一种超低碳低温用钢及其热处理工艺的制作方法

本发明属于低温用钢的
技术领域：
，涉及一种超低碳低温用钢及其热处理工艺，具体涉及一种超低碳节镍纳米析出强化低温钢及其高强韧配分-再回火的热处理工艺。
背景技术：
：在全球液化天然气(lng)，液化石油气(lpg)和液化乙烯气(leg)等能源生产贸易日渐活跃的情况下，作为存储、运输材料的镍系低温钢逐步发展成为最具实用性的低温结构材料。虽然富ni铁素体型低温钢低温韧性很好，其中9ni钢甚至能在深冷状态下使用，但由于ni元素成本较高，资源稀缺，发展低镍型低温用钢成为一个不可忽视的问题。但是，众所周知，良好的低温缺口韧性也是低温钢最重要的技术要求，而ni元素对低温钢的低温韧性影响很大，含量越高影响越大。因此，如何提高低镍系低温用钢的强塑性是非常重要的。为了得到良好塑性的低温用钢，需能保证引入较多的残余奥氏体，产生相变诱发塑性(trip)效应。一般淬火-再分配(qp)工艺是通过奥氏体稳定元素如c在马氏体与逆变后的奥氏体之间进行配分，使残余奥氏体能在后续的淬火过程中稳定下来，因此一般碳含量都要在0.3-0.5wt％。但碳含量高时钢淬透性会增加会引起焊接时热影响区增大发生焊接开裂，降低焊接性能。所以，在超低碳低镍系低温钢中，利用添加mn元素代替ni、c元素进行配分过程，同时也能起到降低成本的作用。为保证超低碳低镍系低温钢具有优异的强度，所开发钢种的显微组织除马氏体基体和具有一定机械稳定性的奥氏体外，需引入析出相产生析出强化；而为了使析出强化不破坏低温钢的塑性，则析出相尺寸需为纳米级别。由于碳含量很少，因此可利用添加al、cu等元素与ni元素形成纳米析出相如ni3al等从而得到析出强化的效果。因此，通过上述组织需求进行超低碳低镍系低温钢合金成分设计，同时提出超低碳锰配分-再回火热处理工艺，制备高强塑积超低碳节镍纳米析出强化低温钢。技术实现要素：鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超低碳低温用钢及其热处理工艺，通过对超低碳低镍系低温钢的成分进行合理设计，利用mn元素在两相区温度内配分作用，以及在低温回火过程中引入纳米析出相如nial3等，制备出一种高强塑积超低碳节镍纳米析出强化低温钢，从而解决现有超低碳低镍系低温钢强度较低，塑性差，强韧性整体偏低的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种超低碳低温用钢，由以下质量百分比的元素组成：c(碳)：0.005-0.01％；ni(镍)：1.0-4.5％；mn(锰)：6.0-12.0％；al(铝)：1.0-3.0％；cu(铜)：0.5-3.0％；p(磷)：≤0.005％；s(硫)：≤0.003％；n(氮)：0.005-0.008％；o(氧)：0.0005-0.002％；余量为fe(铁)。优选地，所述一种超低碳低温用钢，由以下质量百分比的元素组成：c：0.008-0.01％；ni：1.0-3.0％；mn：6.0-10.0％；al：1.0-2.0％；cu：1.5-2.5％；p：≤0.005％；s：≤0.003％；n：0.005-0.008％；o：0.0005-0.002％；余量为fe。更优选地，所述一种超低碳低温用钢，由以下质量百分比的元素组成：c：0.008-0.01％；ni：1.5-2.5％；mn：7.0-8.0％；al：1.5-2.0％；cu：1.5-2.0％；p：≤0.005％；s：≤0.003％；n：0.005-0.008％；o：0.0005-0.002％；余量为fe。本发明中超低碳低温用钢的配方，在c含量较低的情况下将ni系低温钢中ni含量降低到4.5％以下，而mn含量提高到6％以上，并加入与ni含量相当或略少的cu含量，用以提高逆变奥氏体的稳定性及在第二步回火过程中引入富cu相引入析出强化，改善了镍系低温钢成本昂贵及锰系低温钢强度低的应用局限。本发明第二方面提供一种超低碳低温用钢的热处理工艺，包括以下步骤：1)按配比取各元素组分混合后铸成钢锭，将钢锭进行热轧处理后再进行冷轧处理；2)将冷轧处理后的钢锭，在两相区温度下进行等温后水淬；3)将水淬后的钢锭，进行回火后进行再次水淬，即得超低碳低温用钢。优选地，步骤1)中，所述钢锭需除锈去油，清洗干净。避免热处理过程中的受力不均现象。优选地，步骤1)中，所述热轧处理是将钢锭由初轧温度1200℃至终轧温度750℃进行多步热轧后空冷。更优选地，所述多步热轧包括以下步骤：第一步：热轧温度：1150-1250℃，保温时间：115-125分钟；第二步：热轧温度：880-970℃，保温时间：65-75分钟；第三步：热轧温度：700-800℃，保温时间：20-30分钟。进一步优选地，所述多步热轧包括以下步骤：第一步：热轧温度：1200℃，保温时间：120分钟；第二步：热轧温度：900℃，保温时间：70分钟；第三步：热轧温度：750℃，保温时间：25分钟。更优选地，所述多步热轧的每次压下率保持在20-30％。所述压下率是指轧制和锻压时常用表示相对变形的压下率表示变形程度。当多步轧制压下率尽量维持在一个稳定范围内时，轧制效果较好。优选地，步骤1)中，所述冷轧处理在室温下进行单步轧制。更优选地，所述冷轧处理的压下率为55-80％。进一步优选地，所述冷轧处理的压下率为60-75％。优选地，步骤2)中，所述两相区温度为a1温度至a1温度以上50-100℃区间度。更优选地，所述两相区温度为a1温度至a1温度以上50-70℃区间。优选地，步骤2)中，所述等温的时间为0.5-2h。更优选地，所述等温的时间为1-2h。优选地，步骤3)中，所述回火的温度为a1温度至a1温度以下40-100℃区间。更优选地，所述回火的温度为a1温度至a1温度以下60-80℃区间。优选地，步骤3)中，所述回火的时间为1-6h。更优选地，所述回火的时间为1-2h。优选地，步骤2)或3)中，所述a1温度为630-680℃。优选地，步骤2)或3)中，所述水淬是将等温或回火处理后的钢锭进行水冷却至室温。上述室温为20-25℃。如上所述，本发明提供的一种超低碳低温用钢及其热处理工艺，采用多步等温淬火达到超低碳锰配分-回火工艺，通过选取合适的等温温度和保温时间，在实现第一步锰配分保留残余奥氏体后，第二步低温回火得到纳米析出相，通过纳米析出相和奥氏体的综合影响，得到一种高强韧性综合的超低碳节镍纳米析出强化低温钢。其中，第一步锰配分保留残余奥氏体，是不通过传统qpt碳配分而是通过锰配分进入逆变奥氏体内来稳定残余奥氏体。虽然碳能显著提高低温钢的强度，但为了提高钢的低温韧性并改善焊接性，在保证强度的前提下，应尽量降低钢中的碳含量。通过提高低温钢中的锰元素，在低温钢能起到取代镍元素的作用，可显著提高钢的韧性，并降低成本，提高经济性。与此同时，由于mn作为间隙原子，在扩散速度方面不如c，因此需要长时间并在高温下进行配分，才能得到足够具有热稳定性的残余奥氏体。第二步低温回火得到纳米析出相，主要成分为nial相以及富cu相；在低温钢中加入适量的铝等元素，能够细化钢的晶粒，同时，也能和一定量的ni元素形成nial纳米析出相，而加入适量的cu元素可以提高强塑积，并使得更多的奥氏体保留下来，并且由于富cu相和nial相互相促进的析出强化作用，强度提高又不降低韧性。采用本发明中的超低碳锰配分-回火工艺，通过残余奥氏体和纳米析出相的综合影响，在拉伸过程中利用残余奥氏体的trip效应和纳米析出相的析出强化，能够制备获得屈服强度850-940mpa、抗拉强度940-970mpa、延伸率20-27％以及强塑积达到18800-25380mpa％的高强塑积超低碳节镍纳米析出强化低温钢，其具有良好的强度和优异的塑性，并且具有良好的焊接性，成本较低，热处理工艺简易。附图说明图1显示为本发明中热轧/冷轧组织配分-再回火热处理后得到的低温钢扫描显微组织对比图1a，1b，其中，1a为实施例1配分再回火的低温钢扫描显微组织图；1b为实施例2配分再回火的低温钢扫描显微组织图。图2显示为本发明中热轧/冷轧组织配分-再回火热处理后得到的低温钢透射显微组织对比图2a，2b，其中，2a为实施例1配分再回火的低温钢透射显微组织图；2b为实施例2配分再回火的低温钢透射显微组织图。具体实施方式下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；所有压力值和范围都是指相对压力。此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。以下实施例使用的使用的含碳、镍、锰、铝、铜、磷、硫、氮、氧、铁等元素的原料均可从市场上购买，实现热轧处理、冷轧处理、水淬、回火等工艺的设备也可从市场上购买获得。实施例1按配比取含各元素组分的原料混合后铸成钢锭，各组分由以下质量百分比的元素组成：c：0.008-0.01％；ni：1.5-2.5％；mn：6.0-8.0％；al：1.5-2.0％；cu：1.5-2.5％；p：≤0.005％；s：≤0.003％；n：0.005-0.008％；o：0.0005-0.002％；余量为fe。将钢锭除锈去油，清洗干净，避免热处理过程中的受力不均现象。将钢锭由初轧温度1200℃至终轧温度750℃进行多步热轧后空冷，多步热轧条件为：多步热轧条件为：分别连续在1200、900、750℃温度下，压下率分别为25％、25％、25％，保温时间分别为120、70、25分钟。然后，将钢锭在25℃下进行冷轧处理，冷轧处理的压下率为60-75％。将冷轧处理后的钢锭，在a1温度以上50-70℃保温1-2h，然后水冷至室温。再将水淬后的钢锭，在a1温度以下60-80℃保温1-2h进行低温回火，然后水冷至室温，即得所需的超低碳低温用钢样品。其中，a1温度为630-680℃。实施例2按配比取含各元素组分的原料混合后铸成钢锭，各组分由以下质量百分比的元素组成：c：0.008-0.01％；ni：1.5-4.5％；mn：6.0-12.0％；al：1.0-3.0％；cu：1.0-3.0％；p：≤0.005％；s：≤0.003％；n：0.005-0.008％；o：0.0005-0.002％；余量为fe。将钢锭除锈去油，清洗干净，避免热处理过程中的受力不均现象。将钢锭由初轧温度1200℃至终轧温度750℃进行多步热轧后空冷，多步热轧条件为：多步热轧条件为：分别连续在1150、880、700℃温度下，压下量分别为30％、25％、25％，保温时间分别为115、65、20分钟。然后，将钢锭在25℃下进行冷轧处理，冷轧处理的压下量为55-80％。将冷轧处理后的钢锭，在a1温度以上50-100℃保温0.5-2h，然后水冷至室温。再将水淬后的钢锭，在a1温度以下40-100℃保温1-6h进行低温回火，然后水冷至室温，即得所需的超低碳低温用钢样品。其中，a1温度为630-680℃。实施例3按配比取含各元素组分的原料混合后铸成钢锭，各组分由以下质量百分比的元素组成：c：0.008-0.01％；ni：1.5-4.5％；mn：6.0-12.0％；al：1.0-3.0％；cu：1.0-3.0％；p：≤0.005％；s：≤0.003％；n：0.005-0.008％；o：0.0005-0.002％；余量为fe。将钢锭除锈去油，清洗干净，避免热处理过程中的受力不均现象。将钢锭由初轧温度1200℃至终轧温度750℃进行多步热轧后空冷，多步热轧条件为：多步热轧条件为：分别连续在1250、920、800℃温度下，压下量分别为20％、25％、25％，保温时间分别为125、75、30分钟。然后，将钢锭在25℃下进行冷轧处理，冷轧处理的压下量为55-80％。将冷轧处理后的钢锭，在a1温度以上50-100℃保温0.5-2h，然后水冷至室温。再将水淬后的钢锭，在a1温度以下40-100℃保温1-6h进行低温回火，然后水冷至室温，即得所需的超低碳低温用钢样品。其中，a1温度为630-680℃。对比例1按配比取含各元素组分的原料混合后铸成钢锭，各组分由以下质量百分比的元素组成：c：0.008-0.01％；ni：1.5-2.5％；mn：6.0-8.0％；al：1.5-2.0％；cu：1.5-2.5％；p：≤0.005％；s：≤0.003％；n：0.005-0.008％；o：0.0005-0.002％；余量为fe。将钢锭除锈去油，清洗干净，避免热处理过程中的受力不均现象。将钢锭由初轧温度1200℃至终轧温度750℃进行多步热轧后空冷，多步热轧条件为：多步热轧条件为：分别连续在1200、900、750℃温度下，压下量分别为25％、25％、25％，保温时间分别为120、70、25分钟。将热轧处理后的钢锭，在a1温度以上50-70℃保温1-2h，然后水冷至室温。再将水淬后的钢锭，在a1温度以下60-80℃保温1-2h进行低温回火，然后水冷至室温，即得对比用低温用钢样品。其中，a1温度为630-680℃。测试例1将实施例1中的超低碳低温用钢样品与对比例1中的对比用低温用钢样品，分别进行常温拉伸实验，具体结果见表1。由表1可知，经过超低碳配分-再回火工艺处理后，低温钢的屈服强度大大提高到850-940mpa，抗拉强度与延伸率依旧较高，其延伸率维持在21.1-27％左右。这得益于第一步锰配分保留下来的残余奥氏体拉伸过程中产生的trip效应，及低温回火长时间后产生的纳米析出相的析出强化，此过程也存在组织细化和基体的净化。表1低温钢配分-再回火前后力学性能对比表样品冷轧配分再回火屈服强度(mpa)抗拉强度(mpa)延伸率(％)1#√√√878-950930-98521.1-27.02#/√√930-950970-98520.6-24.8注：其中√代表已处理，/代表未处理测试例2将实施例1中的超低碳低温用钢样品与对比例1中的对比用低温用钢样品，分别进行x射线衍射实验对残余奥氏体含量进行测量，具体结果如表2。并采用扫描电镜进行组织观察，具体结果见图1a-1b。由表2可知，经过超低碳配分-再回火工艺处理之后，低温钢的奥氏体含量维持在19.9-21.7％左右，原始热轧态在经过配分-再回火工艺处理后奥氏体含量较冷轧态低，为12.4-17.8％左右。在回火过程中，合金元素如锰进一步向奥氏体中扩散，从而稳定奥氏体，提高了低温钢的塑性。表2低温钢配分-再回火前后奥氏体含量对比表样品冷轧配分再回火奥氏体含量(％)1#√√√19.9-21.72#/√√12.4-17.8注：其中√代表已处理，/代表未处理由图1a-1b可知，经过超低碳配分-再回火工艺处理后组织兼具残余奥氏体与纳米析出相，且晶粒尺寸较细，此时热轧造成的组织变形都被热处理消除，纳米析出相弥散分布于整个组织内。原始热轧态经过配分再回火工艺后纳米级别的残余奥氏体主要在马氏体的板条界面析出，基体组织为回火马氏体和纳米颗粒物的复相组织。测试例3将实施例1中的超低碳低温用钢样品与对比例1中的对比用低温用钢样品，分别进行透射电镜表征析出相，具体结果如图2a-2b。由图2a-2b可见，在经过配分-再回火工艺后，基体内都有大量的纳米析出相出现，而块状和薄膜状的奥氏体也分别在图2a与图2b中观察到。以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。当前第1页12