一种高淬透性高强韧特厚海工钢板及其制备方法与流程

本发明涉及一种海工钢及其制备方法，具体的说是一种高淬透性高强韧特厚海工钢板及其制备方法。

背景技术：

21世纪是海洋的世纪，随着世界经济的发展，不论是海洋运输还是海洋资源开发都将进入高速发展期，由此带动船舶与海洋工程制造的快速增长。船舶的大型化、海洋资源开发的深海化，将大量采用具有特殊性能的船舶与海工用钢。目前，我国船舶与海工用钢已能满足国内市场的大部分需求，但部分高级别的特种钢材仍大量依赖进口。特殊用钢主要指具有高强度、大厚度、抗层状撕裂、大热输入焊接、耐腐蚀、超低温韧性、高止裂性能的钢板。

为了提高大型船舶、海洋平台用钢的安全性，高强、高韧、大厚度钢的使用比例逐年增加。当前国际上690MPa级海洋平台用钢均需采用Cr、Ni、Mo等贵重金属合金化，为了保证钢板的低温韧性，甚至需要添加近4%的Ni元素；生产工艺常采用多阶段淬火回火，工序较为复杂，生产成本高。且690MPa级海洋平台用钢传统成分设计中，钢板淬透性不足，厚度规格≥ 60mm 的钢板在厚度方向上的变形和冷却难以保证均匀分布，造成钢板厚度方向上组织性能的严重不均匀，导致厚度规格受限。

根据申请人检索，专利CN 103343285 A公开了一种690级超高强度海洋工程用钢板及其生产方法，成分采用传统高碳设计，Mn含量很低，工艺上采取了离线淬火加回火，钢板性能中延伸率低，未保证低温冲击韧性。

专利CN 104911475 A公开了一种低碳中锰高强韧性特厚钢板及其制备方法， C含量高，且未加入Nb元素，轧制工艺采用一阶段轧制，此外性能方面仅保证-60℃以上低温韧性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：如何解决钢板厚度方向组织及性能不均现象，同时将厚度规格拓宽至150mm低温韧性仍可达到-80℃使用要求，且在同等屈服强度条件下兼具低屈强比；具体为如何生产生厚度≥60-150mm，钢板厚度1/4、1/2处屈服强度≥690MPa，屈强比≤0.86，延伸率≥20%，-80℃低温冲击功＞100J的特厚海工钢。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

一种高淬透性高强韧特厚海工钢板，特厚海工钢板厚度60-150mm，特厚海工钢化学成分及其质量分数为：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%，余量为Fe和杂质元素。

高淬透性高强韧特厚海工钢板的制备方法，包括以下步骤：

⑴加热：将具有与所述特厚海工钢板相同化学成分的坯料加热至1000-1150℃并保温100-200min；

⑵轧制：对加热后的坯料进行两阶段轧制，一阶段开轧温度≥1000℃，道次变形量≥15%；二阶段开轧温度≤900℃，道次变形量≥12%，终轧温度800-860℃；轧后水冷至200-300℃之间，冷却速度1-6℃/s；

⑶回火热处理：采用辊底式连续热处理炉进行回火，回火温度600-670℃，回火时间70-160min，出炉后空冷至室温。

本发明中化学成分含量的限定理由如下：

C元素能够通过固溶强化或析出强化提高强度，同时能够稳定奥氏体相，但C含量较高时对钢材低温韧性及焊接性能不利，为保证钢材使用性能应当尽量降低C含量。因此本发明采用超低C成分设计，将C含量控制在0.04-0.08%的较低水平。

Mn是本发明所述海工钢的主要合金元素。Mn是铁素体强化元素，同时也是奥氏体稳定元素。在改善材料低温韧性方面，提高Mn/C比能够显著降低韧-脆转变温度，因此Mn能够在一定程度上取代价格较高的Ni。为了在不添加Ni元素的条件下使材料具备优良低温韧性，Mn添加量需要高于低合金钢含量范围，但过高的Mn含量将使偏析程度加重、冶炼难度加大以及材料成本提高。本发明将Mn含量控制在4-9%。

Si在炼钢过程中为脱氧元素，适量Si能够抑制Mn和P的偏聚，而O含量过高、Mn和P偏聚都会损害低温韧性。Si还能够产生固溶强化，但含量超过0.3%时会引起韧-脆转变温度升高，因此含量不能过高。本发明将Si控制在0.10-0.25%。

Al在炼钢过程中为脱氧元素，也能够降低固溶N原子数量，从而提高韧性和时效应变抗力，而形成的AlN还能够细化晶粒，从而进一步降低韧-脆转变温度。但过量添加会形成大尺寸的Al3O2和AlN并损害低温韧性。本发明将Al含量（Als）控制在0.01-0.03%。

Mo为强淬透性元素，能够抑制渗碳体析出，还能够提高回火稳定性，从而降低脆性并提高强度，含量过高将增加材料成本。本发明将Mo含量控制在0.2-0.5%。

Nb加热时阻碍奥氏体晶粒长大，降低奥氏体转变温度，轧制时抑制再结晶及再结晶后晶粒长大，同时通过对奥氏体晶界的钉扎作用，使相变后铁素体晶粒得到细化，但含量过高时将增加成本。本发明将Nb含量控制在0.025-0.050%。

S易与Mn形成MnS，P容易在晶界偏聚并降低晶界抗裂纹扩展能力，为提高材料低温韧性，需要将S、P控制在最低限度。

本发明中可获得高淬透性、高强韧特厚海工钢机理如下：

锰为扩大奥氏体相区元素，降低了Ac1和Ms点，每添加 1%的 Mn 元素，马氏体相变转变点降低约30.4℃，富含 Mn 元素的奥氏体更易在室温下形成稳定的残余奥氏体。锰通过提高奥氏体的热力学稳定性明显提高钢的淬透性，当钢中添加4-9%Mn时，在空冷条件下便可获得马氏体组织。因此，解决了特厚板厚度方向组织、性能不均匀问题。

锰主要以固溶态存在，起到固溶强化作用，每添加 1%的 Mn 元素强度提高约33MPa，同时在低碳钢中加入Mn元素会使先共析铁素体析出线右移，使得冷却过程中铁素体析出量减少。中锰钢加热过程中Mn元素的扩散方式为置换扩散，抑制了奥氏体逆相变过程中马氏体板条的长大，使基体细化进而提高了基体的强度。本发明同时导入Nb元素，利用Nb的钉扎作用，通过控轧控冷工艺细化晶粒，进一步提高钢材强度。

Mn元素显著降低钢材韧脆转变温度，富含 Mn 元素的奥氏体更易在室温下形成稳定的残余奥氏体，奥氏体作为软相释放微裂纹尖端的应力以及明显增加相界面而提高钢材韧性。当钢中添加4-9%Mn时，可满足-80℃使用要求。

本发明进一步限定的技术方案是：

前述的高淬透性高强韧特厚海工钢板，特厚海工钢板的室温金相组织为回火马氏体+逆转变奥氏体+少量残余奥氏体的复相组织。

前述的高淬透性高强韧特厚海工钢板，特厚海工钢板屈服强度≥690MPa，屈强比≤0.85，延伸率≥20%，-80℃夏比冲击试验纵向冲击功≥100J。

本发明的有益效果是：

本发明通过中锰成分设计方式，显著提高钢材淬透性，在空冷状态下便可获得马氏体组织，弥补传统高强海工钢厚度方向性能不均现象。同时，Mn元素可降低钢材韧脆转变温度，提高残余奥氏体稳定性，进而提高钢板低温韧性。本发明采用低碳成分设计，改善钢材焊接性能。通过Nb微合金化处理，提高钢材强度。同时，本发明所述高强海工钢还具有高屈服强度和低屈强比的显著特点，因而应用范围更广、结构安全性更高。

与传统高强度特厚海工钢相比，本发明提出的高淬透性高强韧特厚海工钢显著改善了厚度方向组织、性能不均现象，同时将厚度规格拓宽至150mm，低温韧性达到-80℃使用要求，且在同等屈服强度条件下兼具低屈强比的特点，应用范围更广。

本发明的特厚海工钢，厚度≥60-150mm，钢板厚度1/4、1/2处屈服强度≥690MPa，屈强比≤0.86，延伸率≥20%，-80℃低温冲击功＞100J。

专利CN 103343285 A公开的一种690级超高强度海洋工程用钢板及其生产方法，成分采用传统高碳设计，Mn含量远低于本发明，工艺上采取了不同于本发明的离线淬火加回火，钢板性能中延伸率低于本发明且未保证低温冲击韧性。

专利CN 104911475 A公开的一种低碳中锰高强韧性特厚钢板及其制备方法，与本发明的显著区别是C含量高于本发明，且未加入Nb元素，轧制工艺采用不同于本发明的一阶段轧制，此外性能方面仅保证-60℃以上低温韧性。

附图说明

图1为实施例1中高强韧特厚海工钢厚度1/4处金相组织的光学显微照片。

图2为实施例1中高强韧特厚海工钢厚度1/2处金相组织的光学显微照片。

具体实施方式

实施例1

本实施例是厚度为150mm的高淬透性、高强韧特厚海工钢板，化学成分及其质量分数分别为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和杂质元素，金相组织为回火马氏体+逆转变奥氏体的复相组织，厚度1/4处屈服强度725MPa，屈强比0.82，延伸率32%，-80℃夏比冲击试验纵向冲击吸收能量为136J、147J、145J；厚度1/2处屈服强度713MPa，屈强比0.84，延伸率30%，-80℃夏比冲击试验纵向冲击吸收能量为128J、143J、131J。

上述高淬透性、高强韧特厚海工钢板的制备工艺按照以下步骤进行：

将320mm厚的坯料放入加热炉中加热至1050℃并保温200min，坯料的化学成分为上述化学成分；

对加热后的坯料进行两阶段轧制，一阶段开轧温度1010℃，轧机压下规程为320mm -270mm -225mm；二阶段开轧温度880℃、终轧温度830℃，轧机压下规程为225mm -195mm -170mm- 150mm，轧制结束后水冷，返红温度260℃；

将钢板放入辊底式连续热处理炉中加热至660℃并保温160min，钢板出炉后空冷至室温。

实施例2

本实施例是厚度为80mm的高淬透性、高强韧特厚海工钢板，化学成分及其质量分数分别为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和杂质元素，金相组织为回火马氏体+逆转变奥氏体的复相组织，厚度1/4处屈服强度730MPa，屈强比0.82，延伸率34%，-80℃夏比冲击试验纵向冲击吸收能量为142J、148J、154J；厚度1/2处屈服强度722MPa，屈强比0.84，延伸率32%，-80℃夏比冲击试验纵向冲击吸收能量为126J、138J、136J。

上述高淬透性、高强韧特厚海工钢板的制备工艺按照以下步骤进行：

将320mm厚的坯料放入加热炉中加热至1030℃并保温120min，坯料的化学成分为上述化学成分；

对加热后的坯料进行两阶段轧制，一阶段开轧温度1020℃，轧机压下规程为320mm -270mm -210mm -170mm -130mm；二阶段开轧温度890℃、终轧温度840℃，轧机压下规程为130mm -110mm -95mm- 80mm，轧制结束后水冷，返红温度240℃；

将钢板放入辊底式连续热处理炉中加热至650℃并保温85min，钢板出炉后空冷至室温。

实施例3

本实施例是厚度为60mm的高淬透性、高强韧特厚海工钢板，化学成分及其质量分数分别为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和杂质元素，金相组织为回火马氏体+逆转变奥氏体的复相组织，厚度1/4处屈服强度735MPa，屈强比0.80，延伸率33%，-80℃夏比冲击试验纵向冲击吸收能量为146J、149J、155J；厚度1/2处屈服强度726MPa，屈强比0.82，延伸率32%，-80℃夏比冲击试验纵向冲击吸收能量为133J、137J、145J。

上述高淬透性、高强韧特厚海工钢板的制备工艺按照以下步骤进行：

将260mm厚的坯料放入加热炉中加热至1020℃并保温100min，坯料的化学成分为上述化学成分；

对加热后的坯料进行两阶段轧制，一阶段开轧温度1015℃，轧机压下规程为260mm -220mm -170mm -120mm -100mm；二阶段开轧温度880℃、终轧温度820℃，轧机压下规程为100mm -80mm -60mm，轧制结束后水冷，返红温度270℃；

将钢板放入辊底式连续热处理炉中加热至645℃并保温70min，钢板出炉后空冷至室温。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。