CN113151741B - 720MPa级大厚度船舶用钢板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种720MPa级大厚度船舶用钢板,C:0.055%~0.09%;Si:0.05%~0.14%;Mn:1.65%~1.95%;S:≤0.002%;P:≤0.008%;Als:0.02%~0.05%;N:0.003%~0.010%;Ni:0.70%~0.95%;Cr:0.70%~1.00%;Nb:0.02%~0.04%;Cu:0.15%~0.30%;Ti:0.008%~0.015%;余量为Fe和不可避免的杂质。可满足海洋恶劣、苛刻环境对船用钢板的技术要求。
Description
技术领域
本发明属于钢铁材料制备领域,特别涉及一种屈服强度720MPa级耐低温超高强大厚度船舶用钢板及其制造方法。
背景技术
近年来在船舶工业快速增长的带动下,极低船舶用钢的需求量在逐年迅速上升。但是,我国缺乏极地船舶设计和制造经验,与芬兰、日本、韩国、美国和俄罗斯等极地船舶建造强国相比有很大差距。2016年,广船国际承接了俄罗斯Yamal项目中极地凝析油轮的建造。2017年,我国最大的海工企业中集来福士承建了挪威订购的“维京龙”号北极钻井平台。尽管我国造船企业承接了少量具有低级别冰区符号的船舶订单,但极地原油运输破冰船和极地LNG运输破冰船等高技术极地船舶几乎是空白。
极地船舶建造离不开适应极地恶劣服役环境的低温用钢等关键材料,高强度、高低温韧性及易焊接的高性能钢材是极地船舶安全航行的基本保障。急需开发具有一定的强度、较低的屈强比,良好的低温韧性,抗层状撕裂、良好的可焊性和加工性能等综合性能优异的钢板。
发明内容
为了克服上述缺陷,本发明所要解决的技术问题提出一种屈服强度720MPa级耐低温超高强大厚度船舶用钢板及其制造方法,通过合理的成分设计,新型调质工艺(一次亚温淬火+一次等温淬火+回火工艺)相结合,制备出具有超高强度(屈服强度≥720MPa)、耐低温(-60℃冲击功≥150J)、零塑性脆转温度(NDTT)≤-65℃、Z向性能≥60%的最大厚度100mm船用钢板,钢板组织为回火索氏体+极少量贝氏体组织,其良好的组织性能均匀性、抗层状撕裂性等特点满足了海洋恶劣环境用钢的技术要求。
为了实现发明目的,本发明采取的技术方案如下:
720MPa级大厚度船舶用钢板,其特征在于:C:0.055%~0.09%;Si:0.05%~0.14%;Mn:1.65%~1.95%;S:≤0.002%;P:≤0.008%;Als:0.02%~0.05%;N:0.003%~0.010%;Ni:0.70%~0.95%;Cr:0.70%~1.00%;Nb:0.02%~0.04%;Cu:0.15%~0.30%;Ti:0.008%~0.015%;余量为Fe和不可避免的杂质。
钢板厚度为50~100mm。
本发明钢中各合金成分的作用机理如下:
C:是有效提高钢板强度的廉价元素,但随着碳含量的提高,则显著降低钢板的塑性、低温韧性和抗焊接裂纹敏感性,碳含量低,在调质后钢的硬度、强度偏低,但是塑性和韧性较高。从经济性和产品性能角度考虑,优选C含量控制在0.055%~0.09%。
Si:是炼钢过程中主要的脱氧成分,在炼钢过程中可以作为脱氧剂和还原剂,有利于钢板强度的提高,当含量超过0.5%时将促进马奥岛的形成,损害焊接性和低温韧性。适量的Si能够提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比,还能提高钢在高温时的抗氧化性,较低Si含量可提升钢板表面质量。因此,优选Si含量为0.05%~0.14%。
Mn:是保证钢的强度和韧性的必要元素,Mn与S结合形成MnS,避免晶界处形成FeS而导致的热裂纹,同时Mn也是良好的脱氧剂。适量的锰可以改善钢的强度和韧性,为了提高本发明材料的强韧性,因此优选Mn含量范围为1.65%~1.95%。
P:是对冲击值带来不利影响的元素,可以在板坯中心部位偏析以及在晶界聚集等损害低温韧性,本发明材料控制在不高于0.008%。
S:是对冲击值带来不利影响的元素,可以形成硫化物夹杂,成为裂纹源,本发明材料控制在不高于0.002%。
Als:作为本发明必须添加的脱氧和细化晶粒元素,添加含量在0.01%以上,但超过0.08%时容易产生铸坯热裂纹,同时钢的韧性降低。更优选含量范围为0.02%~0.05%。
N:N与Al、Ti、Nb等元素结合,形成氮化物,是使母材组织微细化的元素。为了发挥这样的效果,需要使N含有0.002%以上,然而过多的固溶N是使HAZ的韧性恶化的原因,合理的控制N元素的含量,能够起到细化晶粒的作用,因此N含量范围在0.003%~0.010%。
Ni:Ni具有固溶强化作用,能促使合金钢形成稳定奥氏体组织,具备使Ar3点最低和碳当量或冷裂纹敏感系数Pcm的增加最小的特性,能提高钢的强度和韧性,并改善Cu在钢中引起的热脆性,因此本发明Ni含量控制在0.70%~0.95%。
Nb:在钢中加入Nb可以有效细化钢的晶粒尺寸,提高强度和韧性。添加量小于0.01%时效果不明显;大于0.05%时,钢的韧性与可焊接性降低,因此Nb优选含量控制在0.02~0.04%。
Ti:作为提高钢的韧性和焊接部位韧性而添加的成分,以TiN形式存在而发挥作用,但超过0.04%时易形成大颗粒TiN而失去效果,因此添加Ti含量优选范围为0.008%~0.015%。
Cr:提高钢的淬透性的重要元素,对于厚规格船板及海洋平台用钢而言添加较高Cr含量可以有效提高淬透性以弥补厚度带来的强度损失,改善厚度方向上性能的均匀性;适量含量的铬元素能够很好的钢板耐腐蚀性能,因此本发明Cr含量控制在Cr:0.70%~1.00%。
Cu:在钢中加入Cu,可以提高钢的耐蚀性、强度,改善焊接性、成型性与机加工性等。与Ni同时使用,还可以避免热脆性。Cu含量范围为0.15%~0.30%。
720MPa级大厚度船舶用钢板的制造方法,钢坯冶炼→钢坯轧制→一次亚温淬火处理+一次高温淬火处理→回火处理→成品钢板。其制备关键在于如下步骤:
1)冶炼工艺:精选冶炼原料,原料应以铁水或优质返回钢为主,P、S等元素含量尽可能低,按目标值控制熔炼成分,严格控制残余元素含量,避免碳当量超上限。LF和RH精炼炉各需处理20-40min,中包钢水过热度≤30℃,全程保护浇铸,钢中A、B、C、D类夹杂需满足:A类≤1.0,B类≤1.0,C类≤1.0,D类≤1.0的要求,连铸坯成型过程采用轻压下技术,能够有效解决连铸坯的中心偏析情况。
2)加热工艺:采用新型低温加热制度进行,加热温度1150~1190℃,均热温度1100~1150℃,均热时间30min-50min。
3)轧制工艺:采用奥氏体在结晶区和奥氏体非在结晶区两阶段控轧轧制技术,开轧温度1060—1100℃,在每阶段单道次压下率≥15%,二阶段开轧温度850—900℃,终轧温度800—850℃之间,单道次压下率≥12%,结合大变形量轧制工艺细化原始组织、控制及调整相变组织的构成、均匀细化程度和多相粒子析出行为,获得大厚度钢板全厚度截面上的晶粒尺寸均匀化,提高钢种厚向强度与低温韧性的均匀性、抗应变时效性和耐腐蚀性。
4)一次亚温淬火工艺:第一次淬火加热温度控制在720-780℃之间,该温度低于钢板完全奥氏体化温度,加热时间1.6-2.2min\mm,保温30-60min;
5)一次高温淬火工艺:第二次淬火温度控制在915-935℃之间,加热时间1.3-1.6min\mm保温10-30min,通过两次不同温度淬火处理达到晶粒更加细化,组织更加均匀,而且一定程度上使钢板心部更容易淬透。
6)回火工艺:对钢板进行回火处理,回火温度为580--620℃,在炉时间3.0-4.5min\mm,出炉后空冷,获得钢板成品。
本发明的有益效果是:
1)化学成分设计合理,具有较少的合金含量,适当添加Ni、Cr、Cu等合金,无Mo、V等较贵金属,钢板成本较低,采用低P、S纯净钢冶炼,改善钢质纯净度,保证了大厚度船舶用钢获得优良钢坯内部质量;
2)低温加热工艺,加热温度1150~1190℃,均热温度1100~1150℃,均热时间20min-50min,极大程度降低能源消耗,同时细化钢板原始奥氏体组织晶粒尺寸,提后续轧制钢板组织均匀性,提升钢板强韧化提供基础;
3)通过控制轧制+新型调质工艺相结合,实现大厚度超高强钢板的组织强韧化,相变组织均匀细化、形态及晶粒尺寸控制以及更高尺寸精度及表面质量,提升钢板不同位置的强度及韧性均匀性;
4)制备出具有超高强度(屈服强度≥720MPa)、耐低温(-60℃冲击功≥150J)、零塑性脆转温度(NDTT)≤-65℃、Z向性能≥60%的最大厚度100mm船用钢板,钢板组织为回火索氏体+极少量贝氏体组织,其良好的组织性能均匀性、抗层状撕裂性等特点满足了海洋恶劣环境用钢的技术要求。
说明书附图
图1是本发明钢实施例1钢板原始奥氏体晶粒度照片;
图2是本发明钢实施例1成品钢板金相组织照片。
具体实施方式
下面结合附图对具体实施例进行说明:
从实施例1金相组织中可以看出,经一次亚温淬火+一次高温淬火+回火工艺处理后钢板组织基本为回火索氏体及极少量贝氏体组织,晶界清晰,晶粒非常细小,由此可见,尤其是经两次淬火后钢板晶粒进一步细化,从而大大提高了钢板的屈服强度级低温韧性。
本发明屈服强度720MPa级耐低温超高强大厚度船舶用钢板化学成分见表1,钢坯冶炼工艺参数见表2,钢板轧制方法见表3,实施例热处理工艺见表4,实施例钢拉伸和冲击性能见表5。
表1本发明实施例钢化学成分
表2本发明实施例冶炼工艺
表3本发明实施例钢轧制方法
表4本发明实施例热处理工艺
表5本发明实施例钢拉伸和冲击性能
从实施例中可以看出,采用一次亚温淬火+一次高温淬火+回火工艺处理工艺,对于屈服强度720MPa级大厚度钢板来讲,能够很好的提高钢板的冲击韧性,1/4及1/2冲击韧性基本能够达到160J以上,表明不同位置综合性能非常均匀;制备出了具有高强度(屈服强度≥720MPa)、耐低温(-60℃冲击功≥150J),零塑性脆转温度(NDTT)≤-65℃,Z向≥60%的大厚度尺寸钢板,钢板成品厚度50mm~100mm,其良好的组织性能均匀性、抗层状撕裂性、耐腐蚀性等特点满足了船舶及海洋工程恶劣环境用钢的技术要求。
综上,本发明解决了屈服强度720MPa级大厚度钢板心部冲击韧性不稳定的问题,得到了综合力学性能优异的成品钢板。
Claims (7)
1.一种720MPa级大厚度船舶用钢板,其特征在于:该钢板的化学成分质量百分比如下:C:0.055%~0.09%;Si:0.05%~0.14%;Mn:1.65%~1.95%;S:≤0.002%;P:≤0.008%;Als:0.02%~0.05%;N:0.003%~0.010%; Ni:0.70%~0.95%;Cr:0.70%~1.00%;Nb:0.02%~0.04%;Cu:0.15%~0.30%;Ti:0.008%~0.015%;余量为Fe和不可避免的杂质;
所述钢板的制造方法包括冶炼、连铸、轧制和热处理,轧制前对钢坯加热,加热温度1150~1190℃,均热温度1100~1150℃,均热时间30~50min;采用奥氏体再结晶区和奥氏体非再结晶区两阶段控制轧制技术,一阶段开轧温度1060~1090℃,单道次压下率≥15%,二阶段开轧温度850~900℃,终轧温度800~850℃之间,单道次压下率≥12%;
所述热处理包括亚温淬火加高温淬火和回火;所述亚温淬火加热温度控制在720~780℃之间,该温度低于钢板完全奥氏体化温度,加热时间1.6~2.2min/mm,保温30~60min;所述高温淬火温度控制在915~935℃之间,加热时间1.3~1.6min/mm,保温10~30min;所述回火温度为580~620℃,在炉时间3.0~4.5min/mm,出炉后空冷。
2.根据权利要求1所述的一种720MPa级大厚度船舶用钢板,其特征在于:钢板厚度为50~100mm。
3.根据权利要求1所述的一种720MPa级大厚度船舶用钢板,其特征在于:所述钢板-60℃冲击功≥150J ,Z向性能≥60%。
4.根据权利要求1所述的一种720MPa级大厚度船舶用钢板,其特征在于:所述钢板零塑性脆转温度≤-65℃。
5.根据权利要求1所述的一种720MPa级大厚度船舶用钢板,其特征在于:所述钢板组织为回火索氏体+极少量贝氏体组织。
6.根据权利要求1所述的一种720MPa级大厚度船舶用钢板,其特征在于:所述冶炼过程中钢水在LF和RH精炼炉各需处理20~40min,中包钢水过热度≤30℃,全程保护浇铸,钢中A、B、C、D类夹杂需满足:A类≤1.0,B类≤1.0,C类≤1.0,D类≤1.0。
7.根据权利要求1所述的一种720MPa级大厚度船舶用钢板,其特征在于:所述连铸过程中采用轻压下技术。
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