本發明涉及一種海工鋼及其制備方法，具體的說是一種高淬透性高強韌特厚海工鋼板及其制備方法。

背景技術：

21世紀是海洋的世紀，隨著世界經濟的發展，不論是海洋運輸還是海洋資源開發都將進入高速發展期，由此帶動船舶與海洋工程制造的快速增長。船舶的大型化、海洋資源開發的深海化，將大量采用具有特殊性能的船舶與海工用鋼。目前，我國船舶與海工用鋼已能滿足國內市場的大部分需求，但部分高級別的特種鋼材仍大量依賴進口。特殊用鋼主要指具有高強度、大厚度、抗層狀撕裂、大熱輸入焊接、耐腐蝕、超低溫韌性、高止裂性能的鋼板。

為了提高大型船舶、海洋平臺用鋼的安全性，高強、高韌、大厚度鋼的使用比例逐年增加。當前國際上690MPa級海洋平臺用鋼均需采用Cr、Ni、Mo等貴重金屬合金化，為了保證鋼板的低溫韌性，甚至需要添加近4%的Ni元素；生產工藝常采用多階段淬火回火，工序較為復雜，生產成本高。且690MPa級海洋平臺用鋼傳統成分設計中，鋼板淬透性不足，厚度規格≥ 60mm 的鋼板在厚度方向上的變形和冷卻難以保證均勻分布，造成鋼板厚度方向上組織性能的嚴重不均勻，導致厚度規格受限。

根據申請人檢索，專利CN 103343285 A公開了一種690級超高強度海洋工程用鋼板及其生產方法，成分采用傳統高碳設計，Mn含量很低，工藝上采取了離線淬火加回火，鋼板性能中延伸率低，未保證低溫沖擊韌性。

專利CN 104911475 A公開了一種低碳中錳高強韌性特厚鋼板及其制備方法， C含量高，且未加入Nb元素，軋制工藝采用一階段軋制，此外性能方面僅保證-60℃以上低溫韌性。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：如何解決鋼板厚度方向組織及性能不均現象，同時將厚度規格拓寬至150mm低溫韌性仍可達到-80℃使用要求，且在同等屈服強度條件下兼具低屈強比；具體為如何生產生厚度≥60-150mm，鋼板厚度1/4、1/2處屈服強度≥690MPa，屈強比≤0.86，延伸率≥20%，-80℃低溫沖擊功＞100J的特厚海工鋼。

本發明解決以上技術問題的技術方案是：

一種高淬透性高強韌特厚海工鋼板，特厚海工鋼板厚度60-150mm，特厚海工鋼化學成分及其質量分數為：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%，余量為Fe和雜質元素。

高淬透性高強韌特厚海工鋼板的制備方法，包括以下步驟：

⑴加熱：將具有與所述特厚海工鋼板相同化學成分的坯料加熱至1000-1150℃并保溫100-200min；

⑵軋制：對加熱后的坯料進行兩階段軋制，一階段開軋溫度≥1000℃，道次變形量≥15%；二階段開軋溫度≤900℃，道次變形量≥12%，終軋溫度800-860℃；軋后水冷至200-300℃之間，冷卻速度1-6℃/s；

⑶回火熱處理：采用輥底式連續熱處理爐進行回火，回火溫度600-670℃，回火時間70-160min，出爐后空冷至室溫。

本發明中化學成分含量的限定理由如下：

C元素能夠通過固溶強化或析出強化提高強度，同時能夠穩定奧氏體相，但C含量較高時對鋼材低溫韌性及焊接性能不利，為保證鋼材使用性能應當盡量降低C含量。因此本發明采用超低C成分設計，將C含量控制在0.04-0.08%的較低水平。

Mn是本發明所述海工鋼的主要合金元素。Mn是鐵素體強化元素，同時也是奧氏體穩定元素。在改善材料低溫韌性方面，提高Mn/C比能夠顯著降低韌-脆轉變溫度，因此Mn能夠在一定程度上取代價格較高的Ni。為了在不添加Ni元素的條件下使材料具備優良低溫韌性，Mn添加量需要高于低合金鋼含量范圍，但過高的Mn含量將使偏析程度加重、冶煉難度加大以及材料成本提高。本發明將Mn含量控制在4-9%。

Si在煉鋼過程中為脫氧元素，適量Si能夠抑制Mn和P的偏聚，而O含量過高、Mn和P偏聚都會損害低溫韌性。Si還能夠產生固溶強化，但含量超過0.3%時會引起韌-脆轉變溫度升高，因此含量不能過高。本發明將Si控制在0.10-0.25%。

Al在煉鋼過程中為脫氧元素，也能夠降低固溶N原子數量，從而提高韌性和時效應變抗力，而形成的AlN還能夠細化晶粒，從而進一步降低韌-脆轉變溫度。但過量添加會形成大尺寸的Al3O2和AlN并損害低溫韌性。本發明將Al含量（Als）控制在0.01-0.03%。

Mo為強淬透性元素，能夠抑制滲碳體析出，還能夠提高回火穩定性，從而降低脆性并提高強度，含量過高將增加材料成本。本發明將Mo含量控制在0.2-0.5%。

Nb加熱時阻礙奧氏體晶粒長大，降低奧氏體轉變溫度，軋制時抑制再結晶及再結晶后晶粒長大，同時通過對奧氏體晶界的釘扎作用，使相變后鐵素體晶粒得到細化，但含量過高時將增加成本。本發明將Nb含量控制在0.025-0.050%。

S易與Mn形成MnS，P容易在晶界偏聚并降低晶界抗裂紋擴展能力，為提高材料低溫韌性，需要將S、P控制在最低限度。

本發明中可獲得高淬透性、高強韌特厚海工鋼機理如下：

錳為擴大奧氏體相區元素，降低了Ac1和Ms點，每添加 1%的 Mn 元素，馬氏體相變轉變點降低約30.4℃，富含 Mn 元素的奧氏體更易在室溫下形成穩定的殘余奧氏體。錳通過提高奧氏體的熱力學穩定性明顯提高鋼的淬透性，當鋼中添加4-9%Mn時，在空冷條件下便可獲得馬氏體組織。因此，解決了特厚板厚度方向組織、性能不均勻問題。

錳主要以固溶態存在，起到固溶強化作用，每添加 1%的 Mn 元素強度提高約33MPa，同時在低碳鋼中加入Mn元素會使先共析鐵素體析出線右移，使得冷卻過程中鐵素體析出量減少。中錳鋼加熱過程中Mn元素的擴散方式為置換擴散，抑制了奧氏體逆相變過程中馬氏體板條的長大，使基體細化進而提高了基體的強度。本發明同時導入Nb元素，利用Nb的釘扎作用，通過控軋控冷工藝細化晶粒，進一步提高鋼材強度。

Mn元素顯著降低鋼材韌脆轉變溫度，富含 Mn 元素的奧氏體更易在室溫下形成穩定的殘余奧氏體，奧氏體作為軟相釋放微裂紋尖端的應力以及明顯增加相界面而提高鋼材韌性。當鋼中添加4-9%Mn時，可滿足-80℃使用要求。

本發明進一步限定的技術方案是：

前述的高淬透性高強韌特厚海工鋼板，特厚海工鋼板的室溫金相組織為回火馬氏體+逆轉變奧氏體+少量殘余奧氏體的復相組織。

前述的高淬透性高強韌特厚海工鋼板，特厚海工鋼板屈服強度≥690MPa，屈強比≤0.85，延伸率≥20%，-80℃夏比沖擊試驗縱向沖擊功≥100J。

本發明的有益效果是：

本發明通過中錳成分設計方式，顯著提高鋼材淬透性，在空冷狀態下便可獲得馬氏體組織，彌補傳統高強海工鋼厚度方向性能不均現象。同時，Mn元素可降低鋼材韌脆轉變溫度，提高殘余奧氏體穩定性，進而提高鋼板低溫韌性。本發明采用低碳成分設計，改善鋼材焊接性能。通過Nb微合金化處理，提高鋼材強度。同時，本發明所述高強海工鋼還具有高屈服強度和低屈強比的顯著特點，因而應用范圍更廣、結構安全性更高。

與傳統高強度特厚海工鋼相比，本發明提出的高淬透性高強韌特厚海工鋼顯著改善了厚度方向組織、性能不均現象，同時將厚度規格拓寬至150mm，低溫韌性達到-80℃使用要求，且在同等屈服強度條件下兼具低屈強比的特點，應用范圍更廣。

本發明的特厚海工鋼，厚度≥60-150mm，鋼板厚度1/4、1/2處屈服強度≥690MPa，屈強比≤0.86，延伸率≥20%，-80℃低溫沖擊功＞100J。

專利CN 103343285 A公開的一種690級超高強度海洋工程用鋼板及其生產方法，成分采用傳統高碳設計，Mn含量遠低于本發明，工藝上采取了不同于本發明的離線淬火加回火，鋼板性能中延伸率低于本發明且未保證低溫沖擊韌性。

專利CN 104911475 A公開的一種低碳中錳高強韌性特厚鋼板及其制備方法，與本發明的顯著區別是C含量高于本發明，且未加入Nb元素，軋制工藝采用不同于本發明的一階段軋制，此外性能方面僅保證-60℃以上低溫韌性。

附圖說明

圖1為實施例1中高強韌特厚海工鋼厚度1/4處金相組織的光學顯微照片。

圖2為實施例1中高強韌特厚海工鋼厚度1/2處金相組織的光學顯微照片。

具體實施方式

實施例1

本實施例是厚度為150mm的高淬透性、高強韌特厚海工鋼板，化學成分及其質量分數分別為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和雜質元素，金相組織為回火馬氏體+逆轉變奧氏體的復相組織，厚度1/4處屈服強度725MPa，屈強比0.82，延伸率32%，-80℃夏比沖擊試驗縱向沖擊吸收能量為136J、147J、145J；厚度1/2處屈服強度713MPa，屈強比0.84，延伸率30%，-80℃夏比沖擊試驗縱向沖擊吸收能量為128J、143J、131J。

上述高淬透性、高強韌特厚海工鋼板的制備工藝按照以下步驟進行：

將320mm厚的坯料放入加熱爐中加熱至1050℃并保溫200min，坯料的化學成分為上述化學成分；

對加熱后的坯料進行兩階段軋制，一階段開軋溫度1010℃，軋機壓下規程為320mm -270mm -225mm；二階段開軋溫度880℃、終軋溫度830℃，軋機壓下規程為225mm -195mm -170mm- 150mm，軋制結束后水冷，返紅溫度260℃；

將鋼板放入輥底式連續熱處理爐中加熱至660℃并保溫160min，鋼板出爐后空冷至室溫。

實施例2

本實施例是厚度為80mm的高淬透性、高強韌特厚海工鋼板，化學成分及其質量分數分別為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和雜質元素，金相組織為回火馬氏體+逆轉變奧氏體的復相組織，厚度1/4處屈服強度730MPa，屈強比0.82，延伸率34%，-80℃夏比沖擊試驗縱向沖擊吸收能量為142J、148J、154J；厚度1/2處屈服強度722MPa，屈強比0.84，延伸率32%，-80℃夏比沖擊試驗縱向沖擊吸收能量為126J、138J、136J。

上述高淬透性、高強韌特厚海工鋼板的制備工藝按照以下步驟進行：

將320mm厚的坯料放入加熱爐中加熱至1030℃并保溫120min，坯料的化學成分為上述化學成分；

對加熱后的坯料進行兩階段軋制，一階段開軋溫度1020℃，軋機壓下規程為320mm -270mm -210mm -170mm -130mm；二階段開軋溫度890℃、終軋溫度840℃，軋機壓下規程為130mm -110mm -95mm- 80mm，軋制結束后水冷，返紅溫度240℃；

將鋼板放入輥底式連續熱處理爐中加熱至650℃并保溫85min，鋼板出爐后空冷至室溫。

實施例3

本實施例是厚度為60mm的高淬透性、高強韌特厚海工鋼板，化學成分及其質量分數分別為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和雜質元素，金相組織為回火馬氏體+逆轉變奧氏體的復相組織，厚度1/4處屈服強度735MPa，屈強比0.80，延伸率33%，-80℃夏比沖擊試驗縱向沖擊吸收能量為146J、149J、155J；厚度1/2處屈服強度726MPa，屈強比0.82，延伸率32%，-80℃夏比沖擊試驗縱向沖擊吸收能量為133J、137J、145J。

上述高淬透性、高強韌特厚海工鋼板的制備工藝按照以下步驟進行：

將260mm厚的坯料放入加熱爐中加熱至1020℃并保溫100min，坯料的化學成分為上述化學成分；

對加熱后的坯料進行兩階段軋制，一階段開軋溫度1015℃，軋機壓下規程為260mm -220mm -170mm -120mm -100mm；二階段開軋溫度880℃、終軋溫度820℃，軋機壓下規程為100mm -80mm -60mm，軋制結束后水冷，返紅溫度270℃；

將鋼板放入輥底式連續熱處理爐中加熱至645℃并保溫70min，鋼板出爐后空冷至室溫。

除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護范圍。