具有超高強度和衝擊韌性的船板鋼及其製備方法

2023-05-13 04:35:46 1

專利名稱：：具有超高強度和衝擊韌性的船板鋼及其製備方法
技術領域：
：本發明涉及一種高強高韌船板鋼及其生產工藝，具體涉及一種目標屈服強度不低於620MPa，抗拉強度720890MPa，基體和焊接熱影響區(HAZ)-6(rC夏氏衝擊功大於41J的超高強度船板鋼及其製備方法。
背景技術：
：隨著世界經濟的發展和貿易的增長，人們對低成本的船舶運輸方式的需求持續增長，同時各國對海洋生物和礦產資源的開發和研究也越為深入，且在強權政治影響未消除前，各國仍在大力增強海軍力量。基於上述因素，船舶工業在可預期的將來將有著廣闊的發展前景。而為滿足船舶在各種條件下的服役性能，人們對船板鋼性能的要求也愈加苛刻。一般而言，各家船級社大多要求船板鋼要具有強度03和Ob的匹配及穩定性、韌性及塑性的儲備足以經受船體在正常航行或突發事故中裂紋擴展和抗脆性斷裂，且還要求船板鋼具有良好的低溫韌性、焊接性能和耐海水腐蝕性能，以滿足船舶在建造中的各種冷、熱成形操作，不致形成表面損傷及產生微細裂紋，以及保證船舶在行駛過程中的安全性和可靠性。為此，各大船板鋼生產商紛紛致力於高強度船板鋼的開發和應用，掀起了對高級別船板鋼成分設計和生產工藝的研究熱潮。長期以來，國內外多採用微合金化成分設計和控軋控冷工藝有機結合的方法來生產高強度船用鋼板，其工藝的主要特點是通過優化成分，有效合理地使用Nb、V、Ti等微合金化元素，並通控制軋制和控制冷卻，提高船板鋼強度和韌性。但是，對於具有一定厚度的超高強度船板鋼，特別是F620和F690級別的船板鋼，是難以通過微合金化和控軋控冷工藝獲得所需要的屈服強度和低溫韌性的。為此，業界一直致力於研究具有超高強度和衝擊韌性的船板鋼，但該等船板鋼的強度、韌性和塑性大多不能達到良好的匹配，存在如下不足地方(1)雖然強度較高，但其低溫韌性明顯偏低。如公開號為CN1390972的發明專利所公開的一種低合金超高強度鋼種，雖然其屈服強度可達到8601200MPa，但其Ot:時的衝擊功僅^33J，遠不能滿足現代大型船舶的需要。(2)雖然強度、韌性均滿足要求，但其塑性較低。如公開號為CN101418417A的發明專利所公開的一種寬厚規格高強度船板鋼，其拉伸強度雖然可達到780MPa，但其延伸率明顯不足，僅^10%，又如公開號為CN1888120A的發明專利所公開的一種具有優良耐蝕性和抗疲勞性的超高強度鋼，雖然其屈服強度及拉伸強度可分別達到880MPa和980MPa以上，但其延伸率偏低，一般均《20%。
發明內容本發明的目的之一在於提出一種具有超高強度和衝擊韌性的船板鋼，該船板鋼目標屈服強度不低於620MPa，抗拉強度720890MPa，且基體和焊接熱影響區(HAZ)-6(TC夏氏衝擊功大於41J。為達到上述目的，本發明採用了如下技術方案—種具有超高強度和衝擊韌性的船板鋼，其特徵在於，該船板鋼包含的組分及其重量百分比分別為C0.030.05%、Si0.200.30%、Mn0.800.90%、Al0.030.04%、Nil.61.8%、Cu1.11.3%、Cr0.40.6%、Mo0.40.6%、Nb0.030.05%、Ti0.010.02%、P《0.01%、S《0.005%以及餘量的Fe和雜質。具體的講，所述船板鋼屈服強度^620MPa，抗拉強度720-890MPa，基體和焊接熱影響區_60"夏氏衝擊功>41J。本發明的另一目的在於提出一種製備如上所述具有超高強度和衝擊韌性的船板鋼的方法，該方法為製備具有與所述船板鋼相同組分的連鑄板坯，並將該板坯經加熱、保溫處理後進行熱軋處理，軋制形成的鋼板經空冷後，再依次經加熱淬火和回火工藝處理，形成成品船板鋼。該方法中，是將板坯加熱至1160122(TC，再進行保溫處理。所述保溫處理時間為2.03.0h。所述熱軋處理採用了兩階段軋制工藝，其中，第一階段為粗軋階段，開軋溫度為1100115(TC，第二階段為精軋階段，開軋溫度為89091(TC，且各軋制階段中的總壓下率均>50%。所述加熱淬火和回火工藝處理的工藝過程為將空冷後的鋼板加熱至89091(TC，保溫0.5lh，而後水淬冷卻至室溫，然後在65070(TC等溫回火，保溫lh。該方法具體包含如下步驟根據所述船板鋼組分配製冶煉原料，並採用BOF-LF-RH-CC工藝生產連鑄板坯；將上述板坯加熱至11601220°C，並保溫處理2.03.Oh;對板坯進行兩階段軋制，其中，粗軋階段的開軋溫度為1100115(TC，總壓下率>50%，精軋階段的開軋溫度為890910。C，總壓下率^50%;將軋制形成的鋼板空冷後，再重新加熱至890910°C，保溫0.5h，而後水淬冷卻至室溫，然後在65070(TC等溫回火，保溫lh，之後空冷，製得成品船板鋼。在該超高強度和低溫衝擊韌性的船板鋼中，所採用的組分作用如下碳(C):碳雖然是有效提高強度且成本低廉的合金元素，但其含量過高，除了不利於低溫韌性外，還會增加碳當量，降低焊接性能，但若含量過低，又會使NbC或生成量降低，影響控制軋制時的細化晶粒的效果，也會增加冶煉控制難度。矽(Si):矽在煉鋼過程中是作為還原劑和脫氧劑，矽和鉬、鉻等結合，可有效提高抗腐蝕性和抗氧化的作用，但超過0.5%時，損害鋼的韌性及焊接性能。錳(Mn):錳成本低廉，是一種有效提高鋼的淬透性的元素，可同時提高鋼的強度和韌性，改善鋼的熱加工性能，但錳含量過高，易在鑄坯中形成偏析，從而在軋件中形成帶鋼組織，降低鋼的韌性。鋁(Al):鋁是鋼中常用的脫氧劑，在鋼中加入少量的鋁，可細化晶粒，提高衝擊韌性。鋁還具有抗氧化性和抗腐蝕性能，但過高的鋁則會影響鋼的熱加工性能、焊接性能。鎳(Ni):鎳是一種能同時提高鋼的強度和韌性的元素，特別是改善低溫韌性，因此本專利所涉及的船板鋼中含有相對較高的Ni，以保證強度和低溫韌性的兼得，另外，鎳對酸鹼有較高的耐腐蝕能力，可有效延長鋼板在海水中的服役壽命。鉻(Cr):鉻是一種在適當添加範圍內能同時提高鋼的強度、韌性和耐蝕性的元素。當含量低於O.4%時，鋼板淬透性偏低，使強度偏低，當鉻含量過高時，會降低韌性，難於達到高強度下的強韌性匹配，同時還會增加碳當量，損害焊接性能。鉬(Mo):鉬存在於鋼的固溶體和碳化物中，有固溶強化和析出強化的作用，並可提高鋼的淬透性，但過多的鉬會損害焊接時形成的熱影響區的韌性，降低鋼的可焊性且成本高。鈮(Nb):鈮的加入是為促進鋼軋制顯微組織的晶粒細化，可同時提高鋼的強度和韌性，在鉬存在的條件下，鈮可在控軋過程中通過抑制奧氏體再結晶有效的細化顯微組織，並通過析出強化提高淬透性，另外，鈮可降低鋼的過熱敏感性及回火脆性。鈦(Ti):可形成細小的鈦的碳、氮氧化物顆粒，在板坯再加熱過程中可能阻止奧氏體晶粒的粗化而得到較為細小奧氏體顯微組織，鈦的氮化物顆粒的存在可抑制焊接熱影響區的晶粒粗化，鈦可同時提高基體金屬和焊接熱影響區的低溫韌性，阻止了游離氮對鋼的淬透性產生的不利影響。銅(Cu):銅是一種耐蝕元素，在一定P存在的條件下，可有效提高船板鋼在海水中的耐腐蝕性能，同時，Cu作為一種重要的添加元素，還可在回火過程中以Cu粒子的形式析出，實現析出強化，是主要的強化元素之一，且Cu的添加對焊接性能的影響很小，但是，過高的Cu在軋制過程中易引起熱脆，需同時添加Ni來抑制。綜合考慮上述因素，本發明採用了如上所述的化學組分配比。本發明的超高強度和衝擊韌性的船板鋼為一種熱處理鋼，其在製備工藝過程中，有著特殊的要求，即在冶煉工藝中，將目標化學成分的鋼水進行冶煉，並生成坯料時，必須採用純淨鋼冶煉工藝，這是提高鋼板低溫韌性的關鍵措施之一，而其中，坯料的冶金質量達到下述要求鋼中P和S含量必須在給定成分範圍之內，以保證最終的低溫韌性。其它各合金元素含量必須在給定成分範圍之內；鋼中無明顯鑄造缺陷，如疏鬆、縮孔和偏析等，以保證鑄坯在控軋後的組織均勻，以保證最終力學性能的獲得。在軋制過程中基於材料本身變形抗力和軋機軋制能力確定軋制工藝。軋制過程中總應變量的增加和終軋溫度的降低有利於最終性能的改善。軋後冷卻速率對熱處理(調質)的最終性能影響不大，可以採用空冷。為獲得與力學性能相匹配的微觀組織，即細化的回火板條馬氏體，必須對熱處理工藝進行精確控制。具體的說，是確定最佳的奧氏體溫度和保溫時間、淬火方式和介質以及回火溫度和回火時間。本發明中，軋制後鋼板在89091(TC保溫處理後得到了完全的奧氏體(經膨脹儀測定，該船板鋼的Arl和Ar3點分別為733。C和862°C)，同時又能保證Cu元素完全固溶於基體，有利於回火時Cu的析出強化，奧氏體化後採用水淬方式冷卻，以便得到板條馬氏體組織。回火溫度和時間的選擇，一方面要保證足夠的Cu析出強化效果，即要控制Cu析出相的大小、數量、形貌和間距等，既要保證Cu的充分析出，又不能使其過分粗化而失去強化效果。另外，由於析出強化損害韌性，因此，回火時還要兼顧低溫韌性的改善。本發明的船板鋼在65070(TC之間回火時能獲得優越的強度和低溫韌性的配比，尤其在68(TC回火60min的條件下更佳。5與現有技術相比，本發明具有以下優點1、本發明的控制軋制和控制冷卻工藝有很大的靈活性和柔性化；2、本發明的船板鋼具有良好的強度和低溫(-6(TC)韌性匹配，力學性能優異，且焊接性能良好，適用於製造船舶和海洋石油平臺。圖1是本發明具體實施方式中具有超高強度和低溫衝擊韌性的船板鋼的金相組織圖。熱處理條件900。C奧氏體化30min，水淬，68(TC回火lh。具體實施例方式以下結合附圖及具體實施例對本發明的技術方案作進一步說明。該具有超高強度和衝擊韌性的船板鋼化學成分(wt%)如表1所示。該具有超高強度和衝擊韌性的船板鋼的製備工藝為根據所述船板鋼組分，選取硫、磷較低的精鋼材為原料，配以適量的Ni，Cu等配製冶煉原料，並將其在規格為150Kg的真空感應爐裡冶煉，其後在惰性氣體保護下澆注，形成鑄錠，鑄錠最終化學成分亦如表1所示；將鑄錠冒口切除，鍛壓成規格為140mmX170mmX220mm的板坯；將板坯加熱至1180°C，並保溫處理3.Oh;將板坯在550mm軋機上經兩階段軋制，形成厚度為32mm、寬度為210mm的熱軋鋼板，其中，粗軋開始溫度為112(TC，道次間壓下率分別為11.4%、16.9%、17.5%、16.5%，總壓下量為50%，精軋開始溫度為91(TC，道次間壓下率分別為14.1%、14.8%、14.4%、14.6%、15.8%;熱軋鋼板不控制冷卻，空冷，而後將熱軋鋼板切割成適當大小的樣品，在箱式電阻爐裡經過一系列的淬火和回火(RQ-T)處理，其具體工藝參數和條件如表2所示，之後將樣品鋼板空冷，製得成品船板鋼。經力學測試，發現該成品船板鋼具有高強度、高塑性和優異的低溫韌性的綜合力學性能(如表2所示)，實現了強度和韌性的良好匹配，而且焊接性能良好，達到了挪威船級社F620級所要求的認證標準(見表3)。表1本發明具體方式中具有超高強度和衝擊韌性的船板鋼的化學成分組分CSiMnPSAlNiCuCrMoNbTiwt%0.040.240.840.0070.0040.031.91.丄50.490.500.040.01表2本發明具體方式中具有超高強度和衝擊韌性的船板鋼的熱處理工藝條件及其力學性能tableseeoriginaldocumentpage7表3挪威船級社所要求的認證標準(F620級)級別屈服強度/MPa抗拉強度/MPa延伸率/%衝擊功(-60°C)/JF620》620720-8901541上述實施例僅為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。權利要求一種具有超高強度和衝擊韌性的船板鋼，其特徵在於，該船板鋼包含的組分及其重量百分比分別為C0.03～0.05％、Si0.20～0.30％、Mn0.80～0.90％、Al0.03～0.04％、Ni1.6～1.8％、Cu1.1～1.3％、Cr0.4～0.6％、Mo0.4～0.6％、Nb0.03～0.05％、Ti0.01～0.02％、P≤0.01％、S≤0.005％以及餘量的Fe和雜質。2.根據權利要求1所述的具有超高強度和衝擊韌性的船板鋼，其特徵在於，所述船板鋼屈服強度^620MPa，抗拉強度720-890MPa，基體和焊接熱影響區_601:夏氏衝擊功>41J。3.—種製備如權利要求1所述具有超高強度和衝擊韌性的船板鋼的方法，其特徵在於製備具有與所述船板鋼相同組分的連鑄板坯，並將該板坯經加熱、保溫處理後進行熱軋成形，軋制形成的鋼板經空冷到室溫，再依次經加熱淬火和回火工藝處理，形成成品船板鋼。4.根據權利要求3所述的製備如權利要求1所述具有超高強度和衝擊韌性的船板鋼的方法，其特徵在於將板坯加熱至1160122(TC，再進行保溫處理。5.根據權利要求4所述的製備如權利要求1所述具有超高強度和衝擊韌性的船板鋼的方法，其特徵在於保溫處理時間為2.03.Oh。6.根據權利要求3所述的製備如權利要求1所述具有超高強度和衝擊韌性的船板鋼的方法，其特徵在於，所述熱軋處理採用了兩階段軋制工藝，其中，第一階段為粗軋階段，開軋溫度為11001150°C，第二階段為精軋階段，開軋溫度為890910°C，且各軋制階段中的總壓下率^50%。7.根據權利要求3所述的製備如權利要求1所述具有超高強度和衝擊韌性的船板鋼的方法，其特徵在於，所述加熱淬火和回火工藝處理的工藝過程為將空冷後的鋼板加熱至89091(TC，保溫0.5lh，而後水淬冷卻至室溫，然後在65070(TC等溫回火，保溫lh。8.根據權利要求4所述的製備如權利要求1所述具有超高強度和衝擊韌性的船板鋼的方法，其特徵在於，該方法具體包含如下步驟根據所述船板鋼組分配製冶煉原料，並採用BOF-LF-RH-CC工藝生產連鑄板坯；將上述板坯加熱至11601220°C，並保溫處理2.03.Oh;對板坯進行兩階段軋制，其中，粗軋階段的開軋溫度為1100115(TC，總壓下率>50%，精軋階段的開軋溫度為890910。C，總壓下率^50%;將軋制形成的鋼板空冷後，再重新加熱至89091(TC，保溫0.5h，而後水淬冷卻至室溫，然後在65070(TC等溫回火，保溫lh，之後空冷，製得成品船板鋼。全文摘要本發明涉及一種具有超高強度和衝擊韌性的船板鋼成分及其製備方法。該船板鋼包含的組分及其重量百分比分別為0.03～0.05％C、0.20～0.30％Si、0.80～0.90％Mn、0.03～0.04％Al、1.6～1.8％Ni、1.1～1.3％Cu、0.4～0.6％Cr、0.4～0.6％Mo、0.03～0.05％Nb、0.01～0.02％Ti、P≤0.01％、S≤0.005％，以及餘量的Fe和雜質。該方法為將與上述船板鋼組分相同的連鑄板坯依次進行加熱、保溫、熱軋，再經熱處理形成成品船板鋼。本發明的船板鋼具有良好的強度和低溫韌性匹配，力學性能及焊接性能優異，且製造工藝靈活、柔性化。本發明適於在造船工業，特別是強度和低溫韌性要求苛刻且具有可焊性的船板製造工藝中應用。文檔編號B21B37/74GK101705434SQ20091025932公開日2010年5月12日申請日期2009年12月18日優先權日2009年12月18日發明者劉東升,劉慶冬,程丙貴申請人:江蘇省沙鋼鋼鐵研究院有限公司