專利名稱：大規(guī)格高強(qiáng)度d40船用熱軋球扁鋼及生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于船用結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種大規(guī)格高強(qiáng)度D40船用熱軋球扁鋼及其生產(chǎn)工藝，所述的大規(guī)格是指40號(hào)及以上。
背景技術(shù)：
球扁鋼是一種主要應(yīng)用于各類大中型船舶建造的輔助型材，其用量?jī)H次于船用鋼板。研究表明，當(dāng)剖面模數(shù)相同或者相近時(shí)，球扁鋼的貫性矩一般都比不等邊角鋼、等邊角鋼、扁鋼和T型材大，而截面面積則更小，因此其成為提高主船體貫性矩、保證船體剛度，降低船體重量必不可少的構(gòu)件。隨著船體建造大型化、高速化以及自動(dòng)化方向發(fā)展，對(duì)船用球扁鋼提出了高強(qiáng)度、高低溫韌性以及大規(guī)格化的需求。球扁鋼屬于截面極度不對(duì)稱的異型截面鋼，一般采用孔型軋制，和板材軋制不同， 型鋼軋制往往受裝備條件、孔型設(shè)計(jì)等影響，在生產(chǎn)時(shí)無(wú)法采用在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)的大壓下，只能采用在奧氏體再結(jié)晶區(qū)多道次的輕壓下，一次的加工變形量和累計(jì)的壓下量均比較小，粗大的原始奧氏體晶粒很難細(xì)化，軋后又以空冷為主，整個(gè)截面均勻加速冷卻也很困難，導(dǎo)致組織粗化，無(wú)法得到細(xì)晶組織，因而無(wú)法像板材通過(guò)控軋控冷產(chǎn)生晶粒細(xì)化來(lái)獲得較好的強(qiáng)韌性配合。在高強(qiáng)度要求方面，傳統(tǒng)民用球扁鋼主要采用C-Mn合金設(shè)計(jì)，屈服強(qiáng)度一般不高于355MPa，如國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的各類A32、A36高強(qiáng)度船用球扁鋼。對(duì)于其它各類屈服強(qiáng)度要求更高的軍用球扁鋼，如10CrNi3MoV球扁鋼，雖然屈服強(qiáng)度可以達(dá)到390MPa，但交貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)熱處理態(tài)，組織狀態(tài)為低碳回火馬氏體組織，同時(shí)還要添加較高含量Ni、Cr、Mo等合金元素，成分較高。專利“高強(qiáng)度球扁鋼的生產(chǎn)工藝”(公開號(hào)CN1012^565A)介紹了一種高強(qiáng)度球扁鋼及其生產(chǎn)工藝，通過(guò)添加0. 01 0. 025%的Nb來(lái)細(xì)化最終的組織來(lái)提高鋼的強(qiáng)度，但生產(chǎn)的球扁鋼最高強(qiáng)度級(jí)別為A/D36。在低溫韌性要求方面，傳統(tǒng)民用高強(qiáng)度球扁鋼最低考核-20°C沖擊韌性。專利“提高高強(qiáng)度球扁鋼低溫沖擊性能合格率的生產(chǎn)方法”(公開號(hào)CN1012^564B)介紹了通過(guò)控制終軋后組織狀態(tài)來(lái)提高高強(qiáng)度球扁鋼低溫沖擊韌性的方法，但是該專利面向的是A/D36 球扁鋼，也僅僅可以提高球扁鋼-20°C低溫沖擊功。在大規(guī)格需求方面，傳統(tǒng)球扁鋼球頭尺寸均小于400mm(37號(hào)及以下)，為提高船體結(jié)構(gòu)的整體貫性矩，減輕船體結(jié)構(gòu)的重量，通常10萬(wàn)噸級(jí)以上的船體舭龍骨部位需要40 號(hào)及以上的大規(guī)格高強(qiáng)度球扁鋼，但是大規(guī)格球扁鋼由于坯料總體變形量小，終軋溫度高等特點(diǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高低溫韌性的要求。因此，現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法同時(shí)滿足球扁鋼高強(qiáng)度(390MI^及以上)、高韌性(最低考核-40°C沖擊功)以及大規(guī)格(40號(hào)及以上)的使用要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種40號(hào)及以上大規(guī)格高強(qiáng)度D40船用球扁鋼及其生產(chǎn)工藝，用于解決40號(hào)及以上大規(guī)格船用球扁鋼的高屈服強(qiáng)度和-40°C低溫沖擊功問(wèn)題；可以滿足10萬(wàn)噸級(jí)以上船體結(jié)構(gòu)對(duì)于40號(hào)及以上大規(guī)格球扁鋼高屈服強(qiáng)度和-40°C低溫沖擊功的要求。本發(fā)明所述問(wèn)題由以下技術(shù)方案解決本發(fā)明的40號(hào)及以上大規(guī)格高強(qiáng)度D40球扁鋼的化學(xué)成分按重量百分比為C 0. 08 0. 15, Si 0. 10 0. 50,Mn :1. 15 1. 75, S,P 彡 0. 020, V :0. 08 0. 15,Ni :0. 10 0. 50,Ti 0. 01 0. 03,Mg :0. 001 0. 01,Ca :0. 001 0. 01,0 :0. 001 0. ΟΙ,Ν 0. 016 0. 025，其中Mn/C彡14. 0，Ni彡0. 15，(Mg+Ca)/0彡1. 0，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。對(duì)本發(fā)明中使用的40號(hào)及以上大規(guī)格高強(qiáng)度D40球扁鋼的成分組成的限定理由進(jìn)行說(shuō)明，以下僅用％表示組成中的質(zhì)量百分比。C是提高鋼強(qiáng)度的有效成分，下限規(guī)定為0.08%，碳含量過(guò)低鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度不能滿足要求。此外，過(guò)量的碳會(huì)生產(chǎn)大量碳化物，增加珠光體的數(shù)量，顯著降低鋼的低溫韌性以及提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度，因此上限規(guī)定為0. 15%。Si作為脫氧元素而添加，也是固溶強(qiáng)化元素，最低添加為0. 10%。Si含量大于
0.50%時(shí)，促進(jìn)組織粗化，低溫韌性降低，焊接性變差。本發(fā)明Si控制在0. 10 0. 50%。Mn是保證鋼板強(qiáng)度的重要元素，也是增加碳氮量的重要元素。當(dāng)Mn含量低于
1.15%時(shí)，無(wú)法滿足鋼板屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的下限要求，同時(shí)S化物的有害作用增強(qiáng)。當(dāng) Mn含量高于1.75時(shí)，低溫韌性顯著降低。此外，Mn和C含量需要滿足Mn/C彡14.0，是本發(fā)明中重要控制因素，這主要基于本研究中的新發(fā)現(xiàn)Mn/C低于14.0時(shí)，組織中會(huì)得到少量粒狀貝氏體組織，顯著降低鋼的低溫韌性。P含量越少是本專利中所希望的，但工業(yè)上降低P含量需要花費(fèi)較大的成本，因此含量范圍規(guī)定為0. 02%以下。S含量越少是本專利中所希望的，但工業(yè)上降低S含量需要花費(fèi)較大的成本，因此含量范圍規(guī)定為0. 02%以下。V是一種沉淀強(qiáng)化效果顯著的微合金化元素，也是本發(fā)明中的重要元素。當(dāng)釩含量低于0.08%時(shí)，鋼的強(qiáng)度偏低，無(wú)法滿足屈服強(qiáng)度最低要求。同時(shí)，釩的析出還能促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體的形成，可在提高強(qiáng)度的同時(shí)提高鋼的韌性。但是，隨著釩含量的增加，析出物尺寸顯著增多，粒子增大，反而降低鋼的低溫韌性，同時(shí)促進(jìn)了鋼中M-A島狀組織的形成，因此釩含量應(yīng)控制在0. 15%。Ni是本發(fā)明中的重要元素，需要添加最少0. 10%，出于成本考慮，上限應(yīng)控制在 0. 50%。同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制Ni/Mn彡0. 15，這主要是由于Mn的增加會(huì)使組織中增加粒狀貝氏體，從而使M帶來(lái)的韌性的提高效果消失。Ti可以和鋼中的氮結(jié)合生成TiN顆粒，有利于抑制再加熱奧氏體晶粒的粗化，鋼中最低Ti含量應(yīng)控制在0. 01%。但是，過(guò)量的Ti會(huì)使得大量大顆粒Ti的氮化物存在，降低鋼的低溫韌性，因此上限規(guī)定為0. 03%。Mg，Ca是本發(fā)明中的關(guān)鍵元素，其均為鋼中強(qiáng)脫氧元素，會(huì)和鋼中0結(jié)合形成細(xì)小的氧化物顆粒，VN粒子在細(xì)小的MgCa氧化物上形核析出，復(fù)合粒子能較好的促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體的形核，細(xì)化鐵素體晶粒尺寸，顯著的提高低溫韌性。為保證大量細(xì)小粒子的析出，Mg、 Ca、0下限均控制為0. 001%。但是過(guò)量的Mg、Ca和0均會(huì)使得鋼中氧化物夾雜數(shù)量增多，尺寸增大，且無(wú)法起到細(xì)化鋼中組織作用，降低鋼的低溫韌性。因此，鋼中Mg、Ca、0含量的上限均控制為0. 01 %。同時(shí)，(Mg+Ca) /0彡1時(shí)，鋼中形成的氧化物數(shù)量較多，尺寸較小，且能使得VN粒子大量在氧化物上復(fù)合析出，顯著的細(xì)化最終的顯微組織，提高低溫韌性。N是本發(fā)明中的一種關(guān)鍵微合金化元素。N會(huì)和鋼中的V和Ti結(jié)合形成第二相析出物粒子，其中VN粒子會(huì)顯著的提高鋼的屈服強(qiáng)度以及促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體形核，細(xì)化最終的鐵素體晶粒尺寸。因此，要充分發(fā)揮鋼中V和Ti的作用，含量不宜低于0.016%。過(guò)高的增 N，出對(duì)連鑄操作和鑄坯質(zhì)量有負(fù)面影響外，還會(huì)在鋼中形成大量有力的氮，增加時(shí)效脆性， 顯著降低鋼的低溫韌性，其含量不宜超過(guò)0. 025%。本發(fā)明的40號(hào)及以上大規(guī)格高強(qiáng)度D40船用球扁鋼，主要面向的球頭尺寸 400-430mm，腹板厚度18_25mm的尺寸規(guī)格。球頭尺寸低于400mm或者腹板厚度低于18mm 的球扁鋼采用常規(guī)合金設(shè)計(jì)技術(shù)即可獲得。本發(fā)明的40號(hào)及以上大規(guī)格高強(qiáng)度D40船用球扁鋼，主要面向的是屈服強(qiáng)度大于或等于390MPa，腹板1/3部位縱向_40°C夏比沖擊功大于或等于41J性能要求。屈服強(qiáng)度低于390MPa或沖擊韌性低于上述要求的球扁鋼采用常規(guī)合金設(shè)計(jì)技術(shù)即可獲得。本發(fā)明的生產(chǎn)工藝步驟及控制的技術(shù)參數(shù)如下冶煉在煉鋼過(guò)程中采用直徑為12mm的釩氮合金絲在真空結(jié)束后喂入鋼液中，并底吹氬攪動(dòng)鋼液。由于真空處理會(huì)顯著降低鋼液中自由氮的含量，因此在真空后喂入釩氮合金絲有利于提高釩和氮的回收率，同時(shí)底吹氬氣攪拌，避免N原子相互結(jié)合生成氮?dú)?，降低鋼中氮的回收率。隨后采用直徑IOmm的Mg-Ca合金絲喂入鋼液中，主要為了獲得大量細(xì)小的Mg、Ca氧化物顆粒，采用氬氣攪拌可以讓氧化物顆粒均勻、細(xì)小的分部在鋼液中。熱軋其坯料加熱溫度為1150 1200°C，主要放置原始奧氏體晶粒尺寸顯著粗大化。采用低溫(終軋溫度850 950°C )以及終軋道次大變形量(15 20% )均會(huì)顯著的細(xì)化最終的鐵素體晶粒尺寸，提高低溫韌性。終軋后采用噴霧冷卻，冷速為2 10°C /s，可以進(jìn)一步的細(xì)化最終的鐵素體晶粒尺寸，提高鋼的低溫韌性。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明所述的40號(hào)及以上大規(guī)格高強(qiáng)度D40船用球扁鋼及生產(chǎn)工藝，可以同時(shí)滿足大規(guī)格(球頭尺寸400-430mm，腹板厚度18_25mm)、高屈服強(qiáng)度(彡390MPa)、高低溫沖擊韌性(Akv-40°C彡41J)的要求；2、本發(fā)明所述的40號(hào)及以上大規(guī)格高強(qiáng)度D40船用球扁鋼及生產(chǎn)工藝，可用于大型船舶扶強(qiáng)材，可在不大幅度提高船體重量的條件下顯著提高船體剛度和低溫條件下的使用安全系數(shù)。3、本發(fā)明所述的40號(hào)及以上大規(guī)格高強(qiáng)度D40船用球扁鋼及生產(chǎn)工藝，操作工藝簡(jiǎn)便，特別適用于要求大規(guī)格、高強(qiáng)度、高低溫韌性球扁鋼的生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式
下面將通過(guò)不同的實(shí)施例和對(duì)比例的比較來(lái)描述本發(fā)明。這些實(shí)施例僅用于解釋的目的，本發(fā)明不限于這些實(shí)施例中。 表1為實(shí)施例和對(duì)比例中各種球扁鋼的化學(xué)成分，其中實(shí)施例鋼4種，對(duì)比例鋼4 種。這些球扁鋼采用100噸轉(zhuǎn)爐冶煉，經(jīng)冶煉、連鑄、軋制工藝流程，分別制備成40號(hào)、43號(hào)，腹板厚度為18mm、20mm的鋼種，冶煉和連鑄時(shí)按照以下工藝要點(diǎn)控制1)采用LF+RH煉鋼工藝，RH結(jié)束后喂入直徑12mm的釩氮合金絲，吹氬攪拌;3min ； 隨后喂入直徑IOmm的Mg-Ca合金絲，吹氬攪拌5min。2)連鑄過(guò)程中控制過(guò)熱度低于20°C，連鑄坯矯直溫度高于920°C ；3)鋼坯加熱溫度1180士20°C，均熱段加熱時(shí)間3h ；4)開軋溫度1100 1150°C，終軋溫度880士20°C，終軋道次變形量15% ；5)軋后噴霧冷卻，冷速2 10°C /s。從表1可以看出，按照本發(fā)明制備的5種試驗(yàn)鋼，化學(xué)成分均符合本發(fā)明所述要求范圍，其中Mn/C、Ni/Mn、(Mg+Ca)/0比也均滿足本發(fā)明要求。對(duì)比例1中V和N含量均不滿足發(fā)明要求，對(duì)比例2中Mn/C比不滿足本發(fā)明要求，對(duì)比例3中Μ/Μη比不滿足本發(fā)明要求，對(duì)比例4中(Mg+Ca)/0比不滿足本發(fā)明要求。對(duì)各實(shí)施例試驗(yàn)鋼板和對(duì)比例鋼取樣，按照GB/T 13239-2006標(biāo)準(zhǔn)，采用MTS NEW810型拉伸試驗(yàn)機(jī)，以3mm/min恒定的夾頭移動(dòng)速率進(jìn)行拉伸，測(cè)試縱向拉伸性能，取樣部位為板厚的1/2處，試驗(yàn)結(jié)果取2個(gè)試樣的平均值。按照GB/T 229-2007標(biāo)準(zhǔn)，采用NCS 系列500J儀器化擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試腹板1/3部位_40°C夏比沖擊功，取樣部位為板厚的1/2處，試驗(yàn)結(jié)果取3個(gè)試樣的平均值。球扁鋼力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。從表2結(jié)果可以看出，實(shí)施例1 4鋼分別軋制成40、40號(hào)，厚度18mm、20mm時(shí)， 均能滿足屈服強(qiáng)度大于390MPa、抗拉強(qiáng)度510 660MPa，腹板Akv-40°C大于41J的使用要求。對(duì)比例1屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及低溫沖擊韌性不能滿足要求，對(duì)比例2 4的低溫沖擊韌性均不能滿足41J的使用要求。表1實(shí)施例與對(duì)比例球扁鋼的化學(xué)成分(wt，% )
權(quán)利要求
1.一種大規(guī)格高強(qiáng)度D40球扁鋼，其特征在于，化學(xué)成分按重量百分比為C :0. 08 0. 15，Si 0. 10 0. 50, Mn :1. 15 1. 75, S,P 彡 0. 020, V :0. 08 0. 15, Ni :0. 10 0. 50， Ti 0. 01 0. 03,Mg 0. 001 0. 01，Ca :0. 001 0. 01，0 :0. 001 0. 01，N :0. 016 0. 025，其中Mn/C彡14. 0，Ni/Mn彡0. 15，(Mg+Ca)/0彡1. 0，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大規(guī)格高強(qiáng)度D40球扁鋼，其特征在于所述D40球扁鋼球頭寬度為400-430mm，腹板厚度為18_25mm ；滿足腹板1/3部位縱向屈服強(qiáng)度不低于390MPa，縱向_40°C夏比沖擊功不低于41J。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大規(guī)格高強(qiáng)度D40球扁鋼的生產(chǎn)工藝，其特征在于 工藝步驟及控制的技術(shù)參數(shù)如下冶煉煉鋼過(guò)程中采用直徑12mm的釩氮合金絲在真空結(jié)束后喂入鋼中，并底吹氬氣攪拌；隨后采用直徑IOmm的Mg-Ca合金絲喂入鋼液中，并底吹氬氣攪拌；熱軋坯料加熱溫度1150 120(TC，終軋溫度850 950°C，終軋道次變形量15% 20%，終軋后采用噴霧冷卻，冷速為2 10°C /s。
全文摘要
一種大規(guī)格高強(qiáng)度D40船用熱軋球扁鋼及生產(chǎn)工藝，屬于船用結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)領(lǐng)域，所述大規(guī)格是指40號(hào)及以上。該鋼化學(xué)成分組成按重量百分比計(jì)為C0.08～0.15，Si0.10～0.50，Mn1.15～1.75，S、P≤0.020，V0.08～0.15，Ni0.10～0.50，Ti0.01～0.03，Mg0.001～0.01，Ca0.001～0.01，00.001～0.01，N0.016～0.025，其中Mn/C≥14.0，Ni/Mn≥0.15，(Mg+Ca)/O≥1.0，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。生產(chǎn)工藝包括真空結(jié)束時(shí)采用直徑13mm的釩氮合金絲和直徑10mm的Mg-Ca合金絲喂入鋼液中并底吹氬攪拌，熱軋采用低溫坯料加熱、終軋大變形以及軋后冷卻。優(yōu)點(diǎn)在于，可以滿足屈服強(qiáng)度和-40℃低溫沖擊韌性的要求，用于大型船舶舭龍骨部位扶強(qiáng)材，在不提高船體重量的條件下顯著提高船體剛度和低溫下使用安全系數(shù)。
文檔編號(hào)C22C38/14GK102400045SQ20111044945
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者何烈云, 侯振偉, 吳旭春, 康立文, 楊才福, 柴鋒, 潘濤, 王瑞珍, 蘇航, 范金城, 薛東妹 申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院