CN113355583B - 一种具有高强高韧性能的海洋工程用钢的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢铁材料制备领域，涉及一种具有高强高韧性能的海洋工程用钢的制造方法。目标钢中化学成分按重量百分比包括C：0.07～0.15％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.60～1.50％，Ni：3.00～9.0％，Cr：0.40～0.60％，Mo：0.40～0.80％，V：0.07～0.16％，P：≤0.003％，S：≤0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质；按目标钢中成分准备原料；结合高温热轧‑在线淬火+亚临界两相区回火热处理工艺，实现同时具有高强度，低屈强比和低温韧性能的钢板生产，得到成材率高、强度和低温韧性稳定的钢板。本发明钢板具有高强度(屈服强度≥1000MPa)，低屈强比(≤0.93)，断后延伸率≥20％，低温韧性优异(‑80℃冲击功≥220J)的特点。

Description

一种具有高强高韧性能的海洋工程用钢的制造方法

技术领域

本发明属于钢铁材料制备领域，涉及一种具有高强高韧性能的海洋工程用钢的制造方法。

背景技术

近十几年来，海洋资源开发力度加大，海洋工程等领域发展较快，高端制造业领域的发展离不开先进的材料作为基础，高端海洋工程用钢不仅要求材料具有高强度，高韧性，实现轻量化，而且需要材料具有可焊接性和低屈强比的性能，以保证安全服役期间的可靠性。另外，资源开采的难度增加，对超高强度结构材料的需求也日益增加。因此，高强度，易焊接、低屈强比和优异低温韧性结构钢材在海洋工程等领域有着重要的应用前景。另外，在生产钢铁产品过程中，节能减排，保护环境是钢铁行业发展的主旋律之一，在研发新钢种和新工艺过程中，应把保护环境，节能减排考虑其中。

目前，传统超高强海洋工程用钢屈服强度级别从550MPa到960MPa，采用淬火+回火生产工艺，形成回火马氏体的显微组织。目前生产超高强度海洋工程用钢存在以下不足：(1)以回火马氏体为特征组织的钢板随着屈服升高，屈强比不断接近1，严重影响材料的使用安全性；(2)890MPa级别以上海洋工程用钢的低温韧性不足，无法满足极寒地区海洋工程项目的建造；(3)建造先进的海洋装备需要更高强度的海洋工程用钢，屈服强度需要进一步提高到1GPa级别以上。因此，如何同时获得1GPa级别的超高强度、低屈强比特征和优异低温韧性是海洋工程用钢在未来发展的主要方向。新一代低屈强比高强度钢的发展趋势主要体现在：(1)单位载重用钢量减少，需求高强度、高韧性和低屈强比的钢板。(2)注重高强度结构钢的成分设计，并完善相应的制备应用技术理论和方法。(3)在追求高强韧性的同时，更加注重服役安全性能和焊接性能的均衡发展。

公开号为CN109161791B的发明专利提出一种具有优良低温韧性的690MPa级别船舶及海洋工程用钢及其制造方法。该专利合金成分含有Cu≤0.5％，Ti：0.005～0.05％，Ni：1.0～2.5％，并采用淬火+回火，或正火+淬火+回火，或回火+淬火+回火，工艺要求控制温度精度高。另外该技术生产工艺开发的钢板屈服强度为690MPa，-80℃低温冲击韧性不足。

公开号为CN102618793B的发明专利提出一种屈服强度960MPa级钢板及其制造方法。该专利合金成分含有Nb：0.02～0.06％，Ti：0.003～0.04％，B：0.0006～0.0025％，并采用控制轧制控制冷却+在线回火工艺。该技术生产的钢板屈强比大于0.94，-80℃低温冲击韧性不足。

公开号为CN111057965A提出一种低屈强比的海洋工程用钢及其制备方法。该专利成分添加Cu：1.4～1.5％，以及微合金元素Nb：0.01～0.03％，Ti：0.008～0.018％，采用多次淬火+回火热处理工艺，生产周期长，生产成本较高。另外该技术生产的超高强度钢的屈服强度较低。

公开号为CN111542636A提出一种低屈强比特性优异的高强度钢材及其制造方法。该专利成分添加微合金元素Nb：0.01～0.05％，并采用多段式冷却，工艺复杂。另外，该技术生产的钢板屈服强度较低。

目前屈服强度超过600MPa的低合金高强度钢的显微组织大多数是回火马氏体组织，该类钢在使用过程中存在韧性不足，屈强比高和塑性下降等问题，这是由于单一马氏体组织具有高位错密度，导致高强度、高屈强比和低韧性的特征。要满足同时具有超高强度、低屈强比和优异低温韧性，是目前高端工程应用钢铁材料急需解决的难题。

发明内容

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种具有高强高韧性能的海洋工程用钢的制造方法，本发明设计的化学成分结合轧制-控制冷却+回火热处理工艺，实现同时具有超高强度和低温韧性能的钢板生产，得到成材率高、强度和低温韧性稳定的钢板。

为了达到上述目的，采用的主要技术方案包括：

一种具有高强高韧性能的海洋工程用钢的制造方法，包括如下步骤：

S1、目标钢中化学成分按重量百分比包括C：0.07～0.15％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.60～1.50％，Ni：3.00～9.0％，Cr：0.40～0.60％，Mo：0.40～0.80％，V：0.07～0.16％，P：≤0.003％，S：≤0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质；按目标钢中成分准备原料；进行冶炼、连铸后得到连铸坯，LF和RH精炼炉处理，中包钢水过热度≤20℃，全程保护浇铸；

S2、将连铸坯加热到1100～1150℃，保温2～3h；；

S3、对连铸坯采用高温轧制，轧制温度为1050～950℃的奥氏体再结晶温度区；

S4、对步骤S3处理后的钢板采用平均冷却速度大于20℃/s的快速层流冷却系统，终冷温度控制在50℃以下；

S5、将热轧后直接淬火的钢板采用一步回火热处理工艺对钢板进行处理。

所述LF和RH精炼炉处理的时间各为20～30min；所述中包钢水过热度的温度为10～20℃。

在步骤S1中，所述连铸坯在全程保护浇铸的钢中A即硫化物类、B即氧化铝类、C即硅酸盐类、D类即球状氧化物类的非金属夹杂物满足：A≤0.5、B≤0.5、C≤0.5、D≤0.5的要求。

在步骤S2中，所述加热的温度控制在1100～1150℃。

在步骤S3中，第一阶段轧制温度为1050～900℃的奥氏体再结晶温度区，平均单道次压下率在15％以上，目的是使奥氏体充分再结晶，并细化奥氏体晶粒尺寸。

在步骤S4中，所述平均冷却速度为20～30℃/s；所述钢板的终冷温度应低于50℃。

在步骤S5中，所述回火热处理工艺：回火温度为570～610℃，保温时间：60～120min，冷却方式采用空冷。

本发明从合金元素含量、钢质洁净度控制、工艺优化与参数选择、微观组织控制等几个方面进行了大量且系统的试验研究，最终确定了可满足本发明目的合金元素配比及制备工艺。在轧制工艺阶段对连铸坯采用高温轧制，目的是使奥氏体充分再结晶，并细化奥氏体晶粒尺寸；钢板轧制后进行在线快速冷却，终冷温度控制在50℃以下，其目的是控制相变组织为马氏体。钢板的热处理工艺为回火，在亚临界两相区回火热处理可以在钢中析出残余奥氏体和析出沉淀相。残余奥氏体是降低屈强比和提高低温韧性的重要影响因素，析出沉淀相对提高屈服强度和抗拉强度起重要作用。钢板成品微观组织为回火马氏体+残余奥氏体。沉淀相为VC等析出物。本发明制备的超高强度钢板中各合金成分作用机理如下，其中百分符号％代表重量百分比：

C：是保证强度的必要元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但是过高的C含量对钢的延性、韧性，特别是焊接性有负面影响。从经济性和产品性能角度考虑，优选C含量控制在0.07～0.15％。

Si：是提高强度的主要元素之一，同时Si的加入可以抑制贝氏体形成，抑制渗碳体的析出和粗化，提高韧性，因此优选Si含量为0.10～0.40％。

Mn：是保证钢的强度和韧性的必要元素，添加Mn可以增加亚稳奥氏体含量，形成复相组织，为了提高本发明材料的强韧性，因此Mn含量范围为0.60～1.50％。

P：是对低温韧性、延展性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P在不高于0.003％。

S：是对低温韧性、延展性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S的范围在不高于0.002％。

Ni：具有固溶强化作用，稳定奥氏体的主要合金元素，具备使Ar3点降低，CCT曲线右移，能够形成尺寸细小的马氏体组织，提高钢的强韧性，特别是低温韧性；又因为Ni会影响位错的横向滑移，降低钢的韧脆转变温度，另一个重要作用是促进形成亚稳奥氏体并增加其稳定性作用，因此本发明Ni含量控制在3.00～9.00％。

Mo：提高淬透性的元素，扩大γ相区，对控制相变组织起重要作用，能有效提高材料强度；降低相变温度，降低贝氏体转变的临界冷速，能有效改善钢板厚度方向上强韧性能的稳定性，Mo含量控制在0.40～0.80％。

V：有效细化钢的晶粒尺寸，同时在钢在形成纳米级第二相与位错作用显著提高强度。本发明经大量实验验证V含量0.05～0.16％能有效提高钢的强度。

上述化学成分中，C、Si、Mn和Mo含量过高会形成大量马氏体组织，影响贝氏体组织析出，最终影响钢板韧性性能；含量过低，又会影响钢板的强度不足。Ni、Cr和V的适量组合添加会提高钢板强度和低温韧性。

本发明的有益效果为，

(1)本发明通过低C含量保证钢板的易焊性，添加高Ni含量促进亚稳奥氏体形成并提高其稳定性，添加微合金元素V可以形成纳米尺寸析出相(VC)来提高强度；控制硫磷含量，减少夹杂物对低温韧性的影响。采用轧制+在线淬火方法，以及回火处理工艺，特别是临界两相区回火工艺，最终得到亚稳奥氏体+回火马氏体组织，可以保证高强度、优异低温韧性和低屈强比；通过回火后析出的VC析出相可以显著提高钢的强度。通过化学成分及制备工艺相结合可以获得高性能的海洋工程用钢。

(2)本发明钢的屈服强度≥1000MPa，屈强比≤0.93，断后延伸率≥20％，-80℃冲击功≥220J。

(3)本发明产品的制造工艺实现了节能减排目标，节省了淬火热处理工艺，并且产品性能稳定，成材率高。

本发明设计的化学成分结合高温热轧-在线淬火+亚临界两相区回火热处理工艺，实现同时具有高强度，低屈强比和低温韧性能的钢板生产，得到成材率高、强度和低温韧性稳定的钢板。本发明钢板具有高强度(屈服强度≥1000MPa)，低屈强比(≤0.93)，断后延伸率≥20％，低温韧性优异(-80℃冲击功≥220J)的特点。

具体实施方式

本发明钢的化学成分见表1，冶炼工艺见表2，轧制工艺见表3，调质工艺见表4，力学性能见表5。

表1本发明实施例钢化学成分

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	V
										1	0.07	0.34	1.50	0.002	0.001	0.58	9.00	0.60	0.07
2	0.15	0.10	0.79	0.001	0.001	0.45	7.80	0.58	0.13
										3	0.10	0.40	1.00	0.002	0.001	0.50	5.00	0.80	0.12
4	0.08	0.36	0.60	0.001	0.001	0.40	3.00	0.90	0.16
										5	0.09	0.38	1.20	0.001	0.001	0.60	6.00	0.71	0.11
6	0.14	0.20	0.91	0.001	0.001	0.47	6.60	0.40	0.08
										7	0.11	0.32	0.75	0.001	0.001	0.52	8.10	0.84	0.07
8	0.13	0.28	0.86	0.001	0.001	0.43	7.80	0.77	0.10

表2本发明实施例钢冶炼工艺

表3本发明实施例钢轧制工艺

表4本发明实施例钢调质热处理工艺

表5本发明实施例钢力学性能

Claims (8)

1.一种具有高强高韧性能的海洋工程用钢的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、目标钢中化学成分按重量百分比包括C：0.07～0.15％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.60～1.50％，Ni：3.00～9.0％，Cr：0.40～0.60％，Mo：0.40～0.80％，V：0.07～0.16％，P：≤0.003％，S：≤0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质；按目标钢中成分准备原料；进行冶炼、连铸后得到连铸坯，LF和RH精炼炉处理，中包钢水过热度≤20℃，全程保护浇铸；

S2、将连铸坯加热到1100～1150℃，保温2～3h；

S3、对连铸坯采用高温轧制，轧制温度为1050～950℃的奥氏体再结晶温度区；

S4、对步骤S3处理后的钢板采用平均冷却速度大于20℃/s的快速层流冷却系统，终冷温度控制在50℃以下；

S5、将热轧后直接淬火的钢板采用一步回火热处理工艺对钢板进行处理；所述回火热处理工艺：回火温度为570～610℃，保温时间：60～120min。

2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤S5中，冷却方式采用空冷。

3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤S1中，所述LF和RH精炼炉处理的时间各为20～30min。

4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤S1中，所述中包钢水过热度的温度为10～20℃。

5.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在步骤S1中，所述连铸坯在全程保护浇铸的钢中A即硫化物类、B即氧化铝类、C即硅酸盐类、D类即球状氧化物类的非金属夹杂物满足：A≤0.5、B≤0.5、C≤0.5、D≤0.5的要求。

6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在步骤S3中，第一阶段轧制温度为1050～900℃的奥氏体再结晶温度区，平均单道次压下率在15％以上，目的是使奥氏体充分再结晶，并细化奥氏体晶粒尺寸。

7.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在步骤S4中，所述平均冷却速度为20～30℃/s。

8.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在步骤S4中，所述钢板的终冷温度低于50℃。