CN114196879B - 一种屈服强度1000MPa级的结构钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明特别涉及一种屈服强度1000MPa级的结构钢板及其制造方法，属于钢材制备技术领域，通过低碳添加Cr、Ni、Mo的成分设计，通过添加适当的Ni含量保证钢板的低温韧性，通过获得细小的回火马氏体和Nb、Ti析出物以提高结构钢的强度，通过采用一般热轧+水冷+热处理的工艺获得目标的回火马氏体和Nb、Ti析出物，得到屈服强度1000MPa级、高塑性及高韧性结构钢板。

Description

一种屈服强度1000MPa级的结构钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于钢材制备技术领域，特别涉及一种屈服强度1000MPa级的结构钢板及其制造方法。
背景技术
随着北极航道的通航，北极地区油气资源、矿产资源、旅游业和渔业捕捞等已经开始进入开发阶段，对应用于北极高寒地区的结构用钢产生了迫切需求，要求钢板具有高强度、良好的塑性以及优良的低温韧性等综合性能，特别是低温韧性要求极高，目前北极地区最低温度已记录达-70℃，为了保证应用于该地区钢结构的安全性，冲击韧性至少需满足-80℃甚至更低的温度要求。为保证钢板获得高强度通常采用调质处理，即淬火得到马氏体组织，后续采用回火工艺保证钢板的塑性及韧性，使得钢板得到较好的强塑性匹配。而为了保证钢板的淬透性及强度指标，需添加合金元素Cu、Cr、Mo等，为了进一步保证强度，需添加适当的微合金元素Nb、Ti等，为了保证低温韧性必须添加适当的Ni元素。
1000MPa级钢目前普遍采用轧制+调质工艺生产，屈服强度达到1000MPa级和抗拉强度达到1000MPa级钢申报专利时均称为1000MPa级钢，部分纳米析出强化钢其强度等级也到达1000MPa级，涉及1000MPa级钢专利申请很多，主要专利或专利申请可分为以下几类：
抗拉强度达到1000MPa级钢，如中国发明专利申请：CN108193137B、CN108315541B、CN110229999B、CN108359879A、CN108385034B、CN108504960A、及CN112143958A等，以上专利抗拉强度均达到1000MPa级，但屈服强度均远低于1000MPa级，经过淬火+回火热处理工艺后，组织主要是回火马氏体组织。
屈服强度达到1000MPa级钢相对较少，如中国发明专利申请：CN102560274A、CN104561827A、CN106544590B和CN108441764A，以上专利中钢板屈服强度均达到1000MPa级，但钢板韧性的研究温度较低，韧性保证温度在-20℃或-40℃，与至少保证-80℃的技术要求差距较大，且其塑性较差。
其他兼具高强度及低温韧性的专利，如专利申请号为CN109609848B公开了高强韧抗疲劳纳米析出物增强马-奥复相钢及其制备方法，该钢板微观组织包括回火马氏体、逆转变奥氏体以及附着于回火马氏体上的纳米尺寸的碳化钒析出物，钢板屈服强度达到1000MPa级，但该专利冲击韧性-40℃冲击功仅≥100J，与至少保证-80℃的技术要求差距较大。
发明内容
本申请的目的在于提供一种屈服强度1000MPa级的结构钢板及其制造方法，以填补目前屈服强度1000MPa级、高塑性且在-80℃条件下具备高韧性钢板的空白。
本发明实施例提供了一种屈服强度1000MPa级的结构钢板，所述钢板的化学成分以质量分数计包括：
C：0.05％-0.15％、Si：0.20％-0.50％、Mn：0.50％-1.00％、P：≤0.008％、S：≤0.003％、Al：0.020％-0.050％、Ni：10.00％-15.00％、Cr：0.50％-1.00％、Mo：0.80％-1.50％、Nb：0.020％-0.100％、Ti：0.010％-0.020％，其余为Fe和不可避免杂质。
可选的，所述钢板的化学成分以质量分数计包括：
C：0.08％-0.12％、Si：0.30％-0.40％、Mn：0.65％-0.85％、P：≤0.008％、S：≤0.003％、Al：0.030％-0.040％、Ni：11.50％-13.50％、Cr：0.65％-0.85％、Mo：1.00％-1.30％、Nb：0.050％-0.070％、Ti：0.013％-0.017％，其余为Fe和不可避免杂质。
可选的，所述钢板的金相组织包括：回火马氏体组织+Nb/Ti析出相。
可选的，所述回火马氏体组织的板条平均宽度＜0.5μm，所述Nb/Ti析出相的晶粒尺寸＜100nm。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种如上所述的屈服强度1000MPa级的结构钢板的制备方法，所述方法包括：
将钢坯进行加热，获得待轧钢坯；
将所述待轧钢坯进行热轧，后进行冷却，获得半成品；
将所述半成品进行热处理，获得屈服强度1000MPa级的结构钢板。
可选的，所述加热中，加热的温度为1120℃-1180℃，加热的保温时间为240min-360min。
可选的，所述热轧的开轧温度为1000℃-1100℃，所述热轧的终轧温度为950℃-1000℃。
可选的，所述冷却采用水冷，所述冷却的开冷温度为890℃-950℃，所述冷却的终冷温度为700℃-750℃，所述冷却的冷却速度为10℃/s-25℃/s。
可选的，所述热处理包括淬火和回火。
可选的，所述淬火的温度为800℃-870℃，所述淬火的保温时间为3t分钟，其中t为所述钢板厚度，mm；所述回火的温度为550℃-630℃，所述回火的保温时间为3t分钟，其中t为所述钢板厚度，mm。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例提供的屈服强度1000MPa级的结构钢板，所述钢板的化学成分以质量分数计包括：C：0.05％-0.15％、Si：0.20％-0.50％、Mn：0.50％-1.00％、P：≤0.008％、S：≤0.003％、Al：0.020％-0.050％、Ni：10.00％-15.00％、Cr：0.50％-1.00％、Mo：0.80％-1.50％、Nb：0.020％-0.100％、Ti：0.010％-0.020％，其余为Fe和不可避免杂质；通过低碳添加Cr、Ni、Mo的成分设计，通过添加适当的Ni含量保证钢板的低温韧性，通过获得细小的回火马氏体和Nb/Ti析出物以提高结构钢的强度，通过采用一般热轧+水冷+热处理的工艺获得目标的回火马氏体和Nb/Ti析出物，得到屈服强度1000MPa级、高塑性及高韧性结构钢板。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例1提供的钢板的金相组织图；
图2是本发明实施例1提供的钢板的回火马氏体透射电镜分析图；
图3是本发明实施例1提供的钢板的Nb、Ti纳米析出相形貌图；
图4是本发明实施例1提供的钢板的Nb/Ti析出相能谱分析图；
图5是本发明实施例提供的方法的流程图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
根据本发明一种典型的实施方式，提供了一种屈服强度1000MPa级的结构钢板，所述钢板的化学成分以质量分数计包括：
C：0.05％-0.15％、Si：0.20％-0.50％、Mn：0.50％-1.00％、P：≤0.008％、S：≤0.003％、Al：0.020％-0.050％、Ni：10.00％-15.00％、Cr：0.50％-1.00％、Mo：0.80％-1.50％、Nb：0.020％-0.100％、Ti：0.010％-0.020％，其余为Fe和不可避免杂质。
通过低碳添加Cr、Ni、Mo的成分设计，通过添加适当的Ni含量保证钢板的低温韧性，通过获得细小的回火马氏体和Nb/Ti析出物以提高结构钢的强度，通过采用一般热轧+水冷+热处理的工艺获得目标的回火马氏体和Nb/Ti析出物，得到屈服强度1000MPa级、高塑性及高韧性结构钢板，适用于北极等高寒地区工程作业，本发明不添加合金元素Cu，也无需添加B元素，降低了工艺控制难度。
以下是本发明所涉及的主要组分的作用及其限定说明：
C：C元素是扩大奥氏体相区元素，也是具有强烈固溶强化作用的元素，同时C元素可与Nb、Ti元素形成析出物而进行第二相，形成沉淀强化作用而改善钢板强度，但C含量过高，产品韧性和焊接性能较差。综合考虑，本钢种需要钢具备优良的强韧性，因而本发明控制碳含量范围为0.05～0.15％。
Si:Si不与C形成碳化物，以固溶方式存在于钢中，通过与可动位错的应力场交互作用，阻碍位错运动，提高钢板的强度。但Si含量较高时，对钢的焊接性能不利，本发明中的Si含量控制为0.20～0.50％。
Mn：Mn是奥氏体形成元素，扩大奥氏体相区。在冷却过程中，Mn通过溶质拖曳作用耗散自由能，抑制扩散型相变。通过加入适量的Mn，可在适当工艺条件下控制钢板的微观组织，形成具有高强度和高韧性的细化的贝氏体板条组织。Mn含量过高，则可能导致钢坯在连铸和随后的冷却过程中出现裂纹。本发明中的Mn含量控制为0.50～1.00％。
P：磷在钢中固溶强化作用强，作为合金元素加入低合金结构钢中，能提高其强度和钢的耐大气腐蚀性能，但磷最大的害处是，偏析严重，增加回火脆性，显著增加钢的塑性和韧性，致使钢在冷加工时容易脆裂也即所谓“冷脆”现象。磷对焊接性也有不利影响，磷是有害元素，应严加控制，本发明中的P含量控制为≤0.008％。
S：硫在钢中偏析严重，恶化钢的质量，在高温下，降低钢的塑性，是一种有害元素，它以熔点较低的FeS形式存在。单独存在的FeS的熔点只有1190℃，而在钢中与铁形成共晶体的共晶温度更低，只有988℃，当钢凝固时，硫化铁析集在原生晶界处。钢1100～1200℃进行轧制时，晶界上的FeS就将熔化，大大的削弱了晶粒之间的结合力，导致钢的热脆现象，因此对硫应严加控制，本发明中的s含量控制为≤0.003％。
Al：Al增加相变驱动力，Al在钢中与N相互作用，形成细小而弥散的AlN析出，可抑制晶粒长大，达到细化晶粒、提高钢在低温下的韧性的目的。本发明中的Al含量控制为0.020～0.050％。
Cr：Cr能防止加Mo钢的石墨化倾向，属于稳定奥氏体元素，可极大地提高钢的淬透性，提高钢的强度，但过高的Cr会降低钢的焊接性能，Cr的适宜量控制在0.50～1.00％。
Ni：Ni通过形成简单的置换固溶体起着强化铁素体的作用，可提高钢的强度，同时Ni是奥氏体稳定元素，可显著提高钢的耐低温冲击韧性，Ni的适宜量控制在10.00～15.00％。
Mo：Mo元素可以提高提高钢板高温强度最有效的元素，通常其含量越高，对抗拉强度的影响高于对屈服强度的影响，本发明将Mo含量控制为0.80～1.50％。
Nb、Ti:Nb和Ti微合金化元素对钢板起细化强化作用，进一步保证钢板的低温韧性，本发明中Nb元素含量限定为0.020～0.100％且Ti元素含量限定为0.010～0.020％。
严格控制钢水的纯净度，避免杂质元素P、S对钢板低温韧性的不利影响。
严格禁止向钢中有意添加Cu元素和B元素。
作为一种可选的实施方式，钢板的化学成分以质量分数计包括：
C：0.08％-0.12％、Si：0.30％-0.40％、Mn：0.65％-0.85％、P：≤0.008％、S：≤0.003％、Al：0.030％-0.040％、Ni：11.50％-13.50％、Cr：0.65％-0.85％、Mo：1.00％-1.30％、Nb：0.050％-0.070％、Ti：0.013％-0.017％，其余为Fe和不可避免杂质。
作为一种可选的实施方式，钢板的金相组织为回火马氏体组织+Nb、Ti析出相，其中马氏体板条平均宽度＜0.5μm，Nb、ti析出相尺寸＜100nm。
纳米强化析出钢的内部显微组织为回火马氏体组织+Nb、Ti析出相，其中Nb、Ti析出相尺寸＜100nm，该组织类型可保证本发明所述方法生产的结构用钢实现了高强度、高塑性和高韧性的综合匹配，具体体现在：屈服强度＞1000MPa，抗拉强度＞1160MPa，断后伸长率≥18.0％，-85℃冲击功≥100J。
可选的，所述特厚结构钢的厚度为10～40mm。
根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种如上提供的屈服强度1000MPa级的结构钢板的制备方法，所述方法包括：
S0.冶炼及锻造：利用500Kg真空冶炼炉炼钢，浇铸完成后锻造为厚度120～200mm的钢坯
S1.将钢坯进行加热，获得待轧钢坯；
作为一种可选的实施方式，将钢坯加热至1120～1180℃，保温240～360min
S2.将所述待轧钢坯进行热轧，后进行冷却，获得半成品；
作为一种可选的实施方式，采用一般热轧工艺，轧制过程在再结晶区轧制，再结晶区轧制的开轧温度为1000～1100℃，终轧温度950～1000℃；轧后水冷，轧后开冷温度为890～950℃，水冷至700～750℃，水冷冷却速度为10～25℃/s
S3.将所述半成品进行热处理，获得屈服强度1000MPa级的结构钢板。
作为一种可选的实施方式，热处理为淬火+回火工艺，其中淬火温度为800～870℃，保温一段时间后入水淬火，保温时间为3t分钟(t为钢板厚度)；回火温度为550～630℃，再保温后空冷至室温，保温时间为3t分钟(t为钢板厚度)。
下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请的屈服强度1000MPa级的结构钢板及其制造方法进行详细说明。
实施例
一种屈服强度1000MPa级的结构钢板，其铸坯的化学成分以质量分数计如下表所示：
C Si Mn P S Al Ni Cr Mo Nb Ti
实施例1 0.12 0.28 0.60 0.006 0.002 0.032 10.5 0.65 0.80 0.045 0.016
实施例2 0.11 0.28 0.65 0.006 0.003 0.038 10.5 0.65 0.90 0.055 0.013
实施例3 0.10 0.30 0.72 0.005 0.002 0.030 12.5 0.70 1.00 0.070 0.015
实施例4 0.10 0.30 0.75 0.006 0.002 0.030 12.5 0.80 1.10 0.072 0.018
实施例5 0.08 0.35 0.80 0.003 0.001 0.035 14.6 0.90 1.30 0.080 0.016
钢板的制备方法如下：
S1.将钢坯进行加热，获得待轧钢坯；
S2.将所述待轧钢坯进行热轧，后进行冷却，获得半成品；
热轧和冷却的工艺参数如下表所示：
Figure BDA0003377101550000061
S3.将所述半成品进行热处理，获得屈服强度1000MPa级的结构钢板；
热处理的工艺参数如下表所示：
结构钢厚度，mm 淬火温度，℃ 保温时间，min 回火温度，℃ 回火时间，min
实施例1 15 830 45 560 45
实施例2 20 850 60 580 60
实施例3 24 850 72 580 72
实施例4 30 860 90 620 90
实施例5 40 860 120 620 120
实验例
将实施例1-5和对比例1-N制得的钢进行性能检测，检查方法为：根据GB/T228<<金属材料室温拉伸试验方法>>测定钢板拉伸性能，根据GB/T229-2007<<金属材料夏比摆锤冲击试验方法>>测定钢板厚度1/4处的冲击性能；测试结果如下表所示：
屈服强度，MPa 抗拉强度，MPa 延伸率，％ -85℃冲击功，J
实施例1 1065 1203 20 168
实施例2 1096 1193 19.0 158
实施例3 1111 1166 19.5 106
实施例4 1115 1176 19 140
实施例5 1212 1258 18.5 131
由上表可知，采用本发明实施例提供的方法制得的钢板的力学性能优良，屈服强度≥1065MPa，抗拉强度≥1166MPa，断后延伸率≥18.5％，-85℃冲击功≥106J，开发的结构钢各项力学指标良好。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：
(1)本发明实施例提供的钢板通过低碳添加Cr、Ni、Mo的成分设计，通过添加适当的Ni含量保证钢板的低温韧性，通过获得细小的回火马氏体和Nb、Ti析出物以提高结构钢的强度；
(2)本发明实施例提供的钢板的内部显微组织为回火马氏体组织+Nb、Ti析出相，其中Nb、Ti析出相尺寸＜100nm，该组织类型可保证本发明所述方法生产的结构用钢实现了高强度、高塑性和高韧性的综合匹配，具体体现在：屈服强度＞1000MPa，抗拉强度＞1160MPa，断后伸长率≥18.0％，-85℃冲击功≥100J；
(3)本发明实施例提供的方法通过采用一般热轧+水冷+热处理的工艺获得目标的回火马氏体和Nb、Ti析出物，得到屈服强度1000MPa级、高塑性及高韧性结构钢板，适用于北极等高寒地区工程作业，并且不添加合金元素Cu，也无需添加B元素，降低了工艺控制难度。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种屈服强度1000MPa级的结构钢板，其特征在于，所述钢板的化学成分以质量分数计包括：
C：0.05％-0.15％、Si：0.20％-0.50％、Mn：0.50％-1.00％、P：≤0.008％、S：≤0.003％、Al：0.020％-0.050％、Ni：10.00％-15.00％、Cr：0.50％-1.00％、Mo：0.80％-1.50％、Nb：0.020％-0.100％、Ti：0.010％-0.020％，其余为Fe和不可避免杂质；所述钢板的金相组织包括：回火马氏体组织+Nb/Ti析出相，所述回火马氏体组织的板条平均宽度＜0.5μm，所述Nb/Ti析出相的晶粒尺寸＜100nm，所述结构钢板的屈服强度≥1065MPa，抗拉强度≥1166MPa，断后延伸率≥18.5％，-85℃冲击功≥106J，所述结构钢板的制备方法包括：
将钢坯进行加热，获得待轧钢坯；将所述待轧钢坯进行热轧，后进行冷却，获得半成品；将所述半成品进行热处理，获得屈服强度1000MPa级的结构钢板，其中，所述热轧的开轧温度为1000℃-1100℃，所述热轧的终轧温度为950℃-1000℃，所述冷却采用水冷，所述冷却的开冷温度为890℃-950℃，所述冷却的终冷温度为700℃-750℃，所述冷却的冷却速度为10℃/s-25℃/s。
2.根据权利要求1所述的屈服强度1000MPa级的结构钢板，其特征在于，所述钢板的化学成分以质量分数计包括：
C：0.08％-0.12％、Si：0.30％-0.40％、Mn：0.65％-0.85％、P：≤0.008％、S：≤0.003％、Al：0.030％-0.040％、Ni：11.50％-13.50％、Cr：0.65％-0.85％、Mo：1.00％-1.30％、Nb：0.050％-0.070％、Ti：0.013％-0.017％，其余为Fe和不可避免杂质。
3.一种如权利要求1至2中任一项所述的屈服强度1000MPa级的结构钢板的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
将钢坯进行加热，获得待轧钢坯；
将所述待轧钢坯进行热轧，后进行冷却，获得半成品；
将所述半成品进行热处理，获得屈服强度1000MPa级的结构钢板；
所述加热中，加热的温度为1120℃-1180℃，加热的保温时间为240min-360min。
4.根据权利要求3所述的屈服强度1000MPa级的结构钢板的制备方法，其特征在于，所述热处理包括淬火和回火。
5.根据权利要求4所述的屈服强度1000MPa级的结构钢板的制备方法，其特征在于，所述淬火的温度为800℃-870℃，所述淬火的保温时间为3t分钟，其中t为所述钢板厚度，mm；所述回火的温度为550℃-630℃，所述回火的保温时间为3t分钟，其中t为所述钢板厚度，mm。
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