一種抗低溫應變時效脆性的超高強度船板及其生產(chǎn)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種抗低溫應變時效脆性的超高強度船板及其生產(chǎn)方法，鋼的化學成分為：C0.04%~0.08%，Si0.15%~0.45%，Mn0.8%~1.2%，P0.005%~0.015%，S≤0.005%，Al0.02%~0.08%，N≤0.005%，還有Cu0.05%~0.50%，Ni0.05%~0.40%，V0.02%~0.10%，Nb0.005%~0.05%，Ti0.005%～0.05%，Ca0.0005%~0.006%中的2種以上。板坯加熱溫度1100~1150℃，再結(jié)晶區(qū)開軋溫度1050～1100℃，終軋溫度880~940℃，累積變形量≥60%，空冷到810～840℃開始未再結(jié)晶區(qū)軋制，終軋溫度780～820℃，累積變形量≥50%；軋后層流冷卻，冷速8～15℃/s，返紅溫度550～640℃。本發(fā)明獲得具有低應變時效敏感系數(shù)、滿足極寒氣候條件下使用的超高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼。
【專利說明】一種抗低溫應變時效脆性的超高強度船板及其生產(chǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超高強度結(jié)構(gòu)鋼制造【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種具有優(yōu)良抗應變時效性的超高強度低溫船用鋼板及其制造方法，包括煉鋼和精煉、連鑄、軋制和冷卻工藝，用于低溫環(huán)境使用條件下的船舶或海洋平臺結(jié)構(gòu)用鋼。
【背景技術(shù)】
[0002]鋼板經(jīng)冷加工塑性變形或達到規(guī)定的塑性應變后，在室溫或較高溫度下表現(xiàn)出的強度與硬度升高而塑性和韌性下降的現(xiàn)象，稱為應變時效。在船體建造過程中，鋼板要經(jīng)受各種形式的冷、熱彎曲，其中冷彎曲加工包括冷矯、輥彎、模壓、卷邊和折邊彎曲等。為保證船體結(jié)構(gòu)的建造質(zhì)量，要求鋼板必須具有良好的冷加工性能，及鋼材加工時易于成形，不產(chǎn)生裂紋等缺陷；在加工后仍能滿足強度、塑性和韌性要求，這就要求對鋼的應變時效敏感性有嚴格的要求，以確保材料在使用過程中的性能穩(wěn)定。高強度低溫船體結(jié)構(gòu)用鋼，在低溫、海浪和冰層撞擊等惡劣條件下使用，應變時效敏感性的大小對材料的塑性、尤其是低溫韌性顯著相關(guān)，應變時效增加鋼的冷脆傾向，使韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。當材料的抗應變時效敏感性較小時，則材料在低溫環(huán)境下的韌性驟降，船體結(jié)構(gòu)用鋼板受到撞擊等塑性變形后，極易發(fā)生裂紋起裂、擴展、甚至失穩(wěn)斷裂，對船身安全性造成嚴重威脅。因此，提高材料的抗應變時效性是高強度低溫船體結(jié)構(gòu)用鋼制備的控制關(guān)鍵之一。
[0003]應變時效性與鋼材成分、冶煉方法、塑性應變量的大小及溫度條件等因素相關(guān)。如鋼材的含碳量、合金元素的種類和含量對材料的應變時效會產(chǎn)生影響；隨著鋼材冷加工塑性變形應變量的增大，應變時效后低溫韌性的降低越顯著。出現(xiàn)應變時效最明顯的時間與溫度條件有關(guān)，溫度越高，出現(xiàn)應變時效的時間就越短，甚至在不到I小時即出現(xiàn)最大的應變時效量；而當溫度大于300°c后，應變時效將逐漸減弱以至消失。此外，V型缺口導致應力更易集中，材料抗沖擊能力下降；特別是經(jīng)過5%應變后，晶格發(fā)生畸變，在隨后的250°C高溫時效過程中，鋼中固溶的N、C原子將析出于晶界和位錯處，產(chǎn)生晶界脆化和位錯塞積，從而導致抗沖擊能力下降。就 鋼材本身而言，低溫狀態(tài)下材料易發(fā)生晶界脆化，材料抗沖擊能力下降。為提高材料的抗應變時效性，應從材料的成分設(shè)計、制備工藝等多方面采取嚴格的控制措施。
[0004]CN200610124380.5公開了“一種改善鋼板的低溫韌性和應變時效低溫韌性的方法”，采用低碳和微合金成分設(shè)計與控軋-控冷工藝相結(jié)合，使熱軋鋼板的低溫韌性性僅能滿足_40°C溫度要求，應變時效后的低溫韌性能滿足-20°C溫度要求，該性能指標無法滿足極寒氣候條件下低溫船用鋼_60°C以下的使用要求。CN200810114810.4中提到的“一種提高正火鋼板力學性能的熱處理方法”，其特征在于，采用軋后離線熱處理的方式，將熱軋后的鋼板置于淬火爐中進行正火處理，保溫一定時間，出爐后放入淬火機進行弱水冷處理。該發(fā)明鋼及生產(chǎn)工藝在增加了軋后熱處理的工序環(huán)節(jié)。
[0005]CN200780043094.9 、CN200780018634.8 和 CN201010251848.3 等三個專利分別公開了具有抗應變時效性的管線用鋼及其制造方法。CNO1801055.5和CN200680010439.6兩項專利針對汽車用鋼板，為實現(xiàn)汽車用鋼優(yōu)良的沖壓成形性，根據(jù)現(xiàn)有的燒結(jié)涂裝工藝相特點，通過鐵素體相的硬化，利用應變時效硬化特性，改善應變時效處理后鋼板的疲勞性倉泛。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于提供一種抗低溫應變時效脆性的超高強度船用鋼及其制造方法，采用潔凈鋼冶煉、低碳含量、微合金化和兩階段控軋+軋后加速冷卻工藝，使C、N化物在低溫段應變誘導析出，減少鋼中C、N固溶量，避免因C、N化物時效析出聚集所導致的晶界脆化和韌性降低，獲得具有低應變時效敏感系數(shù)、滿足極寒氣候條件下使用的超高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼。
[0007]—種抗低溫應變時效脆性的超高強度船板，其特征在于，按重量百分比包含如下組分:
[0008]C:0.04%~0.08%, Si:0.15%~0.45%, Mn:0.8%~1.2%, P:0.005%~0.015%, S ^ 0.005%,Als:0.02%~0.08%, N ≤ 0.005%,作為化學成分還有 Cu:0.05%~0.50%, Ni:0.05%~0.40% ；V:
0.02%~0.10%, Nb:0.005%~0.05%, Ti:0.005% ~0.05%, Ca:0.0005%~0.006% 中的 2 種以上，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0009]在抗低溫應變時效脆性的超高強度船用鋼中，所采用的組分作用如下:
[0010]C:是有效提高鋼板強度的廉價元素，但隨著碳含量的提高，則顯著降低鋼板的塑性、低溫韌性、抗應變時效性和焊接性。
[0011]S1:在煉鋼過程中可以作為脫氧劑和還原劑，適當提高Si含量以彌補因C含量降低引起的鋼板強度下降，但當含量超過0.5%時將促進MA島的形成，損害焊接性和低溫韌性。
[0012]Mn:適量的錳可以改善鋼的強度和韌性，但過高則在鑄坯中產(chǎn)生偏析，進而造成軋制后難以消除的組織帶狀，降低鋼板橫向性能和抗層狀撕裂性。
[0013]Al:作為鋼中常用的脫氧劑，適量的鋁可以細化晶粒、提高沖擊韌性，當鋁與N結(jié)合時，防止N在鋼中固溶而產(chǎn)生應變時效；鋁過高則使夾雜物含量增多，降低焊接性。
[0014]Cu:為奧氏體穩(wěn)定化元素，適量的銅可以提高鋼板的強度和耐蝕性，改善低溫韌性，加入過多則易造成熱脆而破壞鋼板表面質(zhì)量。
[0015]N1:是有效改善低溫韌性的元素，在含銅鋼中加入適量的鎳，可以抑制熱軋過程中產(chǎn)生的熱脆。
[0016]V:與自由N結(jié)合，有效降低鋼中自由N含量，降低鋼的應變時效性。同時，V在較高溫度下的部分析出，提高了鋼的奧氏體未再結(jié)晶區(qū)溫度，細化晶粒，而固溶和析出的V不僅可以提高鋼的強度，對塑性的提高也有益。
[0017]T1:微量鈦與鋼中C、N結(jié)合，形成細小穩(wěn)定的C、N化物顆粒，在板坯加熱過程中可以有效阻止奧氏體晶粒粗化，焊接時可以抑制焊接熱影響晶粒粗化，改善基體組織和焊縫熱影響區(qū)的低溫韌性。
[0018]Nb:產(chǎn)生細晶強化的關(guān)鍵元素之一，在控軋過程中通過抑制奧氏體再結(jié)晶實現(xiàn)顯微組織的細化，同時提高鋼的強度和韌性。
[0019]Ca:通過鈣處理實現(xiàn)對鋼中夾雜物的變性及潔凈鋼液，CaO與Al2O3夾雜物結(jié)合形成鋁酸鈣上浮進入渣中；Ca與S結(jié)合形成的球狀夾雜物，可以提高鋼板橫向性能。Ca加入量的多少取決于鋼中S含量的高低，Ca加入量過少，處理效果不佳；Ca加入量過多，形成Ca (O, S)的尺寸過大，脆性增大，極易造成裂紋源，降低鋼的低溫韌性，降低鋼的潔凈度。
[0020]N:N的控制范圍與Ti和Als的控制范圍相對應，如果N含量過高，鋼中自由N增加，顯著降低鋼的抗應變時效性和低溫韌性。
[0021]一種抗低溫應變時效脆性的超高強度船板的生產(chǎn)方法包括以下步驟:
[0022]I)冶煉工序:包括鐵水預處理、轉(zhuǎn)爐冶煉、爐外精煉、板坯連鑄等工序，其中鐵水預處理后S含量應盡可能小于0.003%，轉(zhuǎn)爐冶煉控制渣堿度，擋渣出鋼，鋼渣厚度< 100mm，精煉喂硅鈣線量3~5m/t，中間包鋼水澆注溫度≤1550°C，鋼水過熱度≤25°C，全程保護澆鑄。鑄坯下線堆冷> 72h后方可進行軋制。
[0023]2)軋制工序:板坯加熱溫度110(Tll5(TC，均熱時間30~200min，板坯出爐后采用高壓水除鱗。實施二階段控制軋制，第一階段為再結(jié)晶區(qū)軋制，開軋溫度1050~1100°C，一階段終軋溫度88(T940°C，累積變形量≥60%，得到中間坯，中間坯厚度為2倍成品厚度；空冷到810~840°C開始第二階段未再結(jié)晶區(qū)軋制，終軋溫度780~820°C，此階段累積變形量≥50% ;軋后鋼板進入層流冷卻，冷卻速率8~15°C /s，返紅溫度550~640°C。
[0024]1、采用低碳并添加少量Nb、Ti或Cu、Ni等低成本成分體系，通過TMCP控軋和加速冷卻實現(xiàn)組織、性能控制，在線獲得具有超高強度的船體結(jié)構(gòu)用鋼，減少了離線熱處理工序,降低生產(chǎn)成本。
[0025]2、在軋制工序中，對兩階段控制軋制壓下量的分配提出具體工藝要求，第一階段充分利用再結(jié)晶區(qū)大變形量軋制，獲得足夠的形變相變形核部位和畸變能，細化形變奧氏體晶粒并在隨后的冷卻中使細小的奧氏體晶粒保持下來，實現(xiàn)對相變前、后的組織細化，提高脆性裂紋擴展功。
[0026]3、通過優(yōu)化冷卻工藝改善低溫脆性，當軋后冷速過小時，則細晶組織難以獲得，降低材料抵抗裂紋傳播能力；冷速過大則導致瞬間溫降過快，會抑制C、N原子析出，從而固溶在基體組織中，盡管在一定程度上提高了鋼板強度，但在后續(xù)的變形及時效過程中析出，形成晶界脆化，降低韌性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為實施例2的顯微組織及析出相形貌。
【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明鋼實施例1~5的化學組成如表1所示。采用連鑄板還厚度230mm,經(jīng)4~10的壓縮比，軋制成不同厚度規(guī)格的成品鋼板，各實施例制備工藝參數(shù)如表2所示。
[0029]表1發(fā)明鋼化學成分(wt%)
[0030]
【權(quán)利要求】
1.一種抗低溫應變時效脆性的超高強度船板，其特征在于鋼的化學成分的重量百分比為:C:0.04%~0.08%, Si:0.15%~0.45%, Mn:0.8%~1.2%, P:0.005%~0.015%, S ≤ 0.005%,Als:0.02%~0.08%, N ≤ 0.005%,作為化學成分還有 Cu:0.05%~0.50%, Ni:0.05%~0.40%, V:0.02%~0.10%, Nb:0.005%~0.05%, Ti:0.005% ~0.05%, Ca:0.0005%~0.006% 中的 2 種以上，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.一種用于權(quán)利要求1所述的抗低溫應變時效脆性的超高強度船板的生產(chǎn)方法，其特征在于:板還加熱溫度110(Tll50°C,均熱時間30~2001]1丨11,板還出爐后采用高壓水除鱗，實施二階段控制軋制，第一階段為再結(jié)晶區(qū)軋制，開軋溫度1050~110(TC，一階段終軋溫度88(T940°C，累積變形量≤60%，得到中間還，中間坯厚度為2倍成品厚度；空冷到810~840°C開始第二階段未再結(jié)晶區(qū)軋制，終軋溫度780~820°C，此階段累積變形量≤50% ;軋后鋼板進入層流冷卻，冷卻速率8~15°C /s，返紅溫度550~640°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的抗低溫應變時效脆性的超高強度船板的生產(chǎn)方法，其特征在于:所述板坯通過鐵水預處理、轉(zhuǎn)爐冶煉、爐外精煉、板坯連鑄而成，其中鐵水預處理后S含量小于0.003%，轉(zhuǎn)爐冶煉控制渣堿度，擋渣出鋼，鋼渣厚度≤100mm，精煉喂硅鈣線3~5m/t，中間包鋼水澆注溫度≤1550°C，鋼水過熱度< 25°C，全程保護澆鑄，鑄坯下線堆冷≤72h。
【文檔編號】C22C38/16GK103882305SQ201210559488
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月21日
【發(fā)明者】嚴玲, 葉其斌, 張朝鋒, 王勇, 周成 申請人:鞍鋼股份有限公司