CN115287418B - 一种低温韧性及Z向性能性能优良的690MPa级特厚海工钢及其热处理方法 - Google Patents

一种低温韧性及Z向性能性能优良的690MPa级特厚海工钢及其热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低温韧性及Z向性能性能优良的690MPa级特厚海工钢及其热处理方法，所述热处理方法包括以下步骤：将钢板在淬火炉中加热到AC3以下的亚温状态，以三硝水溶液为淬火介质进行淬火；将淬火后的钢板再加热到650～670℃进行回火；本发明采用较理想的三硝水溶液淬火介质以及亚温淬火温度热处理技术，在调质处理80‑115mm的690MPa级海工钢时能稳定的获得所需的回火贝氏体+回火马氏体+铁素体组织及综合力学性能，其中钢板屈服强度≥730MPa，抗拉强度≥810MPa，‑40℃的厚1/4处和心部常规冲击功≥170J，Z向断面收缩率超过50％，使钢板具有高强韧性和良好的抗层状撕裂性能。

Description

一种低温韧性及Z向性能性能优良的690MPa级特厚海工钢及 其热处理方法
技术领域
本发明属于海工钢技术领域，具体涉及一种低温韧性及Z向性能性能优良的690MPa级特厚海工钢及其热处理方法。
背景技术
随着海洋资源的不断开发，中国船舶及海洋石油工业迎来了高速增长的新时期，这种发展对造船及海洋工程用钢的需求量不断扩大。高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、易焊接性、良好的耐腐蚀性以及大厚度、大规格化是船舶及海洋工程用钢的发展方向。690MPa级特厚海工钢除采用高温再结晶区大压下轧制来改善心部缺陷和提高晶粒细化能力外，常规调质处理中水淬火介质的淬透性会造成钢板沿厚度方向组织和性能差异很大，尤其是Z向性能差。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低温韧性及Z向性能性能优良的690MPa级特厚海工钢的热处理方法，它可有效的解决强韧性和Z向抗层状撕裂性的匹配问题，为80-115mm特厚海工钢提供一种批量稳定有效的调质处理工艺。
本发明还提供了一种低温韧性及Z向性能性能优良的690MPa级特厚海工钢，采用本发明所述的热处理方法处理得到，其屈服强度≥730MPa，抗拉强度≥810MPa，-40℃的厚1/4处和心部常规冲击功≥170J，Z向断面收缩率＞50％。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种低温韧性及Z向性能性能优良的690MPa级特厚海工钢的热处理方法，所述热处理方法包括以下步骤：
(1)亚温淬火：将钢板在淬火炉中加热到AC3以下的亚温状态，以三硝水溶液为淬火介质进行淬火；
(2)回火：将淬火后的钢板再加热到650～670℃进行回火。
所述690MPa级特厚海工钢的厚度为80-115mm。
步骤(1)中，钢板在淬火炉中的在炉时间为3H分钟，其中H为钢板厚度，单位为mm。
步骤(1)中，AC3以下的亚温状态的温度为840～860℃。
步骤(1)中，淬火炉各段炉温控制如下：第1段800℃，第2～3段820℃，第4～5段830℃，第6段840℃，第7～10段850℃。
步骤(1)中，所述三硝水溶液包括以下质量分数的原料：硝酸钠：15％-20％，亚硝酸钠：25％-30％，硝酸钾：20％-25％，其余为水。
步骤(2)中，回火处理时的在炉时间为1.5H+120分钟，其中H为钢板厚度，单位为mm。
本发明还提供了一种低温韧性及Z向性能性能优良的690MPa级特厚海工钢，采用本发明所述的热处理方法处理得到。
所述690MPa级特厚海工钢的金相组织为回火贝氏体+回火马氏体+铁素体；其屈服强度≥730MPa，抗拉强度≥810MPa，-40℃的厚1/4处和心部常规冲击功≥170J，Z向断面收缩率＞50％。
所述690MPa级特厚海工钢包括以下重量百分比的化学成分：C：0.11～0.14％，Si：0.25～0.35％，Mn：1.05～1.15％，P：≤0.015％，S≤0.005％，Nb：0.020～0.030％，Cr：0.45～0.55％，Ni：2.00～2.10％，Cu：0.10～0.20％，Mo：0.45～0.55％，V：≤0.01％，Als：0.015～0.035％，Ti：0.010～0.020％，CEV：0.64～0.70％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明技术方案的总体思路为：
水作为淬火介质，在低温区冷却速度太快，易造成淬火件的开裂；水的冷却特性对水温变化敏感性太强，水温升高易造成淬火硬度不足和软点。而过饱和三硝水溶液在300℃以下低温区域的冷却速度比水慢得多，在高温区域冷却速度则比水快。理想的淬火介质是希望在冷却初期冷却速度慢一些，避免处于奥氏体和过冷奥氏体状态的工件因冷却速度快，收缩急剧而发生弯曲畸变；在过冷奥氏体最不稳定的区间(400～600℃)希望快冷，避免发生珠光体类转变；又希望进入马氏体转变区，冷却速度愈慢愈好，缓解马氏体转变体积膨胀而产生应力，防止开裂和减少畸变，有利于晶界、晶内细小碳化物的析出，提高钢板综合性能。
本发明采用三硝水溶液为淬火介质，能够在冷却初期(850-600℃)控制冷却速度在90～110℃/s，避免处于奥氏体和过冷奥氏体状态的工件因冷却速度快，收缩急剧而发生弯曲畸变；在过冷奥氏体最不稳定的区间(400～600℃)控制冷却速度在300-410℃/s，避免发生珠光体类转变；在进入马氏体转变区控制冷却速度在30-100℃/s，以缓解马氏体转变时体积膨胀而产生应力，防止开裂和减少畸变，利于晶界、晶内细小碳化物的析出，提高钢板综合性能。
本发明采用亚温热处理即在Ac3温度以下20℃时(850℃)各项力学性能最优。这是因为一方面由于亚温淬火加热温度低，保留一部分未溶铁素体，使钢板在室温下获得以马氏体为基体，保留少量弥散分布铁素体的双相组织；另一方面加热温度低，奥氏体来不及长大，使晶粒得到细化、均匀，经相变后的马氏体组织也相应地细化、均匀。
本发明采用较理想的三硝水溶液淬火介质以及亚温淬火温度热处理技术，在调质处理80-115mm的690MPa级海工钢时能稳定的获得所需的回火贝氏体+回火马氏体+铁素体组织及综合力学性能，其中钢板屈服强度≥730MPa，抗拉强度≥810MPa，-40℃的厚1/4处和心部常规冲击功≥170J，Z向断面收缩率超过50％，使钢板具有高强韧性和良好的抗层状撕裂性能。充分体现了本发明技术的优越性。
附图说明
图1为实施例1中80mm厚规格钢板横断面1/4处金相组织图；
图2为实施例1中80mm厚规格钢板横断面1/2处金相组织图；
图3为比较例2中80mm厚规格钢板横断面1/4处金相组织图；
图4为比较例2中80mm厚规格钢板横断面1/2处金相组织图；
图5为实施例2中115mm厚规格钢板横断面1/4处金相组织图；
图6为实施例2中115mm厚规格钢板横断面1/2处金相组织图；
图7为比较例4中115mm厚规格钢板横断面1/4处金相组织图；
图8为比较例4中115mm厚规格钢板横断面1/2处金相组织图；
图9为实施例2中115mm厚规格钢板扫描电镜图(1000倍)；
图10为实施例2中115mm厚规格钢板扫描电镜图(6000倍)；
图11为比较例4中115mm厚规格钢板扫描电镜图(1000倍)；
图12为比较例4中115mm厚规格钢板扫描电镜图(6000倍)。
具体实施方式
本发明提供了一种低温韧性及Z向性能性能优良的690MPa级80-115mm特厚海工钢的热处理方法，包括以下步骤：
(1)亚温淬火：将钢板在淬火炉中加热到840～860℃，以三硝水溶液为淬火介质进行淬火，钢板在亚温状态下的保温时间为3H分钟，其中H为钢板厚度，单位为mm；
(2)回火：将淬火后的钢板再加热到650～670℃进行回火，回火处理时的在炉时间为1.5H+120分钟，其中H为钢板厚度，单位为mm。
其中，步骤(1)中，淬火炉各段炉温控制如下：第1段800℃，第2～3段820℃，第4～5段830℃，第6段840℃，第7～10段850℃。
步骤(1)中，所述三硝水溶液包括以下质量分数的原料：硝酸钠：15％-20％，亚硝酸钠：25％-30％，硝酸钾：20％-25％，其余为水。
690MPa级特厚海工钢包括以下重量百分比的化学成分：C：0.11～0.14％，Si：0.25～0.35％，Mn：1.05～1.15％，P：≤0.015％，S≤0.005％，Nb：0.020～0.030％，Cr：0.45～0.55％，Ni：2.00～2.10％，Cu：0.10～0.20％，Mo：0.45～0.55％，V：≤0.01％，Als：0.015～0.035％，Ti：0.010～0.020％，CEV：0.64～0.70％，余量为Fe和不可避免的杂质。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
690Mpa级海洋工程用钢板厚度80mm，其化学成分为：C 0.11％，Mn 1.15％，Si0.28％，Als 0.032％，Cr 0.46％，Ni 2.02％，Mo 0.45％，Nb 0.022％，Ti 0.015％，Cu0.18％，P 0.012％，S 0.002％，V 0.002％，其余为铁Fe和不可避免的杂质。钢板尺寸为80mm*2438mm*9144mm。
所述690Mpa级海洋工程用钢板的热处理方法包括以下步骤：
(1)在辐射管加热辊底式热处理炉中，将钢板加热到850℃进行保温，即第7段到第10段保温，在炉时间3H分钟，H为钢板厚度，单位mm，炉内各段温度见下表；
表1淬火炉内各段炉温
加热方式 第1段 第2段 第3段 第4段 第5段 第6段 第7段 第8段 第9段 第10段
亚温 800℃ 820℃ 820℃ 830℃ 830℃ 840℃ 850℃ 850℃ 850℃ 850℃
质量分数配比配制淬火液：NaNO3为15％、NaNO2为25％、KNO3为25％、H20为35％。钢板出炉后进入淬火池中淬火，并摆动钢板使其均匀冷却；
(2)在明火加热辊底式热处理炉中进行回火热处理，回火温度660℃，在炉时间1.5H+120分钟，H为钢板厚度，单位mm，出炉后空冷。
经该实施例中热处理方法处理后的海洋工程用钢板的拉伸及常规冲击性能如表2所示，Z向性能如表3所示。
表2钢板拉伸及常规冲击性能
表3为钢板Z向性能
实施例2
690Mpa级海洋工程用钢板厚度115mm，其化学成分为：C 0.14％，Mn 1.12％，Si0.30％，Als 0.030％，Cr 0.52％，Ni 2.08％，Mo 0.48％，Nb 0.028％，Ti 0.020％，Cu0.19％，P 0.011％，S 0.002％，V 0.005％，其余为铁Fe和不可避免的杂质。钢板尺寸为115mm*1720mm*12400mm。
所述690Mpa级海洋工程用钢板的热处理方法包括以下步骤：
(1)在辐射管加热辊底式热处理炉中，将钢板加热到850℃进行保温，即第7段到第10段保温，在炉时间3H分钟(H为钢板厚度，单位mm)，炉内各段温度见下表；
表4淬火炉内各段炉温
加热方式 第1段 第2段 第3段 第4段 第5段 第6段 第7段 第8段 第9段 第10段
亚温 800℃ 820℃ 820℃ 830℃ 830℃ 840℃ 850℃ 850℃ 850℃ 850℃
质量分数配比配制淬火液：NaNO3为20％、NaNO2为30％、KNO3为20％、H20为30％。钢板出炉后进入淬火液中淬火，并摆动钢板使其均匀冷却。
(2)在明火加热辊底式热处理炉中进行回火热处理，回火温度660℃，在炉时间1.5H+120分钟，H为钢板厚度，单位mm，出炉后空冷。
经该实施例中热处理方法处理后的海洋工程用钢板的拉伸及常规冲击性能如表5所示，Z向性能如表6所示。
表5钢板拉伸及常规冲击性能
表6为钢板Z向性能
通过实施例1-2可以看出，按本发明设计的淬火液及调质工艺所设定的参数，生产的690MPa级海洋工程钢板，具有稳定优良的力学性能：屈服强度≥730MPa，抗拉强度≥810MPa，-40℃的厚1/4处和心部常规冲击功≥170J，Z向断面收缩率超过50％，钢板具有高强韧性和良好的抗层状撕裂性能。综合指标超过GB712-2011标准EH690牌号要求，更好地满足用户的使用期望。
比较例1
690Mpa级海洋工程用钢板的厚度及化学成分同实施例1。
所述690Mpa级海洋工程用钢板的热处理方法包括以下步骤：
(1)在辐射管加热辊底式热处理炉中，将钢板加热到930℃进行保温，即第7段到第10段保温，在炉时间3H分钟，H为钢板厚度，单位mm，炉内各段温度见表7；
表7淬火炉内各段炉温
加热方式 第1段 第2段 第3段 第4段 第5段 第6段 第7段 第8段 第9段 第10段
常规 800℃ 830℃ 860℃ 890℃ 910℃ 920℃ 930℃ 930℃ 930℃ 930℃
质量分数配比配制淬火液：NaNO3为15％、NaNO2为25％、KNO3为25％、H20为35％。钢板出炉后进入淬火池中淬火，并摆动钢板使其均匀冷却；
(2)在明火加热辊底式热处理炉中进行回火热处理，回火温度660℃，在炉时间1.5H+120分钟，H为钢板厚度，单位mm，出炉后空冷。
经该对比例中热处理方法处理后的海洋工程用钢板的拉伸及常规冲击性能如表8所示，Z向性能如表9所示。
表8钢板拉伸及常规冲击性能
表9为钢板Z向性能
比较例2
690Mpa级海洋工程用钢板的厚度及化学成分同实施例1。
所述690Mpa级海洋工程用钢板的热处理方法包括以下步骤：
(1)在辐射管加热辊底式热处理炉中，将钢板加热到850℃进行保温，即第7段到第10段保温，在炉时间3H分钟，H为钢板厚度，单位mm，炉内各段温度见下表；
表10淬火炉内各段炉温
加热方式 第1段 第2段 第3段 第4段 第5段 第6段 第7段 第8段 第9段 第10段
亚温 800℃ 820℃ 820℃ 830℃ 830℃ 840℃ 850℃ 850℃ 850℃ 850℃
淬火介质：H20为100％，钢板出炉后进入淬火池中淬火，并摆动钢板使其均匀冷却；
(2)在明火加热辊底式热处理炉中进行回火热处理，回火温度660℃，在炉时间1.5H+120分钟，H为钢板厚度，单位mm，出炉后空冷。
经该对比例中热处理方法处理后的海洋工程用钢板的拉伸及常规冲击性能如表11所示，Z向性能如表12所示。
表11钢板拉伸及常规冲击性能
表12为钢板Z向性能
比较例3
690Mpa级海洋工程用钢板的厚度及化学成分同实施例2。
所述690Mpa级海洋工程用钢板的热处理方法包括以下步骤：
(1)在辐射管加热辊底式热处理炉中，将钢板加热到930℃进行保温，即第7段到第10段保温，在炉时间3H分钟，H为钢板厚度，单位mm，炉内各段温度见表13。
表13淬火炉内各段炉温
加热方式 第1段 第2段 第3段 第4段 第5段 第6段 第7段 第8段 第9段 第10段
常规 800℃ 830℃ 860℃ 890℃ 910℃ 920℃ 930℃ 930℃ 930℃ 930℃
质量分数配比配制淬火液：NaNO3为20％、NaNO2为30％、KNO3为20％、H20为30％。钢板出炉后进入淬火液中淬火，并摆动钢板使其均匀冷却。
(2)在明火加热辊底式热处理炉中进行回火热处理，回火温度660℃，在炉时间1.5H+120分钟，H为钢板厚度，单位mm，出炉后空冷。
经该对比例中热处理方法处理后的海洋工程用钢板的拉伸及常规冲击性能如表14所示，Z向性能如表15所示。
表14钢板拉伸及常规冲击性能
表15为钢板Z向性能
比较例4
690Mpa级海洋工程用钢板的厚度及化学成分同实施例2。
所述690Mpa级海洋工程用钢板的热处理方法包括以下步骤：
(1)在辐射管加热辊底式热处理炉中，将钢板加热到850℃进行保温，即第7段到第10段保温，在炉时间3H分钟(H为钢板厚度，单位mm)，炉内各段温度见下表；
表16淬火炉内各段炉温
加热方式 第1段 第2段 第3段 第4段 第5段 第6段 第7段 第8段 第9段 第10段
亚温 800℃ 820℃ 820℃ 830℃ 830℃ 840℃ 850℃ 850℃ 850℃ 850℃
淬火介质：H20为100％，钢板出炉后进入淬火液中淬火，并摆动钢板使其均匀冷却。
(2)在明火加热辊底式热处理炉中进行回火热处理，回火温度660℃，在炉时间1.5H+120分钟，H为钢板厚度，单位mm，出炉后空冷。
经该对比例中热处理方法处理后的海洋工程用钢板的拉伸及常规冲击性能如表17所示，Z向性能如表18所示。
表17钢板拉伸及常规冲击性能
表18为钢板Z向性能
从表1-表6中的实施例和表7-表18中的比较例可以看出，与比较例相比，实施例中采用三硝酸水溶液及亚温淬火工艺，得到回火贝氏体+回火马氏体+铁素体；实施例和比较例显微组织虽然均为回火贝氏体+回火马氏体+少量铁素体，但比较例2、4中两个规格心部出现较明显的成分偏析所导致的带状组织，晶粒粗大，贝氏体板条回复充分，板条界面经原子间相互扩散、聚集、合并和重组，相界面变得模糊，贝氏体中碳化物的分解，M/A岛的分解以及板条贝氏体的粗化是试验钢在回火过程中抗拉强度下降的主要原因；而实施例中厚1/4和心部组织较均匀，贝氏体板条界面更明显，另外晶界和晶内碳化物析出量较多，均为细小颗粒状析出物(如图9和图10)，能显著提高钢板综合力学性能。
上述参照实施例对一种低温韧性及Z向性能性能优良的690MPa级特厚海工钢及其热处理方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低温韧性及Z向性能性能优良的690MPa级特厚海工钢的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括以下步骤：
（1）亚温淬火：将钢板在淬火炉中加热到AC3以下的亚温状态，以三硝水溶液为淬火介质进行淬火；
（2）回火：将淬火后的钢板再加热到650~670℃进行回火；
步骤（1）中，钢板在淬火炉中的在炉时间为3H分钟，其中H为钢板厚度，单位为mm；
步骤（1）中，AC3以下的亚温状态的温度为840~860℃；
步骤（1）中，淬火炉各段炉温控制如下：第1段800℃，第2~3段820℃，第4~5段830℃，第6段840℃，第7~10段850℃；
步骤（2）中，回火处理时的在炉时间为1.5H+120分钟，其中H为钢板厚度，单位为mm；出炉后空冷；
所述690MPa级特厚海工钢的厚度为80-115mm。
2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，步骤（1）中，所述三硝水溶液包括以下质量分数的原料：硝酸钠：15%-20%，亚硝酸钠：25%-30%，硝酸钾：20%-25%，其余为水。
3.一种低温韧性及Z向性能性能优良的690MPa级特厚海工钢，其特征在于，采用权利要求1或2所述的热处理方法处理得到。
4.根据权利要求3所述的690MPa级特厚海工钢，其特征在于，所述690MPa级特厚海工钢的金相组织为回火贝氏体+回火马氏体+铁素体；其屈服强度≥730MPa，抗拉强度≥810MPa，-40℃的厚1/4处和心部常规冲击功≥170J，Z向断面收缩率＞50%。
5.根据权利要求3或4所述的690MPa级特厚海工钢，其特征在于，所述690MPa级特厚海工钢包括以下重量百分比的化学成分：C：0.11～0 .14%，Si：0.25～0.35%， Mn：1.05～1.15%，P：≤0.015%，S≤0.005%，Nb：0.020～0.030%，Cr：0.45～0.55%，Ni：2.00～2.10%，Cu：0.10～0.20%，Mo：0.45～0.55%，V：≤0.01%，Als：0.015～0.035%，Ti：0.010～0.020%，CEV：0.64~0.70%，余量为Fe和不可避免的杂质。
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