CN116815046A - 一种抗氢致开裂性能优异的fh36海工钢及其制造方法 - Google Patents

一种抗氢致开裂性能优异的fh36海工钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种抗氢致开裂性能优异的FH36海工钢及其制造方法，属于钢铁材料制备技术领域。本发明的FH36海工钢的化学成分及质量百分比如下：C：0.05％～0.10％；Si：0.10％～0.35％；Mn：0.90％～1.20％；P：≤0.012％；S≤0.002％；Cu：0.15％～0.40％；Ni：0.30％～0.60％；Cr：0.10％～0.20％；Nb：0.02％～0.045％；V：0.03～0.05％；Ti：0.007％～0.02％；Alt：0.01％～0.03％；O≤0.001％；N≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质，Ceq≤0.38％，解决了FH36钢板强度、塑性、低温韧性(‑60℃)及抗氢致裂纹性能难以匹配调和的问题，生产的钢板屈服强度≥355MPa，抗拉强度490～630MPa，断面伸长率≥21％，Z向断面收缩率≥65％，钢板芯部‑60℃夏比冲击功≥100J，抗氢致裂纹性能CSR≤2％、CLR≤15％、CTR≤5％。

Description

一种抗氢致开裂性能优异的FH36海工钢及其制造方法
技术领域
本发明属于钢铁材料制备技术领域，具体涉及一种抗氢致开裂性能优异的FH36海工钢及其制造方法。
背景技术
钢铁作为海洋工程装备的关键结构材料，广泛应用于海上风电、生产平台以及海底管道等。海工装备服役期一般为30年，比传统船舶服役期长50％，海工装备服役环境十分恶劣，不仅要受到自身重力荷载的作用，还要受到服役条件带来的影响。这就要求海工钢在设计结构和材料选择方面必须考虑特殊的海况条件，如何同时兼顾超高强度、高韧性和高氢致开裂抗力成为了深海工钢开发的核心问题和技术难题，为了能够让海洋工程平台能够在复杂环境下安全使用，急需开发抗氢致开裂性能优异的的高强度海工钢。
公开号为CN111492083B的专利《具有优异的抗氢致开裂性和低温冲击韧性的高强度钢材及其制造方法》提供了一种具有优异的抗氢致开裂性和低温冲击韧性的高强度钢材及其制造方法，采用TMCP+正火的生产工艺，但其屈服强度无法保证达到355MPa级，无法满足海工钢高强度的需求。公开号为CN106521332A的专利《一种抗应力导向氢致开裂用钢板及其生产方法》提出了一种抗应力导向氢致开裂用钢板，具有纯净度高，-20℃低温冲击韧性优良，抗层状撕裂性能优良和抗应力导向氢致开裂性能优良等特点，但其无法保证-60℃低温韧性。公开号为CN105803327B的专利《一种经济型抗HIC的X90管线钢板及其制造方法》提出了X90级别管线钢板，最大厚度20mm的抗HIC钢及制造方法，但其厚度较小，无法满足海洋工程平台装备用超高强海工钢的大厚度规格的需求。
由以上专利对比可知，目前可用抗氢致开裂性能优异的海工钢的海工钢存在如下不足：1.产品厚度规格较小，强度级别较低，适用范围窄；2.产品超低温韧性等级较低，无法满足海工钢兼顾高强度、高韧性的需求。
发明内容
为解决背景技术存在的问题，本发明的目的是提供了一种抗氢致开裂性能优异的FH36海工钢及其制造方法。本发明通过优化合金含量设计，采用冶炼-控制轧制-控制冷却工艺耦合设计，最终得到了厚度可达60mm的抗氢致开裂性能优异的FH36海工钢，本发明钢板具有高强度(屈服强度≥355MPa，抗拉强度490～630MPa，断后延伸率≥21％)，低温韧性优异(-60℃冲击吸收功≥100J)，Z向断面收缩率优良(≥60％)，抗氢致裂纹性能优异(CSR≤2％、CLR≤15％、CTR≤5％)，组织性能均匀的特点。
本发明目的是通过以下方式实现：
本发明提供一种抗氢致开裂性能优异的FH36海工钢，所述的FH36海工钢的化学成分及质量百分比如下：C：0.05％～0.10％；Si：0.10％～0.35％；Mn：0.90％～1.20％；P：≤0.012％；S≤0.002％；Cu：0.15％～0.40％；Ni：0.30％～0.60％；Cr：0.10％～0.20％；Nb：0.02％～0.045％；V：0.03～0.05％；Ti：0.007％～0.02％；Alt：0.01％～0.03％；O≤0.001％；N≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质，Ceq≤0.38％，其中，Ceq＝C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5。
本发明FH36海工钢中各合金成分的作用机理如下：
C：是保证强度和淬透性的必要元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但碳含量增加严重影响钢材焊接性能和低温韧性，从产品性能角度考虑，优选C含量控制在0.05％～0.10％。
Si：为固溶强化元素，也是炼钢过程中主要的脱氧成分，为了得到充分的脱氧效果必须含0.10％以上，但若含量过高则会严重损害超高强度钢板的低温韧性、延伸率及焊接性，综合考虑炼钢的经济性和可操作性，优选Si含量为0.10％～0.35％。
Mn：作为最重要的合金元素在钢中除提高钢板的强度外，还具有扩大奥氏体相区、降低Ar3点温度、细化铁素体晶粒而改善钢板低温韧性的作用、但当Mn元素质量过高时，易形成Mn偏析及条状MnS，使得厚板心部的低温韧性和抗氢致开裂性能较差，焊接热影响区性能下降，因此优选Mn含量范围为0.90％～1.20％。
P：是对冲击值带来不利影响的元素，可以在板坯中心部位偏析以及在晶界聚集等损害低温韧性，本发明材料控制在不高于0.012％。
S：是对冲击值带来不利影响的元素，可以形成硫化物夹杂，成为裂纹源，本发明材料控制在不高于0.002％。
Cu：利用ε-Cu析出强化可以较大程度的提高钢的强度，适量Cu提高强度而不损害冲击韧性；Cu还属于奥氏体形成元素，在扩大奥氏体相区的同时也在回火过程中促进奥氏体的形成及稳定性；Cu的析出物可增加有效氢陷阱的密度，使得出现氢致裂纹更加微小。与Ni同时使用，不仅可大幅度降低Ar3，还可以避免热脆性。但当Cu元素过高会引起热脆现象，不利于母材及热影响区韧性，因此本发明中Cu含量范围为0.15％～0.40％。
Ni：镍溶于奥氏体，抑制奥氏体再结晶，细化奥氏体晶粒，提高钢板低温韧性。Ni可以降低钢中各元素的扩散速率，而延缓奥氏体分解转变，从而提高钢的淬透性。但Ni元素过高会提高Ceq，影响焊接性能，因此本发明Ni含量控制在0.30％～0.60％。
Cr：能够提高钢板的淬透性及强度，Cr还可以抑制先共析铁素体及珠光体的转变，有利于获得针状铁素体组织；Cr与Mn有相似的固溶强化效果，且不易偏析。但Cr含量过高则增加回火脆性倾向，增加焊接难度，而含量过低则不能有效发挥其强化作用。本发明中Cr的含量控制为0.10％～0.20％。
Nb：铌的加入是为了促进钢轧制显微组织的晶粒细化，可同时提高强度和韧性，铌可在控轧过程中通过抑制奥氏体再结晶，有效的细化显微组织，并通过析出强化基体，同时Nb的析出物的出现增加了有效氢陷阱的密度，使得出现氢致裂纹更加微小。但Nb含量超过一定范围时，焊接后的HAZ会形成MA岛，不利于韧性。本发明Nb含量优选控制在0.02％～0.045％。
V：在钢中加入V可以细化组织晶粒，提高强度和韧性，并在回火过程中提高钢板抗回火软化能力。添加量过小则效果不明显；V含量过高时钢的韧性与可焊接性降低。在适量的N含量基础上，V可以充分析出，使钢中颗粒尺寸和间距明显减小，能够产生沉淀强化，起到提高强度的作用，因此本发明将V含量控制在0.03～0.05％。
Ti：Ti通过微量含有而形成氮化物、碳化物或碳氮化物，具有使晶粒微细化而提高母材韧性的效果。但Ti元素含量过高时，过剩Ti易在贝氏体板条上及晶团界上以TiC析出，严重劣化钢板低温韧性。因此，本发明中Ti含量控制在0.007％～0.02％。
Alt：脱氧和细化晶粒元素，Al元素在高温时形成细小的AlN析出，在板坯/钢板加热奥氏体化时抑制奥氏体晶粒长大，达到奥氏体细化晶粒、提高钢在低温下的韧性的目的。Al含量过高会导致较大的Al的氧化物形成，降低钢板的低温冲击性能，同时连铸过程中铸坯易产生边角部裂纹，Alt优选含量控制在0.01％～0.03％。
O：对冲击韧性带来不利影响的元素，与钢中其他元素结合生成非金属夹杂物，成为裂纹源，本发明中O含量控制在不高于0.001％。
N：N元素会与AL形成粗大的ALN沿原奥氏体晶界析出，影响钢的淬透性及低温冲击韧性，本发明中N含量控制在不高于0.005％。
基于上述技术方案，进一步地，所述的FH36海工钢的屈服强度≥355MPa，抗拉强度490～630MPa，断面伸长率≥21％，Z向断面收缩率≥65％，钢板芯部-60℃夏比冲击功≥100J，抗氢致裂纹性能CSR≤2％、CLR≤15％、CTR≤5％。
本发明还提供上述的抗氢致开裂性能优异的FH36海工钢的制造方法，主要包括如下工序：冶炼工序→连铸和铸坯缓冷工序→轧制工序→快速冷却工序→缓冷工序。
基于上述技术方案，进一步地，冶炼工序前铁水深脱硫，冶炼工序包括转炉冶炼、炉外精炼和真空处理。
基于上述技术方案，进一步地，连铸和铸坯缓冷工序中，中包钢水过热度为25～30℃，全程保护浇铸，轻压下量为6～9mm，连铸坯厚度为250～300mm，连铸坯下线后堆垛缓冷，堆垛温度≥650℃，堆垛缓冷速率为5～6℃/h。
基于上述技术方案，进一步地，轧制工序中，连铸坯采用4段加热，分别为预热段、加热段1、加热段2和均热段，预热段加热温度750～820℃，加热段1加热温度900～1080℃，加热段2加热温度1130～1180℃，均热段加热温度1080～1130℃，预热段加热时间0.1～0.2min/mm，加热段1加热时间0.2～0.4min/mm，加热段2加热时间0.1～0.3min/mm，均热段加热时间0.3～0.5min/mm；
采用两阶段轧制，第一阶段开轧温度为950-1000℃，除展宽道次外单道次压下率≥15％；中间坯厚度为≥2倍成品厚度，中间坯采用水冷，冷却速率≥2℃/s，第二阶段开轧温度为760-820℃，单道次压下率≥11％，终轧温度为720-790℃。
基于上述技术方案，进一步地，均热出炉后铸坯采用高压水除磷1～5道，去除表面氧化铁皮的同时降低连铸坯温度。
基于上述技术方案，进一步地，终轧后的钢板直接进入快速冷却工序，快速冷却平均冷速≥5℃/s，返红温度480～550℃。
基于上述技术方案，进一步地，快速冷却工序采用DQ+ACC快速冷却系统。
基于上述技术方案，进一步地，缓冷工序中，进槽温度不低于350℃，缓冷时间不少于24h。
本发明相对于现有技术具有的有益效果如下：
(1)本发明通过合金成分设计-冶炼、连铸-控制轧制-控制冷却工艺耦合设计，制造得到具有良好的综合力学性能的海工钢，解决了FH36钢板强度、塑性、低温韧性(-60℃)及抗氢致裂纹性能难以匹配调和的问题，生产的钢板屈服强度≥355MPa，抗拉强度490～630MPa，断面伸长率≥21％，Z向断面收缩率≥65％，钢板芯部-60℃夏比冲击功≥100J，抗氢致裂纹性能CSR≤2％、CLR≤15％、CTR≤5％。
(2)本发明充分发挥宽厚板轧机和热处理机组的技术装备优势，结合250～300mm厚度连铸板坯，开发的超高强、高韧性海工钢厚钢板成品最大厚度60mm。
(3)钢板显微组织为贝氏体+铁素体+少量珠光体的混合组织。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例涉及的附图进行简单地介绍。
图1为实施例2制备的海工钢的金相组织照片(200倍)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细的说明，但本发明的实施方式不限于此，显而易见地，下面描述中的实施例仅是本发明的部分实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，获得其他的类似的实施例均落入本发明的保护范围。
实施例1-13
本实施例提供一种抗氢致开裂性能优异的FH36海工钢的制备方法，实施例海工钢的化学成分及重量百分比见表1：
表1实施例中FH36海工钢的化学成分及重量百分比(wt％)
实施例 C Si Mn P S Cu Ni Cr Nb V Ti Alt O N Ceq
1 0.071 0.25 1.19 0.008 0.002 0.26 0.48 0.19 0.041 0.041 0.014 0.016 0.0009 0.0031 0.365
2 0.066 0.31 1.09 0.007 0.002 0.22 0.51 0.15 0.039 0.046 0.012 0.018 0.0008 0.0024 0.336
3 0.081 0.17 0.99 0.01 0.001 0.19 0.41 0.18 0.031 0.039 0.016 0.024 0.001 0.0033 0.330
4 0.094 0.14 0.91 0.009 0.002 0.22 0.46 0.17 0.036 0.036 0.013 0.019 0.0007 0.0035 0.332
5 0.061 0.16 1.17 0.011 0.002 0.34 0.55 0.14 0.029 0.049 0.010 0.014 0.0008 0.0042 0.353
6 0.079 0.26 1.08 0.008 0.001 0.16 0.38 0.13 0.024 0.044 0.009 0.021 0.0009 0.0041 0.330
7 0.069 0.21 1.16 0.009 0.002 0.29 0.44 0.18 0.034 0.032 0.008 0.025 0.0007 0.0034 0.353
8 0.087 0.19 1.01 0.012 0.002 0.18 0.36 0.16 0.026 0.031 0.009 0.019 0.0009 0.0028 0.330
9 0.074 0.29 0.96 0.008 0.001 0.28 0.31 0.19 0.021 0.038 0.017 0.023 0.0007 0.0035 0.319
10 0.079 0.16 0.97 0.007 0.001 0.23 0.47 0.11 0.037 0.034 0.011 0.018 0.0007 0.0033 0.316
11 0.055 0.33 0.98 0.008 0.002 0.35 0.55 0.18 0.042 0.041 0.016 0.014 0.0008 0.0032 0.323
12 0.091 0.15 1.09 0.006 0.002 0.17 0.51 0.15 0.031 0.042 0.015 0.018 0.0009 0.0041 0.356
13 0.078 0.19 0.99 0.009 0.001 0.31 0.41 0.16 0.024 0.033 0.012 0.024 0.0007 0.0043 0.330
包括如下步骤：
1)冶炼、连铸和铸坯缓冷：采用铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理和连铸工艺进行生产，中包钢水过热度见表2，全程保护浇铸，开启电磁搅拌并配合轻压下工艺，轻压下量见表2，连铸后得到连铸坯，连铸坯厚度250～300mm，连铸坯下线后堆垛缓冷，堆垛温度和堆垛缓冷速率见表2；
表2实施例中FH36海工钢的的连铸和铸坯缓冷堆垛工艺参数
2)轧制工艺：连铸坯4段加热，4个加热段分别为预热段、加热段1、加热段2和均热段，预热段加热温度及加热时间、加热段1加热温度及加热时间、加热段2加热温度及加热时间、均热段加热温度及加热时间见表3；铸坯出炉后高压水除磷2～3道，去除表面氧化铁皮的同时降低连铸坯温度，采用两阶段轧制，第一阶段开轧温度、最小单道次压下率(除展宽道次外)以及中间坯厚度见表4，改善板坯铸态组织，降低钢坯待温厚度，缩短钢板待温时间；中间坯厚度为2倍成品厚度，中间坯采用水冷，冷却速率见表4，第二阶段开轧温度、最小单道次压下率及终轧温度见表4。第一阶段轧制充分实现钢板1/4和1/2厚度位置的奥氏体再结晶，同时避免再结晶后奥氏体晶粒长大，第二阶段在Ar3以下30～50℃引入应变，促进奥氏体晶粒中铁素体形核质点的大量产生，其相变后的显微组织由低碳贝氏体铁素体晶粒、超细铁素体或少量珠光体或MA等构成并得到明显细化，这种细化的晶粒具有大角度晶界，增大了裂纹扩展路径的长度，提高了材料断裂阻力和消耗能，因而增强了材料的止裂能力。
3)冷却工艺：终轧之后钢板直接冷却，采用DQ+ACC快速冷却系统，平均冷速和返红温度见表4，通过控制轧后冷却实现显微组织控制。
表3实施例中FH36海工钢的板坯加热工艺参数
表4实施例中FH36海工钢的轧制及冷却工艺参数
4)缓冷工艺：冷却结束后立即放入缓冷槽，进槽温度不低于350℃，缓冷时间不少于24h，获得钢板成品，钢板成品的力学性能和抗氢致裂纹性能见表5-6。
表5实施例中FH36海工钢的力学性能
表6实施例中FH36海工钢的抗氢致裂纹性能
注：采用NACEA溶液根据相关标准，5％NaCl+0.5％CH3COOH+饱和H2S水溶液持续浸泡96小时。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种抗氢致开裂性能优异的FH36海工钢，其特征在于，所述的FH36海工钢的化学成分及质量百分比如下：C：0.05％～0.10％；Si：0.10％～0.35％；Mn：0.90％～1.20％；P：≤0.012％；S≤0.002％；Cu：0.15％～0.40％；Ni：0.30％～0.60％；Cr：0.10％～0.20％；Nb：0.02％～0.045％；V：0.03～0.05％；Ti：0.007％～0.02％；Alt：0.01％～0.03％；O≤0.001％；N≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质，Ceq≤0.38％，其中，Ceq＝C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5。
2.根据权利要求1所述的FH36海工钢，其特征在于，所述的FH36海工钢的屈服强度≥355MPa，抗拉强度490～630MPa，断面伸长率≥21％，Z向断面收缩率≥65％，钢板芯部-60℃夏比冲击功≥100J，抗氢致裂纹性能CSR≤2％、CLR≤15％、CTR≤5％。
3.权利要求1或2所述的抗氢致开裂性能优异的FH36海工钢的制造方法，其特征在于，主要包括如下工序：冶炼工序→连铸和铸坯缓冷工序→轧制工序→快速冷却工序→缓冷工序；
轧制工序中，连铸坯采用4段加热，分别为预热段、加热段1、加热段2和均热段，预热段加热温度750～820℃，加热段1加热温度900～1080℃，加热段2加热温度1130～1180℃，均热段加热温度1080～1130℃，预热段加热时间0.1～0.2min/mm，加热段1加热时间0.2～0.4min/mm，加热段2加热时间0.1～0.3min/mm，均热段加热时间0.3～0.5min/mm；
采用两阶段轧制，第一阶段开轧温度为950-1000℃，除展宽道次外单道次压下率≥15％；中间坯厚度为≥2倍成品厚度，中间坯采用水冷，冷却速率≥2℃/s，第二阶段开轧温度为760-820℃，单道次压下率≥11％，终轧温度为720-790℃。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，冶炼工序前铁水深脱硫，冶炼工序包括转炉冶炼、炉外精炼和真空处理。
5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，连铸和铸坯缓冷工序中，中包钢水过热度为25～30℃，全程保护浇铸，轻压下量为6～9mm，连铸坯厚度为250～300mm，连铸坯下线后堆垛缓冷，堆垛温度≥650℃，堆垛缓冷速率为5～6℃/h。
6.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，均热出炉后铸坯采用高压水除磷1～5道，去除表面氧化铁皮的同时降低连铸坯温度。
7.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，终轧后的钢板直接进入快速冷却工序，快速冷却平均冷速≥5℃/s，返红温度480～550℃。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，快速冷却工序采用DQ+ACC快速冷却系统。
9.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，缓冷工序中，进槽温度不低于350℃，缓冷时间不少于24h。
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