CN114737027A - 抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明特别涉及抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢及其制备方法，属于钢材制备技术领域，钢的化学成分以质量分数计包括：C：0.02％‑0.04％，Si：0.01％‑0.50％，Mn：0.5％‑1.2％，P：≤0.010％，S：≤0.001％，Al：0.025％‑0.035％，Nb+Ti：≤0.04％，Cu：0.1％‑0.5％，Cr：0.2％‑0.5％，余量为Fe和不可避免杂质元素；通过采用低碳+微合金成分体系，从而消除带状组织，更精准地控制钢板厚度方向的组织均匀性及硬度差，使钢板具备优异的抗氢致开裂性能。

Description

抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢及其制备方法
技术领域
本发明属于钢材制备技术领域，特别涉及抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢及其制备方法。
背景技术
随着经济的发展，全球能源消耗量增加，导致对天然气、石油等能源的需求量增加。天然气、石油中通常含有较高的H2S气体，储存这些介质的的钢材易发生腐蚀而产生原子态氢，原子氢向钢材内部扩散，在夹杂物或软硬相组织硬度差较大处聚集成氢分子，产生很高的应力，继而引发氢致开裂，导致压力容器失效。
针对屈服强度为345MPa级别的调质态抗氢致开裂钢板的专利较少，大多都是针对更高强度级别的抗氢致开裂压力容器用钢。例如，中国发明专利申请CN102605242B公开了一种抗氢致开裂压力容器用钢及其制造方法，该方法针对的是强度级别为屈服强度485MPa级别的抗氢致开裂压力容器用钢；中国发明专利申请CN108368595B公开了抗氢致开裂性优异的压力容器用钢材及其制造方法，该方法针对的是抗拉强度达到500MPa级别以上的压力容器用钢材；中国发明专利申请CN110088344B公开了具有优异的抗氢致开裂性的压力容器用钢及其制造方法，该专利针对的是焊后热处理之后达到550MPa级别以上的压力容器用钢材。
发明内容
本申请的目的在于提供抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢及其制备方法，以填补目前屈服强度为345MPa级别的调质态抗氢致开裂钢板的空白。
本发明实施例提供了一种抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢，所述钢的化学成分以质量分数计包括：
C：0.02％-0.04％，Si：0.01％-0.50％，Mn：0.5％-1.2％，P：≤0.010％，S：≤0.001％，Al：0.025％-0.035％，Nb+Ti：≤0.04％，Cu：0.1％-0.5％，Cr：0.2％-0.5％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
可选的，所述钢的化学成分以质量分数计包括：
C：0.025％-0.035％，Si：0.15％-0.35％，Mn：0.7％-1.0％，P：≤0.010％，S：≤0.001％，Al：0.025％-0.035％，Nb+Ti：≤0.04％，Cu：0.2％-0.4％，Cr：0.3％-0.4％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
可选的，所述钢的金相组织以体积分数计包括：85％-90％的铁素体、6％-8％的珠光体和3％-7％的MA岛。
可选的，所述铁素体的晶粒尺寸为4μm-25μm，所述钢的金相组织的平均晶粒尺寸为13μm-17μm。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢的制备方法，所述方法包括：
得到钢坯；
将所述钢坯进行加热处理，得到加热钢坯；
将所述加热钢坯进行轧制，后进行第一冷却，得到轧制钢；
将所述轧制钢进行调质热处理，后进行第二冷却，得到容器钢；
其中，所述钢坯的化学成分以质量分数计包括：
C：0.02％-0.04％，Si：0.01％-0.50％，Mn：0.5％-1.2％，P：≤0.010％，S：≤0.001％，Al：0.025％-0.035％，Nb+Ti：≤0.04％，Cu：0.1％-0.5％，Cr：0.2％-0.5％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
可选的，所述加热处理的保温温度为1100℃-1200℃，所述加热处理的保温时间为60min-75min。
可选的，所述轧制包括粗轧和精轧，所述粗轧的开始温度为800℃-830℃，所述粗轧的结束温度为950℃-1000℃，所述精轧的开始温度为850℃-900℃，所述精轧的结束温度为800℃-830℃。
可选的，所述第一冷却的冷却速度为20℃/s-25℃/s。
可选的，将所述轧制钢进行调质热处理，后进行第二冷却，得到容器钢，具体包括：
将所述轧制钢加热至850℃-950℃，并保温30min-70min，后进行淬火；
将淬火后的所述轧制钢进行回火，后进去第二冷却，得到容器钢，其中，所述回火的温度为480℃-620℃，所述回火的保温时间为30min-90min。
可选的，调质热处理后的所述轧制钢包括两表面冷却层和设于两所述表面冷却层之间的中间冷却层；所述第二冷却包括水冷和空冷，所述水冷中，所述表面冷却层的冷却速度为60℃/s-80℃/s，所述表面冷却层的终冷温度为200℃-250℃，所述中间冷却层的冷却速度为30℃/s-40℃/s，所述中间冷却层的终冷温度为260℃-300℃；所述空冷具体包括：将水冷后的所述轧制钢冷至室温。
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抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢，所述钢的化学成分以质量分数计包括：C：0.02％-0.04％，Si：0.01％-0.50％，Mn：0.5％-1.2％，P：≤0.010％，S：≤0.001％，Al：0.025％-0.035％，Nb+Ti：≤0.04％，Cu：0.1％-0.5％，Cr：0.2％-0.5％，余量为Fe和不可避免杂质元素；通过采用低碳+微合金成分体系，从而消除带状组织，更精准地控制钢板厚度方向的组织均匀性及硬度差，使钢板具备优异的抗氢致开裂性能。
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是本发明实施例提供的方法的流程图；
图2是本发明实施例1提供的345MPa级容器钢的金相组织图。
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，提供了一种抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢，所述钢的化学成分以质量分数计包括：
C：0.02％-0.04％，Si：0.01％-0.50％，Mn：0.5％-1.2％，P：≤0.010％，S：≤0.001％，Al：0.025％-0.035％，Nb+Ti：≤0.04％，Cu：0.1％-0.5％，Cr：0.2％-0.5％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
本申请中各元素的作用如下：
C元素是提高强度的手段之一，但是如果含量过高，会在钢板厚度中心处产生偏析，对抗氢致开裂性能等带来十分不利的影响。因此采用低碳含量，将C含量控制在0.02～0.04％范围内。
Mn元素可提高钢板强度。但是如果添加量过多，也极易在钢板厚度处偏析，促进带状组织和硬相的形成，含量增多会增大氢致开裂的倾向，恶化材料的抗腐蚀性能。此外，它还易与S结合形成MnS夹杂物，增大局部氢压，成为氢致裂纹的易发位置。因此，综合考虑，将Mn控制在0.5-1.2％范围。
P、S元素是钢中杂质元素，且易偏析，影响连铸坯内部质量。为了获得优异的抗氢致开裂性能，必须严格控制P、S含量。本发明中其含量控制范围为：P：≤0.010％，S：≤0.001％。
Nb能提高奥氏体的再结晶温度，扩大未再结晶区温度范围，推迟了未再结晶的进行，可以有效地细化晶粒。细化晶粒不仅能提高钢材的强度，也能从一定程度上提高钢材的低温韧性和塑性。微合金元素Nb的C、N化物等弥散的分布在基体上，也能有效的细化晶粒。Ti是强碳化物形成元素，富集在晶界处，能有效的抑制晶粒长大，起到细化晶粒的作用。同时，在焊接热影响区中能组织奥氏体晶粒的长大，改善焊接性能。因此，综合考虑，将Nb+Ti控制在0.04％以内。
Cr可有效提高钢的淬透性，使钢经过淬火、回火处理后具有较优异的综合力学性能。即在一定的强度水平下，有较好的塑形和韧性。因此，将Cr的含量控制在0.2-0.5％。
作为一种可选的实施方式，钢的化学成分以质量分数计包括：
C：0.025％-0.035％，Si：0.15％-0.35％，Mn：0.7％-1.0％，P：≤0.010％，S：≤0.001％，Al：0.025％-0.035％，Nb+Ti：≤0.04％，Cu：0.2％-0.4％，Cr：0.3％-0.4％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
作为一种可选的实施方式，钢的金相组织以体积分数计包括：85％-90％的铁素体、6％-8％的珠光体和3％-7％的MA岛。
作为一种可选的实施方式，铁素体的晶粒尺寸为4μm-25μm，所述钢的金相组织的平均晶粒尺寸为13μm-17μm。
本实施例中涉及的钢板厚度规格为15-60mm，所获组织类型为85％-90％的铁素体、6％-8％的珠光体和3％-7％的MA岛，且铁素体尺寸范围为4-25μm，平均晶粒尺寸为13μm-17μm；钢板沿厚度方向的硬度差值最大为50HV，其中，心部硬度最大值≤250HV，且心部处软相组织与硬相组织硬度差值≤45HV。钢板的裂纹长度率、裂纹厚度率、裂纹敏感率均为0，具有优异的抗氢致开裂性能。
根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢的制备方法，所述方法包括：
S1.得到钢坯；所述钢坯的化学成分以质量分数计包括：C：0.02％-0.04％，Si：0.01％-0.50％，Mn：0.5％-1.2％，P：≤0.010％，S：≤0.001％，Al：0.025％-0.035％，Nb+Ti：≤0.04％，Cu：0.1％-0.5％，Cr：0.2％-0.5％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
S2.将所述钢坯进行加热，得到加热钢坯；
作为一种可选的实施方式，加热保温温度为1100～1200℃，保温时间为60～75min。
S3.将所述加热钢坯进行轧制，后进行第一冷却，得到轧制钢；
作为一种可选的实施方式，所述轧制包括粗轧和精轧，所述粗轧的开始温度为800℃-830℃，所述粗轧的结束温度为950℃-1000℃，所述精轧的开始温度为850℃-900℃，所述精轧的结束温度为800℃-830℃。
作为一种可选的实施方式，第一冷却的冷却速度为20℃/s-25℃/s。
S4.将所述轧制钢进行调质热处理，后进行第二冷却，得到容器钢；
具体而言，调质热处理工艺为：先将钢板加热到850-950℃，保温时间30-70min，然后淬火冷却至室温。再加热到480-620℃进行回火热处理，保温30-90min。调质之后进行水冷，冷却工艺为：上表面至上1/4处、下表面至下1/4处60℃/s-80℃/s的速度水冷至200℃-250℃，心部以30℃/s-40℃/s的速度水冷至260℃-300℃，然后空冷至室温。
控制上表面至上1/4处、下表面至下1/4处以60℃/s-80℃/s的速度水冷的原因是控制组织类型。若该速度取值过大，一方面，钢板的上表面至上1/4处、下表面至下1/4处会生成大比例的马氏体组织，该类组织属于硬相组织，对抗氢致开裂性能不利；另一方面，如果钢板的上表面至上1/4处、下表面至下1/4处冷速过大，对于较厚的钢板，心部难以实现与此组织类型匹配的冷却速度。若该速度取值过小，铁素体组织的比例会大比例增加，难以得到目标组织类型。
控制上表面至上1/4处、下表面至下1/4处的终冷温度为200℃-250℃的原因是组织类型控制。若该温度取值过大，会产生板条贝氏体组织，而板条贝氏体组织对抗氢致开裂性能产生不利的影响；若该温度取值过小，会加大钢板内部的应力，进而对抗氢致开裂性能产生不利的影响。
控制心部以30℃/s-40℃/s的速度水冷的目的是控制心部组织类型。若该速度取值过大，一方面不易实现，另一方面会使钢板心部产生较大的内应力，对钢板的抗氢致开裂性能会产生十分不利的影响不利；若该速度取值过小，难以保证沿厚度方向组织的均匀性，也难以实现沿厚度方向硬度值的目标控制范围。
控制心部的终冷温度为260℃-300℃的原因是强度控制以及组织类型控制。若该温度取值过大，会导致强度不足；取值过小，难以保证厚度方向组织的均匀性。
下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请的抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢及其制备方法进行详细说明。
实施例
一种抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢，所述钢的化学成分以质量分数计如下表所示：
C/％ Si/％ Mn/％ P/％ S/％ Al/％ Nb/％ Ti/％ Cu/％ Cr/％
实施例1 0.02 0.18 0.8 0.01 0.0009 0.031 0.012 0.022 0.3 0.24
实施例2 0.02 0.2 0.9 0.01 0.0008 0.030 0.015 0.025 0.3 0.35
实施例3 0.03 0.24 1 0.006 0.0009 0.032 0.010 0.022 0.2 0.4
实施例4 0.03 0.19 0.5 0.007 0.0008 0.034 0.010 0.030 0.4 0.2
实施例5 0.04 0.27 1.2 0.008 0.0008 0.030 0.018 0.021 0.1 0.5
其制备步骤如下：
S1.得到钢坯；
S2.将所述钢坯进行加热，得到加热钢坯；
S3.将所述加热钢坯进行轧制，后进行第一冷却，得到轧制钢；
以上步骤的具体工艺参数如下：
Figure BDA0003597885270000061
S4.将所述轧制钢进行调质热处理，后进行第二冷却，得到容器钢；
以上步骤的具体工艺参数如下：
Figure BDA0003597885270000062
Figure BDA0003597885270000071
对比例
C/％ Si/％ Mn/％ P/％ S/％ Al/％ Nb/％ Ti/％ Cu/％ Cr/％
对比例1 0.02 0.2 0.8 0.01 0.0009 0.031 0.012 0.022 0.3 0.27
对比例2 0.02 0.19 0.9 0.01 0.0008 0.030 0.015 0.025 0.3 0.33
对比例3 0.03 0.21 1 0.006 0.0009 0.032 0.010 0.022 0.2 0.4
其制备步骤如下：
S1.得到钢坯；
S2.将所述钢坯进行加热，得到加热钢坯；
S3.将所述加热钢坯进行轧制，后进行第一冷却，得到轧制钢；
以上步骤的具体工艺参数如下：
Figure BDA0003597885270000072
S4.将所述轧制钢进行调质热处理，后进行第二冷却，得到容器钢；
以上步骤的具体工艺参数如下：
编号 淬火温度/℃ 淬火保温时间/min 回火温度/℃ 回火保温时间/min 回火后空冷/℃/s
实施例1 880 45 480 30 1
实施例2 940 60 600 90 1
实施例3 850 30 530 70 1
相关实验：
将实施例1-5和对比例1-N制得的钢进行性能检测，测试结果如下表所示。
Figure BDA0003597885270000081
Figure DA00035978852738000633
由上表可得，采用本实施例提供的方法制备的钢复核345MPa级容器钢要求，钢板沿厚度方向的硬度差值最大为50HV，其中，心部硬度最大值≤250HV，且心部处软相组织与硬相组织硬度差值≤45HV，具备优异抗氢致开裂性能；通过对比例和实施例数据比较可得，当调质之后的冷却参数不在本申请实施例提供的范围内时，会出现抗氢致开裂性能恶化的情况。
附图2的详细说明：
如图2所示，为实施例1提供的钢的金相组织图，由图可得，组织类型为铁素体+6％～8％珠光体，伴有少量的MA岛，且铁素体尺寸范围为4～25μm，平均晶粒尺寸为15μm。
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方法采用低碳+微合金成分体系，并优化调质热处理后的冷却工艺，从而消除带状组织，更精准地控制钢板厚度方向的组织均匀性及硬度差，使钢板具备优异的抗氢致开裂性能；
(2)本发明实施例提供的钢板沿厚度方向的硬度差值最大为50HV，其中，心部硬度最大值≤250HV，且心部处软相组织与硬相组织硬度差值≤45HV。钢板的裂纹长度率、裂纹厚度率、裂纹敏感率均为0，具有优异的抗氢致开裂性能。
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 (10)

1.一种抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢，其特征在于，所述钢的化学成分以质量分数计包括：
C：0.02％-0.04％，Si：0.01％-0.50％，Mn：0.5％-1.2％，P：≤0.010％，S：≤0.001％，Al：0.025％-0.035％，Nb+Ti：≤0.04％，Cu：0.1％-0.5％，Cr：0.2％-0.5％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
2.根据权利要求1所述的抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢，其特征在于，所述钢的化学成分以质量分数计包括：
C：0.025％-0.035％，Si：0.15％-0.35％，Mn：0.7％-1.0％，P：≤0.010％，S：≤0.001％，Al：0.025％-0.035％，Nb+Ti：≤0.04％，Cu：0.2％-0.4％，Cr：0.3％-0.4％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
3.根据权利要求1所述的抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢，其特征在于，所述钢的金相组织以体积分数计包括：85％-90％的铁素体、6％-8％的珠光体和3％-7％的MA岛。
4.根据权利要求3所述的抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢，其特征在于，所述铁素体的晶粒尺寸为4μm-25μm，所述钢的金相组织的平均晶粒尺寸为13μm-17μm。
5.一种抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
得到钢坯；
将所述钢坯进行加热处理，得到加热钢坯；
将所述加热钢坯进行轧制，后进行第一冷却，得到轧制钢；
将所述轧制钢进行调质热处理，后进行第二冷却，得到容器钢；
其中，所述钢坯的化学成分以质量分数计包括：
C：0.02％-0.04％，Si：0.01％-0.50％，Mn：0.5％-1.2％，P：≤0.010％，S：≤0.001％，Al：0.025％-0.035％，Nb+Ti：≤0.04％，Cu：0.1％-0.5％，Cr：0.2％-0.5％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
6.根据权利要求5所述的抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢的制备方法，其特征在于，所述加热处理的保温温度为1100℃-1200℃，所述加热处理的保温时间为60min-75min。
7.根据权利要求5所述的抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢的制备方法，其特征在于，所述轧制包括粗轧和精轧，所述粗轧的开始温度为800℃-830℃，所述粗轧的结束温度为950℃-1000℃，所述精轧的开始温度为850℃-900℃，所述精轧的结束温度为800℃-830℃。
8.根据权利要求5所述的抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢的制备方法，其特征在于，所述第一冷却的冷却速度为20℃/s-25℃/s。
9.根据权利要求5所述的抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢的制备方法，其特征在于，将所述轧制钢进行调质热处理，后进行第二冷却，得到容器钢，具体包括：
将所述轧制钢加热至850℃-950℃，并保温30min-70min，后进行淬火；
将淬火后的所述轧制钢进行回火，后进去第二冷却，得到容器钢，其中，所述回火的温度为480℃-620℃，所述回火的保温时间为30min-90min。
10.根据权利要求5所述的抗氢致开裂性能优异的345MPa级容器钢的制备方法，其特征在于，调质热处理后的所述轧制钢包括两表面冷却层和设于两所述表面冷却层之间的中间冷却层；所述第二冷却包括水冷和空冷，所述水冷中，所述表面冷却层的冷却速度为60℃/s-80℃/s，所述表面冷却层的终冷温度为200℃-250℃，所述中间冷却层的冷却速度为30℃/s-40℃/s，所述中间冷却层的终冷温度为260℃-300℃；所述空冷具体包括：将水冷后的所述轧制钢冷至室温。
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