一种贝氏体/马氏体/奥氏体高韧易焊接船板钢及制造方法与流程

本发明涉及船板钢领域，特别提供了船舶及海洋工程用的一种贝氏体/马氏体/奥氏体高韧易焊接船板钢及制造方法。

背景技术：

随着世界造船业及海洋装备工业的迅速发展，对船体、海洋平台等结构用钢的机械性能及安全性能提出了越来越高的要求。因在特定的海洋环境中服役，对船体、海洋平台用结构钢除了要求达到一定的强度、良好的焊接性、耐大气和海水腐蚀性外，还要求其具有较高的低温韧性，特别对厚板截面的低温韧性的稳定性要求较高。

传统船体结构钢一般是在低碳钢(碳含量～0.20wt.％)的基础上采用Ni-Cr-Mo-V系合金化技术并通过淬火回火热处理工艺得到回火马氏体组织来实现高强高韧的良好匹配。但由于该类钢碳含量较高，不但对钢的低温韧性十分不利，而且钢的焊接裂纹敏感性指数Pcm(Pcm＝C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B)也较高，为避免钢板焊后在焊接接头处出现冷裂纹，钢板需要在焊前进行预热，因此会提高焊接工序成本，增加焊接耗时。申请号为200710094178的发明专利描述了一种高强钢及其制造方法，但由于碳当量较高，焊接时需要较高温度下预热，严重制约了焊接进程。近年来，为降低制造成本，同时又能进一步改善船体用钢的强韧性及焊接性，人们设计了一种低碳或是超低碳含Cu时效强化钢，这种钢主要通过降低Ni、Cr、Mo等贵重元素含量来减小合金成本，通过超低碳设计来降低碳当量，从而提高焊接性能。该类钢轧后一般经固溶加时效热处理，固溶处理时Cu全部固溶于基体中，在时效过程中以Cu单质粒子形式析出，从而起到一定的沉淀强化作用来弥补降碳带来的强度损失。

传统船体结构钢，不论是早期的低碳(碳含量～0.20wt.％)、Ni-Cr-Mo-V系合金化钢，还是近年来开发的低碳或是超低碳含Cu时效强化钢，轧后一般均采用再加热，然后采用淬火、回火热处理工艺，即QT工艺，或者通过轧后直接淬火然后回火热工艺，即DQT工艺，来获得回火马氏体/贝氏体组织来实现高强高韧的良好匹配。DQT工艺不仅制造工艺流程短，节能降耗，而且通过再结晶区和非再结晶区两阶段轧制后能使相变后的有效晶粒尺寸细化从而有利于提高钢的强韧性。如公开号为CN1651589A的发明专利采用QT的工艺制备了一种高强度易焊接时效硬化钢，但该方法所述钢的屈服强度较低为520MPa，韧性考核温度也较低，要求-40℃冲击功≥160J。公开号为CN102021489A和CN104073731A的发明专利描述了一种通过DQT工艺来制造的超高强度船板钢，但其屈服强度也在520MPa左右，考察冲击功温度均不低于-60℃。在海洋服役环境下，船体结构钢和海洋平台用钢需要承受一系列复杂的动态载荷及船体建造和装配所造成的应力等因素的作用和影响，因此，在提高钢材强度的同时，必须考虑钢材如何避免发生低应力破坏。这就要求钢材在塑性破坏时有足够的韧性储备，特别是要求在很低的海洋环境温度下具有较高的低温韧性。

现有技术中提高韧性的方法有两种，一方面是提高上平台冲击功，另一方面是降低韧脆转变温度。通过深入研究，人们通过在再结晶区和非再结晶区大压下量轧制来获得扁平奥氏体，从而细化相变后贝氏体/马氏体亚结构，来降低韧脆转变温度。此外，还通过在淬火和回火工艺之间进行一次两相区淬火，来实现奥氏体稳定元素的配分，在回火时获得一定量的逆转变奥氏体来大幅度提高钢的低温韧性，即QLT工艺。但再结晶区和非再结晶区大压下量轧制后直接淬火DQ和两相区淬火加回火LT相结合的工艺还较为少见。

现有的高强韧易焊接钢技术大多数考核的冲击韧性温度均不低于-60℃，这已不能满足传统船体、海洋平台等用途的钢材在严寒低温海洋环境中的服役特点。此外，船体用钢、海洋平台用钢厚度规格较多，厚板在厚度方向具有截面效应，即在厚板的厚度方向出现性能不稳定的现象，特别是低温韧性的不稳定，严重影响钢板的整体性能。

本发明为解决上述问题，提供了一种贝氏体/马氏体/奥氏体高韧易焊接船板钢及制造方法，满足钢材在严寒低温海洋环境中的服役特点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种贝氏体/马氏体/奥氏体高韧易焊接船板钢及制造方法，通过对钢板进行轧制、热处理工艺，解决了传统船体、海洋平台、石油管道用钢均面临低温韧性不足、厚板截面韧性不稳定的问题。

本发明的技术方案是：

一种贝氏体/马氏体/奥氏体高韧易焊接船板钢，船板钢中各组分按质量百分比计：C：0.020％～0.060％，Ni：1.50％～3.00％，Cu：1.00％～2.00％，Mo：0.10％～0.60％，Cr：0.20％～0.60％，Mn：0.80％～1.50％，Si：0.20％～0.50％，Nb：0.040％～0.080％，Ti：0.005％～0.020％，Al：0.010％～0.050％，P≤0.006％，S≤0.001％，余量为Fe及不可避免的杂质；船板钢满足焊接裂纹敏感性指数：

P_cm＝C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B≤0.34。

进一步的，船板钢中各组分按质量百分比计：C：0.023％～0.037％，Ni：1.73％～2.01％，Cu：1.09％～1.76％，Mo：0.13％～0.367％，Cr：0.24％～0.36％，Mn：0.85％～1.13％，Si：0.24％～0.39％，Nb：0.043％～0.062％，Ti：0.0053％～0.012％，Al：0.012％～0.034％，P≤0.004％，S≤0.0008％，余量为Fe及不可避免的杂质；船板钢满足焊接裂纹敏感性指数：P_cm＝C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B≤0.25。

进一步的，船板钢中各组分按质量百分比计：C：0.041％～0.056％，Ni：2.15％～2.87％，Cu：1.81％～1.93％，Mo：0.38％～0.57％，Cr：0.38％～0.52％，Mn：1.213％～1.479％，Si：0.41％～0.49％，Nb：0.065％～0.078％，Ti：0.013％～0.018％，Al：0.036％～0.048％，P≤0.003％，S≤0.0007％，余量为Fe及不可避免的杂质；船板钢满足焊接裂纹敏感性指数：P_cm＝C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B≤0.32。

本发明各元素的作用及配比依据如下：

C：具有显著的固溶强化效果，且能提高钢的淬透性，但钢中C含量增加对钢低温韧性及焊接性十分不利。因此本发明中采用超低碳设计，C含量控制在0.02～0.06wt.％。

Cu：本发明钢的关键析出强化元素，Cu不依赖C、N元素即可在钢中在回火时效过程中以纳米团簇形式析出从而产生显著地析出强化作用，可弥补降低C而造成的强度损失，同时Cu还能提高钢的耐海水腐蚀性能。为保证钢具有一定的强度，本发明中Cu的含量控制在1.00～2.00wt.％。

Ni：在时效过程中Ni和Cu形成复合析出相，Ni能促进Cu的析出动力学，时效过程中能抑制富Cu相的粗化，从而增强Cu析出强化效果。此外，Ni还可提高钢的淬透性和低温韧性，同时具有一定的固溶强化作用，还能防止Cu的热脆效应，显著改善含Cu钢的表面热裂纹倾向。考虑到钢的经济成本，本发明中Ni含量控制在1.50～3.00wt.％。

Mo：固溶Mo能显著提高钢的淬透性，还具有一定的固溶强化作用，同时Mo能够提高回火稳定性，显著降低回火脆性。本发明中Mo含量控制在0.100～0.60wt.％。

Cr：固溶Cr能够显著提高钢的淬透性(兼具降低A_c3温度和提高过冷奥氏体稳定性的作用)，同时Cr易形成致密氧化膜可显著提高钢的耐蚀性。本发明中Cr含量控制在0.20～0.60wt.％。

Mn：可显著提高钢的淬透性，同时具有一定的固溶强化作用，还可降低A_c3温度，使得在非再结晶区轧制的温度窗口更宽，但Mn含量过高时，钢的耐蚀性能降低，且在焊接热影响区易形成粗大的M/A岛，严重影响焊接热影响区的低温韧性。本发明中Mn含量控制在0.800～1.500wt.％。

Si：钢中脱氧元素之一，同时硅也是非碳化物形成元素，以固溶形式存在于钢基体中，具有一定的固溶强化作用，但过量的硅对钢的低温韧性不利，钢的焊接冷裂纹、热裂纹敏感性将增加，本发明Si含量控制为0.20～0.50wt.％。

Nb：高温均热时固溶的Nb能够提高钢的淬透性，形变诱导析出Nb能抑制形变奥氏体的再结晶，使得在非再结晶区轧制时，能获得扁平奥氏体。Nb含量过低上述作用不显著，含量过高对焊接热影响区的韧性有损害作用。本发明中Nb含量控制在0.040～0.080wt.％。

Ti：强碳氮化物形成元素，微量的Ti可与钢中N结合形成TiN，阻止均热时奥氏体晶粒的长大，亦可在焊接热影响区中阻止奥氏体晶粒的长大，从而改善焊接性。本发明中Ti含量控制在0.005～0.020wt.％。

Al：是强脱氧元素，还可与N结合形成AlN，有防止钢的时效脆性及细化晶粒的作用。本发明中Al含量控制在0.010～0.050wt.％。

P和S：钢中杂质元素，对钢的性能尤其是低温韧性非常不利，本发明钢中对其含量应严格控制，分别不高于0.01wt.％和0.001wt.％。

进一步的，船板钢的微观组织主要由贝氏体、马氏体、奥氏体构成，其中贝氏体体积分数为70％～90％，马氏体体积分数为10％～20％，奥氏体体积分数为4％～10％；上述组分之和为100％。

进一步的，船板钢的微观组织中贝氏体体积分数为76％～85％，马氏体体积分数为13％～19％，奥氏体体积分数为6％～8％；上述组分之和为100％。

一种贝氏体/马氏体/奥氏体高韧易焊接船板钢的制造方法，具体工艺步骤为：

(1)板坯连铸：低过热度浇注，浇注过热度不大于20℃，采取轻压下及电磁搅拌技术，以减小钢板心部偏析程度；

(2)低温再加热：将连铸坯进行低温加热，使得钢板具有较细小的奥氏体晶粒度，加热温度为1000～1150℃，保温60～180min；

(3)再结晶与非再结晶区两阶段大压下轧制：在再结晶区温度范围内进行2～5道次大压下率轧制，开轧温度：1000～1150℃，终轧温度：980～1100℃，轧制时单道次压下量大且轧速慢，使得钢板具有较大的轧制渗透力，让其表面发生再结晶的同时，让其心部也最大程度地发生再结晶，一定程度上消除元素的偏析，控制轧速不高于1.5m/s，每道次压下量不低于15％；在非再结晶区温度范围内进行3～10道次“低温大压下”轧制，开轧温度：920～1000℃，终轧温度：850～920℃。上述两阶段大压下轧制总压缩比不低于8，在非再结晶区轧制时压缩比不低于3；轧后钢板的奥氏体形貌呈扁平状，扁平化奥氏体的晶界面积较等轴状奥氏体的晶界面积多，能为后续直接淬火时贝氏体/马氏体相变提供更多的形核位置，从而使得贝氏体/马氏体的亚结构尺寸更细小，更为细小尺寸的亚结构为板条束或板条块，是钢的强韧化控制单元，因此能大幅度提高钢的强韧性，尤其是改善低温韧性。

(4)直接淬火DQ：轧制结束后将钢板快速传送至在线淬火机进行淬火，直接淬火温度为850～920℃，水淬速度控制在1～2m/min，冷速≥20℃/s，钢板表面终冷温度不高于200℃；

(5)两相区淬火L：对淬火后的钢板再次加热至两相区，加热至两相区后立即进行二次淬火，淬火温度为740～780℃，保温时间60～90min，上述两相区是指奥氏体/铁素体区；

(6)回火热处理：将二次淬火后的钢板在热处理炉中进行回火，回火温度为500～670℃，回火时间60～120min，回火后进行空冷至室温；钢中析出相大量弥散析出，起到显著地沉淀强化作用，同时在贝氏体/马氏体板条间形成一定量的逆转变奥氏体，可阻止裂纹的传播或是吸收冲击能量，从而显著提高低温韧性。

进一步的，步骤(3)中，在再结晶区温度范围内进行3道次大压下率轧制，开轧温度：1120℃，终轧温度：1000℃，轧速：1.5m/s，每道次压下量：21％；在非再结晶区温度范围内进行5道次轧制，开轧温度：950℃，终轧温度：870℃，轧速：1.3m/s，每道次压下量：18.7％。

进一步的，步骤(4)中，直接淬火温度：885℃，淬火时间：90min。

进一步的，步骤(5)中，二次淬火时冷却方式为水冷；水淬速度控制在1～2m/min，冷速≥20℃/s，钢板表面终冷温度不高于200℃。

进一步的，步骤(5)中，淬火温度：760℃，淬火时间：120min。

进一步的，步骤(6)中，回火温度：654℃，回火时间：70min。

本发明的优点在于：

(1)本发明钢板屈服强度≥590MPa，-84℃夏比V型缺口冲击功(KV2_-84℃)≥150J(单值)，且断口纤维率(FA_-84℃)≥60％(单值)。

(2)本发明钢板的厚度截面性能稳定，尤其是低温韧性较为稳定。

(3)与传统生产工艺相比，本发明的生产工艺在保证低碳船板钢具有优良的高强高韧的匹配性，还具有较高的低温冲击断口纤维率，使得钢在低温下服役时不易脆断，更有安全保障。

附图说明

图1为本发明钢的扫描电镜图；

图2为本发明钢的轧制热处理工艺图；

图3为本发明钢中奥氏体体积分数为4％时的X射线衍射测定结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

表1为本发明中的实施例中钢的化学成分，按不同Ni、Cu含量共冶炼3炉，3炉钢的碳含量均为低于0.06％的超低碳钢；具体见表1。

表1本发明中的实施例中钢的化学成分(wt.％)

表2为本发明中的实施例与对比例中钢的具体轧制工艺过程具体见表2。

表3为本发明中的实施例与对比例中钢的热处理工艺过程，具体见表3。

表4为本发明中的实施例与对比例中不同厚度规格钢的力学性能，具体见表4。

表2本发明中的实施例与对比例中钢的具体轧制工艺过程

表3本发明中的实施例与对比例中钢的热处理工艺

表4本发明中的实施例与对比例中不同厚度规格钢的力学性能

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。