一種高淬透性高強韌特厚海工鋼板及其制備方法與流程

本發(fā)明涉及一種海工鋼及其制備方法，具體的說是一種高淬透性高強韌特厚海工鋼板及其制備方法。

背景技術(shù)：

21世紀是海洋的世紀，隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，不論是海洋運輸還是海洋資源開發(fā)都將進入高速發(fā)展期，由此帶動船舶與海洋工程制造的快速增長。船舶的大型化、海洋資源開發(fā)的深?；?，將大量采用具有特殊性能的船舶與海工用鋼。目前，我國船舶與海工用鋼已能滿足國內(nèi)市場的大部分需求，但部分高級別的特種鋼材仍大量依賴進口。特殊用鋼主要指具有高強度、大厚度、抗層狀撕裂、大熱輸入焊接、耐腐蝕、超低溫韌性、高止裂性能的鋼板。

為了提高大型船舶、海洋平臺用鋼的安全性，高強、高韌、大厚度鋼的使用比例逐年增加。當前國際上690MPa級海洋平臺用鋼均需采用Cr、Ni、Mo等貴重金屬合金化，為了保證鋼板的低溫韌性，甚至需要添加近4%的Ni元素；生產(chǎn)工藝常采用多階段淬火回火，工序較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本高。且690MPa級海洋平臺用鋼傳統(tǒng)成分設(shè)計中，鋼板淬透性不足，厚度規(guī)格≥ 60mm 的鋼板在厚度方向上的變形和冷卻難以保證均勻分布，造成鋼板厚度方向上組織性能的嚴重不均勻，導(dǎo)致厚度規(guī)格受限。

根據(jù)申請人檢索，專利CN 103343285 A公開了一種690級超高強度海洋工程用鋼板及其生產(chǎn)方法，成分采用傳統(tǒng)高碳設(shè)計，Mn含量很低，工藝上采取了離線淬火加回火，鋼板性能中延伸率低，未保證低溫沖擊韌性。

專利CN 104911475 A公開了一種低碳中錳高強韌性特厚鋼板及其制備方法， C含量高，且未加入Nb元素，軋制工藝采用一階段軋制，此外性能方面僅保證-60℃以上低溫韌性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：如何解決鋼板厚度方向組織及性能不均現(xiàn)象，同時將厚度規(guī)格拓寬至150mm低溫韌性仍可達到-80℃使用要求，且在同等屈服強度條件下兼具低屈強比；具體為如何生產(chǎn)生厚度≥60-150mm，鋼板厚度1/4、1/2處屈服強度≥690MPa，屈強比≤0.86，延伸率≥20%，-80℃低溫沖擊功＞100J的特厚海工鋼。

本發(fā)明解決以上技術(shù)問題的技術(shù)方案是：

一種高淬透性高強韌特厚海工鋼板，特厚海工鋼板厚度60-150mm，特厚海工鋼化學成分及其質(zhì)量分數(shù)為：C：0.04-0.08%，Mn：4-9%，Si：0.10-0.25%，Als：0.01-0.03%，Mo：0.2-0.5%，Nb：0.025-0.050%，S≤0.004%，P≤0.007%，余量為Fe和雜質(zhì)元素。

高淬透性高強韌特厚海工鋼板的制備方法，包括以下步驟：

⑴加熱：將具有與所述特厚海工鋼板相同化學成分的坯料加熱至1000-1150℃并保溫100-200min；

⑵軋制：對加熱后的坯料進行兩階段軋制，一階段開軋溫度≥1000℃，道次變形量≥15%；二階段開軋溫度≤900℃，道次變形量≥12%，終軋溫度800-860℃；軋后水冷至200-300℃之間，冷卻速度1-6℃/s；

⑶回火熱處理：采用輥底式連續(xù)熱處理爐進行回火，回火溫度600-670℃，回火時間70-160min，出爐后空冷至室溫。

本發(fā)明中化學成分含量的限定理由如下：

C元素能夠通過固溶強化或析出強化提高強度，同時能夠穩(wěn)定奧氏體相，但C含量較高時對鋼材低溫韌性及焊接性能不利，為保證鋼材使用性能應(yīng)當盡量降低C含量。因此本發(fā)明采用超低C成分設(shè)計，將C含量控制在0.04-0.08%的較低水平。

Mn是本發(fā)明所述海工鋼的主要合金元素。Mn是鐵素體強化元素，同時也是奧氏體穩(wěn)定元素。在改善材料低溫韌性方面，提高Mn/C比能夠顯著降低韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，因此Mn能夠在一定程度上取代價格較高的Ni。為了在不添加Ni元素的條件下使材料具備優(yōu)良低溫韌性，Mn添加量需要高于低合金鋼含量范圍，但過高的Mn含量將使偏析程度加重、冶煉難度加大以及材料成本提高。本發(fā)明將Mn含量控制在4-9%。

Si在煉鋼過程中為脫氧元素，適量Si能夠抑制Mn和P的偏聚，而O含量過高、Mn和P偏聚都會損害低溫韌性。Si還能夠產(chǎn)生固溶強化，但含量超過0.3%時會引起韌-脆轉(zhuǎn)變溫度升高，因此含量不能過高。本發(fā)明將Si控制在0.10-0.25%。

Al在煉鋼過程中為脫氧元素，也能夠降低固溶N原子數(shù)量，從而提高韌性和時效應(yīng)變抗力，而形成的AlN還能夠細化晶粒，從而進一步降低韌-脆轉(zhuǎn)變溫度。但過量添加會形成大尺寸的Al3O2和AlN并損害低溫韌性。本發(fā)明將Al含量（Als）控制在0.01-0.03%。

Mo為強淬透性元素，能夠抑制滲碳體析出，還能夠提高回火穩(wěn)定性，從而降低脆性并提高強度，含量過高將增加材料成本。本發(fā)明將Mo含量控制在0.2-0.5%。

Nb加熱時阻礙奧氏體晶粒長大，降低奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，軋制時抑制再結(jié)晶及再結(jié)晶后晶粒長大，同時通過對奧氏體晶界的釘扎作用，使相變后鐵素體晶粒得到細化，但含量過高時將增加成本。本發(fā)明將Nb含量控制在0.025-0.050%。

S易與Mn形成MnS，P容易在晶界偏聚并降低晶界抗裂紋擴展能力，為提高材料低溫韌性，需要將S、P控制在最低限度。

本發(fā)明中可獲得高淬透性、高強韌特厚海工鋼機理如下：

錳為擴大奧氏體相區(qū)元素，降低了Ac1和Ms點，每添加 1%的 Mn 元素，馬氏體相變轉(zhuǎn)變點降低約30.4℃，富含 Mn 元素的奧氏體更易在室溫下形成穩(wěn)定的殘余奧氏體。錳通過提高奧氏體的熱力學穩(wěn)定性明顯提高鋼的淬透性，當鋼中添加4-9%Mn時，在空冷條件下便可獲得馬氏體組織。因此，解決了特厚板厚度方向組織、性能不均勻問題。

錳主要以固溶態(tài)存在，起到固溶強化作用，每添加 1%的 Mn 元素強度提高約33MPa，同時在低碳鋼中加入Mn元素會使先共析鐵素體析出線右移，使得冷卻過程中鐵素體析出量減少。中錳鋼加熱過程中Mn元素的擴散方式為置換擴散，抑制了奧氏體逆相變過程中馬氏體板條的長大，使基體細化進而提高了基體的強度。本發(fā)明同時導(dǎo)入Nb元素，利用Nb的釘扎作用，通過控軋控冷工藝細化晶粒，進一步提高鋼材強度。

Mn元素顯著降低鋼材韌脆轉(zhuǎn)變溫度，富含 Mn 元素的奧氏體更易在室溫下形成穩(wěn)定的殘余奧氏體，奧氏體作為軟相釋放微裂紋尖端的應(yīng)力以及明顯增加相界面而提高鋼材韌性。當鋼中添加4-9%Mn時，可滿足-80℃使用要求。

本發(fā)明進一步限定的技術(shù)方案是：

前述的高淬透性高強韌特厚海工鋼板，特厚海工鋼板的室溫金相組織為回火馬氏體+逆轉(zhuǎn)變奧氏體+少量殘余奧氏體的復(fù)相組織。

前述的高淬透性高強韌特厚海工鋼板，特厚海工鋼板屈服強度≥690MPa，屈強比≤0.85，延伸率≥20%，-80℃夏比沖擊試驗縱向沖擊功≥100J。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明通過中錳成分設(shè)計方式，顯著提高鋼材淬透性，在空冷狀態(tài)下便可獲得馬氏體組織，彌補傳統(tǒng)高強海工鋼厚度方向性能不均現(xiàn)象。同時，Mn元素可降低鋼材韌脆轉(zhuǎn)變溫度，提高殘余奧氏體穩(wěn)定性，進而提高鋼板低溫韌性。本發(fā)明采用低碳成分設(shè)計，改善鋼材焊接性能。通過Nb微合金化處理，提高鋼材強度。同時，本發(fā)明所述高強海工鋼還具有高屈服強度和低屈強比的顯著特點，因而應(yīng)用范圍更廣、結(jié)構(gòu)安全性更高。

與傳統(tǒng)高強度特厚海工鋼相比，本發(fā)明提出的高淬透性高強韌特厚海工鋼顯著改善了厚度方向組織、性能不均現(xiàn)象，同時將厚度規(guī)格拓寬至150mm，低溫韌性達到-80℃使用要求，且在同等屈服強度條件下兼具低屈強比的特點，應(yīng)用范圍更廣。

本發(fā)明的特厚海工鋼，厚度≥60-150mm，鋼板厚度1/4、1/2處屈服強度≥690MPa，屈強比≤0.86，延伸率≥20%，-80℃低溫沖擊功＞100J。

專利CN 103343285 A公開的一種690級超高強度海洋工程用鋼板及其生產(chǎn)方法，成分采用傳統(tǒng)高碳設(shè)計，Mn含量遠低于本發(fā)明，工藝上采取了不同于本發(fā)明的離線淬火加回火，鋼板性能中延伸率低于本發(fā)明且未保證低溫沖擊韌性。

專利CN 104911475 A公開的一種低碳中錳高強韌性特厚鋼板及其制備方法，與本發(fā)明的顯著區(qū)別是C含量高于本發(fā)明，且未加入Nb元素，軋制工藝采用不同于本發(fā)明的一階段軋制，此外性能方面僅保證-60℃以上低溫韌性。

附圖說明

圖1為實施例1中高強韌特厚海工鋼厚度1/4處金相組織的光學顯微照片。

圖2為實施例1中高強韌特厚海工鋼厚度1/2處金相組織的光學顯微照片。

具體實施方式

實施例1

本實施例是厚度為150mm的高淬透性、高強韌特厚海工鋼板，化學成分及其質(zhì)量分數(shù)分別為0.06%C、7.1%Mn、0.22%Si、0.02%Als，0.36%Mo，0.045%Nb，0.004%S，0.007%P，以及余量Fe和雜質(zhì)元素，金相組織為回火馬氏體+逆轉(zhuǎn)變奧氏體的復(fù)相組織，厚度1/4處屈服強度725MPa，屈強比0.82，延伸率32%，-80℃夏比沖擊試驗縱向沖擊吸收能量為136J、147J、145J；厚度1/2處屈服強度713MPa，屈強比0.84，延伸率30%，-80℃夏比沖擊試驗縱向沖擊吸收能量為128J、143J、131J。

上述高淬透性、高強韌特厚海工鋼板的制備工藝按照以下步驟進行：

將320mm厚的坯料放入加熱爐中加熱至1050℃并保溫200min，坯料的化學成分為上述化學成分；

對加熱后的坯料進行兩階段軋制，一階段開軋溫度1010℃，軋機壓下規(guī)程為320mm -270mm -225mm；二階段開軋溫度880℃、終軋溫度830℃，軋機壓下規(guī)程為225mm -195mm -170mm- 150mm，軋制結(jié)束后水冷，返紅溫度260℃；

將鋼板放入輥底式連續(xù)熱處理爐中加熱至660℃并保溫160min，鋼板出爐后空冷至室溫。

實施例2

本實施例是厚度為80mm的高淬透性、高強韌特厚海工鋼板，化學成分及其質(zhì)量分數(shù)分別為0.05%C、5.2%Mn、0.20%Si、0.03%Als，0.25%Mo，0.03%Nb，0.004%S，0.007%P，以及余量Fe和雜質(zhì)元素，金相組織為回火馬氏體+逆轉(zhuǎn)變奧氏體的復(fù)相組織，厚度1/4處屈服強度730MPa，屈強比0.82，延伸率34%，-80℃夏比沖擊試驗縱向沖擊吸收能量為142J、148J、154J；厚度1/2處屈服強度722MPa，屈強比0.84，延伸率32%，-80℃夏比沖擊試驗縱向沖擊吸收能量為126J、138J、136J。

上述高淬透性、高強韌特厚海工鋼板的制備工藝按照以下步驟進行：

將320mm厚的坯料放入加熱爐中加熱至1030℃并保溫120min，坯料的化學成分為上述化學成分；

對加熱后的坯料進行兩階段軋制，一階段開軋溫度1020℃，軋機壓下規(guī)程為320mm -270mm -210mm -170mm -130mm；二階段開軋溫度890℃、終軋溫度840℃，軋機壓下規(guī)程為130mm -110mm -95mm- 80mm，軋制結(jié)束后水冷，返紅溫度240℃；

將鋼板放入輥底式連續(xù)熱處理爐中加熱至650℃并保溫85min，鋼板出爐后空冷至室溫。

實施例3

本實施例是厚度為60mm的高淬透性、高強韌特厚海工鋼板，化學成分及其質(zhì)量分數(shù)分別為0.05%C、4.8%Mn、0.25%Si、0.03%Als，0.22%Mo，0.025%Nb，0.004%S，0.006%P，以及余量Fe和雜質(zhì)元素，金相組織為回火馬氏體+逆轉(zhuǎn)變奧氏體的復(fù)相組織，厚度1/4處屈服強度735MPa，屈強比0.80，延伸率33%，-80℃夏比沖擊試驗縱向沖擊吸收能量為146J、149J、155J；厚度1/2處屈服強度726MPa，屈強比0.82，延伸率32%，-80℃夏比沖擊試驗縱向沖擊吸收能量為133J、137J、145J。

上述高淬透性、高強韌特厚海工鋼板的制備工藝按照以下步驟進行：

將260mm厚的坯料放入加熱爐中加熱至1020℃并保溫100min，坯料的化學成分為上述化學成分；

對加熱后的坯料進行兩階段軋制，一階段開軋溫度1015℃，軋機壓下規(guī)程為260mm -220mm -170mm -120mm -100mm；二階段開軋溫度880℃、終軋溫度820℃，軋機壓下規(guī)程為100mm -80mm -60mm，軋制結(jié)束后水冷，返紅溫度270℃；

將鋼板放入輥底式連續(xù)熱處理爐中加熱至645℃并保溫70min，鋼板出爐后空冷至室溫。

除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護范圍。