CN112251671B - 一种各向同性的eh690钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种各向同性的EH690钢板及其制造方法。钢中含有：C 0.12％～0.14％，Si 0.3％～0.4％，Mn 0.8％～1.2％，P≤0.02％，S≤0.01％，Als 0.01％～0.03％，Ni 1.0％～2.0％，Cr 0.5％～1.0％，Mo 0.3％～0.4％，Cu 0.2％～0.4％，Nb 0.02％～0.04％，V 0.03％～0.05％，Ti 0.01％～0.02％，B 0.001％～0.0015％，余量为铁和不可避免的杂质。铸坯开轧温度为1000～1100℃，采用横向‑纵向‑横向轧制工艺，终轧温度850～950℃；正火温度850～900℃，保温时间1.0～1.5min/mm；淬火温度850～880℃，保温时间1.0～2.0min/mm；回火温度580～630℃，保温时间2.5～3.5min/mm。钢板横纵向冲击比90％～110％。

Description

一种各向同性的EH690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，特别涉及一种冲击各向同性的EH690超高强钢板的成分设计及其轧制方法。
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CN106282774B的专利《一种高横纵向冲击比值大厚度Q690E高强钢生产方法》提出了一种横纵向冲击比值较高的超高强钢板，从其实施例中可以看出该发明强度过高，屈强比难以控制，用于海工领域安全系数较低。
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横纵向冲击各向同性的超高强度EH690海工钢板，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。形成一套特定的横纵向冲击各向同性的EH690海工钢板成分及相应的生产工艺。
本发明利用Nb、V、Ti、Ni元素相配合的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、高效轧制热处理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：
一种冲击各向同性的EH690钢板，按重量百分比计，钢中含有：C 0.12％～0.14％，Si 0.3％～0.4％，Mn 0.8％～1.2％，P≤0.02％，S≤0.01％，Als 0.01％～0.03％，Ni1.0％～2.0％，Cr 0.5％～1.0％，Mo 0.3％～0.4％，Cu 0.2％～0.4％，Nb 0.02％～0.04％，V 0.03％～0.05％，Ti 0.01％～0.02％，B 0.001％～0.0015％，其余为Fe和不可避免的杂质。另外，钢中成分还满足Cu+Mo＜0.6Ni。
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含量过低是会导致碳化物含量降低，晶粒细化效果不明显，钢板强度不足。C含量过高在轧制过程中将造成明显的条带状组织，影响钢板各方向性能一致性，所以本发明精确控制C元素在钢中含量，将C含量控制在0.12％～0.14％。
(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0.4％时会导致组织粗化，本发明Si含量为0.3％～0.4％。
(3)Mn元素与Fe原子半径相似，可大量固溶于Fe基体中，是扩大奥氏体相区元素，提高奥氏体稳定性，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元素质量百分含量过高时，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Mn含量为0.8％～1.2％。
(4)P、S元素对钢板的力学性能和焊接性能没有益处，尽量降低其在钢中的含量，综合成本因素，本发明将P、S含量分别控制为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，本发明将Als含量控制为0.01％～0.03％。
(6)Ni的作用是提高钢板的强韧性，Ni对钢的焊接热影响区硬化性及韧性没有不良影响，且能够使钢的低温韧性大大提高。同时Ni的加入可以防止高Cu含量钢的热轧龟裂问题，Ni元素的加入还能通过后续热处理弱化轧钢过程对钢板组织造成的各向异性，因此，本发明将Ni含量控制为1.0％～2.0％。
(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0.5％～1.0％。
(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，过量的Mo元素与C元素结合会降低钢板韧塑性。因此，本发明将Mo含量控制为0.3％～0.4％。
(9)Cu元素与Ni、Mo元素保持Cu+Mo＜0.6Ni的比例添加效果好。Cu对焊接热影响区硬化性及韧性没有不良影响，又可使母材的强度提高，并使低温韧性大大提高，但过量的Cu元素可以造成严重的热裂纹。因此，本发明将Cu含量控制为0.2％～0.4％。
(10)Nb是本发明的重要添加元素。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，同时改善强度和韧性；因此在本发明中Nb含量为0.02％～0.04％。
(11)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。热处理钢板中加入微量V元素可显著提高钢板强韧性，同时消除轧制过程中造成的加工硬化效果，保证钢板各个方向上性能的稳定性。因此，本发明的V含量为0.03％～0.05％。
(12)Ti元素的加入是为了使Ti、N形成TiN，阻止钢坯在加热、轧制、焊接过程中晶粒的长大，改善母材和焊接热影响区的韧性。Ti低于0.01％时，对钢的强韧化作用效果不明显，超过0.02％时，将会使钢的韧性恶化。故在本发明中Ti含量为0.01％～0.02％。
(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，因此，本发明将B元素控制在0.001％～0.0015％。
本发明还提供一种冲击各向同性的EH690钢板的制造方法，即采用高洁净度及合金化冶炼+低温加热+多向轧制+正火处理+调质处理，获得的钢板屈服强度≥690MPa，抗拉强度770～940MPa，-40℃夏比冲击功≥100J，横纵向冲击比＞90％。冲击各向同性的EH690钢板成品厚度范围为10～100mm。
具体包括如下步骤：
(1)高洁净度及合金化冶炼技术
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 0.12％～0.14％，Si 0.3％～0.4％，Mn 0.8％～1.2％，P≤0.02％，S≤0.01％，Als 0.01％～0.03％，Ni 1.0％～2.0％，Cr 0.5％～1.0％，Mo 0.3％～0.4％，Cu 0.2％～0.4％，Nb 0.02％～0.04％，V 0.03％～0.05％，Ti 0.01％～0.02％，B 0.001％～0.0015％，其余为Fe和不可避免的杂质。
(2)加热和轧制工艺
将铸坯在炉温600～700℃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。铸坯在后续升温过程中升温速率控制在5～7℃/min，避免钢坯受热过快导致钢坯内部受热不均。均热温度为1100～1200℃，保温100～200min，使C、N化物充分溶解，避免铸态组织异常长大。坯料尺寸设计时应该保证转钢后钢坯宽度不超过轧机辊身长度。
采用横向-纵向-横向轧制工艺，开轧温度为1000～1100℃，横向轧制累计压下率为20％～30％，纵向轧制累计压下率为40％～60％，第二次横向轧制累计压下率为20％～30％。终轧温度为850～950℃。采用横向-纵向-横向轧制的目的是改善轧制过程中在钢板内部产生的带状组织和织构取向，弱化轧制组织对横纵向力学性能的影响，为后续热处理做好组织准备。高温段横向轧制可以改善板坯铸态组织。终轧阶段在Ac3温度以上30～50℃再结晶温度区域轧制可以促进奥氏体晶粒扁平化、细小化。
(3)正火处理
正火温度为850～900℃，保温时间为1.0～1.5min/mm。正火处理的目的是进一步消除钢板轧制过程中产生的条带状奥氏体晶粒对钢板横纵向冲击韧性的影响。
(4)调质工艺
调质处理采用淬火+高温回火工艺，淬火温度为850～880℃，保温时间为1.0～2.0min/mm。回火温度为580～630℃，保温时间为2.5～3.5min/mm。淬火可以使钢板奥氏体化，增加淬火后马氏体含量。回火可以促进回火马氏体形成，提高钢板韧塑性。
有益效果：
本发明同现有技术相比，有益效果如下：
(1)利用Nb、V、Ti、Ni元素相配合的海工钢板关键生产技术，可以通过横向-纵向-横向交替轧制工艺，改善轧制过程中在钢板内部产生的带状组织和织构取向，通过后续正火处理进一步消除条带状奥氏体晶粒对钢板横纵向冲击韧性的影响。使超高强度钢板的横纵向冲击比＞90％。
(2)本发明创新的C、Mn结合Nb、V、Ti、Ni合金成分体系可以保证钢板的其屈服强度≥690MPa，抗拉强度770～940MPa，-40℃夏比冲击功单值≥100J。
(3)利用Nb、V、Ti、Ni元素相配合的海工钢板关键生产技术，可以生产厚度10～100mm的超高强度EH690海工钢。
附图说明
图1为实施例1调质态钢板厚度1/4处的金相组织，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，本发明实施例钢铸坯加热及轧制工艺见表2，本发明实施例钢正火和调质处理工艺见表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 0.132 0.32 1.19 0.01 0.007 0.021 1.12 0.61 0.33 0.24 0.021 0.042 0.018 0.0011
2 0.12 0.35 1.14 0.02 0.009 0.02 1.41 0.75 0.39 0.36 0.033 0.045 0.02 0.0014
3 0.124 0.33 1.08 0.01 0.006 0.016 1.23 0.59 0.32 0.39 0.025 0.031 0.017 0.0015
4 0.127 0.34 0.81 0.01 0.009 0.017 1.98 0.51 0.35 0.31 0.038 0.041 0.015 0.0012
5 0.138 0.36 0.94 0.01 0.008 0.018 1.63 0.89 0.31 0.21 0.023 0.049 0.014 0.0013
6 0.14 0.37 0.89 0.02 0.006 0.024 1.34 0.99 0.34 0.28 0.026 0.037 0.016 0.001
7 0.129 0.39 1.18 0.01 0.006 0.028 1.83 0.91 0.37 0.26 0.027 0.045 0.017 0.0015
8 0.134 0.33 1.03 0.02 0.008 0.013 1.73 0.78 0.38 0.34 0.039 0.043 0.011 0.0012
9 0.136 0.31 1.15 0.02 0.009 0.019 1.66 0.69 0.36 0.38 0.036 0.034 0.012 0.0011
10 0.121 0.3 0.91 0.02 0.01 0.022 1.39 0.66 0.30 0.23 0.024 0.038 0.016 0.0013
11 0.133 0.38 1.11 0.01 0.008 0.026 1.46 0.56 0.34 0.29 0.028 0.047 0.01 0.0014
12 0.137 0.4 1.06 0.01 0.007 0.009 1.28 0.97 0.40 0.30 0.029 0.032 0.013 0.0015
表2本发明实施例钢铸坯加热及轧制工艺
Figure BDA0002710558790000081
表3本发明实施例钢正火和调质处理工艺
Figure BDA0002710558790000082
表4本发明实施例钢板力学性能
Figure BDA0002710558790000091
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，抗拉强度为770～940MPa，-40℃夏比冲击功单值≥100J，横纵向冲击比90％～110％。

Claims (5)

1.一种各向同性的EH690钢板，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C 0.12%～0.138%，Si 0.3%～0.4%，Mn 0.8%～1.2%，P≤0.02%，S≤0.01%，Als 0.01%～0.022%，Ni1.12%～2.0%，Cr 0.5%～1.0%，Mo 0.3%～0.4%，Cu 0.2%～0.4%，Nb 0.02%～0.039%，V0.031%～0.05%，Ti 0.01%～0.02%，B 0.001%～0.0015%，余量为铁和不可避免的杂质；
所述的各向同性的EH690钢板的制造方法，钢板的生产工艺为：冶炼、连铸、加热、轧制、正火和调质处理，
（1）加热和轧制
将铸坯在炉温600～700℃时装入加热炉，铸坯升温速率为5～7℃/min，均热温度为1100～1140℃，保温时间为100～200min；
采用横向-纵向-横向轧制工艺，开轧温度为1000～1091℃，第一次横向轧制累计压下率为20%～30%，纵向轧制累计压下率为40%～60%，第二次横向轧制累计压下率为20%～30%；终轧温度为850～899℃；
（2）正火和调质处理
正火温度为870～880℃，保温时间为1.0～1.5min/mm；调质处理采用淬火+高温回火工艺，淬火温度为850～880℃，保温时间为1.0～2.0min/mm；回火温度为580～630℃，保温时间为2.5～3.5min/mm。
2.根据权利要求1所述的一种各向同性的EH690钢板，其特征在于，钢中的化学成分满足Cu+Mo＜0.6Ni。
3.根据权利要求1或2所述的一种各向同性的EH690钢板，其特征在于，所述钢板屈服强度≥690MPa，抗拉强度770～940MPa，-40℃夏比冲击功单值≥100J，横纵向冲击比90%～110%。
4.根据权利要求1或2所述的一种各向同性的EH690钢板，其特征在于，成品钢板厚度10～100mm。
5.根据权利要求3所述的一种各向同性的EH690钢板，其特征在于，成品钢板厚度10～100mm。
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