CN113166883B - 具有优异的低屈服比和低温韧性的结构钢及其制备方法 - Google Patents

具有优异的低屈服比和低温韧性的结构钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种结构钢，以重量％计，包含C：0.05～0.12％、Si：0.05～0.4％、Mn：1.0～2.0％、P：0.01％以下、S：0.003％以下、可溶Al：0.015～0.04％、Ti：0.005～0.02％、Nb：0.01％以下、N：0.002～0.008％、余量的Fe及其他不可避免的杂质；以面积分数计，微细组织包含90％以上的多边形铁素体、10％以下的作为第二相的分节的珠光体以及2％以下的MA；在所述多边形铁素体中，晶粒尺寸为20μm以上的多边形铁素体占20～50％、晶粒尺寸小于20μm的多边形铁素体占40～70％。

Description

具有优异的低屈服比和低温韧性的结构钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种结构钢及其制备方法，所述结构钢由于低温韧性优异且屈服比低，因此稳定性优异，从而可以有利地用作海洋结构用材料等结构材料。
背景技术
最近，随着海洋结构物大型化、多功能化(钻探、净化、保管、居住等)，对确保结构物的稳定性的必要性日益增加，因此需要一种具有屈服强度与拉伸强度的差异较大的低屈服比(屈服强度/拉伸强度，YS/TS)的海洋结构用钢材。
屈服比越低，直到可能发生损坏为止的塑性变形时间越晚，可以在此过程中吸收能量来防止外力和冲击导致的损坏和破坏。另外，即使存在一定程度的变形，也可以通过在崩塌前修复来防止因结构物的损坏而引起的财产损失和人员伤亡。
作为现有技术，专利文献1中提出了一种钢材，所述钢材为了确保低屈服比，通过在加速冷却后实施正火热处理来在晶粒内部或者晶界形成第二相。具体而言，通过能够充分提高淬透性的成分体系、使原始组织转变成贝氏体的加速冷却过程以及正火热处理过程，来将圆当量直径为约20μm以下的铁素体和圆当量直径为约3μm以下的MA相均匀分布在整个母材上。尤其，使原始组织转变成内部包含碳化物的贝氏体，从而使得MA在热处理后均匀分布在晶界和晶粒内部。通过这种均匀分布且细微的MA，可以确保低屈服比、低温韧性和高延伸率。但是，根据专利文献1，虽然可以实现低屈服比，但是存在以下缺点：为了提高淬透性而成分成本增加和因增加热处理工艺而引起成本增加。
因此，需要开发通过TMCP工艺来实现低屈服比的钢板和其制备方法。在本发明中，将通过成分优化以及引入新的冷却模式而导致的组织微细化来解决这种成分和制备成本上升的问题。
现有技术文献
(专利文献1)韩国专利第1799202号
发明内容
要解决的技术问题
本发明提供一种厚度为50mm以下的厚钢板，屈服强度、低温冲击韧性以及低屈服比特性优异的结构钢板及其制备方法。
一方面，本发明的问题不限于如上所述的内容。本发明的问题可以通过本说明书的整个内容来理解，只要是本领域的普通技术人员，便能够容易理解本发明的附加技术问题。
解决技术问题的手段
根据本发明的一方面的结构钢，以重量％计，包含C：0.05～0.12％、Si：0.05～0.4％、Mn：1.0～2.0％、P：0.01％以下、S：0.003％以下、可溶Al：0.015～0.04％、Ti：0.005～0.02％、Nb：0.01％以下、N：0.002～0.008％、余量的Fe及其他不可避免的杂质；以面积分数计，微细组织包含90％以上的多边形铁素体、10％以下的作为第二相的分节的珠光体以及2％以下的MA；在所述多边形铁素体中，晶粒尺寸为20μm以上的多边形铁素体占20～50％、晶粒尺寸小于20μm的多边形铁素体占40～70％。
所述结构钢的屈服强度(YS)可以为350MPa以上，拉伸强度(TS)可以为450MPa以上，并且屈服比(YS/TS)可以为85％以下。
所述结构钢的延伸率可以为20％以上，在-40℃下的冲击韧性可以为60J以上，并且在-60℃下的低温冲击韧性可以为100J以上。
所述结构钢可以是厚度为50mm以下的厚钢板。
本发明的另一方面是结构钢的制备方法，包括：以1050～1150℃的温度范围再加热钢坯的步骤，所述钢坯，以重量％计，包含C：0.05～0.12％、Si：0.05～0.4％、Mn：1.0～2.0％、P：0.01％以下、S：0.003％以下、可溶Al：0.015～0.04％、Ti：0.005～0.02％、Nb：0.01％以下、N：0.002～0.008％、余量的Fe及其他不可避免的杂质；在830～970℃的终轧温度下对再加热的所述钢坯进行热轧的步骤；将轧制的钢板以10～30℃/秒的冷却速度冷却至Ar3点以下的一次冷却结束温度的一次冷却步骤；结束所述一次冷却后保持5～12秒的保持步骤；以及在所述保持步骤以后，以15～60℃/秒的冷却速度冷却至300～500℃的二次冷却结束温度的二次冷却步骤。
所述一次冷却结束温度可以是630～700℃。
发明效果
根据本发明，由于在厚度为50mm以下的厚钢板表现出0.85以下的优异的低屈服比特性、350MPa以上的屈服强度以及在-40℃温度下的冲击韧性为60J以上的特性，因此可以获得适合用作结构材料的结构钢。
因此，可以确保结构物的稳定性并且有助于延长寿命，从而具有可以有利地用作用于造船、海洋、建筑等的结构钢的效果。
附图说明
图1是观察发明例1的微细组织的照片。
图2是观察通过现有的常规的控制轧制来制备的比较例7的微细组织的照片。
具体实施方式
下面，将对本发明的优选实施方案进行说明。然而，本发明的实施方案可以变形为各种不同的形态，并且本发明的范围不限于下面说明的实施方案。另外，本发明的实施方案是为了向本发明所属技术领域的普通技术人员更加完整地说明本发明而提供的。
在现有技术中，本发明人通过使用硬质相的MA(岛状马氏体)来使用母材和MA的硬度差以确保低屈服比，然而，意识到了当使用MA时，存在引起冲击韧性降低的不利的一面，并为此进行了深入研究。其结果，确认若由多边形铁素体、MA以及分节的珠光体(degenerated pearlite，退化的珠光体)组成微细组织并适当调节这些物质的面积比率，则可以在冲击韧性不降低的情况下确保低屈服比，从而完成了本发明。
以下，对根据本发明的一方面的结构钢进行详细说明。在本发明中应注意的是，当表示各元素的含量时，除非特别指出，否则表示重量％。另外，除非另有说明，否则结晶或组织的比率以面积为基准。
[结构钢]
首先，对根据本发明的一方面的结构钢的成分体系进行说明。根据本发明的一方面的结构钢，以重量％计，包含C：0.05～0.12％、Si：0.05～0.4％、Mn：1.0～2.0％、P：0.01％以下、S：0.003％以下、可溶Al：0.015～0.04％、Ti：0.005～0.02％、Nb：0.01％以下、N：0.002～0.008％、余量的Fe及其他不可避免的杂质。
C：0.05～0.12％
在本发明中，C是引起固溶强化并且作为以基于Nb等的碳氮化物形式存在以确保拉伸强度的元素。当添加超过0.12％的C时，不仅会促进MA的形成，还会生成珠光体，这可能使低温下的冲击和疲劳特性劣化。另一方面，如果C含量小于0.05％，则对第二相的形成不利，从而可能提高屈服比，因此优选将C的含量限制在0.05～0.12％。
Si：0.05～0.4％
Si起到辅助Al对钢进行脱氧的作用，是用于确保屈服强度和拉伸强度所需的元素。然而为了确保低温下的冲击和疲劳特性，将其含量限制在0.4％以下。另外，当Si的添加量超过0.4％时，阻碍C的扩散而促成MA的形成。一方面，为了将Si去除至其含量小于0.05％，必须大大增加炼钢工艺中的处理时间，从而导致生产率降低，因此将其含量限制在0.05％以上。因此在本发明中，可以将Si的含量限制在0.05～0.4％。
Mn：1.0～2.0％
Mn由于通过固溶强化的强度增加效果大，因此可以添加1.0％以上的Mn。然而，如果以超过2.0％的含量过量添加Mn，可能会因MnS夹杂物的形成、中心偏析而导致韧性降低，因此可以将Mn含量的上限限制为2.0％。
P：0.01％以下
由于P作为杂质，可能引起晶界偏析而造成钢的脆化，因此需要将P含量的上限限制为0.01％。
S：0.003％以下
S作为杂质，主要与Mn结合并生成MnS夹杂物，而这会成为阻碍低温韧性的因素。因此，为了确保低温韧性和低温疲劳特性，需要将S限制在0.003％以下的范围。
Al：0.015～0.04％
在本发明中，Al作为钢的主要脱氧剂，需要在溶解状态下添加0.015％以上。另外，Al由于是在应变失效过程中固定N成分所需的元素，因此应添加至少0.015％以上。然而，当添加量超过0.04％时，可能会由于Al2O3夹杂物的分率、尺寸的增加而成为阻碍低温韧性的原因。另外，类似于Si，其促进母材和焊接热影响部的MA相的生成，从而降低低温韧性和低温疲劳特性。因此在本发明中，可以将Al的含量限制在0.015～0.04％。
Ti：0.005～0.02％
由于Ti与N结合并生成Ti氮化物(TiN)，从而减少固溶N的含量，因此添加0.005％以上。这些析出物起到通过抑制组织变粗来对组织微细化做贡献并且提高韧性的作用。然而，当Ti的含量超过0.02％时，由于会导致析出物变粗而可能造成破坏，并且未能与N结合的固溶Ti留下来形成Ti碳化物(TiC)，从而降低母材和焊接部的韧性。因此，在本发明中，Ti的含量可以限制在0.005～0.02％。
Nb：0.01％以下(包括0％)
Nb是通过析出固溶体或者碳氮化物来在轧制或者冷却过程中抑制再结晶，从而使组织微细化，并且增加强度的元素。然而，如果晶粒被过度微细化，则由于屈服强度增加而难以确保低屈服比，因此可以将添加范围限制至0.01％。由于不添加Nb有利于确保低屈服比，因此可以不另外设置其下限。
N：0.002～0.008％
N是通过与Ti、Nb、Al等一起形成析出物来在再加热时使奥氏体组织微细化，而有助于提高强度和韧性的元素。然而当过量含有时，在高温下引发表面裂纹(crack)而形成析出物，并且残留的N以原子状态存在而降低韧性，因此，在本发明中可以将N含量限制在0.002～0.008％的范围内。
除了上述的合金元素之外，本发明的高强度结构钢的剩余成分是铁(Fe)成分。然而，在通常的制备过程中，由于不可避免地从原料或者周围环境混入预料不到的杂质，因此无法排除这种情况。由于这些杂质是普通的技术人员已知的，因此不详细说明其所有内容。然而作为一种非限定性示例，所述杂质可包含Mo：0.05％以下、Cr：0.05％以下、Cu：0.05％以下、Ni；0.05％以下。
一方面，根据本发明的一方面的结构钢的微细组织，以面积分数计，可包含90％以上的多边形铁素体、作为第二相的10％以下的分节的珠光体、2％以下的MA。另外，根据本发明的结构钢的微细组织主要由多边形铁素体组成，并且由少量的MA和分节的珠光体组成。为了确保低屈服比和低温韧性，重要的是最小化MA的量，并且适当分布比MA更软的相的分节的珠光体。
分节的珠光体(degenerated pearlite)作为珠光体和MA的中间相，可以通过调节冷却速度来形成。更详细而言，当冷却速度快时形成MA，当冷却速度慢时形成珠光体，然而当冷却速度为中等水平时形成分节的珠光体，在本发明中，通过调节二次冷却中的冷却速度来形成分节的珠光体。另外，所述分节的珠光体具有硬度为珠光体和MA的中等程度的特征。
在本发明中，其特征在于，通过所述第二相的适当的分率来获得低屈服比和低温冲击韧性。由于当所述第二相的分率高时难以实现低屈服比，因此当分率高时会导致低温冲击韧性降低。因此，在本发明中，将分节的珠光体的含量限制在10％以下并且将MA的含量限制在2％以下，更优选地，第二相的分率可以为5～11％。
另外，所述多边形铁素体可以由晶粒尺寸为20μm以上的多边形铁素体20～50％和晶粒尺寸不到20μm的多边形铁素体40～70％组成。多边形铁素体的晶粒尺寸越小，屈服强度增加，因而屈服比变高。因此，为了达到强度和屈服比的均衡，需要适当地分配多边形铁素体的晶粒尺寸，从而在本发明中，将晶粒尺寸为20μm以上的多边形铁素体含量限制在20～50％，并且将晶粒尺寸小于20μm的多边形铁素体含量限制在40～70％。
满足所述成分体系条件和微细组织条件的结构钢可以满足屈服强度为350MPa以上，在-40℃的温度下的冲击韧性为60J以上，并且屈服比为85％以下。另外，还可以满足450MPa以上的拉伸强度，20％以上的延伸率和在-60℃的温度下低温冲击韧性为100J以上。
接下来，对根据本发明的另一方面的高强度结构钢的制备方法进行详细说明。
[结构钢的制备方法]
根据本发明的另一方面的结构钢制备方法由钢坯再加热-热轧-冷却(一次冷却、保持、二次冷却)的过程组成，各制备步骤的详细条件如下。
钢坯再加热步骤
首先准备由上述的成分体系组成的钢坯，并且以1050～1150℃的温度范围再加热所述钢坯。当再加热温度超过1150℃时，可能会发生奥氏体晶粒变粗而导致韧性降低的问题。另一方面，当所述再加热温度低于1050℃时，可能会发生Ti、Nb等未能充分固溶的情况，从而导致强度降低。
热轧步骤
在较高的温度下结束轧制，以使加热的所述钢坯有利于形成多边形铁素体。具体而言，通过热轧以使终轧的结束温度达到830～970℃来获得厚钢板。
冷却步骤
在本发明中，热轧后冷却是实现目标组织的非常重要的工艺。本发明中的冷却工艺与通常的TMCP轧制中的冷却工艺不同，由一次冷却-保持-二次冷却三个步骤组成。
一次冷却优选将铁素体相变开始温度Ar3以下设定为一次冷却结束温度，并且使冷却速度最小。在本发明中，将一次冷却结束温度设定为Ar3以下，是为了利用空冷来形成多边形铁素体。更加优选地，所述一次冷却结束温度为630～700℃是适当的，并且冷却速度为10～30℃/秒是适当的。
完成一次冷却后，进行保持步骤，所述保持步骤是指不再进行冷却而是保持当前状态的步骤。在保持步骤中，通过引发碳的扩散来促进在晶界或者晶粒内形成第二相。更具体而言，优选保持5～12秒。
完成所述保持步骤后，最后进行二次冷却。二次冷却可以在300～500℃的二次冷却结束温度和约15～60℃/秒的最快冷却速度条件下进行。可以通过所述二次冷却来形成MA和分节的珠光体。另外，可以通过低的冷却结束温度来确保拉伸强度的增加。
根据上述的制备方法制备的结构钢可以具有微细组织，在所述微细组织中，晶粒尺寸为20μm以上的多边形铁素体占20～50％，晶粒尺寸为20μm以下的多边形铁素体占40～70％。另外，第二相由分节的珠光体或者MA组成，各自的分率可以分别为10％以下、2％以下。
下面，通过实施例，对本发明进行更加详细地说明。然而，应注意的是，以下实施例仅用于通过例示本发明来进行更加详细地说明，而不是用于限制本发明的权利范围。这是因为，本发明的权利范围是由权利要求书中记载的事项和从中合理推断出的事项决定的。
实施发明的方式
(实施例)
在准备具有如下表1所示的成分组成的钢后，利用连续铸造来制备钢坯。在如下表2的制备条件下，通过对钢坯进行轧制、冷却工艺来制备钢板。在如下表3中，测量并记载了在表2的制备条件下制备的钢板的微细组织和机械性能。
【表1】
钢种 C Si Mn P S Al Ti Nb N 区分
A 0.078 0.203 1.55 0.0077 0.0017 0.023 0.012 0 0.0035 发明钢
B 0.079 0.205 1.52 0.0084 0.0019 0.028 0.013 0.007 0.0038 发明钢
C 0.082 0.214 1.57 0.0074 0.0021 0.022 0.0098 0.005 0.0037 发明钢
D 0.081 0.167 1.53 0.0063 0.0020 0.017 0.0011 0.008 0.0035 发明钢
E <u>0.152</u> 0.199 1.54 0.0083 0.0017 0.024 0.0012 0.007 0.0042 比较钢
F 0.069 0.225 1.58 0.0082 0.0017 0.021 0.0010 <u>0.021</u> 0.0009 比较钢
【表2】
Figure BDA0003077282560000091
【表3】
Figure BDA0003077282560000101
在所述表1中，发明钢A～D是满足本发明中规定的成分范围的钢板。另一方面，比较钢E、F是不满足本发明中规定的成分范围的钢板，比较钢E是C含量超出的钢，比较钢F是Nb含量超出的钢。可以知道，满足所有在本发明中示出的合金结构和制备条件的发明例可以确保350MPa的屈服强度，450MPa以上的拉伸强度，并且母材-60℃的冲击韧性为100J以上，屈服比为85％以下。
就发明例1至4而言，满足所有成分，并且通过一次冷却-保持-二次冷却过程控制微细组织来确保了目标的低屈服比和低温韧性。尤其，就具有图1的微细组织的发明例1而言，可知未添加Nb的发明例1具有较低的屈服比，这是因为通过抑制由于Nb添加的组织微细化和针状铁素体组织的形成来形成了多边形铁素体。
就比较例1至3而言，作为只满足成分不满足本发明的制备条件的实施例，可知屈服比都超过85％。屈服比超过85％的理由如下：比较例1是在一次冷却温度为Ar3以上时结束冷却的情况，而在一次冷却期间铁素体没有发生相变；比较例2是在低温下进行了轧制，因此组织的微细化导致了屈服强度的增加；比较例3是由于使用通常的TMCP冷却工艺来形成了微细针状铁素体，因此屈服比上升。另外，比较例3的主要组织为贝氏体，因此铁素体的分率小。在图2中示出了通过这种通常的TMCP冷却工艺制备的钢板的微细组织。可知与发明例不同，由于贝氏体的形成和第二相的缺乏，屈服比得到提高。
就比较例4、5而言，虽然满足了制备条件，但是C和Nb成分超出，当C成分超出时，可知在-40、-60℃下的冲击特性劣化，并且当Nb成分超出时，晶粒的微细化和贝氏体组织的促进导致屈服比上升。
尽管参照以上实施例进行了说明，但是本发明所属技术领域的熟练的普通技术人员应理解，可以在不脱离所附权利要求书中所记载的本发明的思想和领域的范围内对本发明进行各种修正和变更。

Claims (6)

1.一种结构钢，其特征在于，以重量％计，包含C：0.05～0.12％、Si：0.05～0.4％、Mn：1.0～2.0％、P：0.01％以下、S：0.003％以下、可溶Al：0.015～0.04％、Ti：0.005～0.02％、Nb：0.01％以下、N：0.002～0.008％、余量的Fe及其他不可避免的杂质；
以面积分数计，微细组织包含90％以上的多边形铁素体、10％以下的分节的珠光体以及2％以下的MA，其中所述分节的珠光体和所述MA的分率之和为5％至9.8％；
其中，晶粒尺寸为20μm以上的多边形铁素体占全部微细组织的20～50％，晶粒尺寸小于20μm的多边形铁素体占全部微细组织的40～70％。
2.根据权利要求1所述的结构钢，其特征在于，
屈服强度为350MPa以上，拉伸强度为450MPa以上，并且屈服比为85％以下。
3.根据权利要求1所述的结构钢，其特征在于，
延伸率为20％以上，在-40℃下的冲击韧性为60J以上，并且在-60℃下的低温冲击韧性为100J以上。
4.根据权利要求1所述的结构钢，其特征在于，
所述结构钢是厚度为50mm以下的厚钢板。
5.一种结构钢的制备方法，其特征在于，包括：
以1050～1150℃的温度范围再加热钢坯的步骤，所述钢坯，以重量％计，包含C：0.05～0.12％、Si：0.05～0.4％、Mn：1.0～2.0％、P：0.01％以下、S：0.003％以下、可溶Al：0.015～0.04％、Ti：0.005～0.02％、Nb：0.01％以下、N：0.002～0.008％、余量的Fe及其他不可避免的杂质；
在830～970℃的终轧温度下对再加热的所述钢坯进行热轧的步骤；
将轧制的钢板以10～30℃/秒的冷却速度冷却至Ar3点以下的一次冷却结束温度的一次冷却步骤；
结束所述一次冷却后保持5～12秒的保持步骤；以及
在所述保持步骤以后，以15～60℃/秒的冷却速度冷却至300～500℃的二次冷却结束温度的二次冷却步骤。
6.根据权利要求5所述的结构钢的制备方法，其特征在于，
所述一次冷却结束温度为630～700℃。
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