CN114892105B - 一种具有优异抗脆断性能的船用5Ni钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有优异抗脆断性能的船用5Ni钢板及其制造方法，化学成分按质量百分比计为C：0.02～0.04％，Si：0.25～0.35％，Mn：0.60～0.80％，Ni：4.90～5.25％，P：≤0.0050％，S：≤0.0020％，Alt：0.010～0.035％，Nb：0.025～0.040％，Ca:0.0010～0.0030％，Cu:0.20～0.35％，Cr：0.10～0.20％，Mo:≤0.08％，Cr+Cu+Mo:≤0.50％，O：≤0.0010％，N：≤0.0040％，H：≤0.00010％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。方法流程：钢水冶炼‑连铸‑机械热轧‑在线淬火和加速冷却‑亚温淬火‑回火。5Ni钢板的‑130℃下冲击韧性≥200J，‑130℃下NDT试验不断裂，具有优异的抗脆断性能。钢板的组织主要为回火索氏体组织，索氏体片层由细长的铁素体及其铁素体相界上的碳薄膜(非碳化物颗粒)组成，索氏体片层呈细小且杂乱多位相共存状态。

Description

一种具有优异抗脆断性能的船用5Ni钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及船用5Ni钢板及其制造方法。
背景技术
5Ni钢是镍系船用低温钢中的重要品种，具有超高的低温冲击性能，被广泛应用于制造运输和储存液化天然气、乙烯等储罐装置。随着清洁能源的需求急剧上升，全球乙烯、液化天然气的使用量日益增长，高品质5Ni钢的市场需求也日益增长。高Ni含量的镍钢，服役于低温环境，不仅具备高强度还要具备良好的低温韧性及抗脆断性能，以免液化天然气体泄露发生爆炸事故。除了上述性能要求高之外，高含量Ni的加入，也必然存在合金成本高；此外，钢液的流动性变差，不利于钢水冶炼及连铸的均匀化以及杂质和气体的上浮；铸坯表面在加热过程中极易产生难以去除的氧化铁皮，进而易形成影响表面粗糙度的缺陷，这些都是高品质5Ni钢的开发难点。
中国专利文献CN104195428A公开了一种常规5Ni钢的制造方法，该方法是通过在低C，5％左右的Ni含量加入适量的V，通过双联法冶炼及调质热处理的方法获得了5Ni钢，虽然达到了5Ni钢的强度韧性要求，对于低碳调质钢来说，该冲击值不够优异，冲击值≤200J。中国专利文献CN 102330031公开了一种高韧性-130℃低温钢的制造方法，成分中加入Nb、Mo、Cr、Zr和RE等，Nb、Mo显著增加了合金成本，Zr和RE等元素加入显著增加了冶炼难度，不利于批量生产。中国专利文献CN104388838公开了一种超低温压力容器用5Ni钢板及其生产方法，其制造厚度8～50mm，采用简单元素成分，制造方法采用控制轧制及冷却，堆垛冷却，以及两次淬火加回火的热处理方式，获得了高强度，低温韧性至-125℃的5Ni钢板。其中轧制要求开轧温度≤850℃，终轧温度≤850℃，返红温度≤650℃，这些工艺都不利于薄板的板形控制，采用堆垛处理占用生产场地，要求两淬一回热处理方式，不仅生产能耗高，而且显著占用了生产空间。中国专利文献CN105331890公开了一种在线淬火生产高韧性5Ni钢中厚板的方法。采用铸坯开坯的方法，进行两阶段轧制，在线淬火至200℃以下，在590～620℃回火，获得了回火马氏体加少量逆转变奥氏体混合组织的5Ni钢板。铸坯开坯对于钢板组织性能均匀性有很好的效果，但是也显著增加生产成长，交货期延长，成材率低。另外，所有上述技术都未涉及5Ni钢的抗脆断性能，而现有CCS、LR、DNV等船级社规范或交货技术协议中，都要求对每炉钢中最厚的钢板额外进行抗脆断性能测试。较高的低温冲击韧性值不代表钢板一定具备同温度条件下良好的抗脆断性能。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有优异抗脆断性能的船用5Ni钢板及其制造方法。本发明所述5Ni钢板的厚度为6～50mm，在满足力学性能要求的同时具备可靠的抗脆断性能。
为实现上述目的，本发明的化学成分按质量百分比计为C：0.02～0.04％，Si：0.25～0.35％，Mn：0.60～0.80％，Ni：4.90～5.25％，P：≤0.0050％，S：≤0.0020％，Alt：0.010～0.035％，Nb：0.025～0.040％，Ca:0.0010～0.0030％，Cu:0.20～0.35％，Cr：0.10～0.20％，Mo:≤0.08％，Cr+Cu+Mo:≤0.50％，O：≤0.0010％，N：≤0.0040％，H：≤0.00010％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
本发明中钢成分的限定理由阐述如下：
C的加入可以增加钢的淬透性，特别是中厚板生产，通常5Ni钢的碳含量介于0.07～0.10％，是考虑到碳可以显著提高强度，但是C含量过多易在本发明中形成球状碳化物颗粒，不利于钢的-110℃～-130℃超低温冲击性能、超低温应变时效性能、抗脆断性能、焊接性能以及耐蚀性能，且本发明中加入Cu来优化强度，故碳含量控制介于0.02～0.04％。
Si主要用于脱氧，虽要依据不同的冶炼方式来确定其加入量，但是本发明，因为碳含量控制低，所以适当增加Si含量。若超过0.30％以上易在氧化铁皮中形成硅铝尖晶石，不易去除，结合本发明进行铸坯扒皮涂装轧制工艺，Si含量有适当提升的空间。所以本发明，将Si含量控制介于0.25～0.35％。
Mn是提高钢淬透性的元素，并起固溶强化作用以弥补钢中因C含量降低而引起的强度损失。当钢中Mn含量过低时，无法保证钢板强度，但当Mn含量过高时则会增加其碳当量从而损坏焊接性能。另外，Mn易在钢板中心产生偏析，降低钢板中心部位的冲击韧性及抗脆断性能。因此，本发明Mn含量控制为0.60～0.80％。
Ni是提高钢板的淬透性并可以显著改善其低温韧性和降低韧脆转变温度的元素。但Ni含量太高时，板坯表面易生成黏性较高的氧化铁皮，难以去除，影响钢板的表面质量。另外，Ni也是贵重金属，含量过高会增加成本。因此，本发明在满足按照船级社规范与国际通用标准的前提下，将其含量控制在4.90～5.25％，有利于达到最优的性价比。
Cu:提高钢板的淬透性，进而提高强度，可弥补因C含量低导致钢强度低的问题，Cu加入也有利于钢板抗脆断性能。另外，Cu通常需要配合加入Ni来改善连铸坯的质量，而本发明中Ni含量4.90～5.25％，Cu对连铸的负面作用不用考虑。另因船级社规范规定其上限为0.35％，故本发明Cu含量控制为Cu:0.20～0.35％。
Cr：与Cu一样可以提高钢板淬透性，同时Cr是铁素体形成元素，提高钢板的韧性。但是过高会影响5Ni钢板的焊接性，故本发明Cr含量控制为0.10～0.20％。
Mo：根据船级社规范规定，本发明中Mo不是有意加入，而作残余元素控制，其残余量控制为:≤0.08％。
Cr+Cu+Mo：与船级社规范规定一致，本发明Cr+Cu+Mo：≤0.50％。
Nb的溶质拖曳作用和Nb(C,N)对奥氏体晶界的钉扎作用，均抑制形变奥氏体的再结晶，扩大奥氏体非再结晶区间，提高精轧开轧温度，保证钢板板形，易于实现高温轧制，提升终冷温度，避开二次氧化铁皮形成的温度区间。同时也考虑到本发明，与通用5Ni钢不一致，不加入V，因而增加了细晶元素的Nb的含量。但过多的Nb也会提高成本，故本发明控制其含量介于0.025～0.040％。
Ca处理是本发明钢种的必要处理环节，0.0010～0.0030％的Ca不仅可以降低硫化物带来的性能危害，还可以将尖锐的Al2O3夹杂变性为球性低熔点夹杂，聚集的Al2O3系夹杂是影响高Ni钢探伤不合的主要原因，从而减少钢板轧制过程中硬质夹杂物尖角处微裂纹的产生，提高钢板冲击韧性。
P虽能提高耐蚀性，但会降低低温韧性、抗脆断性和影响钢板的可焊性，对结构钢是不适当的，本发明规定其控制在0.0050％以下。
S形成MnS夹杂物，也会导致中心偏析，对耐蚀性也有不良影响，发明规定在其控制在0.0020％以下。
Al主要是起固氮和脱氧作用。Al与N接合形成的AlN可以有效地细化晶粒，但含量过高会损害钢的韧性。因此，本发明控制其含量(Alt)在0.010～0.035％。
O、N：有害气体元素，含量高，夹杂物多，降低钢板塑性、韧性、抗风脆断性能和焊接弯曲性能。结合本发明经两次RH冶炼工艺，本发明严格控制O含量不高于0.0010％；N含量不高于0.0040％。
H：有害气体元素。H含量高，易产生白点，降低钢板塑性、韧性，严重危害钢板使用性能。本发明为提高钢板综合性能，严格控制H含量在0.00010％以内。
本发明另提供上述一种具有优异抗脆断性能的船用5Ni钢板的制造方法，具体工艺如下，
冶炼和连铸工艺：根据成分设计进行钢水冶炼，采用连铸工艺将钢水浇铸成连铸坯，铸坯中心偏析不高于C1.0级；具体地，冶炼原料依次经转炉冶炼、RH精炼、LF精炼、RH精炼，为了保证，进行低过热度浇注，全程氩气保护浇注，以及动态轻压下控制。其中，轻压下区间满足0.35≤fs≤0.95，浇铸过热度控制在10～25℃。
板坯缓冷及清理修磨工艺：铸坯下线后，必须进行缓冷处理。优选地，铸坯要求加罩缓冷。缓冷开始温度要求不低于700℃，时间不得低于48小时。表面机器打磨清理铸坯，铸坯上下表各磨去1.5mm，涂高温涂料，防止再加热时氧化。
加热工艺：将铸坯入加热炉加热使钢中的合金元素充分固溶以保证最终产品的成分及性能的均匀性。优选地，采用步进式加热炉加热铸坯，平均加热速率10～14cm/min，为保证高温度轧制，加热至1170～1220℃，待心部温度到达表面温度时开始保温，保温时间不低于0.5小时。
轧制工艺：钢坯出炉后经高压水除鳞处理后进行热机械轧制，不进行两阶段控制轧制，轧制过程中需要进行除鳞，优选每奇数道次进行高压水除鳞，一边轧制一边除磷，除鳞水压大于21MPa，开轧温度介于1100～1150℃，前三道次总压下率≥55％，且前三道次中至少有两道道次压下率≥20％，终轧温度≥850℃。
轧后冷却工艺：钢板轧制后，迅速进入在线淬火系统与加速冷却系统进行DQ+ACC冷却，入水温度≥800℃，出水温度≤200℃，钢板在线淬火系统与加速冷却系统冷却速度平均介于13℃/s～18℃/s。
热处理工艺：随后钢板进行离线亚温淬火处理。亚温淬火温度为730±10℃，在炉时间为2.0～2.5min/mm，薄板在炉时间不足30min，按30min控制。为保证钢板的均匀性，温度控制精度为±10℃。在610±10℃回火。回火在炉时间为4.0～4.5min/mm，给予足够的回火处理时间，使淬火马氏体中的碳充分扩散，获得回火索氏体，保证钢板强韧性匹配。
本发明具有如下特点或优点：
本发明采用低碳设计，低于一般常规5Ni钢的C含量涉及，碳含量控制在0.02～0.04％，极低碳有利于在铁素体相界上形成碳化物薄膜，防止碳化物球形颗粒的形成，保证-110℃、-130℃优异低温韧性。
RH-LF-RH中两次RH真空工艺可以保证超低碳含量的控制，对其它的有害元素如P、S、O、N、H的也能做到有效控制。
本发明加入适量合金元素Cu，是基于本发明中加入足量Ni元素，同时Cu还能提高淬透性，弥补本发明追求高韧性、低C含量导致钢的强度低问题。
本发明通过加入适量Nb含量，减小部分再结晶区间，结合每道次高压(≥21MPa)除鳞水，不分段阶段，保证了钢板特别是薄钢板的较高的终轧温度及随后较高的入水温度。
本发明通过DQ+ACC冷却，省去一道离线淬火处理工序，提高热处理线产能。减轻热处理炉产能压力。解决了影响企业高品质钢交货期的热处理产能不足的难题。
本发明方法中RH-LF-RH两次高真空处理、高温热轧(不控轧)处理，通过DQ+ACC技术，进行亚温淬火及回火处理，生产出厚度为6～50mm的具有优异抗脆断性能的5Ni钢板，其屈服强度≥490MPa，抗拉强度介于610～670MPa，屈强比介于0.81～0.88，延伸率≥27％，-130℃下冲击韧性≥200J的钢板，-130℃下NDT试验不断裂。钢板的组织主要为回火索氏体组织，索氏体片层由细长的铁素体及其铁素体相界上的碳化物薄膜(非碳化物颗粒)组成，索氏体片层呈细小且位相多的杂乱状。具有可批量生产及应用的优势。
附图说明
图1是本发明实施例2的试验钢的厚度1/4处金相组织，为回火索氏体组织。
图2是本发明实施例3的试验钢的厚度1/4处金相组织，为回火索氏体组织。
图3是本发明实施例4的试验钢的厚度1/4处金相组织，为回火索氏体组织。
图4是本发明实施例4的试验钢的厚度1/4处扫描电镜下组织形貌，为回火索氏体组织，索氏体片层由细长的铁素体及分布于相界上的碳化物薄膜组成，索氏体片层呈细小且位相多的杂乱状。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
本发明的一种具有优异抗脆断性能的船用5Ni钢板的生产工艺流程为：转炉炼钢->RH高真空脱气->LF精炼->Ca处理->RH高真空脱气->连铸->铸坯缓冷处理->铸坯表面清理涂装->加热->轧制->DQ+ACC->亚温淬火->回火。
本发明实施例1-4的船用5Ni钢板的生产方法，包括如下步骤：
(1)冶炼：选用优质原料，采用150吨转炉冶炼，RH高真空脱气处理后送入LF炉精炼并破空进行Ca处理，再经过RH真空脱气，成分控制见表1。
(2)连铸：将冶炼的钢水浇铸成150mm厚的连铸坯。浇铸温度控制在液相线以上
10-25℃，全程氩气保护浇注。浇铸过程中实施动态轻压下，轻压下区间满足0.35≤fs≤0.95。连铸工艺参数见表2，铸坯中心偏析不高于C1.0级。
(3)铸坯缓冷处理：连铸坯入坑进行缓冷扩氢，优选地，缓冷开始温度≥700℃，时间48小时。缓冷时间见表2。缓冷后对铸坯表面用机器打磨清理，上下表各清理掉1.5mm厚，涂高温涂料，防止再加热时氧化。
(4)加热：将步骤(3)所得连铸坯放入步进式加热炉，平均加热速率10～14cm/min，加热至1180-1250℃，待心部温度到达表面温度时开始保温，保温时间不低于0.5小时。使钢中的合金元素充分固溶以保证最终产品的成份及性能的均匀性。
(5)轧制：钢坯出炉后经高压水除鳞处理后进行热机械轧制，不进行两阶段控制轧制，每奇数道次进行高压水除磷，进行一边轧制一边除磷，除磷水压大于21MPa，开轧温度介于1100～1150℃，前三道次总压下率≥55％，且前三道次中至少有两道道次压下率≥20％，终轧温度≥850℃。相关工艺参数见表3。
(6)轧后冷却工艺：钢板轧制后，迅速进入在线淬火系统与加速冷却系统(DQ+ACC)系统进行冷却，入水温度≥800℃，出水温度≤200℃，根据板厚设定辊速与水量，保证钢板在线淬火系统与加速冷却系统冷却速度平均介于13～18℃/s。
(7)淬火：亚温淬火温度为730±10℃，在炉时间为2.0～2.5min/mm，薄板不足30min中的以30min控制。为保证钢板的均匀性，温度控制精度为±10℃。
(8)回火：在610±10℃回火。钢板回火在炉时间4.0～4.5min/mm，给予足够的回火处理时间，使淬火马氏体中的碳充分扩散，获得回火索氏体，保证钢板强韧性匹配。
(9)回火后钢板进行横向拉伸、横向冲击试验。
(9)将实施例进一步按ASTM E208标准进行落锤试验(NDT)。
具体成分、工艺参数见表1～3。各实施例样板对应的性能见表4～6。
图1-3给出了实施例2、3、4试验钢1/4处厚度的微观金相组织形貌。成品钢板的微观组织为回火索氏体组织。图4显示实施例4的扫描电镜下的微观组织形貌，组织为回火索氏体，回火索氏体片层由细长的铁素体及其铁素体相界上的碳化物薄膜组成，而非碳化物颗粒，索氏体片层呈细小且位相多的杂乱状，这是因为因亚温淬火处理，原同位相的索氏体片层被经新一轮循环生成的索氏体片层割裂，形成多位相的杂乱的索氏体形貌，这种形貌有效抑制裂纹启裂与扩展。对钢板冲击韧性与抗脆断性能提升有显著作用。
本发明采用高温轧制，在线DQ+ACC轧后水冷，离线亚温淬火+回火工艺，从化学成分设计、有害元素控制、加热轧制工艺控制、材料组织、亚温淬回火温度及时间等方面进行控制，在实现5Ni钢板高强度的同时，保证钢板具有良好的延伸率、-130℃低温冲击韧性、优异的抗脆断性能等。
表1实施例超强钢板的化学成分(wt％)
Figure BDA0003582364920000071
表2连铸工艺控制
实施例 铸坯厚度mm 过热度℃ 动态轻压下区间fs 缓冷起始温度℃ 扩氢时间h
1 150 25 0.35-0.95 750 48
2 150 19 0.35-0.95 732 48
3 150 15 0.35-0.95 749 48
4 150 21 0.35-0.95 760 48
表3轧制及水冷工艺控制
Figure BDA0003582364920000072
Figure BDA0003582364920000081
表4本发明实施例横向拉伸性能
Figure BDA0003582364920000082
表5本发明实施例横向冲击性能
Figure BDA0003582364920000083
表6本发明实施例横向抗脆断性能
Figure BDA0003582364920000084

Claims (8)

1.一种具有优异抗脆断性能的船用5Ni钢板，其特征在于：其化学成分按质量百分比计为C：0.02～0.04%，Si：0.25～0.35%，Mn：0.60～0.80%，Ni：4.90～5.25%，P：≤0.0050%，S：≤0.0020%，Alt：0.010～0.035%，Nb：0.025～0.040%，Ca: 0.0010～0.0030%，Cu: 0.20～0.35%，Cr：0.10～0.20%，Mo: ≤0.08%，Cr+Cu+Mo: ≤0.50%，O：≤0.0010%，N：≤0.0040%，H：≤0.00010%，余量为Fe及不可避免的杂质元素；
钢板微观组织主要为回火索氏体，索氏体片层由细长的铁素体及其铁素体相界上的碳化物薄膜组成，索氏体片层呈细小且位相多的杂乱状；
钢板的制造方法包括步骤：
（1）钢水冶炼；
（2）连铸：获得的铸坯中心偏析不高于C1.0级；
（3）扩氢缓冷；
（4）轧制：铸坯入炉加热使组织奥氏体化，出加热炉后经除鳞后进行热机械轧制，不进行两阶段控制轧制，轧制道次间隔着进行高压水除鳞，一边轧制一边除鳞，开轧温度介于1100～1150℃，终轧温度≥850℃；
（5）轧后冷却：钢板轧制后迅速进行在线淬火与加速冷却，入水温度≥800℃，出水温度≤200℃，钢板在线淬火与加速冷却的平均冷却速度为13～18℃/s；
（6）亚温淬火：亚温淬火温度为730±10℃，在炉时间为2.0～2.5min/mm，在炉时间不低于30min；
（7）回火：回火温度为610±10℃，回火在炉时间为4.0～4.5min/mm。
2.根据权利要求1所述的具有优异抗脆断性能的船用5Ni钢板，其特征在于：所述5Ni钢板的生产厚度为6～50mm。
3.根据权利要求1所述的具有优异抗脆断性能的船用5Ni钢板，其特征在于：所述钢板满足：屈服强度≥490MPa，抗拉强度：610～670MPa，屈强比：0.81～0.88，延伸率≥27%，-130℃下冲击韧性≥200J，-130℃下NDT试验不断裂。
4.一种具有优异抗脆断性能的船用5Ni钢板的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）钢水冶炼；
（2）连铸：获得的铸坯中心偏析不高于C1.0级；
（3）扩氢缓冷；
（4）轧制：铸坯入炉加热使组织奥氏体化，出加热炉后经除鳞后进行热机械轧制，不进行两阶段控制轧制，轧制道次间隔着进行高压水除鳞，一边轧制一边除鳞，开轧温度介于1100～1150℃，终轧温度≥850℃；
（5）轧后冷却：钢板轧制后迅速进行在线淬火与加速冷却，入水温度≥800℃，出水温度≤200℃，钢板在线淬火与加速冷却的平均冷却速度为13～18℃/s；
（6）亚温淬火：亚温淬火温度为730±10℃，在炉时间为2.0～2.5min/mm，在炉时间不低于30min；
（7）回火：回火温度为610±10℃，回火在炉时间为4.0～4.5min/mm。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤（3）中，铸坯采用加罩缓冷，缓冷开始温度不低于700℃，缓冷时间≥48小时；缓冷后在铸坯表面打磨清理，铸坯上下面各磨去1.5mm以上，然后涂上涂料隔绝空气。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤（4）中，每奇数道次进行高压水除鳞或每偶数道次进行高压水除鳞，除鳞水压大于21MPa，前三道次总压下率≥55%，且前三道次中至少有两道道次压下率≥20%。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤（1）中，冶炼原料依次经转炉冶炼、RH精炼、LF精炼、钙处理和RH精炼。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤（2）中，全程氩气保护浇注，浇铸过热度控制在10～25℃，过程采用动态轻压下，轻压下区间满足0.35≤fs≤0.95，其中fs为铸坯中固相份数。
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