专利名称：一种具有-40℃应变时效高韧性钢板及其生产方法
技术领域：
本发明属于海洋平台结构钢技术领域，特别涉及一种具有-40°c应变时效高韧性钢板及其生产方法。
背景技术：
海洋平台是开采海洋油气资源的重要设施，其工作环境恶劣，用于濒海的钢板必须能够经受-40°C的严寒考验，海洋平台一般采用大口径钢管制作钢结构。一般钢材在制造钢管过程中，钢材在一定的塑性变形和经加热100 300°C—定时间后，-40°C冲击功值会出现大幅度下降而硬度升高的现象；其主要是塑性变形后晶格出现了滑移层而扭曲，对固溶间隙溶质(C、N)的溶解能力下降，呈现出过饱和状态，促使被溶物质扩散及析出；在加热后，使原子活力增加，促使固溶体内过饱和物质加速析出，与位错交互作用下，钉扎位错阻止变形，引起应变时效。钢中氮、氧等会显著提高应变时效倾向，镍可降低该倾向。本发明通过降低C、P、S含量，加入适量的Ti、Nb等元素固C和固N，并加入适量的附，从而降低应变时效的影响；通过控轧控冷细化晶粒，提高钢板综合性能；通过正火热处理使钢板沿厚度方向组织和性能均勻一致，保证钢板表面、1/4处及心部_40°C应变时效韧性优良。在本发明前，专利号为200610124380.5的中国发明专利公开了“一种改善钢板的低温韧性和应变时效低温韧性的方法”，所涉及钢的C含量彡0. 10%, P彡0. 025%, S^0.010%,V^0. 20%,Nb^O. 10%，该钢添加了 V元素，没有添加改善应变时效韧性的 Ni元素，生产方法为控制轧制及轧后加速冷却，钢板缺少正火等热处理工艺，其应变时效试验温度仅为_20°C。专利号为200780043094. 9的中国发明专利公开说明了“具有优良的抗应变时效性的低屈服比双相钢管线管”，该钢含有Mo、Ni、Cr、Cu、Ti、Nb、V等多种合金元素，合金成本高；采用两相区工艺轧制，终轧温度711 763°C，终冷温度338 588°C ；钢板为热轧态，其组织为第一相为铁素体，第二相为珠光体、马氏体、下贝氏体、粒状贝氏体、上贝氏体、碳化物等多种组成，轧后钢板没有进行正火等热处理，其化学成分及生产工艺与本发明完全不同。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有-40°C应变时效高韧性钢板及其生产方法，以弥补现有技术的不足，提高应变时效低温韧性性能。本专利的合金配方相对简单，没有添加Mo 等贵金属元素，通过洁净钢技术、控制轧制和控制冷却及正火热处理，得到一种均勻的铁素体+珠光体组织，从而获得稳定而且优良的_40°C应变时效冲击韧性，生产工艺可行，适合大生产，且生产成本低。本发明的目的可以通过如下方案来实现的本发明钢板的化学成分按重量百分比为，C 0. 09 0. 13%，Si 0. 20 0. 50%，Mnl. 00 1. 50%, P 彡 0. 010%, S 彡 0. 003%, N 0. 002-0. 005%, Al 0. 020 0. 060%, Nb 0. 03 0. 05 %, Ti 0. 007 0. 020 %, Ni 0. 20 0. 45 %，Cu 0. 15 0. 30 %, Pcm彡0.21%，余量为！^及不可避免的夹质。C是最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化能有效地提高钢材强度，但随着碳含量的增加，钢材的延性、韧性及焊接性能下降，考虑到本发明的目的是制造应变时效高韧性钢，同时，为兼顾到在正火热处理过程中获得足够的碳化物和固溶碳强度相，本发明钢中的碳控制范围为0. 09 0. 13%。Si 硅在钢中起固溶强化作用，同时也是脱氧元素，但含量过高，会降低钢的韧性， 并恶化钢材的焊接性能。Mn:锰是脱氧的元素之一，是提高强度的有效元素，且成本低廉，但锰含量过高对钢的焊接性能有不利影响。P和S 磷和硫是钢中不开避免的有害元素，对钢的塑性和韧性不利，应尽量降低磷和硫含量，提高钢的洁净度。本发明钢中P控制彡0.010%, S控制彡0. 003%。N:在加钛的钢中，适量的氮与钛形成TiN，这种第二相粒子易在高温析出有利于强化基体，且TiN非常稳定，在加热时可有效阻止奥氏体晶粒长大。但氮含量过高会显著提高应变时效倾向，所以本发明的氮控制在0. 002 0. 005 %范围内。Al 铝是钢中的主要脱氧元素，有利于细化晶粒，一般钢中均加入一定量的铝。Nb 铌是一种强碳化物形成元素，在钢中形成的NbC、Nb(CN)等第二相质点，可阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒，提高钢的应变时效韧性和强度，但Nb含量过高易产生晶间裂纹。Ti 钛是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，通过固碳和固氮，降低应变时效的影响。Ti的未溶的碳氮化物在钢加热时可以阻止奥氏体晶粒的长大，在高温奥氏体粗轧时析出的TiN、TiC能有效抑制晶粒长大，同时提高Nb在奥氏体中的固溶度。在焊接时，钢中的TiN、TiC粒子能显著阻止热影响区晶粒长大，从而改善焊接性能。但钛含量过高，则生成 TiC碳化物，使低温韧性降低。Cu 铜在钢中主要起沉淀强化作用，还有利于获得良好的低温韧性，提高钢的抗疲劳裂纹扩展能力；当Cu含量过高时，在轧制过程中易产生网裂。Ni 镍具有一定的强化作用，能显著降低应变时效倾向，提高钢材应变时效低温韧性，镍还能有效低阻止Cu的热脆引起的网裂。镍加入量小于0. 10%，则起不到作用，但镍含量过高易造成钢板氧化铁皮难于脱落。同时，本发明钢板的生产方法包括采用铁水脱硫、转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理、浇铸成铸坯、控制轧制、热处理；在工艺中控制的技术参数为包括以下步骤(1)冶炼控制钢板的化学成分按重量百分比为C 0.09 0.13%，Si 0. 20 0. 50%, Mn 1. 00 1. 50%, P 彡 0. 010%, S 彡 0. 003%, N 0. 002-0. 005%, Al 0. 020 0. 060%,Nb 0. 03 0. 05%，Ti 0. 007 0. 020%，Ni 0. 20 0. 45%，Cu 0.15 0.30%， Pem彡0.21%，余量为！^及不可避免的夹质。(2)铸坯加热温度1130 1260°C ；(3)控制轧制在奥氏体再结晶区开轧温度1000 1100°C ；奥氏体非再结晶区开轧温度900 950°C，终轧温度790 830°C，
(4)冷却终冷冷却温度650 710°C ；(5)热处理正火保温温度870 910°C、正火保温时间为板厚(mm) X 1. 4 1. 6 (分钟 /mm)。优选地，步骤C3)在奥氏体再结晶阶段单道次最大变形率> 20%，累计变形率彡 55%。本发明的技术具有如下优点(1)本发明采用洁净钢冶炼技术，通过采用铁水脱硫、转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理工艺，使P < 0. 010%，S < 0. 003%，钢质更纯净，为获得优良的应变时效冲击韧性
奠定了基础。(2)本发明成分设计采用中碳、微合金化，通过添加微量Nb、Ti、Ni、Cu元素，结合控轧控冷和正火热处理工艺，获得均勻稳定的铁素体和珠光体组织，因而本发明钢具有优良而且稳定的-40应变时效低温韧性；本发明生产的钢-40应变时效冲击功> 190J。(3)本发明的钢最适合制作海洋平台等，生产工艺简单，成本低，适应大生产要求， 利于推广应用。
图1为本发明的经过正火热处理后，均勻的铁素体+珠光体组织金相图。
具体实施例方式按照本发明的成分要求，工业生产冶炼了本发明的钢，并浇铸成板坯，板坯加热到 1200 1220°C出炉轧制，开轧温度分别为1050、1065、1090°C，第一阶段最大变形率分别为 24、23、21%，累计变形率分别为63,62,57% ；非再结晶区开轧温度分别为920、915、940°C， 终轧温度790、810、830°C，终冷冷却温度分别为670、680、690°C ；轧制钢板厚度规格分别为 50. 8,63. 5,66mm ；正火温度分别为900、890、880°C，正火保温时间分别为75、95、100分钟。本发明实施例1 3与比较钢的化学成分、拉伸力学性能及-40°C应变时效冲击性能见表1。如图1所示，实施例通过上述工艺后的金相组织。通过表1对比可知，本发明以中碳为特点，加入了适当的Ni、Cu、Nb、Ti，经过正火热处理后，得到了一种均勻的铁素体+珠光体组织，钢板应变时效冲击性能优良，-20°C应变时效冲击功在 317J之间，远大于比较钢，其-40°C应变时效冲击功在190 之间。本发明组织均勻，-40°C应变时效冲击性能优良稳定。表1本发明与比较钢的化学成分、力学性能及-40应变时效性能
权利要求
1.一种具有-40°C应变时效高韧性钢板，其特征在于该钢板的化学成分按重量百分比为，C 0.09 0. 13%, Si 0. 20 0. 50%，Mn 1. 00 1. 50%、P 彡 0. 010%，S 彡 0. 003%， N 0. 002-0. 005%, Al 0. 020 0. 060 %，Nb 0. 03 0. 05 %，Ti 0. 007 0. 020 %，Ni 0. 20 0. 45%, Cu 0. 15 0. 30%, Pcm ^ 0. 21%，余量为!^e及不可避免的夹质。
2.—种权利要求1所述的有_40°C应变时效高韧性钢板的生产方法，工艺包括采用铁水脱硫、转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理、浇铸成铸坯、控制轧制、热处理；其特征在于，在工艺中控制的技术参数为(1)冶炼控制钢板的化学成分按重量百分比为C0. 09 0. 13%，Si 0. 20 0. 50%， Mn 1. 00 1. 50%, P 彡 0. 010%, S 彡 0. 003%, N 0. 002-0. 005%, Al 0. 020 0. 060%, Nb 0. 03 0. 05 %, Ti 0. 007 0. 020 %, Ni 0. 20 0. 45 %，Cu 0. 15 0. 30 %, Pem彡0.21%，余量为！^及不可避免的夹质。(2)铸坯加热温度1130 12600C ；(3)控制轧制在奥氏体再结晶区开轧温度1000 1100°C；奥氏体非再结晶区开轧温度900 950°C，终轧温度790 830°C，(4)冷却终冷冷却温度650 710°C；(5)热处理正火保温温度870 910°C、正火保温时间为板厚(mm)X 1.4 1.6(分钟/mm) ο
3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤(3)在奥氏体再结晶阶段单道次最大变形率> 20%，累计变形率> 55%。
全文摘要
一种具有-40℃应变时效高韧性钢板及其生产方法，属于海洋平台结构钢技术领域。钢板化学成分组成C 0.09～0.13％，Si 0.20～0.50％，Mn 1.00～1.50％、P≤0.010％，S≤0.003％，N 0.002-0.005％，Al 0.020～0.060％，Nb 0.03～0.05％，Ti 0.007～0.020％，Ni 0.20～0.45％，Cu 0.15～0.30％，Pcm≤0.21％，余量为Fe及不可避免的夹质。生产方法包括采用铁水脱硫、转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理、浇铸成铸坯、控制轧制、热处理。优点在于，钢板钢质纯净，组织均匀，钢板-40℃应变时效低温韧性优良、稳定；且生产工艺简单，成本低，适用于制作海洋平台等。
文档编号C21D1/28GK102304670SQ201110282948
公开日2012年1月4日 申请日期2011年9月22日 优先权日2011年9月22日
发明者何元春, 姜中行, 李战军, 李春智, 杨永达, 沈钦义, 王彦锋, 王根矶, 白学军, 郑会平 申请人:首钢总公司