CN112695254A - 一种中锰低镍高性能海洋环境用钢及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中锰低镍高性能海洋环境用钢，涉及钢铁生产技术领域，其化学组分及质量百分比为：C：0.04%～0.05%，Mn：3.0%～4.1%，Ni：1.0%～2.0%，Si：0.1%～0.3%，P≤0.008%，S≤0.006%，余量为铁和不可避免的杂质。钢板获得良好的力学性能，同时兼顾良好的耐腐蚀性能，通过“以Mn代Ni”，在不增加成本的同时能够更好的达到使用要求，适用于海洋环境方面的应用。

Description

一种中锰低镍高性能海洋环境用钢及制备方法
技术领域
本发明涉及钢铁生产技术领域，特别是涉及一种中锰低镍高性能海洋环境用钢及制备方法。
背景技术
随着对海洋资源的不断开发，海洋环境用钢的需求量逐年快速上升。海洋环境用高强钢的研究和发展已成为广泛关注的焦点。耐腐蚀性能是制约海洋用高强钢发展的重要因素之一，引起了广泛的关注。目前，我国在海洋环境用钢的研发和应用方面已取得了长足的进步，但是存在强度和厚度不高、规格不全、标准不完善等不足，尤其是耐腐蚀问题研究不够深入，限制了我国海洋资源开发的能力。因此，研发和完善高强度，尤其是耐腐蚀性能好的高性能海洋环境用钢是我国的其中一个重点研究方向。
目前，我国屈服强度小于355MPa级的海洋平台用钢基本实现了国产化，但关键部位所用的高强、大厚度以及性能优良的钢板还依赖于进口。近年来，国内对高强韧海洋环境用钢的研究日益深入，相关研究表明，通过C、Mn合金化设计和优化热处理工艺，可以获得具有细小回火马氏体板条和合适奥氏体含量及尺寸的钢板，在保证强度的同时具有良好的塑韧性能，为海洋环境用钢的应用开发提供了新的思路。
Mn元素作为一种较强的奥氏体稳定元素，其组织调控及强韧化的综合作用正逐渐引起人们的重视。Mn可以提高钢的层错能，通过控制钢材层错能，在变形过程中可获得“γ→ε-马氏体→α′-马氏体”或者“γ→α′-马氏体”的TRIP效应，以及使变形机制由应变诱导塑性(TRIP)向孪晶诱导塑性(TWIP)和位错滑移转变，综合提高钢材的强度和延伸率，中锰系TRIP钢、TWIP钢、DP钢等高强高韧带钢产品已经在工程机械、汽车领域得到推广应用。另一方面，Mn可扩大γ区，降低γ→α相变温度，促使原材料获得准多边形铁素体或针状铁素体组织等中低温转变组织，从而提高基体强度。Mn能增加奥氏体的稳定性，扩大γ相区奥氏体，降低淬火时的临界冷却速度，在奥氏体锰钢中获得足够高的塑性和很高的耐磨性。目前已经开发出690MPa级高强韧性中锰新型的海洋环境用钢，显微组织为马氏体、残余奥氏体以及铁素体等，这类钢具有良好的强韧性能，但是在腐蚀性能方面的研究涉及较少。Ni元素添加可提高钢的强度，保持良好韧性，而又具有极低的变脆温度，可获得良好的低温韧性。但是Ni元素价格昂贵，大量添加会增大钢生产的成本。
结合上述背景，基于海洋环境用高强钢的发展趋势，以“以Mn代Ni”为研究思路，采用低碳中锰的合金化设计，降低镍元素的添加，开展基础理论研究，设计相应的成分和制备方法，研究与开发高性能海洋环境用钢，满足海洋服役环境下的耐腐蚀性能及一定的低温韧性要求，从而为海洋用高性能钢的使用开拓一片新的领域。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供一种中锰低镍高性能海洋环境用钢，其化学组分及质量百分比为：C：0.04％～0.05％，Mn：3.0％～4.1％，Ni：1.0％～2.0％，Si：0.1％～0.3％，P≤0.008％，S≤0.006％，余量为铁和不可避免的杂质。
本发明进一步限定的技术方案是：
前所述的一种中锰低镍高性能海洋环境用钢，其化学组分及质量百分比为：C：0.046％，Mn：4.044％，Ni：1.004％，Si：0.206％，P：0.005％，S：0.004％，余量为铁和不可避免的杂质。
前所述的一种中锰低镍高性能海洋环境用钢，其化学组分及质量百分比为：C：0.042％，Mn：3.144％，Ni：1.973％，Si：0.203％，P：0.008％，S：0.005％，余量为铁和不可避免的杂质。
本发明的另一目的在于提供一种中锰低镍高性能海洋环境用钢的制备方法，采用淬火+回火的调质处理方式，包括以下步骤：
S1、按照设计的化学成分和配比选择原料进行熔炼，并浇铸成钢锭；
S2、钢锭在1150℃均匀化处理2h后，在1000～1100℃进行锻造，形成锻坯；
S3、锻坯在1200℃均匀化处理2h后，在980～1100℃进行多道次热轧，形成10mm厚度的热轧板；
S4、对热轧板进行调质处理，首先将钢板加热到850℃保温80min，水冷至室温，随后加热到600℃保温60min，空冷至室温，制得中锰低镍高性能海洋环境用钢。
前所述的一种中锰低镍高性能海洋环境用钢的制备方法，步骤S3中，热轧板的冷却方式为空冷，铸坯厚度为60～80mm，每道次压下量为20％。
前所述的一种中锰低镍高性能海洋环境用钢的制备方法，中锰低镍高性能海洋环境用钢的室温组织为马氏体和铁素体的复相组织，晶粒尺寸为5～15μm，室温下屈服强度为420～460MPa，抗拉强度为600～620MPa，屈强比＜0.75，伸长率为20％～26％。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用淬火+回火的调质处理方式，使钢板获得良好的力学性能，同时兼顾良好的耐腐蚀性能，通过“以Mn代Ni”，在不增加成本的同时能够更好的达到使用要求，适用于海洋环境方面的应用；
(2)本发明采用了热轧加调质处理的制备工艺，形成含有马氏体和铁素体的复相组织特征，晶粒尺寸为5～15μm，室温下屈服强度为420～460MPa，抗拉强度为600～620MPa，屈强比＜0.75，伸长率为20％～26％；
(3)本发明减少了钢中合金元素的添加种类，使钢的生产趋于简单化，降低了生产成本；
(4)本发明化学成分设计具有如下优势：
采用低碳设计，尽可能避免锰的添加带来的偏析问题，此外过高的C含量也会使钢的塑性下降，影响到钢的冷成形性能和焊接性；
Si脱氧能力较强，是炼钢常用脱氧剂，一般添加≤0.5％；少量的Si能让焊缝及热影响区的组织在没有后续回火处理的情况下发生自回火，从而提高低温钢板焊缝及热影响区的低温韧性；此外Si是铁素体形成元素，多加Si会促使A-α转化；
Mn可以提高钢的层错能，通过控制钢材层错能，在变形过程中可获得“γ→ε-马氏体→α′-马氏体”或者“γ→α′-马氏体”的TRIP效应，以及使变形机制由应变诱导塑性(TRIP)向孪晶诱导塑性(TWIP)和位错滑移转变，综合提高钢材的强度和延伸率；另一方面，Mn可扩大γ区，降低γ→α相变温度，促使原材料获得准多边形铁素体或针状铁素体组织等中低温转变组织，从而提高基体强度；
Ni元素的添加可提高钢的强度，保持良好韧性，而又具有极低的变脆温度，可获得良好的低温韧性；此外Ni可使钢获得均匀的奥氏体组织，以改善耐蚀性；但是Ni元素价格昂贵，过多添加会增大成本；
P易形成严重的偏析带，由于采用中Mn成分设计，S易在钢中以形成MnS夹杂物与偏析，因此，尽量控制钢中的P、S含量在较低范围。
附图说明
图1为本发明实施例制备中锰低镍钢的热处理工艺路线；
图2为本发明实施例1所得中锰低镍钢的金相组织照片；
图3为本发明实施例1所得中锰低镍钢的SEM照片；
图4为本发明实施例2所得中锰低镍钢的金相组织照片；
图5为本发明实施例2所得中锰低镍钢的SEM照片。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的一种中锰低镍高性能海洋环境用钢，其化学组分及质量百分比为：C：0.046％，Mn：4.044％，Ni：1.004％，Si：0.206％，P：0.005％，S：0.004％，余量为铁和不可避免的杂质。
制备过程如图1所示，包括以下步骤：
S1、按照设计的化学成分和配比选择原料进行熔炼，并浇铸成20kg钢锭；
S2、钢锭在1150℃均匀化处理2h后，在1000～1100℃进行锻造，形成60mm×60mm×80mm的方坯；
S3、锻坯在1200℃均匀化处理2h后，在980～1100℃依次经过8道次热轧，开轧温度980℃，终轧温度1100℃，形成10mm厚度的热轧板，轧制过程中每道次压下量均为20％，总压下量为83.33％，道次应变速率约为15s-1，冷却方式为空冷；
S4、对热轧板进行淬火+回火的调质处理，首先将钢板加热到850℃保温80min，水冷至室温，随后加热到600℃保温60min，空冷至室温，制得中锰低镍高性能海洋环境用钢。
实施例2
实施例1
本实施例提供的一种中锰低镍高性能海洋环境用钢，与实施例1的区别在于，其化学组分及质量百分比为：C：0.042％，Mn：3.144％，Ni：1.973％，Si：0.203％，P：0.008％，S：0.005％，余量为铁和不可避免的杂质。
调质热处理后，对钢板进行金相观察和扫描电镜观察，实施例1获得的金相组织照片和SEM照片分别如图2和3所示，实施例2获得的金相组织照片和SEM照片分别如图4和5所示。
对实施例1和2中的钢板进行力学性能测试，其中拉伸试验按GB/T228-2002(金属材料室温拉伸试验方法)进行，得到的结果如表1所示。
表1实施例钢板力学性能测试结果
Figure BDA0002751427760000041
由此可见，本发明制备钢板获得的力学性能为：屈服强度420～460MPa，抗拉强度为600～620MPa，伸长率为20％～26％，屈强比为0.72～0.74。
对实施例1和2中的钢板和Q355高强钢进行盐雾腐蚀试验，实验溶液浓度为50g/L的氯化钠溶液，温度为35℃，试验周期为96h。测得实施例1中钢板的平均腐蚀速率为0.961g/m2·h，实施例2中钢板的平均腐蚀速率为1.135g/m2·h。在相同试验条件下，Q355高强钢的平均腐蚀速率为1.283g/m2·h。通过本发明所述方法制备的中锰低镍钢耐蚀性比Q355较好，具有良好的耐蚀性能。
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)

1.一种中锰低镍高性能海洋环境用钢，其特征在于，其化学组分及质量百分比为：C：0.04%～0.05%，Mn：3.0%～4.1%，Ni：1.0%～2.0%，Si：0.1%～0.3%，P≤0.008%，S≤0.006%，余量为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种中锰低镍高性能海洋环境用钢，其特征在于，其化学组分及质量百分比为：C：0.046%，Mn：4.044%，Ni：1.004%，Si：0.206%，P：0.005%，S：0.004%，余量为铁和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种中锰低镍高性能海洋环境用钢，其特征在于，其化学组分及质量百分比为：C：0.042%，Mn：3.144%，Ni：1.973%，Si：0.203%，P：0.008%，S：0.005%，余量为铁和不可避免的杂质。
4.一种中锰低镍高性能海洋环境用钢的制备方法，其特征在于：应用于权利要求1-3任意一项，采用淬火+回火的调质处理方式，包括以下步骤：
S1、按照设计的化学成分和配比选择原料进行熔炼，并浇铸成钢锭；
S2、钢锭在1150℃均匀化处理2h后，在1000～1100℃进行锻造，形成锻坯；
S3、锻坯在1200℃均匀化处理2h后，在980～1100℃进行多道次热轧，形成10mm厚度的热轧板；
S4、对热轧板进行调质处理，首先将钢板加热到850℃保温80min，水冷至室温，随后加热到600℃保温60min，空冷至室温，制得中锰低镍高性能海洋环境用钢。
5.根据权利要求4所述的一种中锰低镍高性能海洋环境用钢的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，热轧板的冷却方式为空冷，铸坯厚度为60～80mm，每道次压下量为20%。
6.根据权利要求4所述的一种中锰低镍高性能海洋环境用钢及制备方法，其特征在于：中锰低镍高性能海洋环境用钢的室温组织为马氏体和铁素体的复相组织，晶粒尺寸为5～15μm，室温下屈服强度为420～460MPa，抗拉强度为600～620MPa，屈强比＜0.75，伸长率为20%～26%。
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