一種貝氏體/馬氏體/奧氏體高韌易焊接船板鋼及制造方法與流程

文檔序號：12415241閱讀：409來源：國知局

本發明涉及船板鋼領域，特別提供了船舶及海洋工程用的一種貝氏體/馬氏體/奧氏體高韌易焊接船板鋼及制造方法。

背景技術：

隨著世界造船業及海洋裝備工業的迅速發展，對船體、海洋平臺等結構用鋼的機械性能及安全性能提出了越來越高的要求。因在特定的海洋環境中服役，對船體、海洋平臺用結構鋼除了要求達到一定的強度、良好的焊接性、耐大氣和海水腐蝕性外，還要求其具有較高的低溫韌性，特別對厚板截面的低溫韌性的穩定性要求較高。

傳統船體結構鋼一般是在低碳鋼(碳含量～0.20wt.％)的基礎上采用Ni-Cr-Mo-V系合金化技術并通過淬火回火熱處理工藝得到回火馬氏體組織來實現高強高韌的良好匹配。但由于該類鋼碳含量較高，不但對鋼的低溫韌性十分不利，而且鋼的焊接裂紋敏感性指數Pcm(Pcm＝C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B)也較高，為避免鋼板焊后在焊接接頭處出現冷裂紋，鋼板需要在焊前進行預熱，因此會提高焊接工序成本，增加焊接耗時。申請號為200710094178的發明專利描述了一種高強鋼及其制造方法，但由于碳當量較高，焊接時需要較高溫度下預熱，嚴重制約了焊接進程。近年來，為降低制造成本，同時又能進一步改善船體用鋼的強韌性及焊接性，人們設計了一種低碳或是超低碳含Cu時效強化鋼，這種鋼主要通過降低Ni、Cr、Mo等貴重元素含量來減小合金成本，通過超低碳設計來降低碳當量，從而提高焊接性能。該類鋼軋后一般經固溶加時效熱處理，固溶處理時Cu全部固溶于基體中，在時效過程中以Cu單質粒子形式析出，從而起到一定的沉淀強化作用來彌補降碳帶來的強度損失。

傳統船體結構鋼，不論是早期的低碳(碳含量～0.20wt.％)、Ni-Cr-Mo-V系合金化鋼，還是近年來開發的低碳或是超低碳含Cu時效強化鋼，軋后一般均采用再加熱，然后采用淬火、回火熱處理工藝，即QT工藝，或者通過軋后直接淬火然后回火熱工藝，即DQT工藝，來獲得回火馬氏體/貝氏體組織來實現高強高韌的良好匹配。DQT工藝不僅制造工藝流程短，節能降耗，而且通過再結晶區和非再結晶區兩階段軋制后能使相變后的有效晶粒尺寸細化從而有利于提高鋼的強韌性。如公開號為CN1651589A的發明專利采用QT的工藝制備了一種高強度易焊接時效硬化鋼，但該方法所述鋼的屈服強度較低為520MPa，韌性考核溫度也較低，要求-40℃沖擊功≥160J。公開號為CN102021489A和CN104073731A的發明專利描述了一種通過DQT工藝來制造的超高強度船板鋼，但其屈服強度也在520MPa左右，考察沖擊功溫度均不低于-60℃。在海洋服役環境下，船體結構鋼和海洋平臺用鋼需要承受一系列復雜的動態載荷及船體建造和裝配所造成的應力等因素的作用和影響，因此，在提高鋼材強度的同時，必須考慮鋼材如何避免發生低應力破壞。這就要求鋼材在塑性破壞時有足夠的韌性儲備，特別是要求在很低的海洋環境溫度下具有較高的低溫韌性。

現有技術中提高韌性的方法有兩種，一方面是提高上平臺沖擊功，另一方面是降低韌脆轉變溫度。通過深入研究，人們通過在再結晶區和非再結晶區大壓下量軋制來獲得扁平奧氏體，從而細化相變后貝氏體/馬氏體亞結構，來降低韌脆轉變溫度。此外，還通過在淬火和回火工藝之間進行一次兩相區淬火，來實現奧氏體穩定元素的配分，在回火時獲得一定量的逆轉變奧氏體來大幅度提高鋼的低溫韌性，即QLT工藝。但再結晶區和非再結晶區大壓下量軋制后直接淬火DQ和兩相區淬火加回火LT相結合的工藝還較為少見。

現有的高強韌易焊接鋼技術大多數考核的沖擊韌性溫度均不低于-60℃，這已不能滿足傳統船體、海洋平臺等用途的鋼材在嚴寒低溫海洋環境中的服役特點。此外，船體用鋼、海洋平臺用鋼厚度規格較多，厚板在厚度方向具有截面效應，即在厚板的厚度方向出現性能不穩定的現象，特別是低溫韌性的不穩定，嚴重影響鋼板的整體性能。

本發明為解決上述問題，提供了一種貝氏體/馬氏體/奧氏體高韌易焊接船板鋼及制造方法，滿足鋼材在嚴寒低溫海洋環境中的服役特點。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供了一種貝氏體/馬氏體/奧氏體高韌易焊接船板鋼及制造方法，通過對鋼板進行軋制、熱處理工藝，解決了傳統船體、海洋平臺、石油管道用鋼均面臨低溫韌性不足、厚板截面韌性不穩定的問題。

本發明的技術方案是：

一種貝氏體/馬氏體/奧氏體高韌易焊接船板鋼，船板鋼中各組分按質量百分比計：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％，余量為Fe及不可避免的雜質；船板鋼滿足焊接裂紋敏感性指數：

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

進一步的，船板鋼中各組分按質量百分比計：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％，余量為Fe及不可避免的雜質；船板鋼滿足焊接裂紋敏感性指數：P_cm＝C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B≤0.25。

進一步的，船板鋼中各組分按質量百分比計：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％，余量為Fe及不可避免的雜質；船板鋼滿足焊接裂紋敏感性指數：P_cm＝C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B≤0.32。

本發明各元素的作用及配比依據如下：

C：具有顯著的固溶強化效果，且能提高鋼的淬透性，但鋼中C含量增加對鋼低溫韌性及焊接性十分不利。因此本發明中采用超低碳設計，C含量控制在0.02～0.06wt.％。

Cu：本發明鋼的關鍵析出強化元素，Cu不依賴C、N元素即可在鋼中在回火時效過程中以納米團簇形式析出從而產生顯著地析出強化作用，可彌補降低C而造成的強度損失，同時Cu還能提高鋼的耐海水腐蝕性能。為保證鋼具有一定的強度，本發明中Cu的含量控制在1.00～2.00wt.％。

Ni：在時效過程中Ni和Cu形成復合析出相，Ni能促進Cu的析出動力學，時效過程中能抑制富Cu相的粗化，從而增強Cu析出強化效果。此外，Ni還可提高鋼的淬透性和低溫韌性，同時具有一定的固溶強化作用，還能防止Cu的熱脆效應，顯著改善含Cu鋼的表面熱裂紋傾向。考慮到鋼的經濟成本，本發明中Ni含量控制在1.50～3.00wt.％。

Mo：固溶Mo能顯著提高鋼的淬透性，還具有一定的固溶強化作用，同時Mo能夠提高回火穩定性，顯著降低回火脆性。本發明中Mo含量控制在0.100～0.60wt.％。

Cr：固溶Cr能夠顯著提高鋼的淬透性(兼具降低A_c3溫度和提高過冷奧氏體穩定性的作用)，同時Cr易形成致密氧化膜可顯著提高鋼的耐蝕性。本發明中Cr含量控制在0.20～0.60wt.％。

Mn：可顯著提高鋼的淬透性，同時具有一定的固溶強化作用，還可降低A_c3溫度，使得在非再結晶區軋制的溫度窗口更寬，但Mn含量過高時，鋼的耐蝕性能降低，且在焊接熱影響區易形成粗大的M/A島，嚴重影響焊接熱影響區的低溫韌性。本發明中Mn含量控制在0.800～1.500wt.％。

Si：鋼中脫氧元素之一，同時硅也是非碳化物形成元素，以固溶形式存在于鋼基體中，具有一定的固溶強化作用，但過量的硅對鋼的低溫韌性不利，鋼的焊接冷裂紋、熱裂紋敏感性將增加，本發明Si含量控制為0.20～0.50wt.％。

Nb：高溫均熱時固溶的Nb能夠提高鋼的淬透性，形變誘導析出Nb能抑制形變奧氏體的再結晶，使得在非再結晶區軋制時，能獲得扁平奧氏體。Nb含量過低上述作用不顯著，含量過高對焊接熱影響區的韌性有損害作用。本發明中Nb含量控制在0.040～0.080wt.％。

Ti：強碳氮化物形成元素，微量的Ti可與鋼中N結合形成TiN，阻止均熱時奧氏體晶粒的長大，亦可在焊接熱影響區中阻止奧氏體晶粒的長大，從而改善焊接性。本發明中Ti含量控制在0.005～0.020wt.％。

Al：是強脫氧元素，還可與N結合形成AlN，有防止鋼的時效脆性及細化晶粒的作用。本發明中Al含量控制在0.010～0.050wt.％。

P和S：鋼中雜質元素，對鋼的性能尤其是低溫韌性非常不利，本發明鋼中對其含量應嚴格控制，分別不高于0.01wt.％和0.001wt.％。

進一步的，船板鋼的微觀組織主要由貝氏體、馬氏體、奧氏體構成，其中貝氏體體積分數為70％～90％，馬氏體體積分數為10％～20％，奧氏體體積分數為4％～10％；上述組分之和為100％。

進一步的，船板鋼的微觀組織中貝氏體體積分數為76％～85％，馬氏體體積分數為13％～19％，奧氏體體積分數為6％～8％；上述組分之和為100％。

一種貝氏體/馬氏體/奧氏體高韌易焊接船板鋼的制造方法，具體工藝步驟為：

(1)板坯連鑄：低過熱度澆注，澆注過熱度不大于20℃，采取輕壓下及電磁攪拌技術，以減小鋼板心部偏析程度；

(2)低溫再加熱：將連鑄坯進行低溫加熱，使得鋼板具有較細小的奧氏體晶粒度，加熱溫度為1000～1150℃，保溫60～180min；

(3)再結晶與非再結晶區兩階段大壓下軋制：在再結晶區溫度范圍內進行2～5道次大壓下率軋制，開軋溫度：1000～1150℃，終軋溫度：980～1100℃，軋制時單道次壓下量大且軋速慢，使得鋼板具有較大的軋制滲透力，讓其表面發生再結晶的同時，讓其心部也最大程度地發生再結晶，一定程度上消除元素的偏析，控制軋速不高于1.5m/s，每道次壓下量不低于15％；在非再結晶區溫度范圍內進行3～10道次“低溫大壓下”軋制，開軋溫度：920～1000℃，終軋溫度：850～920℃。上述兩階段大壓下軋制總壓縮比不低于8，在非再結晶區軋制時壓縮比不低于3；軋后鋼板的奧氏體形貌呈扁平狀，扁平化奧氏體的晶界面積較等軸狀奧氏體的晶界面積多，能為后續直接淬火時貝氏體/馬氏體相變提供更多的形核位置，從而使得貝氏體/馬氏體的亞結構尺寸更細小，更為細小尺寸的亞結構為板條束或板條塊，是鋼的強韌化控制單元，因此能大幅度提高鋼的強韌性，尤其是改善低溫韌性。

(4)直接淬火DQ：軋制結束后將鋼板快速傳送至在線淬火機進行淬火，直接淬火溫度為850～920℃，水淬速度控制在1～2m/min，冷速≥20℃/s，鋼板表面終冷溫度不高于200℃；

(5)兩相區淬火L：對淬火后的鋼板再次加熱至兩相區，加熱至兩相區后立即進行二次淬火，淬火溫度為740～780℃，保溫時間60～90min，上述兩相區是指奧氏體/鐵素體區；

(6)回火熱處理：將二次淬火后的鋼板在熱處理爐中進行回火，回火溫度為500～670℃，回火時間60～120min，回火后進行空冷至室溫；鋼中析出相大量彌散析出，起到顯著地沉淀強化作用，同時在貝氏體/馬氏體板條間形成一定量的逆轉變奧氏體，可阻止裂紋的傳播或是吸收沖擊能量，從而顯著提高低溫韌性。

進一步的，步驟(3)中，在再結晶區溫度范圍內進行3道次大壓下率軋制，開軋溫度：1120℃，終軋溫度：1000℃，軋速：1.5m/s，每道次壓下量：21％；在非再結晶區溫度范圍內進行5道次軋制，開軋溫度：950℃，終軋溫度：870℃，軋速：1.3m/s，每道次壓下量：18.7％。

進一步的，步驟(4)中，直接淬火溫度：885℃，淬火時間：90min。

進一步的，步驟(5)中，二次淬火時冷卻方式為水冷；水淬速度控制在1～2m/min，冷速≥20℃/s，鋼板表面終冷溫度不高于200℃。

進一步的，步驟(5)中，淬火溫度：760℃，淬火時間：120min。

進一步的，步驟(6)中，回火溫度：654℃，回火時間：70min。

本發明的優點在于：

(1)本發明鋼板屈服強度≥590MPa，-84℃夏比V型缺口沖擊功(KV2_-84℃)≥150J(單值)，且斷口纖維率(FA_-84℃)≥60％(單值)。

(2)本發明鋼板的厚度截面性能穩定，尤其是低溫韌性較為穩定。

(3)與傳統生產工藝相比，本發明的生產工藝在保證低碳船板鋼具有優良的高強高韌的匹配性，還具有較高的低溫沖擊斷口纖維率，使得鋼在低溫下服役時不易脆斷，更有安全保障。