具有优良低温韧性的690MPa级别船舶及海洋工程用钢及其制造方法

摘要

具有优良低温韧性的690MPa级别船舶及海洋工程用钢及其制造方法，其成分重量百分比为：C 0.06～0.13％，Si 0.05～0.30％，Mn 0.70～1.30％，P≤0.015％，S≤0.0040％，Cr 0.15～0.50％，Ni 1.0～2.5％，Mo 0.10～0.40％，Cu≤0.50％，Al 0.01～0.06％，Ti 0.005～0.05％，V 0.01～0.05％，B≤0.0025％，Ca≤0.0045％，余Fe和不可避免杂质，且，

说明书

技术领域

本发明涉及高强度低合金钢制造领域，特别涉及具有优良低温韧性的690MPa级别船舶及海洋工程用钢及其制造方法。

背景技术

近年来，世界经济的快速发展加剧了能源的消耗，石油天然气等能源的开采逐渐由陆地向近海、深海延伸，作为海能源开发的必备装置，自升式、半潜式等各种海洋钻井、生产、生活平台得到了快速的发展，也促进了海洋平台用钢的不断进步。

海洋平台用钢是在船体结构钢的基础上发展起来的，最初建造的钢质平台都是用船体结构钢。随着科学技术的进步和开发海洋事业的蓬勃发展，海洋平台建造的数量不断增加，类型也日益增多；同时能源开采由浅海向深海发展，由温暖海域向低温海域发展，所以海洋平台要经受各种气候条件和风浪的袭击，经受海水的腐蚀，工作条件非常苛刻；此外，海洋平台的大型化趋势也很显著，结构复杂，焊接工作量大，应力集中程度高。因此对于海洋平台用钢的性能要求也越来越严格，即大厚度、高强度、优良低温韧性、可焊性和良好耐蚀性的苛刻要求。

中国专利公开号CN101418418A公开了“屈服强度690MPa级低裂纹敏感性钢板及其制造方法”，其采用超低C、较高Mn含量，Cr、Mo、B合金化，Nb、V、Ti微合金化，且不添加Ni、Cu元素的合金设计，其Pcm≤0.20％。采用控制轧制、控制冷却工艺，成品钢板厚度≤60mm。屈服强度≥690MPa，抗拉强度≥770MPa，-20℃冲击功≥150J。

中国专利公开号CN102226255A公开了“一种屈服强度690MPa高强韧钢板及其制备工艺”，其采用较低C、Mn，Cr、Ni、Mo、Cu合金化，，Nb、Ti的微合金化，不添加V、B的成分设计，采用控制轧制、控制冷却、以及淬火+回火热处理工艺。其成品钢板厚度50-100mm，屈服强度≥690MPa、抗拉强度≥750MPa，-80℃冲击功≥90J。

中国专利公开号CN102260823A公开了“一种经济型屈服强度690MPa级高强钢板及其制造方法”，其采用了超低C、高Mn，Nb、Ti微合金化，添加了B，且不含Cr、Ni、Mo、Cu的成分设计，其要求Pcm≤0.18％。其采用控制轧制、控制冷却及回火热处理工艺，其微观组织为贝氏体。钢板屈服强度≥690MPa，抗拉强度≥770MPa，-,40℃冲击功≥100J。

中国专利公开号CN103343285A公开了“一种690级超高强度海洋工程用钢板及其生产方法”，其采用较高C含量，中Mn含量，Nb、V、Ti微合金化，不添加Cr、Ni、Mo、Cu、B的成分设计。其采用控制轧制、控制冷却，淬火+回火热处理。成品钢板厚度≤80mm。钢板屈服强度695-760MPa，抗拉强度780-920MPa。

中国专利公开号CN102345045A公开了“一种海洋平台齿条用钢A514GrQ钢板及其生产方法”，其采用中C、中Mn、Cr+Ni+Mo+B合金化，Nb+V+Ti的微合金化成分设计。其在用控制轧制及正火热处理工艺，成品钢板厚度120-150mm。钢板屈服强度720-760MPa，抗拉强度830-880MPa，-40℃冲击功90-150J。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有优良低温韧性的690MPa级别船舶及海洋工程用钢及其制造方法，该钢种可用于船舶及海洋工程结构用钢板，特别是海洋工程结构的关键结构部件，且可在不同海域服役，尤其适用于北海等低温海域。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明采用低C、低Mn，Cr-Ni-Mo-Cu-B合金化及V、Ti微合金化成分体系。经转炉冶炼、LF+RH真空冶炼、连铸、控制轧制、热处理等制造工序，微观组织为回火索氏体+少量贝氏体组织(回火索氏体≥90％)，可制造出屈服强度≥690MPa、-60℃冲击功≥140J，NDT(Nil-Ductility Transition Temperature)温度≤-65℃，具有高强度优良低温冲击韧性的船舶及海洋工程用钢。

具体地，本发明所述的具有优良低温韧性的690MPa级别船舶及海洋工程用钢，其化学成分重量百分比为：C 0.06～0.13％，Si 0.05～0.30％，Mn 0.70～1.30％，P≤0.015％，S≤0.0040％，Cr 0.15～0.50％，Ni 1.0～2.5％，Mo 0.10～0.40％，Cu≤0.50％，Alt 0.01～0.07％，Ti 0.005～0.05％，V 0.01～0.05％，B≤0.0025％，Ca≤0.0045％，且，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明所述船舶及海洋工程用钢的微观组织为回火索氏体+少量贝氏体组织，回火索氏体≥90％，从而具有良好的强韧性匹配。

所述船舶及海洋工程用钢的屈服强度≥690MPa、-60℃冲击功≥140J，NDT温度≤-65℃。

在本发明钢的化学成份中：

碳C：最基本的强化元素。C溶解在钢中形成间隙固溶体，起固溶强化的作用，与强碳化物形成元素形成碳化物析出，则起到沉淀强化的作用，且C能够提高钢的淬透性。但太高的C对钢的延性、韧性、止裂性能和焊接性能不利，同时降低Nb、V等微合金化元素的固溶，影响析出强化效果，也会降低B的淬透性效果。所以C控制在0.06％～0.13％。

锰Mn：是低合金高强钢种最基本的合金元素，通过固溶强化提高钢的强度，以补偿钢中因C含量降低而引起强度损失。Mn还是扩大γ相区的元素，可降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性及止裂性能。Mn含量太高时，对于特厚规格的钢种而言，易在钢板中心位置产生偏析，减低中心部位的低温韧性。因此本钢种Mn含量为0.70％～1.30％。

S硫、P磷：不可避免的钢中有害杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷，恶化钢板的焊接性能、冲击韧性和抗HIC性能。因此，本发明中厚规格海洋平台用钢及其生产方法中控制P≤0.015％、S≤0.0040％，且须通过Ca处理夹杂物改性技术，使夹杂物形态球化且分布均匀，减少其对韧性和腐蚀性的影响。

钛Ti：是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.02％左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N，在板坯连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相。这种细小的TiN粒子可有效地阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度。对于特厚钢板而言，适量的Ti含量，有利于形成稳定的TiN粒子，在焊接时起到抑制热影响区晶粒长大，改善焊接热影响区的冲击韧性的作用。本发明中Ti含量限定在0.005％～0.05％。

钒V：V通过与C和N形成VN或V(CN)微细析出粒子，对钢的强化做出贡献。同时，V有利于提高调质后硬度的稳定性。但如含量太高，则成本增加显著。故其含量控制在0.01％～0.05％。

铬Cr：提高钢的淬透性的重要元素，因此对于特厚规格的钢板而言需添加较高的Cr提高淬透性以弥补厚度带来的强度损失，提高钢的强度改善厚度方向上性能的均匀性。Cr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。但太高的Cr和Mn同时加入钢中，会导致低熔点Cr-Mn复合氧化物形成，在热加工过程中形成表面裂纹，同时会严重恶化焊接性能。因此本发明中Cr含量应限定在0.15％～0.50％。

钼Mo：提高淬透性的元素，作用仅次于Mn，因此能有效提高强度；Mo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。但是，随Mo含量的增加，钢的屈服强度提高，因此太高的Mo有损塑性。本发明中Mo含量0.10％～0.40％。

镍Ni：提高材料低温韧性的元素。加入适量的Ni元素，降低晶体的层错能，有利于位错的滑移运动，改善材料的冲击韧性，尤其是特厚板中心部位的冲击韧性，并可提高钢板的止裂性能。Ni可以提高Mo的淬透性效果。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和疲劳性能；同时太高的Ni含量，不利于特厚板的焊接。因此本发明限定Ni含量为1.0％～2.5％。

铜Cu：适当提高钢的淬透性，并可以提高钢的抗大气腐蚀能力。但是过高的Cu会恶化钢的焊接性能，因此，本发明限定Cu含量为≤0.50％。

硼B：B主要是提高钢的淬透性，保证钢的力学性能。一般认为B含量小于0.0025％时，其效果最好。并且，其能够发挥作用的前提是必须固溶于钢中，Mo、Ti的添加有助于提高B的淬透性效果。因此，为了获得良好的淬透性效果，本发明限定B含量为≤0.0025％。

Al铝：是为了脱氧而加入钢中的元素，脱氧完全后，降低材料中的O含量，改善时效性能；此外，适量的Al有利于细化晶粒，改善钢材的强韧性能。本发明中限定Al含量为0.01～0.07％。

钙Ca：通过Ca处理可以控制硫化物的形态，改善钢板的各向异性，提高低温韧性，其含量少于0.001％时没有效果，而超过0.006％则会产生许多CaO、CaS，并形成大型夹杂物，对钢的韧性造成损害，甚至影响钢的焊接性能。所以规定Ca含量范围为≤0.0045％。

此外，化学成分应满足以下要求：主要旨在保持Al、Ti和V的细化晶粒元素之间平衡，进而避免细化晶粒元素总量足够，但Ti和V的过量添加会造成粗大析出物增加恶化韧性；主要是为了保证显微组织小红强淬透性元素的分布比例适合，以确保在晶界形成C、Mn和B的均匀碳化物组织，而非造成某种组织的集中聚集进而破坏组织的整体均匀性，尤其对于对于大厚度钢板更是如此；确保Mn和Ni有足量的添加，但不能占据较大的合金比例，否则难以确保合金元素含量的整体平衡，否则良好的强度和韧性匹配难以获得。

本发明所述的具有优良低温韧性的690MPa级别船舶及海洋工程用钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、炉外精炼、铸造；

按上述的成分冶炼、连铸成板坯；

2)板坯加热，加热温度单位℃；

3)控制轧制、空冷，

开轧温度＝(Tr-100)～(Tr-50)，单位℃；

单位℃；

累计压下量≥60％；

4)热处理，包括淬火+回火，或正火+淬火+回火，或回火+淬火+回火；

其中，

单位℃；

单位℃；

淬火之前的回火温度为580～600℃；

淬火之后的回火温度为620-640℃。

在本发明制造方法中：

板坯再加热温度(℃)其中合金元素为质量百分数。板坯再加热温度的设定，是为了以保证合金、微合金元素充分固溶及均匀化，并在随后的轧制过程中析出碳氮化物，或形成所需的物相，并提高钢的淬透性。

开轧温度(℃)：(Tr-100)～(Tr-50)。这主要是为了确保钢板在再结晶区开始轧制，以充分再结晶，细化晶粒。

其中合金元素为质量百分数。主要是为了使钢板在奥氏体区反复的大变形量的变形，增加形核点，促进碳氮化物的析出，达到沉淀析出强化的作用。

累计压下量≥60％。这主要是为了使钢板充分变形，晶粒细化，尤其是确保钢板心部变形充分，获得均一的组织。

正火温度设定要保证钢板完全奥氏体化，并使碳化物分布更为均匀。正火后的空冷能够细化晶粒，同时由于碳化物的分布更为均匀，能够为后续淬火做好准备。

淬火必须保证钢完全奥氏体化。但淬火温度过高，碳化物等析出物开始固溶，使奥氏体晶粒粗化，钢的淬透性提高，韧性却大幅度降低。因此，淬火加热温度按照上述公式确定。随后的水淬是为了获得较高的冷却速度，以得到马氏体。

淬火之前的回火温度：淬火之前的回火主要是为了消除内应力，从而使续淬火过程中保证良好的板形。因此，淬火之前的回火温度设定为580～600℃。

淬火之后的回火温度：620-640℃。淬火之后，需要进行回火热处理。但回火温度不能过高，以免强度降低过多，同时，回火温度也不能过低，以免钢的低温韧性不足。为此，将回火温度设定为620-640℃，可以获得晶粒尺寸细小的索氏体+少量贝氏体组织，使钢具有良好的强韧性。

本发明与现有技术的差异在于：

相较于中国专利公开号CN101418418A，本发明采用更高的C含量，更低的Mn含量，更高的Ni含量，添加了Ni、Cu，但不添加Nb，且不同成分之间有特有的要求。采用特有的控制轧制，以及热处理工艺技术，获得回火索氏体+少量贝氏体组织，不仅具有高强度(屈服强度≥690MPa)，而且具有非常优良的低温韧性(-60℃冲击功≥140J，NDT温度≤-65℃)。

相较于中国专利公开号CN102226255A，本发明采用更高的C、Ni含量，更低的Cu含量，添加了V、B，但不添加Nb的成分设计，且不同元素含量有严格的要求。采用特有的控制轧制，以及热处理工艺技术，获得回火索氏体+少量贝氏体组织，不仅具有高强度(屈服强度≥690MPa)，而且具有非常优良的低温韧性(-60℃冲击功≥140J，NDT温度≤-65℃)。

相较于中国专利公开号CN102260823A，本发明采用了更低的Mn含量，添加了Cr、Ni、Mo、Cu、V，但不添加Nb的成分设计，且不同元素含量有严格的要求。采用特有的控制轧制，以及热处理工艺技术(淬火+回火，或正火+淬火+回火，或回火+淬火+回火)，获得回火索氏体+少量贝氏体组织，不仅具有高强度(屈服强度≥690MPa)，而且具有非常优良的低温韧性(-60℃冲击功≥140J，NDT温度≤-65℃)。

相较于中国专利公开号CN103343285A，本发明采用了更低的C含量，添加了Cr、Ni、Mo、Cu、B，但不添加Nb的成分设计，且不同元素含量有严格的要求。采用特有的控制轧制，以及热处理工艺技术(淬火+回火，或正火+淬火+回火，或回火+淬火+回火)，获得回火索氏体+少量贝氏体组织，不仅具有高强度(屈服强度≥690MPa)，而且具有非常优良的低温韧性(-60℃冲击功≥140J，NDT温度≤-65℃)。

相较于中国专利公开号CN10234504A，本发明采用了更低的C含量，不添加Nb的成分设计，且不同元素含量有严格的特殊要求。采用特有的控制轧制，以及热处理工艺技术(淬火+回火，或正火+淬火+回火，或回火+淬火+回火)，获得回火索氏体+少量贝氏体组织，不仅具有高强度(屈服强度≥690MPa)，而且具有非常优良的低温韧性(-60℃冲击功≥140J，NDT温度≤-65℃)。

通过与国外及国内专利的对比可发现，本发明钢采用了独有的成分设计方法和制造工艺技术，可生产具有高的强度、良好的低温冲击韧性和良好可焊性的钢板，与现有专利在组织、成分、工艺设计上存在较大差别。

本发明的有益效果：

本发明可以制造厚度≤90mm的高强度、优良低温韧性的钢板，其力学性能：屈服强度≥690MPa，-60℃冲击功≥140J，NDT温度(Nil-Ductility Transition Temperature)≤-65℃。

本发明钢具有Ceq≤0.70％，Pcm≤0.30％，焊接性能优良，且具有较好的可切割性能；其中，Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15；Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。

本发明钢可用于制造船舶及海洋工程结构。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明钢实施例化学成份见表1，实施工艺见表2，设计了6种不同的化学成分，并结合合适的生产工艺，以制造不同厚度规格的钢板。

采用所述不同的实施工艺进行控制轧制及控制冷却，并对成品板进行棒状拉伸或板状拉伸、夏比V型缺口冲击、NDT性能检验(Nil-Ductility TransitionTemperature，NDT性能是衡量钢板止裂性能的重要指标)，得到的性能结果如表3所示。

可见，采用本发明制造的钢板，具有高强度、优良的低温韧性，同时具有合适的碳当量，具有较好的可焊性。

与以往的专利相比，本发明采用独特的化学成分及工艺设计，可以生产厚度规格在≤90mm的船舶及海洋工程结构用钢板。本发明生产的厚钢板可用于船舶及海洋工程结构的关键构件，符合我国当前对船舶及海洋工程装备用钢的发展需求，具有广阔的应用前景。