CN114657472A - 一种疲劳性能优异的船用超高强低温钢及制造方法 - Google Patents

一种疲劳性能优异的船用超高强低温钢及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种疲劳性能优异的船用超高强低温钢及制造方法，该钢的成分按重量百分比计如下：C:0.080％‑0.140％，Si:0.20％‑0.60％，Mn:1.15％‑1.60％，Nb:0.020％‑0.050％，V:0.040％‑0.080％，Cu:0.30％‑0.50％，Ni:0.50％‑0.80％，N:0.0140％‑0.0170％，Cr:0.10％‑0.20％，P≤0.010％，S≤0.005％，Als:0.015％‑0.035％，余量为Fe及不可避免杂质；制备方法，包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却；应用本发明生产的低温钢的显微组织为超细铁素体+贝氏体+少量马氏体的复相组织，室温高周疲劳极限强度320MPa以上，疲劳比≥0.52，‑20℃高周疲劳极限强度350MPa以上；所述低温钢屈服强度500MPa以上，抗拉强度620MPa以上，断后延伸率23.0％以上，‑40℃冲击吸收能量≥260J，‑60℃冲击吸收能量≥230J。

Description

一种疲劳性能优异的船用超高强低温钢及制造方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种疲劳性能优异的船用超高强低温钢及制造方法。
背景技术
近年来，随着“北极航线”的开发，越来越多的极地船舶投入到北极航线的开发拓展上来，具有破冰能力的极地船舶需求量日益增加；通常情况下，破冰船破冰有两种方式，一种是连续破冰的方式，另外一种为冲撞式破冰，无论是采用何种方式破冰，船舶的破冰区域都会受到冰块的连续撞击，从而对船舶造成破坏。因此极地船舶的发展对造船用钢板的性能提出了更高要求，首先作为在冰区长期服役的材料，应具有良好的低温韧性，其次，钢板应具有高强度和高疲劳强度，以应对冰的持续冲击。
目前，随着钢铁材料研究的发展，其疲劳性能受到越来越多的关注。名为“一种屈服强度345MPa级高疲劳结构钢及其制造方法”，申请号：201910712227.1的专利，公开了一种屈服强度345MPa级高疲劳结构钢，其化学成分为：C 0.13％～0.16％，Mn 1.30％～1.60％，Nb 0.020％～0.050％，Alt 0.020％～0.030％，Ti ≤0.010％，Si≤0.12％，P≤0.010％，S≤0.005％，余量为铁和不可避免杂质，通过采用大压下+控冷工艺，得到的钢板具有良好的综合力学性能和较好的表面质量。但是钢板仅评价了-20℃的冲击韧性，远不能满足使用要求，且其屈服强度仅为345MPa级，强度级别偏低。名为“耐疲劳特性优良的高强度热轧钢板及其制造方法”，申请号：201180044623.3的专利，公开了一种耐疲劳特性优良的高强度热轧钢板，其化学成分为：C 0.05～0.15％，Si 0.2～1.2％，Mn 1.0～2.0％，P0.03％以下，S 0.0030以下，Al 0.005～0.10％，N 0.006％以下，其余元素还含有Ti 0.03～0.13％，Nb 0.02～0.10％，V 0.02～0.15中的一种或两种以上，通过采用控轧控冷工艺，得到的钢板其强度在780MPa以上，200万次循环下的疲劳强度在580MPa以上，但是钢板没有评价低温性能，且其成分中含有很高的Nb、V元素，造成生产成本偏高。名为“一种高止裂和疲劳强度厚钢板及其制备方法”，申请号：201810007814.6的专利，公开了一种高止裂和疲劳强度厚钢板，其化学成分为：C 0.05～0.07％，Si 0.10～0.20％，Mn 1.40～1.60％，Nb0.04～0.06％，Ti 0.01～0.02％，Cu 0.30～0.35％，Cr 0.27～0.31％，Ni 0.4～0.5％，Al0.01～0.04％，Mo 0.06～0.11％，P≤0.020％，S≤0.010％，余量为铁和杂质，该发明钢的屈服强度不低于500MPa，-60℃冲击吸收能量大于250J，200万次疲劳强度大于160J，其疲劳强度偏低，影响钢板的服役性能。名为“TMCP型高强韧高疲劳性能耐候桥梁钢板及制备方法”，申请号：201810783890.6的专利，公开了一种高疲劳性的桥梁钢板，其化学成分为：C0.05～0.08％，Si 0.12～0.18％，Mn 1.4～1.6％、Nb 0.045～0.058％、Ti 0.01～0.02％、Cu 0.30～0.35％、Cr 0.22～0.30％、Ni 0.45～0.55％、Al 0.02～0.04％、Mo 0.05～0.12％、P≤0.009％、S≤0.005％，其余为Fe和其他不可避免的杂质；该钢的1000万次下疲劳强度不低于170MPa，疲劳强度偏低，不利于钢板的服役性能。
综上所述，目前低温钢板的生产主要存在以下问题。
1)合金元素偏高，生产成本高。
2)钢板的低温韧性不足，不能满足使用要求。
3)钢板的疲劳性能偏低，影响钢板的服役性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种疲劳性能优异的船用超高强低温钢。
本发明目的是这样实现的：
一种疲劳性能优异的船用超高强低温钢，该钢的成分按重量百分比计如下：C:0.080％-0.140％，Si:0.20％-0.60％，Mn:1.15％-1.60％，Nb:0.020％-0.050％，V:0.040％-0.080％，Cu:0.30％-0.50％，Ni:0.50％-0.80％，N:0.0140％-0.0170％，Cr:0.10％-0.20％，P≤0.010％，S≤0.005％，Als:0.015％-0.035％，余量为Fe及不可避免杂质。
所述低温钢的显微组织为超细铁素体+贝氏体+少量马氏体的复相组织，所述超细铁素体尺寸小于5.0μm。
所述钢中V的析出物与铁素体间具有共格、半共格关系，所述V的析出物为V的碳、氮化物，其尺寸小于14.0nm。
所述钢板室温高周疲劳极限强度320MPa以上，疲劳比≥0.52，-20℃高周疲劳极限强度(107周次)350MPa以上。
所述钢板屈服强度500MPa以上，抗拉强度620MPa以上，断后延伸率23.0％以上，-40℃冲击吸收能量≥260J，-60℃冲击吸收能量≥230J。
本发明成分设计理由如下：
C：钢中主要强化元素，是提高钢淬透性的主要元素；其含量偏低时会使碳化物等的生成量降低，影响轧制时细化晶粒的效果。当含量偏高时，钢中渗碳体含量增加，对钢板的低温韧性和焊接性能不利。因此综合考虑成本、性能等因素，本发明控制C的范围为0.080％-0.140％。
Si：炼钢脱氧的必要元素，在钢中固溶能力较强，能提高钢的弹性极限、屈服强度以及疲劳强度，含量过高时对钢板的表面质量有不利的影响。本发明控制Si的范围为0.20％-0.60％。
Mn：可以延缓钢中铁素体和珠光体转变，大幅增加钢的淬透性，降低钢的脆性转变温度，改善冲击韧性，但是Mn含量过高，容易在钢中形成偏析，对钢的塑性、韧性和疲劳性能有不利影。综合考虑，本发明控制Mn的范围为1.15％-1.60％。
Nb：晶粒细化元素，加热时未溶解的Nb的碳、氮化物颗粒分布在奥氏体晶界上，可阻碍钢在加热时奥氏体晶粒长大；能够有效延迟变形奥氏体的再结晶，阻止奥氏体晶粒长大，细化铁素体晶粒，能提高钢的冲击韧性并降低其脆性转变温度。本发明控制Nb的范围为0.020％-0.050％。
V：强碳化物形成元素，对奥氏体再结晶影响较小，低温时V的碳、氮化物大量析出，析出物与铁素体间具有共格、半共格关系，具有明显的析出强化和细化组织作用，从而提高钢的疲劳裂纹萌生和扩展的抗力。本发明控制V的范围为0.040％-0.080％。
Cu：提高钢的强度及低温韧性，同时对焊接热影响区硬化性和韧性没有不利影响；但含量过高时，钢的热脆性恶化，易产生热裂纹。本发明控制Cu的范围为0.30％-0.50％。
Ni：对钢的焊接热影响区硬化性和韧性没有不良影响，并且能提高钢的韧性，对提高钢的疲劳强度也有有益的影响，另外，Ni的加入还可以降低Cu含量高时的热裂纹倾向，综合考虑成本、性能等因素，本发明控制Ni的范围为0.50％-0.80％。
N：本发明的重要强韧化元素，在钢中N主要以游离态和化合物两种状态存在，前者的存在对钢板的韧性不利，后者的存在则对钢板的综合性能有好的影响作用。对于含V的钢中，钢中缺氮的情况下，大部分的V没有充分发挥其析出强化作用。另外，含氮钢不仅消除了炼钢过程中因脱气和精炼去氮引起的成本增加，而且钢中增氮更能充分发挥微合金元素的作用，节约合金化元素的用量，从而大大降低生产成本。而V(C,N)析出在钢中与铁素体之间具有共格、半共格关系，对提高本发明钢的疲劳性能具有有益的作用，另外N的加入能够固定位错，抑制位错移动形成胞状结构，延迟疲劳裂纹的产生。本发明控制N的范围为0.0140％-0.0170％。
Cr：提高钢的强度和硬度，与碳结合形成细小的铬碳化物，能够提高钢的疲劳强度，但是含量过高会降低钢的塑性和韧性，综合考虑钢成本、性能等因素，本发明控制Cr的范围为0.10％-0.20％。
Al：强脱氧剂，在钢中生产高度细碎的、超显微的氧化物，起到细化晶粒的作用，能够提高钢的强度及疲劳强度。本发明控制Als的范围为0.015％-0.035％。
本发明技术方案之二是提供一种疲劳性能优异的船用超高强低温钢的制备方法，包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却；
(1)冶炼：按照上述成分的钢进行冶炼，
a)在转炉冶炼时调整C、Si、Mn、P、S等元素的含量，使其含量至本发明范围内，并根据要求添加其它合金成分进行熔炼。
b)将钢水进行精炼，调整其它合金元素含量至本发明范围内，在精炼后期进行喂Si-Ca线，然后进行吹氩处理，处理时间保证夹杂物的上浮和去除。
c)将精炼后的钢水进行RH处理，RH处理时间20-40min，RH处理时全程吹氮，调整N元素的含量，保证钢的最终N含量至本发明范围，控制钢中[H]≤2.0ppm，[O]≤20ppm。
(2)连铸：将步骤(1)所得钢水进行连铸，控制中间包过热度15℃-25℃。
优选，连铸过程中全程保护浇注，采用电磁搅拌，电流I≥400A，连铸完成得连铸坯。
进一步优选，为了阻止连铸坯奥氏体晶粒的长大，避免混晶和晶粒粗大，将步骤(2)连铸后所得铸坯堆垛缓冷，堆垛时间不小于48小时。
(3)加热：将步骤(2)所得铸坯加热至1200℃-1300℃，升温速度5-20℃/min，保温时间60-180min；
(4)轧制：采用三阶段控制轧制+低温大压下的轧制工艺，保证V析出物与铁素体间具有共格、半共格的关系。为了充分破碎奥氏体晶粒，有利于后续的晶粒细化，第一阶段采用高温大压下的工艺，开轧温度1130-1200℃，第一道次压下量≥40mm，其余道次压下率20％-40％，轧至厚度为3.3-4.0倍成品厚度待温；二阶段开轧温度980-1060℃，轧至厚度为2.0-3.0倍成品厚度待温，三阶段开轧温度800-850℃，道次压下率15％-35％，终轧温度720-780℃。
(5)冷却：为了细化晶粒，控制钢板的最终组织，轧后钢板进行加速冷却，开冷温度680-750℃，冷却速度5-20℃/s，返红温度550-600℃，
优选，将冷却后钢板进行堆垛缓冷，堆垛温度400-500℃，堆垛时间≥24h。
本发明的有益效果在于：本发明采用基于高韧性的低碳、高镍化学成分设计，通过添加Si、Nb、V-N、Ni、Cr、Al等元素提高钢的疲劳性能，并通过各元素之间的相互作用，抑制钢疲劳裂纹的萌生及扩展。采用纯净钢冶炼技术、喂Si-Ca线等处理方式，降低钢中夹杂物的含量，通过连铸时的电磁搅拌降低钢的偏析，进一步提高钢疲劳性能。轧制工艺采用三阶段控制轧制工艺+低温大压下+轧后加速冷却工艺，实现钢板的晶粒细化，控制钢中微合金元素特别是V析出物的析出和长大，保证V的析出物与铁素体间具有共格、半共格的关系，其尺寸＜14.0nm，并充分发挥各元素的强韧化作用，最终钢板金相组织为超细铁素体+贝氏体+少量马氏体的复相组织。钢板具有优良的力学性能及疲劳性能，其屈服强度500MPa以上，抗拉强度620MPa以上，断后延伸率23.0以上，-40℃冲击吸收能量≥260J，-60℃冲击吸收能量≥230J，室温疲劳极限强度(107周次)320MPa以上，疲劳比(应力比-1)≥0.52，-20℃疲劳极限强度(107周次)350MPa以上。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却；
(1)连铸：中间包过热度15℃-25℃；
(2)加热：将铸坯加热至1200℃-1300℃，升温速度5-20℃/min，保温时间60-180min；
(3)轧制：将铸坯经三阶段轧制成热轧钢板，为了充分破碎奥氏体晶粒，有利于后续的晶粒细化，第一阶段采用高温大压下的工艺，开轧温度1130-1200℃，第一道次压下量≥40mm，其余道次压下率20％-40％，轧至厚度为3.3-4.0倍成品厚度待温；二阶段开轧温度980-1060℃，轧至厚度为2.0-3.0倍成品厚度待温，三阶段开轧温度800-850℃，道次压下率15％-35％，终轧温度720-780℃。
(4)冷却：为了细化晶粒，控制钢板的最终组织，保持V析出物与铁素体间的共格、半共格关系，轧后钢板采用加速冷却，开冷温度680-750℃，冷却速度5-20℃/s，返红温度550-600℃、。
进一步，所述冶炼工艺具体参数如下：
a)在转炉冶炼时调整C、Si、Mn、P、S等元素的含量，使其含量至本发明范围内，并根据要求添加其它合金成分进行熔炼。
b)将钢水进行精炼，调整其它合金元素含量至本发明范围内，在精炼后期进行喂Si-Ca线，然后进行吹氩处理，处理时间保证夹杂物的上浮和去除。
c)将精炼后的钢水进行RH处理，RH处理时间20-40min，RH处理时全程吹氮，调整N元素的含量，保证钢的最终N含量至本发明范围，控制钢中[H]≤2.0ppm，[O]≤20ppm。
进一步，所述步骤(2)连铸后所得铸坯堆垛缓冷，堆垛时间不小于48小时。
进一步，所述步骤(4)冷却后，将钢板进行堆垛缓冷，堆垛温度400-500℃，堆垛时间≥24h。
进一步，所述步骤(1)连铸过程中全程保护浇注，采用电磁搅拌，电流I≥400A，连铸完成得连铸坯。
本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢冶炼及加热的主要工艺参数见表2。本发明实施例钢轧制的主要工艺参数见表3。本发明实施例钢冷却的主要工艺参数见表4。本发明实施例钢的性能见表5。
表1本发明实施例钢的成分(wt％)
Figure BDA0003580425220000071
表2本发明实施例钢冶炼及加热的主要工艺参数
Figure BDA0003580425220000072
表3本发明实施例钢轧制的主要工艺参数
Figure BDA0003580425220000073
注：t为成品厚度
表4本发明实施例钢冷却的主要工艺参数
实施例 开冷温度/℃ 冷却速度/℃/s 返红温度/℃ 堆垛温度/℃ 堆垛时间/h
1 698 11 554 496 27
2 702 9 567 443 35
3 738 13 579 484 33
4 746 10 583 422 42
5 734 12 598 453 37
6 686 18 551 461 43
7 693 16 562 409 34
8 711 8 593 438 39
9 729 7 596 414 28
10 733 17 572 433 41
表5本发明实施例钢的性能
Figure BDA0003580425220000081
由上可知，应用本发明生产的低温钢的显微组织为超细铁素体+贝氏体+少量马氏体的复相组织，所述超细铁素体尺寸小于5.0μm。所述钢中V的析出物与铁素体间具有共格、半共格关系，所述V的析出物为V的碳、氮化物，其尺寸小于14.0nm。室温高周疲劳极限强度320MPa以上，疲劳比≥0.52，-20℃高周疲劳极限强度350MPa以上；所述低温钢屈服强度500MPa以上，抗拉强度620MPa以上，断后延伸率23.0以上，-40℃冲击吸收能量≥260J，-60℃冲击吸收能量≥230J。
为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种疲劳性能优异的船用超高强低温钢，其特征在于，该钢的成分按重量百分比计如下：C:0.080％-0.140％，Si:0.20％-0.60％，Mn:1.15％-1.60％，Nb:0.020％-0.050％，V:0.040％-0.080％，Cu:0.30％-0.50％，Ni:0.50％-0.80％，N:0.0140％-0.0170％，Cr:0.10％-0.20％，P≤0.010％，S≤0.005％，Als:0.015％-0.035％，余量为Fe及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的一种疲劳性能优异的船用超高强低温钢，其特征在于，所述低温钢的显微组织为超细铁素体+贝氏体+少量马氏体的复相组织，所述超细铁素体尺寸小于5.0μm。
3.根据权利要求1所述的一种疲劳性能优异的船用超高强低温钢，其特征在于，所述低温钢中V的析出物与铁素体间具有共格、半共格关系；所述V的析出物为V的碳、氮化物，其尺寸小于14.0nm。
4.根据权利要求1所述的一种疲劳性能优异的船用超高强低温钢，其特征在于，所述低温钢室温高周疲劳极限强度320MPa以上，疲劳比≥0.52，-20℃高周疲劳极限强度350MPa以上；所述低温钢屈服强度500MPa以上，抗拉强度620MPa以上，断后延伸率23.0％以上，-40℃冲击吸收能量≥260J，-60℃冲击吸收能量≥230J。
5.一种权利要求1-4任一项所述的一种疲劳性能优异的船用超高强低温钢的制备方法，包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却；其特征在于：
(1)连铸：中间包过热度15℃-25℃；
(2)加热：将铸坯加热至1200℃-1300℃，升温速度5-20℃/min，保温时间60-180min；
(3)轧制：将铸坯经三阶段轧制成热轧钢板，第一阶段采用高温大压下的工艺，开轧温度1130-1200℃，第一道次压下量≥40mm，其余道次压下率20％-40％，轧至厚度为3.3-4.0倍成品厚度待温；二阶段开轧温度980-1060℃，轧至厚度为2.0-3.0倍成品厚度待温，三阶段开轧温度800-850℃，道次压下率15％-35％，终轧温度720-780℃；
(4)冷却：轧后钢板进行加速冷却，开冷温度680-750℃，冷却速度5-20℃/s，返红温度550-600℃。
6.根据权利要求5中所述的一种疲劳性能优异的船用超高强低温钢的制备方法，其特征在于，所述冶炼工艺具体参数如下：
a)在转炉冶炼时调整C、Si、Mn、P、S等元素的含量，使其含量至本发明范围内，并根据要求添加其它合金成分进行熔炼；
b)将钢水进行精炼，调整其它合金元素含量至本发明范围内，在精炼后期进行喂Si-Ca线，然后进行吹氩处理；
c)将精炼后的钢水进行RH处理，RH处理时间20-40min，RH处理时全程吹氮，调整N元素的含量，保证钢的最终N含量至本发明范围，控制钢中[H]≤2.0ppm，[O]≤20ppm。
7.根据权利要求5中所述的一种疲劳性能优异的船用超高强低温钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)连铸过程中全程保护浇注，采用电磁搅拌，电流I≥400A，连铸完成得连铸坯。
8.根据权利要求5中所述的一种疲劳性能优异的船用超高强低温钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)连铸后所得铸坯堆垛缓冷，堆垛时间不小于48小时。
9.根据权利要求5中所述的一种疲劳性能优异的船用超高强低温钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)冷却后，将钢板进行堆垛缓冷，堆垛温度400-500℃，堆垛时间≥24h。
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