本發(fā)明涉及一種用于船舶的鋼板，具體涉及一種用于極地船舶的鋼板及其制造方法。
背景技術：
：建造用于極地的船舶，因為應用在低溫寒冷海域，海洋環(huán)境復雜多變，要經(jīng)受超低溫、冰雪磨蝕、低溫風浪碰撞、強烈的海洋風暴及凍土碰撞等環(huán)境因素帶來的諸多挑戰(zhàn)，對船舶用低溫鋼的設計、選材和建造加工等提出了更高的要求。極地船舶用低溫鋼要求具有優(yōu)良的極寒低溫綜合性能，其結構材料不僅具有高的強度、良好的塑性，而且還要求在-60℃、-80℃下具有優(yōu)異的沖擊韌性，特別是在極地海域嚴寒至-60℃的超低溫環(huán)境下，鋼板的斷裂韌性要求良好，焊接性能優(yōu)異。生產(chǎn)高強韌厚鋼板的技術通常有兩種：(1)鋼板在軋制后淬火+回火的調(diào)質(zhì)熱處理；(2)控制軋制和控制冷卻(Thermo-mechanicalControlProcess--TMCP)處理。采用調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)的鋼板性能穩(wěn)定，但合金成分相對較高，一方面提高了鋼板的生產(chǎn)成本，另一方面提高了碳當量，容易使鋼板產(chǎn)生焊接冷裂紋。采用TMCP技術生產(chǎn)的鋼板，化學成分體系相對簡單，合金元素添加較少，進而低碳當量有利于極大提高焊接性能，且生產(chǎn)成本經(jīng)濟，但軋制和冷卻工藝控制難度較大。TMCP技術起源于二十世界八十年代，包括兩階段控制軋制和加速冷卻。第一階段在再結晶區(qū)軋制變形，變形奧氏體中累計的位錯成為再結晶驅動力，奧氏體晶粒發(fā)生再結晶，細化了晶粒。第二階段在未再結晶區(qū)軋制變形，奧氏體中累計了大量的位錯密度，為連續(xù)冷卻過程中的相變提供了形核驅動力和形核位置。軋制后通過加速冷卻裝置，過冷奧氏體發(fā)生相變，可形成鐵素體、珠光體、針狀鐵素體、貝氏體和馬氏體等一種或多種復相組織，從而獲得具有不同力學性能的鋼板。獲得成分體系和工藝參數(shù)的最優(yōu)匹配是TMCP生產(chǎn)高強韌厚板的核心技術。不同合金元素對鋼的奧氏體再結晶、不同類型相變的影響有很大差異，造成最終組織和力學性能有明顯不同。在提高鋼材強度的同時獲得超低溫下斷裂韌性優(yōu)異的鋼材，需要合理的利用微合金化TMCP技術，重點通過微合金化設計和軋制工藝調(diào)整細化晶粒，使鋼材獲得理想的組織形態(tài)，進而獲得高強高韌性能。現(xiàn)有的涉及極地船舶用低溫韌性高強鋼及制造，主要是通過控軋TMCP方法獲得。專利CN106086650A公開了一種可大線能量焊接的極地船用鋼板，該鋼板的化學成分按質(zhì)量百分比計為C0.03～0.07％，Si0.15～0.30％，Mn1.10～1.50％，P≤0.0070％，S≤0.0030％，Ti0.008～0.020％，N0.0030～0.0060％，Cu0.10～0.30％，Ni0.10～0.40％，Nb0.010～0.040％，Al0.020～0.050％，余量為Fe，鋼板基體組織為鐵素體+珠光體，其中珠光體彌散分布于鐵素體晶粒之間，鐵素體晶粒尺寸為4～8um。鋼材具有優(yōu)異的-60℃、-80℃低溫沖擊韌性、抗低溫應變時效性能，經(jīng)最大線能量200KJ/cm高效焊接后，焊接性能優(yōu)異。其發(fā)明得到了具有良好低溫韌性的船用鋼板及其制造方法，適應200KJ/cm大線能量焊接，但該發(fā)明所涉及的鋼板厚度較薄，僅在40mm以下，且雖然鋼板母材低溫沖擊韌性達到-80℃滿足要求，但焊接性能僅能符合-60℃要求，因此在極寒地區(qū)等惡劣環(huán)境下的應用會受到限制，且焊接結構體的焊接部位韌性薄弱會給船體整體結構本身帶來隱患。專利CN105256117A公開了一種極地用-80℃低溫韌性優(yōu)異的高強度船用TMCP鋼的制造方法。該發(fā)明以常見連鑄坯為原料，低磷硫冶煉工藝，采用TMCP工藝軋制。軋制時將中間坯近表加速冷卻至Ar3以下，靠中間坯心部熱量將近表重新返溫，待中間坯表面溫度穩(wěn)定到設定開軋溫度后進行未再結晶區(qū)軋制，軋后采用超快冷設備加速冷卻，從而得到-80℃低溫韌性優(yōu)異的高強度船用TMCP鋼。其發(fā)明得到了具有良好低溫韌性的低溫鋼板及其制造方法，但其發(fā)明鋼板的化學成分配比不確定，容易造成鋼板的批量生產(chǎn)性能穩(wěn)定性較差，或者添加過量合金元素保證性能穩(wěn)定性但造成生產(chǎn)成本過高。此外，該發(fā)明精軋開始控制溫度在Ar3溫度以下利用回溫軋制鋼板，對于大厚度規(guī)格可進行，但伴隨著生產(chǎn)節(jié)奏緩慢、效率低下的問題，而對于薄規(guī)格鋼板，由于鋼板本身的降溫較快，因此利用鋼板的芯部回溫工藝適應性較差，鋼板性能難度保證，實際執(zhí)行難度大，效果差。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種用于極地船舶的鋼板及其制造方法，該鋼板能夠用于超低溫度，韌性優(yōu)異，其屈服強度≥315MPa，抗拉強度≥510MPa，在-60℃～-80℃低溫環(huán)境下夏比沖擊功≥200J，在-60℃下CTOD(CrackTipOpeningDisplacement，裂縫尖端開口位移)斷裂韌性值≥0.25mm，在-60℃～-80℃低溫環(huán)境下焊接接頭沖擊功≥64J，焊接性能優(yōu)異。為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種用于極地船舶的鋼板，該鋼板包含具有如下重量百分比的組分：C0.02％～0.13％，Si0.80％～1.2％，Mn0.30％～1.00％，Cr0.40％～1.00％，Ni0.05％～0.40％，P＜0.010％，S＜0.005％，Ti0.01％～0.10％，Mo＜0.60％，Cu0.10％～0.80％，Al0.01％～0.06％，Nb0.003～0.06％，V0～0.08％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。該鋼板還包含：Ca，所述的Ca與S的關系為以質(zhì)量比計：1.0≤Ca/S≤2.0。該鋼板還包含：N，所述的N與Ti的關系為以質(zhì)量比計：Ti/N＝3.42。該鋼板的厚度為20mm～100mm。該鋼板的基體組織為鐵素體和珠光體。在鋼板厚度1/4位置的組織為70％～80％的針狀鐵素組織和20％～30％的多邊形鐵素體組織+珠光體組織；在鋼板厚度1/2位置的組織為50％～70％的多邊形針狀鐵素體和30％～50％的針狀鐵素體組織和珠光體組織，以上百分數(shù)均以重量百分數(shù)計。本發(fā)明提供了一種用于極地船舶的鋼板的制造方法，該方法包含：步驟1：在軋制前，加熱溫度大于等于1000℃，小于等于1250℃；步驟2：在初軋時，溫度大于930℃，累計壓下率大于40％，進行再結晶，細化奧氏體晶粒；步驟3：在精軋時，溫度小于930℃，累計壓下率大于40％，在軋制過程中形成位錯作為鐵素體的形核的核心；步驟4：在精軋后，以冷卻速率為2～30℃/s的水冷至終冷溫度300～550℃。優(yōu)選地，在步驟2中，在初軋時溫度大于等于940℃。所述的鋼板的屈服強度≥315MPa，抗拉強度≥510MPa，在-60℃～-80℃低溫環(huán)境下夏比沖擊功≥200J，在-60℃下CTOD斷裂韌性值≥0.25mm，在-60℃～-80℃低溫環(huán)境下焊接接頭沖擊功≥64J。本發(fā)明提供的用于極地船舶的鋼板及其制造方法，具有以下優(yōu)點：通過控制該鋼板中元素的含量，使鋼板的性能得到提升，并通過嚴格控制制備工藝，調(diào)節(jié)制備過程中的溫度、壓下率等工藝條件，使獲得的鋼板能夠用于超低溫度，韌性優(yōu)異，其屈服強度≥315MPa，抗拉強度≥510MPa，在-60℃～-80℃低溫環(huán)境下夏比沖擊功≥200J，在-60℃下CTOD斷裂韌性值≥0.25mm，在-60℃～-80℃低溫環(huán)境下焊接接頭沖擊功≥64J，焊接性能優(yōu)異。附圖說明圖1為本發(fā)明的用于極地船舶的鋼板的典型顯微組織金相結構。具體實施方式以下結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案做進一步的說明。本發(fā)明提供了一種用于極地船舶的鋼板，該鋼板包含具有如下重量百分比的組分：C0.02％～0.13％，Si0.80％～1.2％，Mn0.30％～1.00％，Cr0.40％～1.00％，Ni0.05％～0.40％，P＜0.010％，S＜0.005％，Ti0.01％～0.10％，Mo＜0.60％，Cu0.10％～0.80％，Al0.01％～0.06％，Nb0.003～0.06％，V0～0.08％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。該鋼板還包含：Ca，Ca與S的關系為以質(zhì)量比計：1.0≤Ca/S≤2.0。該鋼板還包含：N，N與Ti的關系為以質(zhì)量比計：Ti/N＝3.42。本發(fā)明的鋼板的各組分的具體作用如下：C：C是最基本的強化元素。C溶解于鋼中可以形成間隙固溶體，以起到固溶強化的作用。另外，C還可以與強碳化物的形成元素結合而生成碳化物析出，起到了沉淀強化的作用。與此同時，C還能夠提高鋼的淬透性。不過，對于本發(fā)明來說，含量太高的C對于鋼板的延性、韌性、止裂性能和焊接性能均會產(chǎn)生不利影響，并且還會降低Nb、V等微合金化元素的固溶，從而影響析出強化效果。因此，本發(fā)明所述的超低溫鋼板中的C元素的含量須控制在0.02％～0.13％之間。Si：煉鋼過程中添加Si作為還原劑和脫氧劑，可以消除FeO夾雜對鋼的不良影響。Si以固溶態(tài)存在于鐵素體或奧氏體中，可以提高鐵素體或奧氏體的硬度和強度。縮小奧氏體相區(qū)。但隨著硅含量的增加，會降低鋼的焊接性能。本發(fā)明將Si控制在0.80％～1.2％。錳：Mn對于低合金高強鋼種來說是最基本的合金元素之一。通過Mn的固溶強化作用來提高鋼板的強度，以補償鋼板中由于C含量的降低而引起鋼板強度的損失。Mn還是擴大γ相區(qū)的元素，其可以降低鋼的γ→α相變溫度，有助于在鋼板中獲得細小的相變產(chǎn)物，用以提高鋼板的韌性及止裂性能。可是，當Mn含量過高時，對于特厚鋼板而言，容易在鋼板中心位置產(chǎn)生偏析，從而降低鋼板中心部位的低溫韌性。因此，本發(fā)明的具有高止裂性能的鋼板中的Mn的質(zhì)量百分比含量為0.30％～1.00％。Cr：Cr是提高鋼板的淬透性的重要元素之一。對于特厚規(guī)格的鋼板來說，需要通過添加較多的Cr元素來提高鋼板的淬透性以彌補厚度帶來的強度損失，在提高鋼板強度的同時，并改善鋼板在厚度方向上的性能的均勻性。Cr還可以抑制先共析鐵素體及珠光體的轉變，有利于獲得針狀鐵素體組織。一旦含量過高的Cr和Mn同時加入鋼板中，就會導致低熔點的Cr-Mn復合氧化物的形成，這樣會使得鋼板在熱加工過程中形成表面裂紋，并且還會嚴重惡化鋼板的焊接性能。為此，本發(fā)明的技術方案中的Cr的含量應該限定在0.40％～1.00％范圍之間。Ni：Ni是提高材料的低溫韌性的元素。加入適量的Ni能夠降低晶體的層錯能，有利于位錯的滑移運動，改善材料的沖擊韌性，尤其能夠改善特厚板中心部位的沖擊韌性。Ni還可以提升Mo的淬透性效果。不過，如果Ni含量太高的話，板坯表面容易生成黏性較高的氧化鐵皮，在后序的加工制造過程中難以去除，從而影響鋼板的表面質(zhì)量和疲勞性能。另外，當Ni含量太高時，不利于特厚鋼板的焊接性能。因此，本發(fā)明所述的鋼板中的Ni含量需要控制為0.05％～0.40％。Mo：Mo是提高鋼板的淬透性的元素，其作用僅次于Mn元素。Mo不僅能夠有效地提高鋼板的強度，還能夠抑制先共析鐵素體及珠光體的轉變，以有助于鋼板獲得針狀鐵素體組織。但是，隨著Mo含量的增加，鋼板的屈服強度逐漸提高，而鋼板的塑性卻會逐漸降低。對于本發(fā)明的具有高止裂性能的鋼板來說，Mo的質(zhì)量百分比含量應當設定為＜0.60％。銅：Cu能夠適當?shù)靥岣咪摪宓拇阃感裕⑶褻u還可以提高鋼板的抗大氣腐蝕能力。然而，向鋼中添加含量過高的Cu元素會惡化鋼板的焊接性能，所以將本發(fā)明所述鋼板中的Cu元素的含量控制為0.10％～0.80％。鋁：Al是為了脫氧而加入鋼中的元素。在脫氧完全后，Al降低了鋼板中的O的含量，以改善鋼板的時效性能。此外，添加適量的Al還有利于細化晶粒，從而改善鋼材的強韌性能。因此，將本發(fā)明中Al元素的含量限定為0.01％～0.06％。鈮：在微合金鋼中，Nb是提高再結晶終止溫度最有效的元素之一。Nb能夠有效地降低軋機載荷，對晶粒細化的作用十分明顯。對于本發(fā)明所述的鋼板而言，軋制變形在再結晶及非再結晶軋制階段完成，在此階段Nb通過應變誘導析出以阻礙形變奧氏體的回復、再結晶，從而起到細化晶粒尺寸的效果。但是受到C含量的限制及加熱溫度的影響，含量太高的Nb無法固溶，同樣也不能發(fā)揮Nb的有利作用。同時，Nb還是一種昂貴的金屬元素，添加較多的Nb也會相應地增加生產(chǎn)制造成本。因而，在本發(fā)明的具有高止裂性能的鋼板中的Nb含量應當控制在0.003～0.06％。Ti：Ti是較強的固N元素。由于Ti/N比為3.42，因此，利用很少量的Ti就可以固定一定含量的N元素，例如，0.02wt.％左右的Ti就可以固定鋼中質(zhì)量百分比含量為60ppm以下的N。在板坯連鑄時，所加入的Ti可以和N形成細小的高溫穩(wěn)定的TiN析出相。這種細小的TiN粒子能夠有效地阻礙板坯再加熱時的奧氏體晶粒的長大，有助于提高Nb在奧氏體中的固溶度。對于特厚鋼板而言，添加適當?shù)腡i含量，有利于形成穩(wěn)定的TiN粒子，在焊接時起到抑制熱影響區(qū)晶粒長大的作用，以改善焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性。基于本發(fā)明的技術方案，需要將鋼板中的Ti含量限定在0.01％～0.10％范圍之間。V：V是鋼中的細化晶粒元素，也有析出強化的效果，但過量的V元素添加容易造成粗大V化物的析出長大，惡化低溫沖擊韌性。本發(fā)明專利中V元素的添加范圍設計為0～0.08％。磷、硫：P和S是鋼中不可避免的有害雜質(zhì)元素，它們極易在鋼中形成偏析、夾雜等缺陷，惡化鋼板的焊接性能、沖擊韌性。需要控制本發(fā)明的鋼板中的P≤0.010％，且S≤0.0050％。對于S元素來說，可以通過Ca處理夾雜物改性技術來使得S的夾雜物形態(tài)球化且分布均勻，減少其對鋼板的韌性和腐蝕性的影響。Ca和S還需要滿足：1.0≤Ca/S≤2.0，以便獲得良好的硫化物處理效果，從而提高鋼板的第低溫韌性和塑性性能。該鋼板的厚度為20mm～100mm。該鋼板的基體組織為鐵素體和珠光體。如圖1所示，為本發(fā)明的用于極地船舶的鋼板的典型顯微組織金相結構，在鋼板厚度1/4位置的組織為70％～80％的針狀鐵素組織和20％～30％的多邊形鐵素體組織+珠光體組織；在鋼板厚度1/2位置的組織為50％～70％的多邊形針狀鐵素體和30％～50％的針狀鐵素體組織和珠光體組織，以上百分數(shù)均以重量百分數(shù)計。本發(fā)明提供了一種用于極地船舶的鋼板的制造方法，該方法包含：步驟1：在軋制前，加熱溫度大于等于1000℃，小于等于1250℃；軋制前的加熱溫度小于1000℃時，Nb的碳氮化物不能完全固溶；當加熱溫度大于1250℃時，將導致奧氏體晶粒的長大；步驟2：在初軋時，溫度大于930℃，累計壓下率大于40％，進行再結晶，細化奧氏體晶粒；當累計壓下率小于40％時，加熱過程中所形成的粗大奧氏體晶粒還會殘存，降低了母材的韌性；步驟3：在精軋時，溫度小于930℃，累計壓下率大于40％，在軋制過程中形成位錯作為鐵素體的形核的核心；在溫度小于930℃時，奧氏體不發(fā)生再結晶，軋制過程中形成位錯；步驟4：在精軋后，以冷卻速率為2～30℃/s的水冷至終冷溫度300～550℃。當冷卻速率小于2℃/s時，母材強度不能滿足要求；當冷卻速率大于30℃/s時，將降低母材的韌性；當終冷溫度大于550℃時，母材的強度不能滿足要求；當終冷溫度小于300℃時，將降低母材的韌性。優(yōu)選地，在步驟2中，在初軋時溫度大于等于940℃。本發(fā)明不僅需要滿足高強度的要求，而且還需要獲得極好的滿足-60℃～-80℃以下母材低溫韌性和焊接低溫韌性要求，因此采用超低C來提高鋼板母材和焊接韌性，同時將Si的值控制在0.8～1.20％之間，在超低碳情況下，獲得良好的強度和韌性平衡。在此基礎上，利用Ni在低溫條件下的優(yōu)良性能，0.05～0.40％的Ni、Cr0.30％～1.00％和Cu0.10％～0.80％可以顯著的降低鋼板韌脆轉變溫度，提高鋼板的低溫韌性和穩(wěn)定性，使得鋼板金屬即使在-80℃下也具有非常高的沖擊值。另外通過Mo和Nb、Ti的固溶、沉淀、析出強化保證鋼板強度達到510MPa以上。本發(fā)明的用于極地船舶的鋼板的屈服強度≥315MPa，抗拉強度≥510MPa，在-60℃～-80℃低溫環(huán)境下夏比沖擊功≥200J，在-60℃下CTOD斷裂韌性值≥0.25mm，在-60℃～-80℃低溫環(huán)境下焊接接頭沖擊功≥64J。實施例1-7按表1中的配方稱取各原料，通過冶煉、精煉和連鑄，得到鑄坯。表1本發(fā)明實施例1-7的鋼板的化學成分配方(質(zhì)量％)實施例CSiMnPSTiMoCrNiNbAl/tCuV10.0241.151.000.0060.00390.0130.540.990.060.00580.0130.120.01020.0381.170.960.0070.00450.0210.380.320.100.0390.0240.340.01630.0431.080.890.0070.00370.0240.050.550.160.0120.0290.420.02340.0620.970.870.0060.00100.0490.100.450.230.0190.0370.560.00550.0760.950.340.0060.00210.0550.520.320.310.0420.0450.440.05360.0890.870.750.0070.00260.0760.420.880.340.0280.0480.290.06770.1300.850.650.0060.00270.0980.250.460.400.0570.0550.720.075然后，將鑄坯加熱到1000℃～1250℃，初軋溫度為1000～1150℃，累計壓下率為＞50％；精軋溫度為700～850℃，累計壓下率為50～67％；精軋之后以2～30℃/s的冷卻速率水冷至終冷溫度300～550℃，具體軋制工藝如表2所示。表2本發(fā)明實施例1-7的軋制工藝實施例厚度加熱溫度初軋溫度初軋壓下率精軋溫度精壓下率冷卻速度終冷溫度1201230≥940＞7684067285402401140≥940＞7683064235303651034≥940＞6582060195104751025≥940＞6381056154875801200≥940＞5878050105006901130≥940＞567405073677951150≥940＞50720505436表3為本發(fā)明實施例中母材的拉伸性能和沖擊韌性，以及焊接熱影響區(qū)的拉伸、沖擊韌性。母材的屈服強度、抗拉強度和伸長率為兩個測試數(shù)據(jù)的平均值，母材和焊接熱影響區(qū)-60℃、-80℃夏比沖擊功是三個測試數(shù)據(jù)的平均值，采用50KJ/cm埋弧焊接方式對不同厚度的鋼板實施焊接，在鋼板厚度為1/2處的熔合線上取沖擊試樣，導入V型切口進行沖擊韌性檢測。CTOD試驗為全厚度尺寸試樣，顯示值是三個測試數(shù)據(jù)的平均值。表3發(fā)明例的母材力學性能和焊接性能注：表3中Rp0.2：表示規(guī)定非比例(或均勻)延伸率為0.2％時的屈服強度；Rm：表示抗拉強度；A：表示延伸率；vE-60表示在-60℃下的夏比沖擊功；vE-80表示在-80℃下的夏比沖擊功；CTOD：表示斷裂韌性值；HAZ：英文全稱為HeatAffectedZone，表示焊接熱影響區(qū)部。從表3中數(shù)據(jù)可以看出，發(fā)明例中厚度規(guī)格為20～100mm鋼板母材力學性能滿足屈服強度(Rp0.2)≥355MPa，抗拉強度(Rm)≥510MPa，-60℃～-80℃低溫環(huán)境下夏比沖擊功≥200J，-60℃下CTOD斷裂韌性值≥0.25mm，-60℃～-80℃低溫環(huán)境下焊接接頭沖擊功≥64J，焊接性能優(yōu)異。綜上所述，本發(fā)明的用于極地船舶的鋼板及其制造方法，其采取合適的成分設計，配合以充分發(fā)揮Ni、Cu、Cr合金化效果和Nb、Ti的微合金化作用的控制軋制控制冷卻技術，軋制生產(chǎn)厚度規(guī)格為20～100mm的適應極地低溫環(huán)境的高強船板，屈服強度≥355MPa，抗拉強度≥510MPa，-60℃～-80℃低溫環(huán)境下夏比沖擊功≥200J，-60℃下CTOD斷裂韌性值≥0.25mm，-60℃～-80℃低溫環(huán)境下焊接接頭沖擊功≥64J。該技術可用于造船、海洋平臺、石油天然氣管線等厚鋼板的制造過程中，用于適應極寒超低溫環(huán)境服役要求。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發(fā)明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。當前第1頁1 2 3