CN115679206B - 一种结构钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明特别涉及一种结构钢及其制备方法，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：≤0.07％，Si：0.10％‑0.40％，Mn：0.80％‑1.60％，P：≤0.012％，S：≤0.003％，Al：0.020％‑0.050％，Nb：0.010％‑0.040％，Ti：0.010％‑0.020％，其余为Fe和不可避免杂质；通过采用低碳添加Nb、Ti的成分设计，实现细晶强化和析出强化，以提高结构钢的韧性和低温断裂性能。
Description
技术领域
本发明属于钢材制备技术领域，特别涉及一种结构钢及其制备方法。
背景技术
极地资源开发、运输以及极地海洋科学研究用途的装备研发，促进了极寒环境下高技术船舶和极地平台的巨大需求和迅猛发展，在极寒环境下运营的海工平台和船舶，常年服役在严寒海区，几乎一直遭受强烈的风浪、海冰等动载荷，工作环境恶劣，因此对能够满足极寒环境服役条件的结构钢各项性能提出了更高要求，特别是低温韧性和断裂性能要求更高，而具有优异低温韧性和低温断裂性能的结构钢是极寒环境下海工平台和船舶安全的重要保障，也是船舶海工用钢的发展趋势之一，NDT落锤断裂试验根据GB/T6803-2008标准进行。因此，研发具有良好低温韧性和低温断裂性能结构钢板具有广阔的市场前景。
中国发明专利申请CN106756527A一种液化气体船用碳锰低温钢及制造方法，其采用轧后直接入水且获得组织为多边形铁素体+珠光体，导致其冲击韧性不佳。中国发明专利申请CN103103452A一种生产X80级抗大变形管线钢中厚板的方法，其添加了Ni、Cr等合金元素且Nb元素含量较高，采用驰豫工艺获得多边形铁素体后水冷温度为200-400℃，导致其韧性指标不佳。中国发明专利申请CN105200336A基于应变设计地区用高性能抗大变形管线钢及制备方法，其添加了Ni、Cr、Cu等合金元素采用了轧后驰豫工艺，获得多边形铁素体组织，待温后水冷的终冷温度为200-300℃，其低温韧性不佳。
发明内容
本申请的目的在于提供一种结构钢及其制备方法，以解决目前钢的低温韧性不佳的问题。
本发明实施例提供了一种结构钢，所述钢的化学成分以质量分数计包括：
C：≤0.07％，Si：0.10％-0.40％，Mn：0.80％-1.60％，P：≤0.012％，S：≤0.003％，Al：0.020％-0.050％，Nb：0.010％-0.040％，Ti：0.010％-0.020％，其余为Fe和不可避免杂质。
可选的，所述钢的化学成分以质量分数计包括：
C：≤0.07％，Si：0.20％-0.30％，Mn：1.00％-1.40％，P：≤0.012％，S：≤0.003％，Al：0.030％-0.040％，Nb：0.020％-0.030％，Ti：0.013％-0.017％，其余为Fe和不可避免杂质。
可选的，所述钢的微观组织以体积分数计为：30％-55％的铁素体以及
45％-70％的贝氏体或45％-70％的贝氏体和珠光体。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种如上所述的结构钢的制备方法，所述方法包括：
把冶炼后的钢水进行连铸，得到板坯；
对所述板坯进行加热和轧制，后进行冷却，得到结构钢。
可选的，所述板坯的厚度为200-400mm，以保证板坯到结构钢的压缩比≥10。
可选的，所述加热的温度为1120-1200℃，所述加热的时间为200-400min。
可选的，所述轧制包括粗轧和精轧，所述粗轧的开始温度为1000-1100℃，所述粗轧后的板坯厚度h和所述结构钢的厚度t满足如下关系：h≥3t。
可选的，所述精轧的开始温度为850-950℃，所述精轧的结束温度为800-860℃。
可选的，所述冷却包括空冷和快冷，所述空冷的目标温度为700-750。
可选的，所述快冷的冷却速率为30-60℃/s，所述快冷的目标温度为450-600℃。
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结构钢，通过采用低碳添加Nb、Ti的成分设计，实现细晶强化和析出强化，以提高结构钢的韧性和低温断裂性能。
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为本发明实施例5的厚度为40mm的结构钢在厚度1/4处的金相组织图；
图2为本发明实施例5的厚度为40mm的结构钢-75℃的NDT试验结果图；
图3为本发明对比例1的厚度为40mm的结构钢在厚度1/4处的金相组织图；
图4为本发明对比例1的厚度为40mm的结构钢-75℃的NDT试验结果图；
图5为本发明对比例2的厚度为40mm的结构钢在厚度1/4处的金相组织图；
图6为本发明对比例2的厚度为40mm的结构钢-75℃的NDT试验结果图；
图7为本发明实施例提供的方法的流程图。
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，提供了一种结构钢，所述钢的化学成分以质量分数计包括：
C：≤0.07％，Si：0.10％-0.40％，Mn：0.80％-1.60％，P：≤0.012％，S：≤0.003％，Al：0.020％-0.050％，Nb：0.010％-0.040％，Ti：0.010％-0.020％，其余为Fe和不可避免杂质。
需要说明的是，B元素对结构钢低温韧性的不利影响，故应避免向钢中有意添加B元素。
C元素含量对钢力学和焊接性能影响较大。温度相同的情况下，C含量增加，扩散控制界面运动所需迁移的C原子增加，扩散型相变如铁素体和珠光体相变受到抑制。C含量过高，则导致受扩散控制的贝氏体以片层状析出相端面长大进一步受到抑制，在冷却过程中形成马氏体相。马氏体相硬而脆，其低温冲击性能较差。本申请中添加适当的C，通过适当的扩散型相变获得铁素体，又不至于在冷却过程中形成珠光体，因此控制C含量≤0.07％。
Si不与C形成碳化物，以固溶方式存在于钢中，通过与位错的应力场交互作用，阻碍位错运动，提高钢板的强度。根据焊接裂纹敏感性计算公式，Si含量较高时，对钢的焊接性能不利，故控制Si含量为0.10～0.40％。
Mn是奥氏体形成元素，扩大奥氏体相区。在冷却过程中，Mn通过溶质拖曳作用耗散自由能，抑制扩散型相变。通过加入适量的Mn，可在适当工艺条件下控制钢板的微观组织，形成具有高强度和高韧性的细化的贝氏体板条组织。Mn含量过高，则可能导致钢坯在连铸和随后的冷却过程中出现裂纹。故控制Mn含量为0.80～1.60％。
Nb加入钢中，通过对再结晶过程中单相(奥氏体)界面运动的抑制作用，一方面提高再结晶温度，提高钢板的第二阶段轧制效率，另一方面细化奥氏体再结晶晶粒，从而细化最终组织。Nb和C、N会形成MX型碳化物，在轧制过程中形成的细微的碳化物，会通过钉扎阻碍晶界的运动，细化奥氏体晶粒。故控制Nb含量为0.010～0.040％。
Al增加相变驱动力，Al在钢中与N相互作用，形成细小而弥散的AlN析出，可抑制晶粒长大，达到细化晶粒、提高钢在低温下的韧性的目的。故控制Al含量为0.020～0.050％。
Ti元素缩小奥氏体相区，Ti会与钢中的N形成TiN，与钢中的C、S形成细小的TiC或Ti的碳硫化物，细小Ti的碳氮化物析出可抑制晶粒长大。固溶于奥氏体中的Ti，提高钢的淬透性。故控制Ti含量在0.010～0.030％。
该结构钢采用低碳含量，同时添加微合金元素Nb和Ti，利用Nb和Ti的细晶强化手段改善钢板的韧性和低温断裂性能；不添加Ni、Cr、Mo等合金元素，保证了成分体系的低成本。考虑避免B元素对结构钢低温韧性的不利影响，严禁添加B元素。
在一些实施例中，所述钢的化学成分以质量分数计包括：
C：≤0.07％，Si：0.20％-0.30％，Mn：1.00％-1.40％，P：≤0.012％，S：≤0.003％，Al：0.030％-0.040％，Nb：0.020％-0.030％，Ti：0.013％-0.017％，其余为Fe和不可避免杂质。
在一些实施例中，所述钢的微观组织以体积分数计为：30％-55％的铁素体以及
45％-70％的贝氏体或45％-70％的贝氏体和珠光体。
铁素体和贝氏体的复相组织有利于使钢板获得高韧性和良好的低温断裂性能。
本实施例中，结构钢的厚度为12-40mm。
根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种如上所述的结构钢的制备方法，所述方法包括：
S1.把冶炼后的钢水进行连铸，得到板坯；
具体而言，板坯由如下化学成分组成，C：≤0.07wt％，Si：0.10～0.40wt％，Mn：0.80～1.60wt％，P：≤0.012wt％，S：≤0.003wt％，Al：0.020～0.05wt％，Nb：0.010～0.040wt％，Ti：0.010～0.020wt％，严禁向钢中有意添加B元素，其余为Fe和不可避免杂质。
在一些实施例中，所述板坯的厚度为200-400mm，以保证板坯到结构钢的压缩比≥10。
S2.对所述板坯进行加热和轧制，后进行冷却，得到结构钢。
在一些实施例中，所述加热的温度为1120-1200℃，所述加热的时间为200-400min。
加热将板坯的温度提高到再结晶区温度，加热温度不可过高，过高会造成板坯表面氧化铁皮过多，烧损严重，同时还会浪费能源；加热温度过低，达不到再结晶区温度，无法实现轧制。
本实施例中，板坯轧制采用双机架控轧工艺，精轧前待温，实现轧制规格的多样性。
在一些实施例中，所述轧制包括粗轧和精轧，所述粗轧的开始温度为1000-1100℃，所述粗轧后的板坯厚度h和所述结构钢的厚度t满足如下关系：h≥3t；所述精轧的开始温度为850-950℃，所述精轧的结束温度为800-860℃。
充分的待温厚度，有利于保证精轧区变形量，为提高形变带的位错密度创造条件。精轧开始温度为850～950℃，避免精轧温度过低，进入部分再结晶区，产生尺寸过大的组织。精轧结束温度为800～860℃，避免过高的精轧温度促进后续晶粒长大。
在一些实施例中，所述冷却包括空冷和快冷，所述空冷的目标温度为700-750；过低的空冷温度将获得大量的多边形铁素体或珠光体，进而影响贝氏体比例。所述快冷的冷却速率为30-60℃/s，所述快冷的目标温度为450-600℃，避免过低的终冷温度获得马氏体等组织。
该方法采用控轧+轧后空冷及快速水冷工艺，在高温条件下，进行压下变形有利于发生奥氏体再结晶而细化晶粒，充分的待温厚度有利于在奥氏体晶粒内获得高位错密度，轧后空冷有利于获得多边形铁素体，通过控制轧后空冷时间和温度可以稳定控制多边形铁素体百分含量，后续采用水冷工艺，有利于在快速冷却条件下获得贝氏体组织，避免发生珠光体等相变。
下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请的结构钢及其制备方法进行详细说明。
实施例1-5
一种结构钢的制备方法，方法包括：
S1.将冶炼后的钢水进行连铸，获得板坯。实施例1到实施例5的板坯的化学组分及化学组分的质量分数见下表(其余为Fe和不可避免的杂质)。
| C，％ | Si，％ | Mn，％ | P，％ | S，％ | Al，％ | Nb，％ | Ti，％ | |
| 实施例1 | 0.06 | 0.26 | 1.50 | 0.008 | 0.002 | 0.030 | 0.015 | 0.012 |
| 实施例2 | 0.06 | 0.20 | 1.50 | 0.006 | 0.002 | 0.030 | 0.015 | 0.015 |
| 实施例3 | 0.04 | 0.25 | 1.47 | 0.010 | 0.002 | 0.032 | 0.025 | 0.010 |
| 实施例4 | 0.05 | 0.28 | 1.55 | 0.008 | 0.001 | 0.035 | 0.028 | 0.012 |
| 实施例5 | 0.04 | 0.22 | 1.53 | 0.008 | 0.001 | 0.028 | 0.032 | 0.015 |
S2.将板坯进加热炉加热，采用双机架控轧，粗轧结束后获得中间坯，将中间坯进行精轧，轧后空冷和水冷，获得结构钢。实施例1到实施例5制备结构钢过程中的工艺控制如下两表。
| 结构钢厚度，mm | 待温时间,s | 水冷开始温度，℃ | 冷却速率，℃/S | 终冷温度，℃ | |
| 实施例1 | 12 | 11 | 740 | 50 | 580 |
| 实施例2 | 16 | 12 | 740 | 45 | 580 |
| 实施例3 | 20 | 25 | 720 | 41 | 560 |
| 实施例4 | 32 | 30 | 715 | 38 | 530 |
| 实施例5 | 40 | 50 | 710 | 33 | 470 |
对比例1-2
一种结构钢的制备方法，方法包括：
S1.将冶炼后的钢水进行连铸，获得板坯。对比例1到对比例2板坯的化学组分及化学组分的质量分数见下表(其余为Fe和不可避免的杂质)。
| C，％ | Si，％ | Mn，％ | P，％ | S，％ | Al，％ | Nb，％ | Ti，％ | |
| 对比例1 | 0.08 | 0.25 | 1.50 | 0.008 | 0.001 | 0.030 | 0.028 | 0.012 |
| 对比例2 | 0.05 | 0.25 | 1.55 | 0.009 | 0.001 | 0.027 | 0.020 | 0.015 |
S2.将板坯进加热炉加热，采用双机架控轧，粗轧结束后获得中间坯，将中间坯进行精轧，轧后空冷和水冷，获得结构钢。对比例1到对比例2制备结构钢过程中的工艺控制如下两表。
实验例
将实施例1-5和对比例1-2制得的结构钢进行性能检测，结果如下表所示。
由上表可得，采用本申请实施例提供的方法制备的结构钢，厚度在12-40mm的力学性能优良，屈服强度＞420MPa，抗拉强度＞530MPa，断后延伸率＞25％，-80℃冲击功＞350J，低温断裂指标NDT在-75℃下合格不断裂，钢板具有优良的低温韧性和低温断裂性能。
附图1-6的详细说明：
如图1所示，为实施例5的厚度为40mm的结构钢在厚度1/4处的金相组织图，由图可得，实施例5提供的结构钢的铁素体百分比为50.2％，贝氏体百分比为49.8％；
如图2所示，为实施例5的厚度为40mm的结构钢-75℃的NDT试验结果图，由图可得，该结构钢NDT实验合格；
如图3所示，为对比例1的厚度为40mm的结构钢在厚度1/4处的金相组织图，由图可得，对比例1提供的结构钢的铁素体分比为19.8％，贝氏体百分比为80.2％；
如图4所示，为对比例1的厚度为40mm的结构钢-75℃的NDT试验结果图，由图可得，该结构钢NDT实验不合格；
如图5所示，为对比例2的厚度为40mm的结构钢在厚度1/4处的金相组织图，由图可得，对比例2提供的结构钢的铁素体分比为75.6％，贝氏体和珠光体百分比为24.4％；
如图6所示，为对比例2的厚度为40mm的结构钢-75℃的NDT试验结果图，由图可得，该结构钢NDT实验不合格。
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结构钢采用低碳含量，同时添加微合金元素Nb和Ti，利用Nb和Ti的细晶强化手段改善钢板的韧性和低温断裂性能；不添加Ni、Cr、Mo等合金元素，保证了成分体系的低成本；
(2)本发明实施例提供的结构钢的微观组织为多边形铁素体+贝氏体的复相组织，保证钢板具备良好的低温韧性和低温断裂性能；
(3)本发明实施例提供的结构钢，厚度在12-40mm的力学性能优良，屈服强度＞420MPa，抗拉强度＞530MPa，断后延伸率＞25％，-80℃冲击功＞350J，低温断裂指标NDT在-75℃下合格不断裂，钢板具有优良的低温韧性和低温断裂性能；
(4)本发明实施例提供的方法采用控轧+轧后空冷及快速水冷工艺，在高温条件下，进行压下变形有利于发生奥氏体再结晶而细化晶粒，充分的待温厚度有利于在奥氏体晶粒内获得高位错密度，轧后空冷有利于获得多边形铁素体，通过控制轧后空冷时间和温度可以稳定控制多边形铁素体百分含量，后续采用水冷工艺，有利于在快速冷却条件下获得贝氏体组织，避免发生珠光体等相变。
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 (7)
1.一种结构钢，其特征在于，所述钢的化学成分以质量分数计包括：
C：≤0.07％，Si：0.10％-0.40％，Mn：0.80％-1.60％，P：≤0.012％，S：≤0.003％，Al：0.020％-0.050％，Nb：0.010％-0.040％，Ti：0.010％-0.020％，其余为Fe和不可避免杂质；
所述钢的微观组织以体积分数计为：30％-55％的铁素体，以及
45％-70％的贝氏体或45％-70％的贝氏体和珠光体。
2.根据权利要求1所述的结构钢，其特征在于，所述钢的化学成分以质量分数计包括：
C：≤0.07％，Si：0.20％-0.30％，Mn：1.00％-1.40％，P：≤0.012％，S：≤0.003％，Al：0.030％-0.040％，Nb：0.020％-0.030％，Ti：0.013％-0.017％，其余为Fe和不可避免杂质。
3.一种如权利要求1至2任一项所述的结构钢的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
把冶炼后的钢水进行连铸，得到板坯；
对所述板坯进行加热和轧制，后进行冷却，得到结构钢；
所述板坯的厚度为200-400mm，以保证板坯到结构钢的压缩比≥10；
所述加热的温度为1120-1200℃，所述加热的时间为200-400min。
4.根据权利要求3所述的结构钢的制备方法，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1000-1100℃，所述粗轧后的板坯厚度h和所述结构钢的厚度t满足如下关系：h≥3t。
5.根据权利要求4所述的结构钢的制备方法，其特征在于，所述精轧的开始温度为850-950℃，所述精轧的结束温度为800-860℃。
6.根据权利要求3所述的结构钢的制备方法，其特征在于，所述冷却包括空冷和快冷，所述空冷的目标温度为700-750。
7.根据权利要求6所述的结构钢的制备方法，其特征在于，所述快冷的冷却速率为30-60℃/s，所述快冷的目标温度为450-600℃。
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