CN115323265B

CN115323265B - 一种超细晶钢板及其制备方法

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Publication number: CN115323265B
Application number: CN202210829899.2A
Authority: CN
Inventors: 邱保文; 钦祥斗; 赵晋斌; 邓阳
Original assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2022-07-15
Filing date: 2022-07-15
Publication date: 2024-03-19
Anticipated expiration: 2042-07-15
Also published as: CN115323265A; WO2024011713A1

Abstract

本发明公开了一种超细晶钢板及其制备方法，其化学成分以质量百分比计包括：C 0.04％～0.10％，Mn 1.20％～1.60％，Ni 0.30％～0.60％，Nb 0.01％～0.05％，Ti 0.005％～0.02％，Alt 0.015％～0.050％，Cr 0.01％～0.25％，Cu 0.10％～0.35％，Si 0.10％～0.40％，P≤0.010％，S≤0.004％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；所述钢板厚度为40～60mm；其制备方法包括以下步骤：S1、将连铸板坯在加热，经除磷后，粗轧；S2、将中间坯在200～300秒冷却至300～400℃；S3、再将中间坯在加热炉内加热到Ae₃‑10℃～Ae₃，保温30±10min；S4、将出炉的再热中间坯待温到760±10℃进行第二阶段精轧，心部累计压下率40～50％；S5、第二阶段精轧完毕后控冷，堆冷，获得超细晶钢板；本超细晶钢板厚度40～60mm，具有大于460MPa屈服强度，优异的低温韧性，实现了‑101℃冲击功大于120J。

Description

一种超细晶钢板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种钢板及其制备方法，特别涉及一种超细晶钢板及其制备方法。

背景技术

细化晶粒是公认的同时提高钢板强度和低温韧性的技术手段。为追求优良的性能，冶金工作者通常采用形变诱导铁素体相变来获得≤3μm的超细铁素体组织，可以在普通碳素钢的成分基础上提高一倍的拉伸强度，并且低温冲击性能优良。

但是利用形变诱导铁素体相变来生产钢板，其原理自身有很多严苛的限制，如低温大变形轧制，总应变量要大，归结起来，就是要求铸坯或钢锭的厚度≥成品钢板厚度的10倍。这就导致在目前冶金行业生产条件下，几乎没有厚度＞30mm的超细晶钢板。同时形变诱导铁素体相变的转变率很难达到95％以上，最终钢板微观组织中很容易发现截距尺寸大于5μm的晶粒，甚至有10μm以上的晶粒，严重有损于低温冲击韧性。

公告号为“CN 101397625 B”的专利公开了一种最大厚度为20mm的420MPa级超细晶钢板，其铁素体晶粒尺寸3-5μm。

公告号为“CN 109518071 B”的专利公开了一种超细晶钢板及其制造方法：粗轧单道次压下率＞20％，末道次压下率≥30％，粗轧进行5个道次；精轧累计压下率78-88％。按最厚坯料320mm计算，可以知道该钢板厚度小于20mm。最终钢板的微观组织铁素体晶粒尺寸平均为3.0-4.0μm。

公告号为“CN 102011045 B”的专利公开了一种超细晶钢板及其制造方法：进行三阶段控制轧制时，第一阶段变形，变形温度1000～1100℃，名义变形量20～50％；第二阶段变形，变形温度830～950℃，名义变形量30～50％；第三阶段变形，变形温度设定在Ar₃温度附近变形，名义变形量30～50％。制备出超细晶粒铁素体钢板，铁素体晶粒尺寸＜3.0μm。但从其公布的微观组织图2和图3，可以测量出许多截距尺寸＞10μm的铁素体晶粒，并且存在很多截距尺寸大于20μm的珠光体颗粒。可以认为低温冲击韧性不佳。

公告号为“CN 113073262 A”的专利公开了一种具有优异超低温韧性的双梯度超细晶钢板及其制备方法。该钢板厚度方向上晶粒尺寸呈梯度变化，钢板表层晶粒尺寸≤1.5μm，钢板心部晶粒尺寸≤5μm。其应用实例中坯料与钢板厚度比依然＞10，没有摆脱形变诱导相变的压缩比限制。

钢板厚度小于30mm，在大型低温压力容器建造、极地极寒条件下的钢结构制造、船舶建造等领域的应用受到严重制约。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种提高钢板厚度的超细晶钢板；本发明的另一目的是提供该超细晶钢板的制备方法。

技术方案：本发明所述的一种超细晶钢板，其化学成分以质量百分比计包括：C0.04％～0.10％，Mn 1.20％～1.60％，Ni 0.30％～0.60％，Nb 0.01％～0.05％，Ti0.005％～0.02％，Alt 0.015％～0.050％，Cr 0.01％～0.25％，Cu 0.10％～0.35％，Si0.10％～0.40％，P≤0.010％，S≤0.004％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；所述钢板厚度为40～60mm。

所述钢板化学成分以质量百分比计包括，C 0.04％～0.009％，Mn 1.40％～1.60％，Ni 0.30％～0.50％，Nb 0.01％～0.045％，Ti 0.007％～0.020％，Alt 0.02％～0.050％，Cr 0.03％～0.25％，Cu 0.1％～0.35％，Si 0.10％～0.25％，P≤0.010％，S≤0.004％，余量为Fe及其他不可避免的杂质。

所述钢板中铁素体晶粒小于5μm，其中小于3μm的大于50％。

本发明的超细晶钢板的制备方法，包括以下步骤：

S1、将连铸板坯在加热，经除磷后，粗轧；

S2、将中间坯在200～300秒冷却至400～300℃；

S3、再将中间坯在加热炉内加热到Ae₃-10℃～Ae₃，保温30±10min；

S4、将出炉的再热中间坯待温到760±10℃进行第二阶段精轧，心部累计压下率40％～50％；

S5、第二阶段精轧完毕后控冷，堆冷，获得超细晶钢板。

所述钢板成分中：(1)C是最有效的强化合金元素，提高淬透性的同时，也提高韧脆转变温度，在保证强度的条件下，尽量降低C含量，有利于降低韧脆转变温度；(2)Mn是在低碳情况下提高强度最有效的元素，超过一定含量时稳定过冷奥氏体作用强烈，将铁素体转变温度向低温区推移，减小有效晶粒尺寸；含量再进一步提高，铸坯中Mn偏析将加重，导致局部材料相变后出现异常的低韧性组织；利用Mn元素的成分起伏，配合适当的非再结晶温区和变形量，在相对贫Mn区诱导出超细铁素体，C元素以碳化物形式在晶粒内析出一部分，其它C元素以短程扩散形式在铁素体晶界析出弥散细小的碳化物；(3)Cr、Cu、Ni也是稳定过冷奥氏体元素，在铁素体相变中减小铁素体长大速率，为获得超细铁素体组织提供合适的冷却速率；(4)P、S元素作为有害元素，从洁净钢的角度考虑越低越好，综合经济性考虑，P含量0.008％以下，S含量0.002％以下为佳。

所述步骤S2中，中间坯冷却至300～400℃，在全厚度范围内可以获得以贝氏体组织为主导的微观组织，利用细小的贝氏体条束作为形核点，为下一步再热细化奥氏体做好准备工作。

所述步骤S3中，发生不完全奥氏体化，有少量超细铁素体存在，并且奥氏体化后晶粒尺寸将比粗轧后的奥氏体晶粒尺寸得到进一步细化；其中Ae₃为γ/(α+γ)相界平衡温度。

所述步骤S4中，在钢板表面温度760±10℃时，略微高于连续冷却条件下的铁素体相变温度，中间坯的心部温度仍然保持在再热温度，在全厚度范围内获得易于形变诱导铁素体的温度条件；心部累计压下率40％～50％，将获得超过60％的直径＜3.0μm超细铁素体晶粒。

优选的，所述S1中，加热温度为1080～1180℃，粗轧的温度为1000～1150℃，压下率为45～55％。

优选的，所述控冷的冷却速度为2.0～4.0℃/秒，冷却至550～600℃进行堆冷，钢板堆冷24～40小时。

发明机理：通过热循环，获得比常规轧制工艺更加细化的奥氏体晶粒，在小压下率条件下获得形变诱导铁素体创造有利条件；通过预先形成的超细形变诱导铁素体带分割奥氏体晶粒，为剩余奥氏体随后发生的铁素体相变提供更多形核位置，最终获得直径小于5.0μm的铁素体晶粒。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)本超细晶钢板厚度40～60mm，具有大于460MPa屈服强度，优异的低温韧性，实现了-101℃冲击功大于120J，可以应用于万立方米级超大型低温压力容器建造或极地极寒天气下钢结构、船舶等制造领域；(2)本方法制备40～60mm厚超细晶钢板相对于形变诱导铁素体相变工艺，大大降低压缩比，可以获得超细铁素体组织。

附图说明

图1为实施例3的钢板厚度1/2处的微观组织图片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

本发明的超细晶钢板，其化学成分以质量百分比计包括：C 0.04％，Mn 1.40％，Ni0.30％，Nb 0.010％，Ti 0.007％，Alt 0.050％，Cr 0.01％，Cu 0.35％，Si 0.40％，P0.009％，S 0.004％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；所述钢板厚度为40mm.

其制备方法包括以下步骤：

S1、将150mm厚铸坯加热至1080℃，经除磷后，1000℃粗轧，粗轧后压下率45％；

S2、将中间坯在200秒冷却至399℃；

S3、再将中间坯在加热炉内加热到842.6℃(Ae₃-10℃～Ae₃)，保温30min；

S4、将出炉的再热中间坯待温到770℃进行第二阶段精轧，该阶段心部累计压下率48％；

S5、第二阶段精轧完毕后，控冷，冷却速度为2.0℃/秒，冷却至599℃堆冷24小时，获得超细晶钢板。

实施例2

本发明的超细晶钢板，其化学成分以质量百分比计包括：C 0.09％，Mn 1.25％，Ni0.50％，Nb 0.050％，Ti 0.005％，Alt 0.015％，Cr 0.03％，Cu 0.20％，Si 0.10％，P0.004％，S 0.002％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；所述钢板厚度为50mm。

其制备方法包括以下步骤：

S1、将220mm厚铸坯加热至1100℃，经除磷后，1050℃粗轧，粗轧后压下率50％；

S2、将中间坯在280秒冷却至380℃；

S3、再将中间坯在加热炉内加热到816.5℃(Ae₃-10℃～Ae₃)，保温30min；

S4、将出炉的再热中间坯待温到760℃进行第二阶段精轧，该阶段心部累计压下率50％；

S5、第二阶段精轧完毕后，控冷，冷却速度为3.0℃/秒，冷却至550℃堆冷32小时，获得超细晶钢板。

实施例3

本发明的超细晶钢板，其化学成分以质量百分比计包括：C 0.10％，Mn 1.60％，Ni0.60％，Nb 0.045％，Ti 0.020％，Alt 0.020％，Cr 0.25％，Cu 0.10％，Si 0.25％，P0.006％，S 0.001％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；所述钢板厚度为60mm。

其制备方法包括以下步骤：

S1、将260mm厚铸坯加热至1180℃，经除磷后，1150℃粗轧，粗轧后压下率55％；

S2、将中间坯在300秒冷却至350℃；

S3、再将中间坯在加热炉内加热到816.1℃(Ae₃-10℃～Ae₃)，保温30min；

S4、将出炉的再热中间坯待温到750℃进行第二阶段精轧，该阶段心部累计压下率40％；

S5、第二阶段精轧完毕后，控冷，冷却速度为4.0℃/秒，冷却至500℃堆冷40小时，获得超细晶钢板。

对比例1

在实施例3的基础上，不进行步骤S2和步骤S3，其他条件不变。

得到的钢板的厚度为60mm。

微观结构表征

对实施例3钢板厚度1/2处进行围观表征，如图1所示。通过中间坯冷却、再热奥氏体化后轧制，可以获得超细晶粒。钢板的显微组织以超细铁素体晶粒为主，加上极少量超细贝氏体晶粒。铁素体晶粒直径的统计特征为：≤1.5μm的百分比20％，1.5μm-3.0μm之间的百分比45％，3.0μm-5.0μm之间的百分比35％，未发现＞5.0μm以上的晶粒。

性能测试

对实施例1～3制备的超细晶钢板的屈服强度、拉伸强度、延伸率和心部冲击功进行测试，测试方法参照GB/T 228和GB/T 229，测试结果见表1。

表1实施例1～3钢板性能测试结果

由表1可以看出，本发明制备的钢板提高了钢板-101℃冲击韧性，获得了满足3.5Ni低温钢的-101℃冲击韧性要求，最大厚度60mm。钢板的屈服强度≥460MPa，抗拉强度＞570MPa，板厚中心部位-101℃的夏比冲击功≥120J。在大型低温压力容器建造、极地极寒条件下的钢结构制造、船舶建造等领域，因结构体对刚性的严格要求，建造钢板的厚度通常大于30mm，本发明制备的钢板能够满足大厚度要求。

对比例1因缺少步骤S2和S3组成的热循环过程，得不到更加细化的奥氏体组织，在最后进行奥氏体到铁素体转变过程，晶粒不能全部细化到5μm以下，对低温冲击韧性十分不利，-101℃冲击功处于很低的下平台区，难以满足大型低温压力容器建造、极地极寒条件下的钢结构制造、船舶建造等领域的使用要求。

Claims

1.一种降低压缩比、提高钢板厚度的超细晶钢板，其特征在于，其化学成分以质量百分比计包括：C 0.04%～0.10%，Mn 1.20%～1.60%，Ni 0.30%～0.60%，Nb 0.01%～0.05%，Ti0.005%～0.02%，Alt 0.015%～0.050%，Cr 0.01%～0.25%，Cu 0.10%～0.35%，Si 0.10%～0.40%，P≤0.010%，S≤0.004%，余量为Fe及其他不可避免的杂质；所述钢板厚度为40~60mm；

所述钢板中铁素体晶粒小于5μm，其中小于3μm的大于50%；

所述的钢板的制备方法，包括以下步骤：

S1、将连铸板坯再加热，经除磷后，粗轧；

S2、将中间坯在200~300秒冷却至300~400℃；

S3、再将中间坯在加热炉内加热到Ae₃-10℃~Ae₃，保温30±10min；

S4、将出炉的再热中间坯待温到760±10℃进行第二阶段精轧，该阶段心部累计压下率40~50 %；

S5、第二阶段精轧完毕后控冷，堆冷，获得超细晶钢板。

2.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于，所述钢板化学成分以质量百分比计包括，C0.04%～0.09%，Mn 1.40%～1.60%，Ni 0.30%～0.50%，Nb 0.01%～0.045%，Ti 0.007%～0.020%，Alt 0.02%～0.050%，Cr 0.03%～0.25%，Cu 0.1%～0.35%，Si 0.10%～0.25%，P≤0.010%，S≤0.004%，余量为Fe及其他不可避免的杂质。

3.一种权利要求1所述的钢板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将连铸板坯再加热，经除磷后，粗轧；

S2、将中间坯在200~300秒冷却至300~400℃；

S3、再将中间坯在加热炉内加热到Ae3-10℃~Ae3，保温30±10min；

S5、第二阶段精轧完毕后控冷，堆冷，获得超细晶钢板。

4.根据权利要求3所述的钢板的制备方法，其特征在于，所述S1中，加热温度为1080～1180℃，粗轧的温度为1000～1150℃，压下率为45～55%。

5.根据权利要求3所述的钢板的制备方法，其特征在于，所述控冷的冷却速度为2.0～4.0℃/秒。

6.根据权利要求3所述的钢板的制备方法，其特征在于，所述堆冷温度为550~600℃，堆冷时间为24~40小时。