CN112342458A - 一种低屈强比抗应力腐蚀开裂高强钢及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低屈强比抗应力腐蚀开裂高强钢及制备方法,涉及钢铁生产技术领域,其化学成分及质量百分比如下:C:0.06%~0.15%,Si:0.15%~0.30%,Mn:1.0%~1.5%,S≤0.01%,P≤0.01%,Cr:0.3%~1.0%,Ni:0.8%~2%,Cu:0.01%~0.2%,Mo:0.3%~0.6%,Nb:0.01%~0.08%,V:0.01%~0.05%,Ti:0.006%~0.05%,Al:0.01%~0.2%,其余为Fe和不可避免的杂质。通过耐蚀元素的适量添加和控轧控冷工艺,提高普通690MPa级高强度结构钢在海洋环境中的的耐蚀性和抗应力腐蚀开裂性能。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁生产技术领域,特别是涉及一种低屈强比抗应力腐蚀开裂高强钢及制备方法。
背景技术
随着海洋资源的开采,海洋装备向远洋作业方向发展,对海工用高强钢的综合性能不断提出新的要求。由于海洋环境的严酷性和强腐蚀性,海工高强钢不仅需要具备高强度、高韧性、抗层状撕裂性能和良好的可焊性,还要具备优异的耐蚀性、抗应力腐蚀和腐蚀疲劳性能。在海洋环境中长期服役的高强钢,由于处于高温、高湿、高盐雾的服役环境,侵蚀性氯离子在钢表面不断沉积,腐蚀往往非常严重,且大型海洋装备不仅承受着较大的自身重量,还要经受海风海浪海流等环境载荷,在严重腐蚀和较大的载荷应力条件下存在较大的应力腐蚀风险。在此背景下,除了采用防腐涂层、阴极保护等防护技术外,提高钢材本身的耐蚀性和抗应力腐蚀开裂性能也显得尤为重要。
发明内容
为了解决以上技术问题,本发明提供一种低屈强比抗应力腐蚀开裂高强钢,其化学成分及质量百分比如下:C:0.06%~0.15%,Si:0.15%~0.30%,Mn:1.0%~1.5%,S≤0.01%,P≤0.01%,Cr:0.3%~1.0%,Ni:0.8%~2%,Cu:0.01%~0.2%,Mo:0.3%~0.6%,Nb:0.01%~0.08%,V:0.01%~0.05%,Ti:0.006%~0.05%,Al:0.01%~0.2%,其余为Fe和不可避免的杂质。
技术效果:本发明通过耐蚀元素的适量添加和控轧控冷工艺,提高普通690MPa级高强度结构钢在海洋环境中的的耐蚀性和抗应力腐蚀开裂性能,具有良好的强韧性匹配、较低的屈强比和良好的抗应力腐蚀开裂性能。
本发明进一步限定的技术方案是:
前所述的一种低屈强比抗应力腐蚀开裂高强钢,其化学成分及质量百分比如下:C:0.10%~0.15%,Si:0.15%~0.20%,Mn:1.0%~1.5%,S≤0.01%,P≤0.01%,Cr:0.3%~1.0%,Ni:0.8%~2%,Cu:0.01%~0.2%,Mo:0.3%~0.6%,Nb:0.01%~0.08%,V:0.01%~0.05%,Ti:0.006%~0.02%,Al:0.01%~0.10%,其余为Fe和不可避免的杂质。
前所述的一种低屈强比抗应力腐蚀开裂高强钢,其化学成分及质量百分比如下:C:0.06%~0.12%,Si:0.2%~0.3%,Mn:1.0%~1.5%,S≤0.01%,P≤0.01%,Cr:0.3%~1.0%,Ni:0.8%~2%,Cu:0.1%~0.2%,Mo:0.3%~0.6%,Nb:0.01%~0.08%,V:0.01%~0.05%,Ti:0.006%~0.05%,Al:0.01%~0.2%,其余为Fe和不可避免的杂质。
前所述的一种低屈强比抗应力腐蚀开裂高强钢,钢板厚度范围为10mm~50mm。
本发明的另一目的在于提供一种低屈强比抗应力腐蚀开裂高强钢制备方法,不需进行回火处理,也无需进行轧后调质处理,包括以下步骤:
铸坯加热保温:铸坯装入加热炉中,在1200±20℃下保温1h进行均匀化,为热轧做准备;粗轧:经过第一道次高压水除鳞后,进行粗轧,开轧温度温度控制在1100~1150℃,累积压下量控制为总变形量的70%~80%;
精轧:经过第一阶段初轧后,再经过第二道次高压水除鳞,穿水冷却至900~950℃,开始第二阶段的精轧,开轧温度控制为900±20℃,轧制温度控制在奥氏体非再结晶温度以内,终轧温度控制在880℃以下;轧后空冷至室温。
前所述的一种低屈强比抗应力腐蚀开裂高强钢制备方法,钢板为晶粒细小且M/A组元弥散分布的粒状贝氏体钢。
本发明的有益效果是:
(1)本发明钢中各元素的作用如下:
碳:碳为钢的强化元素,且可与微合金元素形成纳米析出物,对钢的强韧性和抗氢脆性能均有利,但随着碳含量的增加,钢的强度升高,而韧性和焊接性能降低,为保持高强钢的强韧性匹配和可焊性,碳含量不可太高;
锰:Mn为固溶强化元素,可提高钢的强度,且为奥氏体稳定元素,适量的Mn可推迟珠光体转变,降低相变温度,有利于形成贝氏体组织,采用1.0%~1.5%的Mn,即可提高强度到690MPa以上,又可降低相变温度,有利于粒状贝氏体的形成;
硅:Si可作为脱氧剂,并通过固溶强化提高钢的强度,能显著提高钢的屈服强度和抗拉强度,且能提高钢的淬透性,但Si含量过高,会降低钢的可焊性,因而综合考虑选则0.15%~0.30%的Si含量;
镍:Ni为奥氏体稳定元素,可增加奥氏体过冷度,降低贝氏体转变温度,促进控冷过程中贝氏体的形成;同时Ni可大幅提高低合金钢的低温韧性和耐蚀性,提高抗应力腐蚀开裂性能,本发明在国标GB/T1591-2008《低合金高强度结构钢》基础上增加了Ni含量,主要目的是提高耐蚀性,并增加过冷奥氏体的稳定性,保证控冷过程中形成粒状贝氏体,并保留部分残余奥氏体以提高提高应变硬化能力,有效降低屈强比;
铬:Cr能提高钢的淬透性和耐蚀性,可有效抑制珠光体转变,促进粒状贝氏体的形成;
铜:Cu为奥氏体稳定元素,可抑制珠光体转变,有利于贝氏体形成,并可提高低合金钢的耐蚀性;在冷却速率较慢或失效热处理时,可形成纳米Cu粒子,产生沉淀硬化效果;
钼:Mo可推迟珠光体转变,促进针状铁素体或贝氏体形成,同时可提高微合金元素(Nb、V、Ti)在奥氏体中的固溶度,推迟碳氮化物析出,并形成复合析出物,显著细化析出物尺寸和晶粒度,提高高强钢的强韧性,本发明在国标GB/T1591-2008的基础上适当提高了Mo含量,提高耐蚀性的同时细化晶粒尺寸,通过密集晶界对裂纹扩展的阻碍作用提高抗应力腐蚀开裂性能;
微合金元素:Nb、V、Ti微合金元素可提高奥氏体再结晶温度,扩大非再结晶区,并推迟相变,有利于得到晶粒细化的贝氏体,通过析出强化和晶粒细化,显著提高钢的强韧性;
其他元素:Al作为脱氧剂,并能细化晶粒,一定量的Al还能改善钢的低温韧性;S、P为钢中的杂质元素,对钢的强韧性有害,应尽量控制在较低水平;
(2)本发明中控轧控冷制备工艺,目标通过再结晶区的多道次轧制细化晶粒,形成细小的贝氏体铁素体和M/A组元等析出相,通过贝氏体铁素体提高钢的塑韧性,通过M/A组元和(Nb,V,Ti)的碳氮化物等析出相提高钢的强度,通过软相贝氏体铁素体和硬相M/A组元之间的协调变形,以及纳米析出相对位错的钉扎阻碍作用,有效提高钢的应变硬化能力,相对于水冷得到的板条贝氏体或调质钢,能有效降低屈强比;
(3)本发明钢种在屈服强度高达690MPa以上时仍具有较低的屈强比,且在恶劣海洋环境中具有优异的抗应力腐蚀性能;钢材生产工艺简单,采用轧后空冷方式,不需进行回火处理,也无需进行轧后调质处理。
附图说明
图1为本发明实施例和比较例的SEM微观组织形貌图;
图2为本发明实施例和比较例在空气中和模拟海洋盐雾环境中的慢应变速率拉伸曲线。
具体实施方式
本实施例提供的一种低屈强比抗应力腐蚀开裂高强钢,其化学成分及质量百分比如下:C:0.11%,Si:0.20%,Mn:1.05%,S:0.002%,P:0.008%,Cr:0.46%,Ni:1.2%,Cu:0.02%,Mo:0.48%,Nb:0.06%,V:0.03%,Ti:0.01%,Al:0.04%,Ca:0.0018%,其余为Fe和不可避免的杂质。
采用如下控轧控冷工艺进行轧制:
铸坯加热保温:将50mm厚的铸坯装入加热炉中,在1200℃下保温1h进行均质化;
轧制过程:经过第一道次高压水除鳞后,进行粗轧,开轧温度控制在1150℃±20℃,经过3道次轧至20mm;然后经过第二道次高压水除鳞,并穿水冷却至900~950℃,开始第二阶段的精轧,开轧温度控制为900±20℃,经过3道次轧至10mm厚,终轧温度控制在830~880℃,随后空冷至室温,得到晶粒细小且M/A组元弥散分布的粒状贝氏体钢,如图1(a)。
比较例和实施例采用相同成分的同批次铸坯,不同之处在于:
比较例1轧制过程:经过高压水除鳞后,开始进行轧制,开轧温度控制在1150℃±20℃,经过3道次厚度轧至20mm,终轧温度控制在950℃±20℃,随后空冷至室温,得到晶粒粗大的粒状贝氏体组织,M/A组元尺寸较大且大小不均,如图1(b)。
比较例2轧制工程:经过高压水除鳞后,开始进行轧制,开轧温度控制在1150℃±20℃,经过6道次厚度轧至10mm,终轧温度控制在950℃±20℃,随后空冷至室温,得到铁素体和块状M/A岛组成的两相组织,M/A岛尺寸和体积分数均较大,如图1(c)。
采用慢应变速率拉伸(SSRT)试验对实施例和比较例所得钢种进行力学性能测试和模拟海洋环境中的应力腐蚀试验。试样根据国标GB/T 15970制作,采用砂纸沿纵向打磨至2000#后酒精清洗吹干,封装在有机玻璃盒中,并安装在拉伸试验机上,采用加湿器喷雾装置向试验盒中持续通入盐雾,加湿器中的模拟溶液为3.5%NaCl+0.1%NaHSO3,模拟SO2污染的酸性海洋大气环境。预加载至500N后开始拉伸,拉伸应变速率为1×10-6s-1。一般采用延伸率损失(Iδ)和断面收缩率损失(Iψ)来综合评价不同钢种在腐蚀环境中的抗应力腐蚀开裂性能,Iδ、Iψ越小,表明钢的抗应力腐蚀开裂性能越好。Iδ、Iψ分别定义为材料在腐蚀环境中相对于空气中的延伸率和断面收缩率降低百分比,即
由图2可知,实施例在空气中的延伸率、屈服强度和抗拉强度均高于对比例,表明按照本发明制备的高强钢具有良好的力学性能。
表1实施例和比较例的力学性能和抗应力腐蚀开裂性能统计分析
综上可知,本发明产品的综合力学性能相对于比较例具有明显优势,具有最优的强韧性匹配,且屈强比较低(0.79)。更重要的是,比较例在模拟SO2污染的恶劣海洋大气环境中具有优异的抗应力腐蚀开裂性能,从图2可看出在腐蚀环境中的延伸率和抗拉强度均明显高于比较例,且延伸率和断面收缩率损失综合来说相对于比较例具有明显优势,表明实施例具有更好的抗应力腐蚀开裂性能,这得益于其细晶组织和密集的晶界网路对裂纹扩展的阻碍作用,且细小弥散的M/A组元不易诱发应力腐蚀裂纹的萌生。
除上述实施例外,本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案,均落在本发明要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种低屈强比抗应力腐蚀开裂高强钢,其特征在于:其化学成分及质量百分比如下:C:0.06%~0.15%,Si:0.15%~0.30%,Mn:1.0%~1.5%,S≤0.01%,P≤0.01%,Cr:0.3%~1.0%,Ni:0.8%~2%,Cu:0.01%~0.2%,Mo:0.3%~0.6%,Nb:0.01%~0.08%,V:0.01%~0.05%,Ti:0.006%~0.05%,Al:0.01%~0.2%,其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种低屈强比抗应力腐蚀开裂高强钢,其特征在于:其化学成分及质量百分比如下:C:0.10%~0.15%,Si:0.15%~0.20%,Mn:1.0%~1.5%,S≤0.01%,P≤0.01%,Cr:0.3%~1.0%,Ni:0.8%~2%,Cu:0.01%~0.2%,Mo:0.3%~0.6%,Nb:0.01%~0.08%,V:0.01%~0.05%,Ti:0.006%~0.02%,Al:0.01%~0.10%,其余为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种低屈强比抗应力腐蚀开裂高强钢,其特征在于:其化学成分及质量百分比如下:C:0.06%~0.12%,Si:0.2%~0.3%,Mn:1.0%~1.5%,S≤0.01%,P≤0.01%,Cr:0.3%~1.0%,Ni:0.8%~2%,Cu:0.1%~0.2%,Mo:0.3%~0.6%,Nb:0.01%~0.08%,V:0.01%~0.05%,Ti:0.006%~0.05%,Al:0.01%~0.2%,其余为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种低屈强比抗应力腐蚀开裂高强钢,其特征在于:钢板厚度范围为10mm~50mm。
5.一种低屈强比抗应力腐蚀开裂高强钢制备方法,其特征在于:应用于权利要求1-4任意一项,不需进行回火处理,也无需进行轧后调质处理,包括以下步骤:
铸坯加热保温:铸坯装入加热炉中,在1200±20℃下保温1h进行均匀化,为热轧做准备;
粗轧:经过第一道次高压水除鳞后,进行粗轧,开轧温度温度控制在1100~1150℃,累积压下量控制为总变形量的70%~80%;
精轧:经过第一阶段初轧后,再经过第二道次高压水除鳞,穿水冷却至900~950℃,开始第二阶段的精轧,开轧温度控制为900±20℃,轧制温度控制在奥氏体非再结晶温度以内,终轧温度控制在880℃以下;轧后空冷至室温。
6.根据权利要求5所述的一种低屈强比抗应力腐蚀开裂高强钢制备方法,其特征在于:钢板为晶粒细小且M/A组元弥散分布的粒状贝氏体钢。
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