一种抗时效冲击高强度船板钢及其生产方法与流程

本发明涉及船板钢材料制造，特别是一种抗时效冲击高强度船板钢及其生产方法。

背景技术：

1、在海洋中航行的大型船舶需要承受重载、海水腐蚀、水流冲击、低水温等多种复杂的环境，要求建造船舶材料具有高强度、优良的低温冲击韧性、耐海水腐蚀和抗时效冲击能力。本发明钢较好的解决了高强韧性钢板的耐海水腐蚀和抗时效冲击能力问题。

2、经检索：

3、中国专利cn103147005a（申请号201310107342.9）公开了一种具有良好低温韧性的tmcp型e36船板及其制造方法。其化学成分重量百分比为：c：0.04～0.12％；mn：1.40～1.60％； si：0.10～0.50％；p≤0.018％；s≤0.010％；alt：0.020～0.070％；ti：0.010～0.030％；nb：0.010～0.040％；ni：0.10～0.30％；cu：0.08～0.30％；mo：0.005～0.020％；余量为fe和不可避免的微量杂质元素。该发明钢以较低的c含量和tmcp工艺实现了良好的强韧性，但也存tmcp工艺下应变时效的性能不稳定问题，抗时效冲击能力不能保证。

4、中国专利cn101643887a（申请号200910034815.0）公开了一种特厚高等级船板钢及其生产工艺。其成分质量百分比为：c0.06~0.18%、mn1.00~1.60%、p≤0.015%、s≤0.005%、si≤0.35%、ni0.03~0.30%、cr0.03~0.20%、cu0.02~0.25%、alt0.020~0.050%、nb0.01~0.04%、v0.003~0.060%，其余为fe。正火温度区间为880~940℃，保温时间区间范围为0.8h~1.5h分钟，冷却速度1~5℃/s。该发明钢通过正火消除特厚板在轧制过程中产生的一些内外组织不均匀，性能波动明显等缺陷，有较好的低温冲击韧性，但从实施例看，钢板实际c含量在0.12%以内，钢板强度不高，而且抗时效冲击能力不能保证。

技术实现思路

1、本发明的目的就是针对目前现有的船板钢均存在抗时效冲击性能不稳定，不能很好的适应海水复杂环境下的使用要求，而提供一种抗时效冲击高强度船板钢及其生产方法。

2、本发明的一种抗时效冲击高强度船板钢，所述钢含有下述重量百分比含量的化学成分：c：0.155~0.175%，si：0.35~0.40%，mn：1.45~1.55%，p≤0.012%，s≤0.005%，als：0.030~0.040%，nb：0.040-0.050%，v：0.042~0.050%，ti：0.010~0.015%，ni：0.20~0.24%，cu：0.15~0.18%，其余为fe和不可避免的杂质。

3、根据上述化学成分制得的成品钢板的厚度为70~90mm，钢板的屈服强度reh≥370mpa，抗拉强度rm≥550mpa，延伸率a≥24%，钢板-40℃冲击功kv2≥140j，钢板-40℃时效冲击功kv2≥60j，钢板组织为f+p+b。

4、本发明的一种抗时效冲击高强度船板钢的生产方法，包括铁水预处理→转炉冶炼→lf炉精炼→rh炉真空处理→板坯浇注→铸坯缓冷→铸坯加热→控轧控冷→矫直→正火→控制水冷→空冷，其中：

5、（1）按上述钢的化学成分冶炼并浇注厚度为300mm的板坯，并在浇注过程中控制拉速为0.80m/min，过热度按15~20℃控制，结晶器锥度0.97%；

6、（2）铸坯加热工艺：在炉时间4.5~6小时，最高加热温度1280℃，均热温度 1160～1200℃，均热时间≥35min；

7、（3）轧制工艺：采用控制轧制和控制冷却，ⅰ阶段开轧温度1100±10℃，中间待温厚度为（h+50）mm，h是以mm为单位的成品钢板的厚度，ⅱ阶段开轧温度≤940℃，终轧温度860±20℃，轧后浇水冷却，返红温度按650±20℃控制；

8、（4）正火工艺：正火温度910±10℃，保温时间为1.65hmin，h是以mm为单位的成品钢板的厚度，出炉后浇水冷却至680±30℃，再空冷至室温。

9、本发明钢中主要化学成分限定理由如下：

10、c元素在钢中起到固溶强化作用，可显著提高钢的强度，随着碳含量的增加，钢的强度随之提高，但c含量过高会影响钢的延展性、塑韧性和焊接性能。因此，本发明钢将碳元素含量控制在0.155~0.175%。

11、si元素可以提高钢中固溶体的硬度和强度，但si含量增大时，韧脆转变温度上升较快，影响钢的低温韧性。因此，本发明钢的si含量控制在0.35~0.40%。

12、mn元素通过固溶强化提高钢的强度，是扩大奥氏体相区、细化晶粒和保证综合性能的有效元素，且它并不恶化钢的变形能力，但含量过高将使钢在高温下引起晶粒粗化。因此，本发明mn含量控制在1.45~1.55%。

13、p、s是钢中的不可避免的有害杂质元素。p在钢中固溶强化作用强，能提高钢的强度和耐大气腐蚀性能，但p在钢的局部易产生严重偏析，降低钢的塑性及韧性，对低温韧性极为有害。s元素在钢中易于偏析和富集，硫化物夹杂物是氢的积聚点，使金属形成有缺陷的组织，同时硫也是吸附氢的促进剂。因此，本发明钢控制p≤0.012%，s≤0.005%。

14、al元素有助于冶炼脱氧，减少铸坯气孔、微裂纹等缺陷，钢中al可与n形成aln，aln可阻碍高温奥氏体长大，起到细化晶粒的作用。但是当al含量偏高时，易导致钢中夹杂增多，对钢的韧性不利。因此，本发明钢的als含量控制在0.030~0.040%。

15、nb与碳、氮都有极强的亲和力，并与之形成相应的极稳定的化合物。微量的nb可大大提高再结晶度，扩大γ相区，有利于未再结晶区控制轧制的进行。通过热轧过程中nb的碳氮化物应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经控制轧制和控制冷却使未再结晶区轧制的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物，使钢具有较高的强度和良好的韧性。因此，本发明nb含量控制在0.040-0.050%。

16、v是强烈的碳化物和氮化物形成元素，与氮、碳有极强的亲合力，可与之形成极其稳定的碳氮化物。v可以通过细晶强化、沉淀强化和固溶强化来提高钢材的强度。在钢中当v的质量分数低于0.1%时，随着v含量的增加，钢的韧脆转变温度降低。当v的质量分数超过0.1%时，v含量增加，韧脆转变温度反而升高。在含si、mn的钢中，加入少量的v就可以明显减轻这两种元素对晶粒长大和提高韧脆转变温度的影响。v的碳氮化物可以在较低的温度下析出来阻碍位错运动，达到强化作用，对提升正火钢板的强度有显著效果。因此，本发明钢v元素含量在0.042~0.050%。

17、ti是强固氮元素，ti/n的化学计量比为3.42，利用0.015%左右的ti就可固定50ppm以下的n，在板坯连铸时可形成细小的高温稳定的tin析出相。这种细小的tin粒子可有效地阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高nb在奥氏体中的固溶度，同时对改善焊接热影响区的低温韧性有明显作用。但ti含量较高时，会形成大颗粒的影响低温韧性的有害夹杂物。因此，本发明钢ti含量范围在0.010~0.015%。

18、ni、cu元素均可通过固溶强化作用提高钢的强度。ni不会形成碳化物，是扩大γ相、细化晶粒、球化碳化物和保证综合性能以及提高淬透性的有效元素，可细化铁素体晶粒来改善钢的低温韧性，明显降低钢板和焊接接头的低温韧脆转变温度，在厚规格钢板中还可以补偿因厚度增加而引起的强度下降。但ni含量不宜太高，其不仅会增加炼钢成本，也会造成氧化铁皮难以脱落。cu元素可以改善钢的耐蚀性，并改善钢材时效性能。ni与cu一起使用时，ni与cu对钢板性能的影响是相互的，ni可以改善cu在钢中引起的热脆性，随着ni含量的增加耐腐蚀性能也逐渐提高。本发明将ni的含量设计为0.20~0.24%，cu的含量设计为0.15~0.18%。本发明钢加入适量cu和ni，使本发明钢既有良好的抗时效冲击性能，又具有较好的耐腐蚀性能。

19、本发明中主要生产工艺参数的设置理由如下：

20、（1）压缩比增大有利于钢板性能的提升，船板钢一般要求压缩比达到3：1以上，本发明钢最大厚度为90mm，因此要求板坯厚度需要达到300mm。正确控制拉速是保证顺利浇注，改善铸坯质量的关键因素之一，若拉速太快，会使结晶器出口处坯壳减薄，液芯穴增长，容易产生拉漏事故，也不利于铸坯质量的控制，而低过热度浇注有助于提高铸坯中心致密度和改善中心偏析，本发明钢结合成分控制要求和钢板性能要求，经试验验证，控制拉速0.80m/min，过热度15~20℃，结晶器锥度0.97%，可以得到表面质量和内部质量俱佳的板坯。

21、（2）为提高钢的塑性，降低变形抗力，改善板坯内部组织和性能，需要将板坯加热到奥氏体单相固溶体组织的温度范围内，使其在较高的温度下有足够的时间均化组织和溶解碳化物，包括微合金元素的溶解。含nb的硅锰钢加热到1200℃均热2h，可以使90%以上的nb固溶到奥氏体基体中，加热到1260℃保温30min，则可以全部溶解，ti在硅锰钢中的溶解度与nb相似，v则在900℃时就会全部固溶于奥氏体中。本发明钢含有nb、v、ti三种微合金元素，为达到轧制的目的和钢板性能要求，加热工艺控制：在炉时间4.5~6小时，最高加热温度1280℃，均热温度 1160～1200℃，均热时间≥35min。

22、（3）本发明采用控制轧制和控制冷却工艺，可以充分发挥nb、v、ti三种微合金元素在轧制与冷却过程中的细晶强化、析出强化、固溶强化效果，得到细晶组织和较高的钢板强度。为保证一阶段轧制始终处于奥氏体再结晶区，本发明控制ⅰ阶段开轧温度1100±10℃。ⅱ阶段轧制在奥氏体未再结晶区，为得到均匀的变形带，获得细小均匀的铁素体晶粒，需要未再结晶区的总压下率大于一定值，一般要大于45%，本发明钢最大成品厚度90mm，因此中间待温厚度控制为（h+50）mm，同时根据本发明钢含nb、v、ti三种微合金元素的特点与构成，ⅱ阶段开轧温度≤940℃。由于nb在900℃附近析出孕育期最短，析出最快，而900-800℃变形时，可以加速c、nb的扩散，具有较高畸变能和位错密度，得到较细的晶粒，因此控制终轧温度860±20℃。控制冷却可以在不降低钢材韧性的前提下提高强度，也能细化铁素体晶粒，减小珠光体球团尺寸，减少网状碳化物的析出量，从而改善钢材性能。根据本发明钢的交货状态、性能与组织要求，返红温度按650±20℃控制。

23、（4）通过正火热处理可以细化晶粒、改善组织，提高钢板综合机械性能。正火要求将钢加热到ac3以上30-50℃，本发明钢ac3温度为869℃，因此控制正火温度910±10℃，保温时间为（h*1.65）min。为促进nb、v、ti三种微合金元素的析出强化，提升钢板强度，本发明钢出炉后浇水冷却至680±30℃，再空冷至室温，在自回火作用下消除残余应力。

24、本发明钢具有如下优点：

25、本发明生产的钢板厚度70~90mm，钢板的屈服强度reh≥370mpa，抗拉强度rm≥550mpa，延伸率a≥24%，钢板-40℃冲击功kv2≥140j，钢板-40℃时效冲击功kv2≥60j，钢板组织为f+p+b。

26、本发明钢是一种抗时效冲击高强度船板钢，可用于船舶建造或其它对抗时效冲击性能要求较高的结构件。

27、本发明具有制造工序简单等优点，在各冶金企业均可实施。