏析又会使得厚板芯部的低温韧性较差，因此，本发明中将Mn含量控制为0.6％～1.2％。
(4)P、S元素对钢板的力学性能特别是延伸率没有益处，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的目的，厚度较大的超高强度钢板需要适当提高钢中Als含量；相反Al元素过高则形成大型夹杂物，因此，本发明将Als含量控制为0.01％～0.03％。
(6)Ni的作用是改善钢板韧性和热加工性。大量加入可以获得较低的韧脆转变温度，Ni元素可以显著降低疲劳和缺口造成钢板脆断的敏感性，进而提高拉伸延伸率。Ni元素的大量加入可以适当降低C元素，从而改善韧性提高延伸率。同时Ni元素的加入可以改善Cu元素在钢中的热裂倾向，另外，Ni元素还具有一定的耐腐蚀作用，因此，本发明将Ni含量控制为1.5％～3.0％。
(7)Cr元素在钢中可以有效的提高钢板强度，对于厚度较大的超高强度调质钢来说，可以提高钢板的淬透性；但是Cr含量过高会降低钢板冲击韧性，因此，本发明将Cr含量控制为0.3％～0.5％。
(8)Mo元素可以提高钢板的淬透性，同时Mo元素在钢中可以形成细小碳化物，能有效提高钢板强度，抑制钢板在调质过程中的回火脆性，从而提高延伸率。Mo元素还能配合Ni起到提高延伸性能和一定的耐蚀作用。但是Mo元素为强碳化物形成元素，在C元素较高的钢中加入过多的Mo元素会降低钢板的韧塑性，降低延伸率。因此，本发明将Mo含量控制为0.4％～0.6％。
(9)V元素可以在基体中形成V(C,N)粒子，可以起到细化、强化晶粒的作用。热处理钢板中加入V元素可显著提高钢板强韧性和延伸率。因此，本发明将V含量控制为0.03％～0.05％。
(10)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，因此，本发明将B元素控制在0.001％～0.0015％。
所述延伸性能良好的屈服强度690MPa超高强钢板的制造方法采用高洁净度及合金化冶炼+低温加热+轧制+调质处理(包括高温淬火、高温回火、和/或低温回火)，其屈服强度≥690MPa，抗拉强度770～940MPa，延伸率≥20％，-40℃夏比冲击功单值≥90J。超高强钢板成品厚度范围为80～150mm。
本发明延伸性能良好的屈服强度690MPa超高强钢板的制造方法，包括如下步骤：
(1)高洁净度及合金化冶炼
将钢水通过转炉、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 0.1％～0.12％、Si 0.1％～0.4％、Mn 0.6％～1.2％、P≤0.02％、S≤0.01％、Als 0.01％～0.03％、Ni 1.5％～3.0％、Cr 0.3％～0.5％、Mo 0.4％～0.6％、V 0.03％～0.05％、B 0.001％～0.0015％，其余为Fe和不可避免的杂质。全程保护浇铸，中包钢水过热度20～30℃。模铸或连铸，连铸坯拉坯速率≤1.0m/min，钢坯缓冷≥72h。
(2)低温加热
将铸坯在炉温500～700℃装入加热炉，保温30～60min，目的是使钢坯在低温阶段保持厚度方向温度一致，为高温段组织均匀做好准备。铸坯在后续升温过程中升温速率控制在3～5℃/min，避免钢坯受热过快导致钢坯内部受热不均。均热温度1100～1200℃，保温150～250min，低温均热保温的目的是在保证C/N化物充分溶解的同时，避免铸态组织异常长大。
(3)轧制
开轧温度为1000～1050℃，最后三道次单道次平均压下率10％～15％，终轧温度为900～950℃。高温热轧目的是在变形抗力较低的阶段尽量增大单道次轧制压下率，改善板坯铸态组织。最后三道次轧制工艺设计的目的是利用表面温度下降较多，增加钢板芯部变形量，改善钢板芯部晶粒尺寸，促进奥氏体晶粒扁平化、细小化。由于铁素体在奥氏体晶界上形核，增加奥氏体晶界面积可以达到晶粒细化的效果，临近终轧温度时最后三道次的单道次压下率对晶粒细化最为重要。
(4)调质处理
调质工艺是影响钢板延伸性能的关键，采用高温淬火+高温回火工艺，淬火温度870～930℃，保温时间1.0～2.0min/mm，保证钢板厚度1/4处以5～30℃/s的冷却速率淬火冷却至室温，回火温度600～650℃，保温2.5～3.5min/mm。高温淬火的目的是使钢板充分奥氏体化，确保钢板奥氏体不过热也不欠热，在保证不开裂变形的前提下，提高冷却能力，加快组织转变，使组织尽可能多转变，增加淬硬组织。高温回火可以在调整基体组织的同时调整析出第二相的质量，温度和时间充分的回火可以是回火转变产物尽可能的转变，降低钢板钢板强度和硬度的同时，韧塑性和延伸率均得到提高。如果想进一步提升延伸率还可以进一步做一次300℃以下的低温回火。
有益效果：
本发明同现有技术相比，有益效果如下：
(1)结合C、Mn、Ni、Mo、V元素相配合成分设计和大厚度高延伸率海工钢板关键生产技术，可以通过高温轧制+高温淬火+高温回火等手段，使超高强度钢板的延伸率≥20％。
(2)本发明创新的合金成分体系可以保证调质处理后钢板的屈服强度≥690MPa，抗拉强度770～940MPa，-40℃夏比冲击功单值≥90J。
(3)利用C、Mn、Ni、Mo、V元素相配合的大厚度海工钢板关键生产技术，可以生产厚度80～150mm的超高强度EH690海工钢，采用的高温大压下量快速轧制可以大幅度提升生产效率。
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，钢板厚度1/4处的组织为回火马氏体；
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，本发明实施例钢连铸及铸坯加热工艺见表2，本发明实施例钢轧制及热处理工艺见表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 V B
1 0.113 0.14 1.15 0.01 0.01 0.015 1.52 0.35 0.43 0.041 0.0012
2 0.12 0.22 0.83 0.02 0.004 0.029 2.23 0.31 0.56 0.05 0.0013
3 0.119 0.26 0.68 0.02 0.002 0.022 2.52 0.42 0.31 0.033 0.0015
4 0.102 0.37 1.03 0.01 0.009 0.011 2.89 0.48 0.33 0.047 0.0012
5 0.107 0.25 1.09 0.02 0.007 0.021 1.86 0.39 0.39 0.039 0.0011
6 0.10 0.16 1.13 0.02 0.006 0.013 2.46 0.37 0.59 0.042 0.001
7 0.104 0.10 1.19 0.01 0.008 0.026 1.69 0.31 0.52 0.032 0.0014
8 0.114 0.29 0.92 0.01 0.01 0.013 2.59 0.49 0.48 0.048 0.0015
9 0.109 0.40 1.19 0.01 0.011 0.027 1.79 0.43 0.47 0.031 0.0012
10 0.112 0.39 0.61 0.01 0.008 0.028 1.98 0.34 0.36 0.045 0.0011
11 0.117 0.23 0.79 0.02 0.007 0.021 2.06 0.33 0.41 0.042 0.001
12 0.118 0.19 1.05 0.01 0.009 0.013 2.74 0.44 0.55 0.043 0.0014
表2本发明实施例钢连铸及铸坯加热工艺
Figure BDA0002710559900000081
表3本发明实施例钢轧制及热处理工艺
Figure BDA0002710559900000082
表4本发明实施例钢板力学性能
Figure BDA0002710559900000091
由表1～4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770～940MPa，-40℃夏比冲击功≥90J，延伸率≥20％。成品钢板厚度80～150mm，具有优良的延伸性能。

Claims (5)

1.一种延伸性能良好的690MPa级钢板，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C0.10％～0.12％、Si 0.10％～0.40％、Mn 0.60％～1.20％、P≤0.02％、S≤0.01％、Als0.01％～0.03％、Ni 1.5％～3.0％、Cr 0.3％～0.5％、Mo 0.4％～0.6％、V 0.03％～0.05％、B 0.001％～0.0015％，余量为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种延伸性能良好的690MPa级钢板，其特征在于，所述钢板屈服强度≥690MPa，抗拉强度770～940MPa，延伸率≥20％，-40℃夏比冲击功单值≥90J。
3.根据权利要求1或2所述的一种延伸性能良好的690MPa级钢板，其特征在于，成品钢板厚度为80～150mm。
4.一种如权利要求1或2或3所述的延伸性能良好的690MPa级钢板的制造方法，钢板的生产工艺为：冶炼-铸造-加热-轧制-调质处理，其特征在于，
(1)冶炼和铸造：将钢水通过转炉、LF炉、RH或VD炉进行精炼，全程保护浇铸，中包钢水过热度为20～30℃；铸造采用模铸或连铸，铸坯缓冷≥72h；采用连铸时，连铸坯拉坯速率≤1.0m/min；
(2)加热：将铸坯在炉温500～700℃时装入加热炉，保温30～60min，铸坯在后续升温过程中的升温速率控制在3～5℃/min，均热温度为1100～1200℃，保温150～250min；
(3)轧制：开轧温度为1000～1050℃，最后三道次单道次平均压下率为10％～15％，终轧温度为900～950℃；
(4)调质处理：采用淬火+高温回火工艺，所述淬火温度为870～930℃，保温时间为1.0～2.0min/mm，钢板厚度1/4处以5～30℃/s的冷却速率淬火冷却至室温，所述回火温度为600～650℃，保温时间为2.5～3.5min/mm。
5.根据权利要求4所述的延伸性能良好的690MPa级钢板的制造方法，其特征在于，钢板在调质处理后进行300℃以下的低温回火。
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