CN113166900A - 高温强度优异的用于中高温的钢板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高温强度优异的用于中高温的钢板及其制备方法。本发明的焊后热处理耐性优异的用于中高温的钢板以wt％计包括：C：0.05～0.25％、Mn：0.1～1.0％、Si：0.1～0.8％、Cr：1～3％、Cu：0.05～0.3％、Mo：0.5～1.5％、Ni：0.05～0.5％及Al：0.005～0.1％，并且包括Ir：0.005～0.10％和Rh：0.005～0.10％中的一种以上、余量的Fe及不可避免的杂质。

Description

高温强度优异的用于中高温的钢板及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种如发电站的锅炉或压力容器等的在400～600℃的中高温中使用的钢的制备，更为详细地涉及一种在500℃中的高温强度优异的钢板及其制备方法。
背景技术
最近随着石油紧缺现象及高油价时代的到来，积极开发恶劣环境的油田，随着这种趋势，加大原油的提炼及储藏用钢材的厚度。
除了如上所述那样加大钢材厚度之外，在焊接钢材时，为了防止焊后结构物的变形及形状和尺寸的稳定，并且为了去除在焊接时产生的应力，进行焊后热处理(PWHT，PostWeld Heat Treatment)。但是，经过长时间PWHT工艺的钢板具有因其组织粗大化而钢板的高温强度下降的问题。
即在长时间PWHT后，随着基体组织(Matrix)及晶界的软化、晶粒生长及碳化物的粗大化等，会出现强度及韧性同时下降的现象。
为了防止这种长时间PWHT热处理导致的物性下降，日本公开专利第1997-256037号提出一种技术，该技术对钢坯进行加热及热轧后，空冷至室温，并在Ac1～Ac3相变点进行加热及缓冷的工艺，从而将PWHT保证时间延长至16小时，其中所述钢坯以wt％计包括：C：0.05～0.20％、Si：0.02～0.5％、Mn：0.2～2.0％及Al：0.005～0.1％，并且根据需要含有Cu、Ni、Cr、Mo、V、Nb、Ti、B、Ca及稀土类元素中的一种或两种以上，而且余量为铁及不可避免的杂质。
但是，在钢材的加厚及焊接部条件苛刻时，在上述技术实现的PWHT保证时间非常不足，且存在无法应用该保证时间以上的长时间PWHT的问题。
因此，伴随钢材的加厚及焊接部条件的苛刻，需要一种在长时间的PWHT后仍具有优异的500℃高温强度的钢材。
发明内容
技术目的
本发明是为了解决如上所述问题而提出的，其目的在于提供一种即便在长时间的焊后热处理(Post Weld Heat Treatment，PWHT)后在500℃中也不会降低高温强度的焊后热处理(PWHT)耐性优异的用于中高温的钢板及其制备方法。
解决问题的手段
本发明的一方面涉及一种焊后热处理耐性优异的用于中高温的钢板，该焊后热处理耐性优异的用于中高温的钢板以wt％计包括：C：0.05～0.25％、Mn：0.1～1.0％、Si：0.1～0.8％、Cr：1～3％、Cu：0.05～0.3％、Mo：0.5～1.5％、Ni：0.05～0.5％及Al：0.005～0.1％，并且包括Ir：0.005～0.10％和Rh：0.005～0.10％中的一种以上、余量的Fe及不可避免的杂质。
所述钢板优选具有以面积％计由50％以上的回火马氏体和余量的回火贝氏体构成的显微组织，在所述显微组织的晶粒内部存在1μm以下的微细IrO2或Rh2O3氧化物。
所述钢板在100小时焊后热处理(Post Weld Heat Treatment，PWHT)后，500℃高温拉伸强度仍可为400MPa以上。
此外，本发明的另一方面涉及一种焊后热处理耐性优异的用于中高温的钢板的制备方法，该焊后热处理耐性优异的用于中高温的钢板的制备方法包括：对钢坯以1000～1250的温度范围进行再加热后进行热轧的工序，所述钢坯以wt％计包括：C：0.05～0.25％、Mn：0.1～1.0％、Si：0.1～0.8％、Cr：1～3％、Cu：0.05～0.3％、Mo：0.5～1.5％、Ni：0.05～0.5％及Al：0.005～0.1％，并且包括Ir：0.005～0.10％和Rh：0.005～0.10％中的一种以上、余量的Fe及不可避免的杂质；
将所述热轧后的钢板在900～1000℃的温度范围中保持2.5×t+(10～30分钟)时间的热处理工序，其中所述t表示钢材的厚度，所述t的单位为mm；
对所述热处理后的钢板以0.2～30/秒的冷却速度进行冷却的工序；及
将所述冷却控制后的钢板在700～750℃的温度范围中保持2.5×t+(10～30分钟)时间的回火热处理工序，其中所述t表示钢材的厚度，所述t的单位为mm。
通过所述回火热处理工序制备的钢板可具有以面积％计由50％以上的回火马氏体和余量的回火贝氏体构成的显微组织，在所述显微组织的晶粒内部存在1μm以下的微细IrO2或Rh2O3氧化物。
技术效果
通过具有上述结构的本发明，能够提供即便在100小时的PWHT处理后，500℃高温拉伸强度仍为400MPa以上的用于中高温的钢板及其制备方法。
具体实施方式
下面，对本发明进行说明。
本发明的焊后热处理耐性优异的用于中高温的钢板，以wt％计包括：C：0.05～0.25％、Mn：0.1～1.0％、Si：0.1～0.8％、Cr：1～3％、Cu：0.05～0.3％、Mo：0.5～1.5％、Ni：0.05～0.5％及Al：0.005～0.1％，并且包括Ir：0.005～0.10％和Rh：0.005～0.10％中的一种以上、余量的Fe及不可避免的杂质。
首先，对本发明的钢材成分及组成范围进行详细说明(下面，各成分的含量表示wt％)。
碳(C)
本发明中碳(C)是提高强度的元素，优选将其含量限制为0.05～0.25％范围。当其含量低于0.05％时，可能会存在基体本身的强度下降的问题，当超过0.25％时，可能会存在因强度过增而韧性下降的问题。
本发明优选将所述碳含量的下限限制为0.06％，进一步优选限制为0.08％，优选将所述碳含量的上限限制为0.24％，进一步优选限制为0.22％。
硅(Si)
本发明中硅(Si)是对脱氧及固溶强化有效的元素，且伴有冲击转变温度上升的元素。因此，为了实现目标强度需添加0.1％以上，但是当添加量超过0.8％时，可能会存在焊接性及冲击韧性下降的问题。考虑到这些问题，本发明优选将硅(Si)含量限制为0.1～0.8％。
本发明优选将所述硅含量的下限限制为0.12％，进一步优选限制为0.15％，优选将所述硅含量的上限限制为0.75％，进一步优选限制为0.70％。
锰(Mn)
本发明中锰(Mn)会与S形成延伸的非金属夹杂物MnS，从而降低常温延伸率及低温韧性，因此优选将所述锰控制为1％以下。但是，当添加低于0.1％的Mn时，难以确保适当的强度，因此本发明将锰(Mn)的含量限制为0.1～1％的范围。
本发明优选将所述锰含量的下限限制为0.15％，进一步优选限制为0.2％，优选将所述锰的上限限制为0.95％，进一步优选限制为0.90％。
铝(Al)
所述铝(Al)是与所述Si一起在炼钢工艺中使用的一种强脱氧剂。本发明优选将这种铝(Al)的含量限制为0.005～0.1％范围。这是因为，当Al的含量低于0.005％时，存在所述脱氧效果微乎其微的问题，当添加量超过0.1％时，存在所述脱氧效果饱和且制备成本上升的问题。
本发明优选将所述铝含量的下限限制为0.01％，进一步优选限制为0.02％，优选将所述铝含量的上限限制为0.09％，进一步优选限制为0.08％。
铬(Cr)
本发明中铬(Cr)是增加高温强度的元素，为了获得强度增加效果需添加1.0％以上的铬，但当添加量超过3.0％时，存在制备成本上升的问题。考虑到这些问题，本发明中将铬(Cr)的含量限制为1.0～3.0％范围。
本发明优选将所述铬含量的下限限制为1.1％，进一步优选限制为1.2％，优选将所述铬含量的上限限制为2.8％，进一步优选限制为2.5％。
钼(Mo)
本发明中Mo是与Cr同样对高温强度的增大有效的元素，而且是防止因硫化物产生的裂纹的元素。为了获得所述效果需添加0.5％以上，但当添加量超过1.5％时，同样存在制备成本上升的问题，因此优选限制为1.5％以下。即，本发明中将钼(Mo)的含量限制为0.5～1.5％范围。
本发明优选将所述钼含量的下限限制为0.51％，进一步优选限制为0.53％，优选将所述钼含量的上限限制为1.4％，进一步优选限制为1.2％。
铜(Cu)
本发明中铜(Cu)是对强度增大有效的元素，虽然需添加0.005％以上才能获得强度增大效果，但由于费用昂贵，优选限制为0.3％以下。考虑到这些问题，本发明将铜(Cu)的含量限制为0.005～0.3％范围。
本发明优选将所述铜含量的下限限制为0.007％，进一步优选限制为0.01％，优选将所述铜含量的上限限制为0.28％，进一步优选限制为0.25％。
镍(Ni)
本发明中镍(Ni)是在提高低温韧性中最有效的元素，虽然需添加0.05％以上才能获得所述效果，但由于费用昂贵，当添加量超过0.5％时，可能会导致制备成本上升。因此本发明将镍(Ni)的含量限制为0.05～0.5％。
本发明优选将所述镍含量的下限限制为0.07％，进一步优选限制为0.1％，优选将所述镍含量的上限限制为0.48％，进一步优选限制为0.45％。
Ir和Rh中的一种以上
本发明在上述组成中可包括Ir：0.005～0.10％及Rh：0.005～0.10％中的一种以上。
所述铱(Ir)是有助于形成微细的氧化物来防止基体组织软化的元素，需添加0.005％以上才能获得充分的效果，但是由于费用昂贵，优选添加0.1％以下。
所述铑(Rh)是与Ir同样易于形成微细氧化物的元素，需添加0.005％以上才能获得充分的效果，但由于费用昂贵，优选添加0.1％以下。
进一步优选地，分别以0.01～0.08％及0.05～0.09％的范围添加Ir和Rh。
在本发明中，通过添加铱(Ir)及铑(Rh)来生成1μm以下的微细IrO2或Rh2O3氧化物，使之发挥重要作用。
优选通过添加这些元素使氧化物的面积分数成为0.015％以上。即使经过长时间PWHT也不会使所述氧化物大幅生长，因此发挥即使在长时间PWHT后也能防止高温强度下降的重要作用。当所述面积分数小于0.015％时，可能会降低高温强度。
具有如上所述组成成分的本发明钢板，其显微组织可由回火马氏体及回火贝氏体的混合组织构成，在所述组织内可包括至少50面积％的回火马氏体。
此外，本发明的特征在于，在完成热处理后的钢板的内部组织即晶粒内部形成有1μm以下的微细IrO2或Rh2O3氧化物。将所述组织控制为上述形态的理由是为了使本发明所针对的PWHT耐性优异，并且具有适当的强度和韧性。
接下来，对本发明一实施例的钢板制备方法进行详细说明。
焊后热处理耐性优异的用于中高温的钢板的制备方法包括：对具有如上所述组成成分的钢坯以1000～1250℃的温度范围进行再加热后进行热轧的工序；将所述热轧后的钢板在900～1000℃的温度范围中保持2.5×t+(10～30分钟)(其中t表示钢材的厚度(㎜))时间的热处理工序；对所述热处理后的钢板以0.2～30℃/秒的冷却速度进行冷却的工序；及将所述冷却控制后的钢板在700～750℃的温度范围中保持2.5×t+(10～30分钟)(其中t表示钢材的厚度(㎜))时间的回火热处理工序。
首先，在本发明中对满足上述组成范围的钢坯以1000～1250℃的温度范围进行再加热。这是因为，当所述再加热温度低于1000℃时，难以固溶溶质原子，当超过1250℃时，会导致奥氏体晶粒大小过于粗大，从而损害钢板的性质。此外，在本发明中，对再加热后的所述钢坯通过常规条件进行热轧处理后进行冷却。
接下来，在本发明中实施将所述热轧钢板在900～1000℃的温度范围中以2.5×t+(10～30分钟)(其中t表示钢材的厚度(㎜))的条件保持的热处理。
在所述热处理温度低于900℃时，因固溶溶质元素难以再次固溶，难以确保强度，相反在热处理温度超过1000℃时，会引起晶粒生长，可能会损害低温韧性。
此外，限制所述热处理保持时间的理由是，当所述保持时间短于2.5×t+10分钟(t表示钢材的厚度(㎜))时，难以使组织均匀，当所述保持时间超过2.5×t+30分钟(t表示钢材的厚度(㎜))时，可能会损害生产率。
此外，在本发明中对所述热处理后的钢板以中心部冷却速度为基准以0.2～30℃/秒的冷却速度进行冷却。当所述冷却速度低于0.2℃/秒时，在冷却过程中可能会产生粗大的铁素体晶粒，相反当所述冷却速度超过30℃/秒时，需要过大的冷却设备。
之后，在本发明中进行将所述冷却控制后的钢板在700～750℃的温度范围中保持2.5×t+(10～30分钟)(其中t表示钢材的厚度(㎜))时间的回火热处理。
在所述回火热处理温度低于700℃时，难以析出微细析出物，从而难以确保强度，相反在热处理温度超过750℃时，会引起析出物的生长，从而损害强度及低温韧性。
此外，限制所述回火热处理保持时间的理由是，当所述保持时间短于2.5×t+10分钟(t表示钢材的厚度(㎜))时，难以使组织均匀，当所述保持时间超过2.5×t+30分钟(t表示钢材的厚度(㎜))时，会损害生产率。
通过这种回火热处理获得的本发明的钢板，其显微组织可由回火马氏体及回火贝氏体的混合组织构成，在所述组织内可包括至少50面积％的回火马氏体。
此外，在完成热处理后的钢板的内部组织即晶粒内部形成有1μm以下的微细IrO2或Rh2O3氧化物。
经所述回火热处理工序制备的本发明的钢板，为了实现在压力容器等的制作过程中附加的焊接工序导致的残留应力的去除等，需要进行PWHT处理。一般来讲，在长时间PWHT热处理后会导致强度及韧性变差，但是通过上述本发明制备的钢板具有如下的优点：即，即使在常规的PWHT温度条件650～740℃中实施长时间(约100小时)的PWHT，也能在强度及韧性无大幅降低的情况下进行焊接施工。尤其，本发明的钢板在经过100小时的PWHT后，仍具有500℃高温拉伸强度为400MPa以上的优异强度。
发明的实施方式
下面，通过实施例对本发明进行详细说明。
(实施例)
分别准备具有如下表1的钢组成成分的钢坯。之后，对各个所述钢坯由下表2的条件进行再加热处理后，进行热轧来制备具有如下表2所示厚度的热轧板。之后，对这些各个热轧板由下表2的条件实施热处理、冷却及回火热处理而制备最终钢板。
对于通过如上所述条件制备的各钢板，由下表2所示条件实施PWHT后，在500℃中检测屈服强度及拉伸强度，并将其结果表示在表2。
【表1】
区分 C Mn Si Ni Cr Mo Cu Al Ir Rh
发明钢1 0.13 0.55 0.52 0.20 1.26 0.60 0.14 0.028 - 0.07
发明钢2 0.14 0.65 0.49 0.18 1.40 0.53 0.15 0.027 0.05 -
发明钢3 0.14 0.48 0.21 0.19 2.23 1.01 0.17 0.035 - 0.08
发明钢4 0.15 0.45 0.25 0.16 2.25 0.96 0.20 0.024 0.06 -
比较钢1 0.13 0.60 0.50 0.20 1.39 0.53 0.15 0.028 - -
比较钢2 0.14 0.55 0.23 0.17 2.15 1.01 0.19 0.029 - -
【表2】
Figure BDA0003088897660000071
Figure BDA0003088897660000081
从上表1及表2可以确认，满足本发明的组成及制备条件的发明例1～12即使PWHT时间达到50小时以上至100小时，也不会降低强度和韧性，而比较例1～6属于脱离本发明的钢组成及制备条件的情况，与发明例1～12相比，在PWHT时间较短时，比较例1～6的强度和韧性表现出与发明钢几乎相等的水平，但随着PWHT时间延长至50小时以上，与发明例相比，比较例1～6的强度和韧性明显变差。这种现象的原因被判断为，在本发明例的钢板中添加Ir及Rh时生成1μm以下的微细IrO2或Rh2O3氧化物，而这种氧化物的生成产生较大影响。这种氧化物即使在长时间的PWHT中也不会大幅生长，因此通过氧化物的形成，具有在长时间PWHT后也能防止强度和韧性下降的效果。
另外，比较例7～9属于钢组成成分在本发明范围内但钢制备条件脱离本发明范围的情况，可知与符合发明钢的制备条件的情况相比，比较例7～9的高温强度值显著降低。
此外，比较例10～12属于钢制备条件满足本发明范围但钢组成成分脱离本发明范围的情况，可知与符合发明钢的组成成分的情况相比，比较例10～12的高温强度值显著降低。
如上所述，在本发明的详细说明中对本发明的优选实施例进行了说明，但是只要是本发明所属的技术领域的技术人员都能在不脱离本发明范围的前提下进行各种改变。因此，本发明的保护范围不应局限于所说明的实施例，应由后述的权利要求书及其等同物确定。

Claims (7)

1.一种焊后热处理耐性优异的用于中高温的钢板，以wt％计包括：
C：0.05～0.25％、Mn：0.1～1.0％、Si：0.1～0.8％、Cr：1～3％、Cu：0.05～0.3％、Mo：0.5～1.5％、Ni：0.05～0.5％及Al：0.005～0.1％，并且包括Ir：0.005～0.10％和Rh：0.005～0.10％中的一种以上、余量的Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的焊后热处理耐性优异的用于中高温的钢板，其特征在于，
所述钢板具有以面积％计由50％以上的回火马氏体和余量的回火贝氏体构成的显微组织，在所述显微组织的晶粒内部存在1μm以下的微细IrO2或Rh2O3氧化物。
3.根据权利要求2所述的焊后热处理耐性优异的用于中高温的钢板，其特征在于，
所述氧化物的面积分数为0.015％以上。
4.根据权利要求1所述的焊后热处理耐性优异的用于中高温的钢板，其特征在于，
所述钢板在进行100小时焊后热处理(Post Weld Heat Treatment，PWHT)后，500℃高温拉伸强度仍为400MPa以上。
5.一种焊后热处理耐性优异的用于中高温的钢板的制备方法，包括：
对钢坯以1000～1250的温度范围进行再加热后进行热轧的工序，所述钢坯以wt％计包括：C：0.05～0.25％、Mn：0.1～1.0％、Si：0.1～0.8％、Cr：1～3％、Cu：0.05～0.3％、Mo：0.5～1.5％、Ni：0.05～0.5％及Al：0.005～0.1％，并且包括Ir：0.005～0.10％和Rh：0.005～0.10％中的一种以上、余量的Fe及不可避免的杂质；
将所述热轧后的钢板在900～1000℃的温度范围中保持2.5×t+(10～30分钟)时间的热处理工序，其中所述t表示钢材的厚度，所述t的单位为mm；
对所述热处理后的钢板以0.2～30/秒的冷却速度进行冷却的工序；及
将所述冷却控制后的钢板在700～750℃的温度范围中保持2.5×t+(10～30分钟)时间的回火热处理工序，其中所述t表示钢材的厚度，所述t的单位为mm。
6.根据权利要求5所述的焊后热处理耐性优异的用于中高温的钢板的制备方法，其特征在于，
通过所述回火热处理工序制备的钢板具有以面积％计由50％以上的回火马氏体和余量的回火贝氏体构成的显微组织，在所述显微组织的晶粒内部存在1μm以下的微细IrO2或Rh2O3氧化物。
7.根据权利要求6所述的焊后热处理耐性优异的用于中高温的钢板的制备方法，其特征在于，所述氧化物的面积分数为0.015％以上。
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