CN101705434A - 具有超高强度和冲击韧性的船板钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有超高强度和冲击韧性的船板钢成分及其制备方法。该船板钢包含的组分及其重量百分比分别为：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％，以及余量的Fe和杂质。该方法为：将与上述船板钢组分相同的连铸板坯依次进行加热、保温、热轧，再经热处理形成成品船板钢。本发明的船板钢具有良好的强度和低温韧性匹配，力学性能及焊接性能优异，且制造工艺灵活、柔性化。本发明适于在造船工业，特别是强度和低温韧性要求苛刻且具有可焊性的船板制造工艺中应用。

Description

具有超高强度和冲击韧性的船板钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强高韧船板钢及其生产工艺，具体涉及一种目标屈服强度不低于620MPa，抗拉强度720～890MPa，基体和焊接热影响区(HAZ)-60℃夏氏冲击功大于41J的超高强度船板钢及其制备方法。

背景技术

随着世界经济的发展和贸易的增长，人们对低成本的船舶运输方式的需求持续增长，同时各国对海洋生物和矿产资源的开发和研究也越为深入，且在强权政治影响未消除前，各国仍在大力增强海军力量。基于上述因素，船舶工业在可预期的将来将有着广阔的发展前景。而为满足船舶在各种条件下的服役性能，人们对船板钢性能的要求也愈加苛刻。一般而言，各家船级社大多要求船板钢要具有强度σ_s和σ_b的匹配及稳定性、韧性及塑性的储备足以经受船体在正常航行或突发事故中裂纹扩展和抗脆性断裂，且还要求船板钢具有良好的低温韧性、焊接性能和耐海水腐蚀性能，以满足船舶在建造中的各种冷、热成形操作，不致形成表面损伤及产生微细裂纹，以及保证船舶在行驶过程中的安全性和可靠性。为此，各大船板钢生产商纷纷致力于高强度船板钢的开发和应用，掀起了对高级别船板钢成分设计和生产工艺的研究热潮。

长期以来，国内外多采用微合金化成分设计和控轧控冷工艺有机结合的方法来生产高强度船用钢板，其工艺的主要特点是通过优化成分，有效合理地使用Nb、V、Ti等微合金化元素，并通控制轧制和控制冷却，提高船板钢强度和韧性。但是，对于具有一定厚度的超高强度船板钢，特别是F620和F690级别的船板钢，是难以通过微合金化和控轧控冷工艺获得所需要的屈服强度和低温韧性的。为此，业界一直致力于研究具有超高强度和冲击韧性的船板钢，但该等船板钢的强度、韧性和塑性大多不能达到良好的匹配，存在如下不足地方：

(1)虽然强度较高，但其低温韧性明显偏低。如公开号为CN1390972的发明专利所公开的一种低合金超高强度钢种，虽然其屈服强度可达到860～1200MPa，但其0℃时的冲击功仅≥33J，远不能满足现代大型船舶的需要。

(2)虽然强度、韧性均满足要求，但其塑性较低。如公开号为CN101418417A的发明专利所公开的一种宽厚规格高强度船板钢，其拉伸强度虽然可达到780MPa，但其延伸率明显不足，仅≥10％，又如公开号为CN1888120A的发明专利所公开的一种具有优良耐蚀性和抗疲劳性的超高强度钢，虽然其屈服强度及拉伸强度可分别达到880MPa和980MPa以上，但其延伸率偏低，一般均≤20％。

发明内容

本发明的目的之一在于提出一种具有超高强度和冲击韧性的船板钢，该船板钢目标屈服强度不低于620MPa，抗拉强度720～890MPa，且基体和焊接热影响区(HAZ)-60℃夏氏冲击功大于41J。

为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种具有超高强度和冲击韧性的船板钢，其特征在于，该船板钢包含的组分及其重量百分比分别为：

C 0.03～0.05％、Si 0.20～0.30％、Mn 0.80～0.90％、Al 0.03～0.04％、Ni1.6～1.8％、Cu 1.1～1.3％、Cr 0.4～0.6％、Mo 0.4～0.6％、Nb 0.03～0.05％、Ti 0.01～0.02％、P≤0.01％、S≤0.005％以及余量的Fe和杂质。

具体的讲，所述船板钢屈服强度≥620MPa，抗拉强度720-890MPa，基体和焊接热影响区-60℃夏氏冲击功＞41J。

本发明的另一目的在于提出一种制备如上所述具有超高强度和冲击韧性的船板钢的方法，该方法为：制备具有与所述船板钢相同组分的连铸板坯，并将该板坯经加热、保温处理后进行热轧处理，轧制形成的钢板经空冷后，再依次经加热淬火和回火工艺处理，形成成品船板钢。

该方法中，是将板坯加热至1160～1220℃，再进行保温处理。

所述保温处理时间为2.0～3.0h。

所述热轧处理采用了两阶段轧制工艺，其中，第一阶段为粗轧阶段，开轧温度为1100～1150℃，第二阶段为精轧阶段，开轧温度为890～910℃，且各轧制阶段中的总压下率均≥50％。

所述加热淬火和回火工艺处理的工艺过程为：将空冷后的钢板加热至890～910℃，保温0.5～1h，而后水淬冷却至室温，然后在650～700℃等温回火，保温1h。

该方法具体包含如下步骤：

根据所述船板钢组分配制冶炼原料，并采用BOF-LF-RH-CC工艺生产连铸板坯；

将上述板坯加热至1160～1220℃，并保温处理2.0～3.0h；

对板坯进行两阶段轧制，其中，粗轧阶段的开轧温度为1100～1150℃，总压下率≥50％，精轧阶段的开轧温度为890～910℃，总压下率≥50％；

将轧制形成的钢板空冷后，再重新加热至890～910℃，保温0.5h，而后水淬冷却至室温，然后在650～700℃等温回火，保温1h，之后空冷，制得成品船板钢。

在该超高强度和低温冲击韧性的船板钢中，所采用的组分作用如下：

碳(C)：碳虽然是有效提高强度且成本低廉的合金元素，但其含量过高，除了不利于低温韧性外，还会增加碳当量，降低焊接性能，但若含量过低，又会使NbC或生成量降低，影响控制轧制时的细化晶粒的效果，也会增加冶炼控制难度。

硅(Si)：硅在炼钢过程中是作为还原剂和脱氧剂，硅和钼、铬等结合，可有效提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，但超过0.5％时，损害钢的韧性及焊接性能。

锰(Mn)：锰成本低廉，是一种有效提高钢的淬透性的元素，可同时提高钢的强度和韧性，改善钢的热加工性能，但锰含量过高，易在铸坯中形成偏析，从而在轧件中形成带钢组织，降低钢的韧性。

铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂，在钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，但过高的铝则会影响钢的热加工性能、焊接性能。

镍(Ni)：镍是一种能同时提高钢的强度和韧性的元素，特别是改善低温韧性，因此本专利所涉及的船板钢中含有相对较高的Ni，以保证强度和低温韧性的兼得，另外，镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，可有效延长钢板在海水中的服役寿命.

铬(Cr)：铬是一种在适当添加范围内能同时提高钢的强度、韧性和耐蚀性的元素。当含量低于0.4％时，钢板淬透性偏低，使强度偏低，当铬含量过高时，会降低韧性，难于达到高强度下的强韧性匹配，同时还会增加碳当量，损害焊接性能。

钼(Mo)：钼存在于钢的固溶体和碳化物中，有固溶强化和析出强化的作用，并可提高钢的淬透性，但过多的钼会损害焊接时形成的热影响区的韧性，降低钢的可焊性且成本高。

铌(Nb)：铌的加入是为促进钢轧制显微组织的晶粒细化，可同时提高钢的强度和韧性，在钼存在的条件下，铌可在控轧过程中通过抑制奥氏体再结晶有效的细化显微组织，并通过析出强化提高淬透性，另外，铌可降低钢的过热敏感性及回火脆性。

钛(Ti)：可形成细小的钛的碳、氮氧化物颗粒，在板坯再加热过程中可能阻止奥氏体晶粒的粗化而得到较为细小奥氏体显微组织，钛的氮化物颗粒的存在可抑制焊接热影响区的晶粒粗化，钛可同时提高基体金属和焊接热影响区的低温韧性，阻止了游离氮对钢的淬透性产生的不利影响。

铜(Cu)：铜是一种耐蚀元素，在一定P存在的条件下，可有效提高船板钢在海水中的耐腐蚀性能，同时，Cu作为一种重要的添加元素，还可在回火过程中以Cu粒子的形式析出，实现析出强化，是主要的强化元素之一，且Cu的添加对焊接性能的影响很小，但是，过高的Cu在轧制过程中易引起热脆，需同时添加Ni来抑制。

综合考虑上述因素，本发明采用了如上所述的化学组分配比。

本发明的超高强度和冲击韧性的船板钢为一种热处理钢，其在制备工艺过程中，有着特殊的要求，即：

在冶炼工艺中，将目标化学成分的钢水进行冶炼，并生成坯料时，必须采用纯净钢冶炼工艺，这是提高钢板低温韧性的关键措施之一，而其中，坯料的冶金质量达到下述要求：钢中P和S含量必须在给定成分范围之内，以保证最终的低温韧性。其它各合金元素含量必须在给定成分范围之内；钢中无明显铸造缺陷，如疏松、缩孔和偏析等，以保证铸坯在控轧后的组织均匀，以保证最终力学性能的获得。

在轧制过程中基于材料本身变形抗力和轧机轧制能力确定轧制工艺。轧制过程中总应变量的增加和终轧温度的降低有利于最终性能的改善。轧后冷却速率对热处理(调质)的最终性能影响不大，可以采用空冷。

为获得与力学性能相匹配的微观组织，即细化的回火板条马氏体，必须对热处理工艺进行精确控制。具体的说，是确定最佳的奥氏体温度和保温时间、淬火方式和介质以及回火温度和回火时间。本发明中，轧制后钢板在890～910℃保温处理后得到了完全的奥氏体(经膨胀仪测定，该船板钢的Ar1和Ar3点分别为733℃和862℃)，同时又能保证Cu元素完全固溶于基体，有利于回火时Cu的析出强化，奥氏体化后采用水淬方式冷却，以便得到板条马氏体组织。回火温度和时间的选择，一方面要保证足够的Cu析出强化效果，即要控制Cu析出相的大小、数量、形貌和间距等，既要保证Cu的充分析出，又不能使其过分粗化而失去强化效果。另外，由于析出强化损害韧性，因此，回火时还要兼顾低温韧性的改善。本发明的船板钢在650～700℃之间回火时能获得优越的强度和低温韧性的配比，尤其在680℃回火60min的条件下更佳。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的控制轧制和控制冷却工艺有很大的灵活性和柔性化；

2、本发明的船板钢具有良好的强度和低温(-60℃)韧性匹配，力学性能优异，且焊接性能良好，适用于制造船舶和海洋石油平台。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中具有超高强度和低温冲击韧性的船板钢的金相组织图。热处理条件：900℃奥氏体化30min，水淬，680℃回火1h。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

该具有超高强度和冲击韧性的船板钢化学成分(wt％)如表1所示。该具有超高强度和冲击韧性的船板钢的制备工艺为：

根据所述船板钢组分，选取硫、磷较低的精钢材为原料，配以适量的Ni，Cu等配制冶炼原料，并将其在规格为150Kg的真空感应炉里冶炼，其后在惰性气体保护下浇注，形成铸锭，铸锭最终化学成分亦如表1所示；

将铸锭冒口切除，锻压成规格为140mm×170mm×220mm的板坯；

将板坯加热至1180℃，并保温处理3.0h；

将板坯在550mm轧机上经两阶段轧制，形成厚度为32mm、宽度为210mm的热轧钢板，其中，粗轧开始温度为1120℃，道次间压下率分别为11.4％、16.9％、17.5％、16.5％，总压下量为50％，精轧开始温度为910℃，道次间压下率分别为14.1％、14.8％、14.4％、14.6％、15.8％；

热轧钢板不控制冷却，空冷，而后将热轧钢板切割成适当大小的样品，在箱式电阻炉里经过一系列的淬火和回火(RQ-T)处理，其具体工艺参数和条件如表2所示，之后将样品钢板空冷，制得成品船板钢。

经力学测试，发现该成品船板钢具有高强度、高塑性和优异的低温韧性的综合力学性能(如表2所示)，实现了强度和韧性的良好匹配，而且焊接性能良好，达到了挪威船级社F620级所要求的认证标准(见表3)。

表1本发明具体方式中具有超高强度和冲击韧性的船板钢的化学成分

表2本发明具体方式中具有超高强度和冲击韧性的船板钢的热处理工艺条件及其力学性能

表3挪威船级社所要求的认证标准(F620级)

上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有超高强度和冲击韧性的船板钢，其特征在于，该船板钢包含的组分及其重量百分比分别为：

C 0.03～0.05％、Si 0.20～0.30％、Mn 0.80～0.90％、Al 0.03～0.04％、Ni1.6～1.8％、Cu 1.1～1.3％、Cr 0.4～0.6％、Mo 0.4～0.6％、Nb 0.03～0.05％、Ti 0.01～0.02％、P≤0.01％、S≤0.005％以及余量的Fe和杂质。

2.根据权利要求1所述的具有超高强度和冲击韧性的船板钢，其特征在于，所述船板钢屈服强度≥620MPa，抗拉强度720-890MPa，基体和焊接热影响区-60℃夏氏冲击功＞41J。

3.一种制备如权利要求1所述具有超高强度和冲击韧性的船板钢的方法，其特征在于：制备具有与所述船板钢相同组分的连铸板坯，并将该板坯经加热、保温处理后进行热轧成形，轧制形成的钢板经空冷到室温，再依次经加热淬火和回火工艺处理，形成成品船板钢。

4.根据权利要求3所述的制备如权利要求1所述具有超高强度和冲击韧性的船板钢的方法，其特征在于：将板坯加热至1160～1220℃，再进行保温处理。

5.根据权利要求4所述的制备如权利要求1所述具有超高强度和冲击韧性的船板钢的方法，其特征在于：保温处理时间为2.0～3.0h。

6.根据权利要求3所述的制备如权利要求1所述具有超高强度和冲击韧性的船板钢的方法，其特征在于，所述热轧处理采用了两阶段轧制工艺，其中，第一阶段为粗轧阶段，开轧温度为1100～1150℃，第二阶段为精轧阶段，开轧温度为890～910℃，且各轧制阶段中的总压下率≥50％。

7.根据权利要求3所述的制备如权利要求1所述具有超高强度和冲击韧性的船板钢的方法，其特征在于，所述加热淬火和回火工艺处理的工艺过程为：将空冷后的钢板加热至890～910℃，保温0.5～1h，而后水淬冷却至室温，然后在650～700℃等温回火，保温1h。

8.根据权利要求4所述的制备如权利要求1所述具有超高强度和冲击韧性的船板钢的方法，其特征在于，该方法具体包含如下步骤：

根据所述船板钢组分配制冶炼原料，并采用BOF-LF-RH-CC工艺生产连铸板坯；

将上述板坯加热至1160～1220℃，并保温处理2.0～3.0h；

对板坯进行两阶段轧制，其中，粗轧阶段的开轧温度为1100～1150℃，总压下率≥50％，精轧阶段的开轧温度为890～910℃，总压下率≥50％；

将轧制形成的钢板空冷后，再重新加热至890～910℃，保温0.5h，而后水淬冷却至室温，然后在650～700℃等温回火，保温1h，之后空冷，制得成品船板钢。

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