低温断裂韧性良好的海洋工程用钢及其制造方法

摘要

本发明公开低温断裂韧性良好的海洋工程用钢及其制造方法。钢中含有C：0.05％～0.10％，Si：0.2％～0.5％，Mn：1.0％～1.5％，Cu：0.20％～0.50％，Cr：1.00％～1.50％，Ni：1.6％～1.8％，P≤0.01％，S≤0.01％，Als：0.01％～0.05％，Nb：0.02％～0.04％，Ti：0.01％～0.02％，V：0.05％～0.07％，其余为Fe和不可避免的杂质。采用两个阶段控制轧制，第一阶段轧制温度为950～1050℃，单道次压下率≥15％；第二阶段轧制温度为840～880℃，单道次压下率大于10％；平均冷速＞3℃/s，返红温度为500～600℃；热处理采用两次淬火+回火方式，钢板的屈服强度≥620MPa，厚度60～100mm，低温断裂韧性良好。

说明书

技术领域

本发明属于钢铁材料制备领域，特别具有高强度、厚规格、优良低温韧性及断裂韧性的钢板及其制造方法。

背景技术

随着海洋石油、天然气资源开采日益增长，海洋工程用装备材料的需求不断增加，要求也日益提高。海洋平台用钢板必须具有高强度、高韧性、良好焊接性及厚规格的严格要求，特别对材料的断裂韧性性能极为重视。

高强度、厚规格海洋平台用钢的制造工艺一般采用调质工艺，而如何采用调质工艺生产出厚规格、高强度、优异低温韧性及断裂韧性的海洋工程用钢板是目前研究的重要方向。

公开号为CN104726773B的发明专利提出一种具有良好的-50℃低温韧性正火型高强度压力容器钢板及其制造方法，该专利成分设计如下：C：0.10％～0.22％；Si≤0.40％；Mn：1.10％～1.74％；P≤0.015％；S≤0.010％；Ni≤0.40％；V≤0.18％；N：0.0070％～0.0190％；Als：0～0.025％和Ti：0～0.018％；余量为Fe及不可避免的夹杂。此专利所采用的成分和制备工艺获得的钢板强度较低，低温韧性不足，没有实现良好的断裂韧性，且该专利实现的钢板厚度无法满足海洋工程用特厚钢板要求。

公开号为CN103436784B的发明专利提出一种海洋平台用钢板及其制造方法，该专利成分设计如下：C：0.10％～0.15％；Si：0.20％～0.50％；Mn：1.30％～1.60％；P≤0.015％；S≤0.005％；Als：0.015％～0.055％；Nb：0.030％～0.060％；V：0.040％～0.080％；Ti：0.008％～0.020％；Ni：0.20％～0.40％；余量为Fe及不可避免的夹杂。此专利化学成分及制造工艺实现的钢板强度较低，低温韧性不足，没有实现良好的断裂韧性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有高强度、优良低温断裂韧性和大厚度尺寸的海洋工程用钢板及其制造方法，为实现本发明目的，本发明者们从合金元素筛选与配比、钢质洁净度控制、工艺优化与参数选择、微观组织控制等几个方面进行了大量且系统的试验研究，最终确定了可满足本发明目的合金元素配比及制备工艺。

具体的技术方案是：

具有良好低温断裂韧性的海洋工程用钢，按重量百分比计，包括以下成分C：0.05％～0.10％，Si：0.2％～0.5％，Mn：1.0％～1.5％，Cu：0.20％～0.50％，Cr：1.00％～1.50％，Ni：1.6％～1.8％，P≤0.01％，S≤0.01％，Als：0.010％～0.050％，Nb：0.020％～0.040％，Ti：0.010％～0.020％，V：0.050％～0.070％，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明钢中各合金成分的作用机理如下：

C：是保证强度的必要元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但是过高的C含量对钢的延性、韧性，特别是焊接性有负面影响。从经济性和产品性能角度考虑，本发明将C含量控制在0.05％～0.10％。

Si：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，但若超过上限则会降低母材及焊接部位的韧性，以固溶形式存在的Si在提高强度的同时也能提高韧脆转变温度，因此本发明将Si含量控制为0.2％～0.5％。

Mn：是保证钢的强度和韧性的必要元素。为了提高本发明材料的强韧性，因此本发明将Mn含量范围控制为1.0％～1.5％。

Cu：在钢中加入Cu，可以提高钢的耐蚀性、强度，改善焊接性、成型性与机加工性等。与Ni同时使用，还可以避免热脆性。因此，本发明将Cu含量控制为0.20％～0.50％。

Ni：具有固溶强化作用，能促使合金钢形成稳定奥氏体组织，能提高钢的强度，特别是低温韧性，并改善Cu在钢中引起的热脆性，因此本发明Ni含量控制在1.6％～1.8％。

Cr：提高钢的淬透性的重要元素，对于厚规格船板及海洋工程用钢而言，添加适量Cr含量可以有效提高淬透性以弥补厚度带来的强度损失，改善厚度方向上性能的均匀性；但太高的铬和锰同时加入钢中，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。因此本发明中的Cr含量控制为1.00％～1.50％。

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，本发明将P含量控制在不高于0.01％。

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，本发明将S含量控制在不高于0.01％。

Als：作为本发明必须添加的脱氧和细化晶粒元素，添加含量在0.01％以上，但超过0.08％时容易产生铸坯热裂纹，同时钢的韧性降低。因此，本发明将Als含量控制在0.01％～0.05％。

Nb：有效细化钢的晶粒尺寸，作为提高钢的强度和韧性而添加的元素。当Nb含量小于0.01％时对钢的性能作用效果小，而超过0.05％时，钢的焊接性能和韧性均降低，因此本发明将Nb含量控制在0.02％～0.04％。

Ti：作为提高钢的韧性和焊接部位韧性而添加的成分，以TiN形式存在而发挥作用，但超过0.04％时易形成大颗粒TiN而失去效果，因此本发明将添加Ti含量范围控制为0.01％～0.02％。

V：在钢中可起到固溶强化的作用，在较低温度轧制时的析出可阻碍位错的运动，使奥氏体中有大量的位错，促进相变形核，细化最终组织，但过量V会对钢板的韧性和焊接产生不利影响，因此本发明添加V含量的范围为0.05％～0.07％。

一种具有良好低温断裂韧性的海洋工程用钢的制备工艺路线为：冶炼—铸坯加热—轧制—冷却—调质热处理。具体包括以下步骤：

(1)冶炼工艺：按照本发明的成分范围进行冶炼，冶炼、连铸后得到连铸坯，LF和RH精炼炉处理各需要10～30min，中包钢水过热度≤25℃，全程保护浇铸；钢中A、B、C、D类夹杂物满足：A≤1.0、B≤1.0、C≤1.0、D≤1.0的要求。连铸坯成型阶段采用动态轻压下技术，有效解决连铸坯的偏析情况。

(2)加热工艺：为防止加热过程中钢坯过热、原始奥氏体晶粒粗大，加热温度控制在1150～1200℃，均热温度控制在1150～1180℃，均热时间为30～60min；

(3)轧制工艺：对连铸坯进行两个阶段控制轧制，第一阶段为再结晶区轧制，轧制温度控制范围为950～1050℃，轧制过程采用慢速、大压下量轧制，单道次压下率在15％以上，其目的是通过单道大压下量变形使钢板1/4和1/2厚度位置的奥氏体再结晶，充分细化奥氏体晶粒；第二阶段为未再结晶区轧制，轧制温度在Ar3以上，范围为840～880℃，采用单道次压下率大于10％，目的是使奥氏体晶粒充分变形，为相变形核提供储能和位置，提高相变形核率。

(4)冷却工艺：采用平均冷速大于3℃/s的快速层流冷却系统，返红温度控制在500～600℃，其目的是控制相变组织构成及尺寸，钢板要进行缓冷，缓冷时间≥24h。

(5)热处理工艺：采用调质热处理工艺，包括：一次淬火温度为910～940℃，保温时间系数：1.0～1.2min/mm，冷却方式采用水冷；二次淬火温度为900～930℃，保温时间系数：1.0～1.2min/mm，冷却方式采用水冷；回火温度为580～620℃，保温时间系数：2.0～2.5min/mm，冷却方式采用空冷；

所述钢板成品厚度范围为60～100mm，制造方法采用控制轧制、控制冷却和调质热处理，在厚度方向上1/4和1/2处的屈服强度≥620MPa，抗拉强度720～890MPa，-80℃夏比冲击功≥200J，零塑性转变温度(NDTT)小于-60℃。显微组织为回火索氏体，其中包含了均有分布弥散分布的逆变奥氏体，晶粒尺寸10～20μm。

有益效果：

本发明同现有技术相比，有益效果如下：

(1)本发明通过添加适当Cu、Cr、Ni和微合金元素，有利于提高低温断裂韧性，控制硫磷含量，有利于提升钢坯内部质量，采用控制轧制和控制冷却方法，以及调质热处理工艺控制钢板厚度方向的显微组织和晶粒尺寸，特别是循环淬火+回火工艺可以大幅度提高钢板低温断裂韧性，通过化学成分及制备工艺相结合可以提高钢板厚度方向不同位置1/4和1/2厚度的低温冲击功、强度和断裂韧性，可满足620MPa级厚规格海洋工程用钢的力学性能要求。

(2)本发明钢在厚度方向上1/4和1/2处的屈服强度≥620MPa，抗拉强度720～890MPa，断后延伸率≥20％，-80℃夏比冲击功≥200J，零塑性转变温度(NDTT)≤-60℃，产品厚度60～100mm。

(3)本发明产品的制造工艺易于实现，产品性能稳定，成材率高。

附图说明

图1为实施例1的板厚1/4处显微组织；图2为实施例1的钢板心部显微组织；显微组织均为回火索氏体；

具体实施方式

以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。

本发明各实施例钢的化学成分如表1所示；本发明各实施例钢的冶炼工艺如表2所示；本发明各实施例钢的轧制工艺参数如表3所示；本发明各实施例钢的调质工艺如表4所示；本发明钢实施例钢的力学性能如表5所示。

表1本发明实施例钢的化学成分(wt％)

实施例CSiMnCuNiCrAlsNbTiV10.050.501.000.501.751.250.0210.0300.0190.05520.100.251.200.251.681.450.0440.0320.0120.06230.070.371.300.281.711.300.0430.0320.0180.05540.090.201.240.221.651.260.0350.0310.0190.05250.080.251.150.301.701.330.0420.0260.0100.05860.060.461.160.501.721.460.0370.0370.0150.06770.050.501.250.431.661.480.0300.0390.0110.06880.060.401.400.371.791.400.0410.0320.0130.051

备注：P≤0.01％，S≤0.01％，N≤0.005％。

表1本发明实施例钢冶炼工艺

表3本发明实施例钢轧制工艺

表4本发明实施例钢调质热处理工艺

表5本发明实施例钢常规力学性能

从以上实施例可知，按本发明方法生产的海洋工程用钢，钢板具有高屈服强度(≥650MPa)，优良的低温韧性(-80℃冲击功≥210J)，良好的断裂韧性(NDTT温度≤-60℃)，良好的厚度方向断面收缩率(Z≥40％)，大厚度尺寸(成品厚度60～100mm)的特点。