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抗疲劳裂纹扩展优良板及其制造方法

阅读:713发布:2022-01-17

专利汇可以提供抗疲劳裂纹扩展优良板及其制造方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且抗疲劳裂纹扩展优良 钢 板及其制造方法,其成分重量百分比为:C:0.040~0.070%,Si 0.40~0.70%,Mn 1.30~1.60%,P≤0.013%,S≤0.003%,Cu≤0.30%,Ni≤0.30%,Mo≤0.10%,Ti 0.008~0.018%,Nb 0.015~0.030%,N≤0.0040%,Ca 0.0010~0.0040%,余Fe和不可避免夹杂。本 发明 采用超低 碳 C-高Si-中Mn-Nb系低 合金 钢作为 基础 ,控制[%C]×[%Si]在0.022~0.042之间、{([%C]+3.33[%Nb])×[%Si]}×V冷速/T停冷在1.15×10?4~2.2×10?3之间,Ca处理,Ca/S=1.0~3.0,(%Ca)×(%S)0.28≤1.0×10-3,优化TMCP工艺,使成品钢板显微组织为 铁 素体+均匀弥散分布 贝氏体 的双相组织,显微组织平均晶粒尺寸在10μm以下。,下面是抗疲劳裂纹扩展优良板及其制造方法专利的具体信息内容。

1.抗疲劳裂纹扩展优良板,其成分重量百分比为:
C:0.040%~0.070%,
Si:0.40%~0.70%,
Mn:1.30%~1.60%,
P≤0.013%,
S≤0.003%,
Cu:≤0.30%,
Ni:≤0.30%,
Mo:≤0.10%,
Ti:0.008%~0.018%,
Nb:0.015%~0.030%,
N:≤0.0040%,
Ca:0.0010%~0.0040%,
其余为Fe和不可避免的夹杂;且上述元素含量必须同时满足如下关系:
[%C]×[%Si]控制在0.022~0.042;
{([%C]+3.33[%Nb])×[%Si]}×V冷速/T停冷控制在1.15×10-4~2.2×10-3的范围内,其中:
V冷速为控轧控冷工艺加速冷却的平均速度,单位为K/s;
T停冷为控轧控冷工艺加速冷却的停止温度,单位为K;
Ca处理,且,Ca/S比控制在1.0~3.0之间及Ca×S0.28≤1.0×10-3;所述钢板的显微组织为素体+均匀弥散分布贝氏体的双相组织,显微组织平均晶粒尺寸在10μm以下。
2.如权利要求1所述的抗疲劳裂纹扩展优良钢板,其特征是,所述的钢板屈服强度
385MPa、抗拉强度520~630MPa、-40℃的夏比冲击功单个值≥80J、在ΔK=8MPa·m1/2条件下,da/dN≤3.0×10-8。
3.如权利要求1或2所述的抗疲劳裂纹扩展优良钢板的制造方法,其特征是,包括如下步骤:
1)冶炼铸造
按权利要求1所述成分冶炼、铸造成板坯
2)板坯加热,加热温度控制在1050℃~1130℃之间;
3)轧制,钢板总压缩比即板坯厚度/成品钢板厚度≥4.0;
第一阶段为普通轧制;
第二阶段采用未再结晶控制轧制,开轧温度控制在780℃~840℃,
轧制道次压下率≥7%,累计压下率≥60%,终轧温度760℃~800℃;
4)冷却
控轧结束后,对钢板进行加速冷却;钢板开冷温度750℃~790℃,冷却速度≥6℃/s,停冷温度为400℃~600℃,随后钢板自然空冷至350℃±25℃后进行缓冷,缓冷工艺为钢板温度表面大于等于300℃的条件下至少保温24小时。
4.如权利要求3所述的抗疲劳裂纹扩展优良钢板的制造方法,其特征是,该制造方法获得的钢板的显微组织为铁素体+均匀弥散分布贝氏体的双相组织,显微组织平均晶粒尺寸在10μm以下。
5.如权利要求3所述的抗疲劳裂纹扩展优良钢板的制造方法,其特征是,该制造方法获得的钢板的屈服强度≥385MPa、抗拉强度520~630MPa、-40℃的夏比冲击功单个值≥80J、在ΔK=8MPa·m1/2条件下,da/dN≤3.0×10-8。

说明书全文

抗疲劳裂纹扩展优良板及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及抗疲劳裂纹扩展优良钢板及其制造方法,钢板屈服强度≥385MPa、抗拉强度520~630MPa、-40℃的夏比冲击功(单个值)≥80J、焊接性优良的抗疲劳裂纹扩展钢板(在ΔK=8MPa·m1/2条件下,da/dN≤3.0×10-8)。

背景技术

[0002] 众所周知,低(高强度)低合金钢是最重要工程结构材料之一,广泛应用于石油天然气管线、海洋平台、船舶制造、桥梁结构、锅炉容器、建筑结构、汽车工业、路运输及机械制造之中。低碳(高强度)低合金钢性能取决于其化学成分、制造过程的工艺制度,其中强度、韧性和焊接性是低碳(高强度)低合金钢最重要的性能,它最终决定于成品钢材的显微组织状态。随着科技不断地向前发展,人们对钢的强韧性、焊接性提出更高的要求,即在维持较低制造成本的同时大幅度地提高钢板的综合机械性能和使用性能,以减少钢材的用量而节约成本,减轻钢构件自身重量、稳定性和安全性。目前世界范围内掀起了发展新一代高性能钢铁材料的研究高潮,通过合金组合设计、革新控轧/TMCP技术及热处理工艺获得更好的显微组织匹配,从而使钢板得到更优良强韧性、强塑性匹配、耐腐蚀性、更优良的焊接性及抗疲劳性能;本发明钢板正是采用上述技术,低成本地开发出强韧性、强塑形匹配、焊接优良的抗疲劳裂纹扩展厚钢板。
[0003] 现有屈服强度≥415MPa的厚钢板显微组织主要是铁素体+珠光体,或铁素体+珠光体(包括变态珠光体)+少量贝氏体,生产工艺有正火、正火轧制热机械轧制及TMCP,钢板强度、(超)低温韧性、焊接性、冷热加工特性均比较优良,广泛适用于建筑结构、桥梁结构、船体结构及海洋平台等大型重钢结构(The Firth(1986)international Symposium and Exhibit on Offshore Mechanics and Arctic Engineering,1986,Tokyo,Japan,354;“海地区使用的海洋平台结构用钢板”(日文),钢铁研究,1984,第314号,19~43;美国专利4629505,WO 01/59167A1),但钢板未涉及到抗疲劳裂纹扩展性能。
[0004] 日本住友金属成功开发焊接性优良、抗疲劳裂纹扩展、屈服强度355MPa级别的厚钢板FCA(如日本专利特许第3298544号公开的“具有抑制疲劳裂纹裂纹扩展钢板”;日本专利特开平10-60575号公开的“优良疲劳裂纹抑制特性的厚钢板”),取得了良好的实用效果,并实现批量供货,但钢板开发未涉及更高强度级别的厚钢板。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种抗疲劳裂纹扩展优良钢板及其制造方法,钢板屈服强度≥385MPa、抗拉强度520~630MPa、-40℃的夏比冲击功(单个值)≥80J、焊接性优良的抗疲劳裂纹扩展钢板(在ΔK=8MPa·m1/2条件下,da/dN≤3.0×10-8),成品钢板的显微组织为铁素体+均匀弥散分布贝氏体的双相组织,显微组织平均晶粒尺寸在10μm以下。在获得高强度、高韧性、优良焊接性及抗疲劳裂纹扩展特性,特别适用于冰海地区的船体结构、海洋平台、桥梁结构、建筑结构、海洋塔结构及海工机械等,并且能够实现低成本稳定批量工业化生产。
[0006] 抗疲劳裂纹扩展钢板是厚板产品中难度很大的品种之一,就其原因是该类钢板不仅要求超低C、低碳当量Ceq、高强度及优良的低温韧性,而且钢板还要具有优良的抗疲劳特性,尤其钢板能够抵抗疲劳裂纹扩展,实现疲劳裂纹折弯与钝化,提高钢板抗疲劳特性,这就要求具有一定数量、硬度比(贝氏体/铁素体)及均匀分布的贝氏体;如何实现铁素体+贝氏体(F+B)两相组织,并控制贝氏体数量、硬度、形貌与分布,达到超低C、低碳当量Ceq与高强度、优良的低温韧性及优良的抗疲劳特性之间的平衡是本发明产品最大的难点之一,也是关键核心技术;因此在关键技术路线、成分和工艺设计上,本发明综合了影响钢板的强度、低温韧性、焊接性尤其抗疲劳裂纹扩展特性等关键因素,并成功地避开了住友金属公司专利的技术封,从合金成分设计入手,创造性地采用超低碳C-高Si-中Mn-Nb系低合金钢作为基础,控制[%C]×[%Si]在0.022~0.042之间、{([%C]+3.33[%Nb])×[%Si]}×-4 -3V冷速/T停冷在1.15×10 ~2.2×10 之间,Ca处理且Ca/S比控制在1.0~3.0之间及(%Ca)×(%S)0.28≤1.0×10-3,优化TMCP工艺,使成品钢板的显微组织为铁素体+均匀弥散分布贝氏体的双相组织,显微组织平均晶粒尺寸在10μm以下。
[0007] 为达到上述目的,本发明的技术方案是:
[0008] 一种抗疲劳裂纹扩展优良钢板,其成分重量百分比为:C:0.040%~0.070%,Si:0.40%~0.70%,Mn:1.30%~1.60%,P≤0.013%,S≤0.003%,Cu:≤0.30%,Ni:≤
0.30%,Mo:≤0.10%,Ti:0.008%~0.018%,Nb:0.015%~0.030%,N:≤0.0040%,Ca:
0.0010%~0.0040%,其余为Fe和不可避免的夹杂;且上述元素含量必须同时满足如下关系:
[0009] [%C]×[%Si]控制在0.022~0.042,A)扩大中温相变温度区域,促进铁素体+贝氏体复相组织形成;B)控制凝固过程板坯偏析而确保钢板内质“三性”(健全性、均质性及纯净性);C)抑制奥氏体向铁素体相变过程中的碳化物析出、促进铁素体+贝氏体(F+B)两相分离型相变,形成双相组织铁素体+贝氏体;以上三点均可提高疲劳裂纹扩展抑制能力。(其中,在计算时,[%C]、[%Si]表示直接代入数值,如C取0.04、Si取0.70,[%C]×[%Si]=0.04×0.70=0.028。下同)
[0010] {([%C]+3.33[%Nb])×[%Si]}×V冷速/T停冷控制在1.15×10-4~2.2×10-3间的范围内,其中V冷速为控轧控冷(TMCP)工艺加速冷却的平均速度,单位为K/s;T停冷为控轧控冷(TMCP)工艺加速冷却的停止温度,单位为K;保证TMCP工艺过程中,形成铁素体+贝氏体(F+B)两相组织;更为重要的是贝氏体数量、尺寸、形貌及硬度均满足抑制疲劳裂纹扩展特性:
[0011] A)疲劳裂纹扩展至贝氏体处发生拐弯、变向,迫使疲劳裂纹扩展过程中消耗更多的能量,提高疲劳裂纹扩展抑制能力;
[0012] B)疲劳裂纹扩展至贝氏体处,裂纹尖端塑性区的位错与贝氏体中的位错发生反应(位错的对消与重组),降低疲劳裂纹尖端应力场强度因子,促进疲劳裂纹尖端发生钝化,抑制疲劳裂纹进一步扩展。
[0013] Ca处理且Ca/S比控制在1.0~3.0之间及Ca×S0.28≤1.0×10-3:确保硫化球化且夹杂物对低温韧性、焊接性影响降低到最小的同时,Ca(O,S)粒子均匀细小分布在钢中,细化钢板晶粒尺寸、改善钢板抗疲劳裂纹扩展特性,抑制焊接热影响区奥氏体晶粒长大,改善钢板焊接性。
[0014] 在本发明钢板成分体系设计中:
[0015] C作为钢中重要的合金元素,对提高钢板强度、促进第二相贝氏体形成具有重要作用,因而钢中必须含有一定数量的C;但是当钢中C含量过高时,恶化钢板内部偏析(尤其高Si含量情况下)、降低钢板低温韧性、焊接性,不利于第二相贝氏体硬度、形貌、数量及分布的控制,严重恶化钢板的焊接性、低温韧性及抗疲劳裂纹扩展特性;因此C适宜的含量范围控制在0.040%~0.070%。
[0016] Si不仅具有提高钢板强度,更为重要的是Si扩大中温相变区、抑制碳化物析出、促进铁素体+贝氏体(F+B)两相形成、有利于控制贝氏体数量、形貌、硬度及分布,因而Si是抗疲劳裂纹扩展钢板不可或缺的合金元素;但是钢中Si含量过高时,严重恶化钢板偏析、低温韧性与焊接性;因此适宜Si含量范围控制在0.40%~0.70%。
[0017] Mn作为最重要的合金元素在钢中除提高钢板的强度外,还具有扩大奥氏体相区、降低Ar3点温度、细化TMCP钢板贝氏体晶团而改善钢板低温韧性的作用、促进贝氏体形成;但是Mn在钢水凝固过程中容易发生偏析,尤其Mn含量较高时,不仅会造成浇铸操作困难,而且容易与C、P、S等元素发生共轭偏析现象,尤其钢中C含量较高时,加重铸坯中心部位的偏析与疏松,严重的铸坯中心区域偏析在后续的轧制、热处理及焊接过程中易形成异常组织,导致钢板低温韧性劣化、焊接接头出现裂纹及抗疲劳裂纹扩展能力低下;因此适合Mn含量为1.30%~1.60%。
[0018] P作为钢中有害夹杂对钢的低温冲击韧性、延伸率、焊接性及抗疲劳裂纹扩展特性具有巨大的损害作用,理论上要求越低越好;但考虑到炼钢可操作性和炼钢成本,P含量控制在≤0.013%。
[0019] S作为钢中有害夹杂对钢的低温韧性、抗疲劳裂纹扩展特性(主要长条状硫化物)具有很大的损害作用,更重要的是S在钢中与Mn结合,形成MnS夹杂物,在热轧过程中,MnS的可塑性使MnS沿轧向延伸,形成沿轧向MnS夹杂物带,严重损害钢板的低温冲击韧性、抗疲劳裂纹扩展特性、延伸率、Z向性能及焊接性,同时S还是热轧过程中产生热脆性的主要元素,理论上要求越低越好;但考虑到炼钢可操作性、炼钢成本和物流顺畅原则,S含量控制在≤0.0030%。
[0020] 本发明可以根据钢板厚度,适量添加≤0.30%Cu、≤0.30%Ni及≤0.10%Mo,促进TMCP工艺过程中贝氏体形成,控制贝氏体数量、形貌、分布状况及硬度,以提高钢板强度、低温韧性及抗疲劳裂纹扩展特性。
[0021] Ti与N亲合力很大,少量添加Ti时,N优先与Ti结合,生成弥散分布的TiN粒子,抑制板坯加热和热轧过程中奥氏体晶粒过分长大,改善钢板低温韧性;更重要的是在一定程度上抑制大热输入焊接过程中热影响区(距离熔合线较远区域)晶粒长大,改善热影响区韧性;添加Ti含量过少(0.008%)所起作用不大,当Ti含量添加量超过0.018%,再进一步增加钢中Ti含量对钢板细化晶粒与改善钢板焊接性作用均不大,甚至当Ti/N过大时,不利于钢板细化晶粒甚至恶化钢板焊接性;因此适宜的Ti含量范围为0.008%~0.018%。
[0022] 钢中添加微量的Nb元素目的是进行未再结晶控制轧制,促进贝氏体形成、细化钢板显微组织,提高TMCP钢板强度、韧性,改善钢板抗疲劳裂纹扩展特性;当Nb添加量低于0.015%时,除不能有效发挥的控轧作用之外,对TMCP钢板贝氏体形成能力较小,相变强化能力也不足;当Nb添加量超过0.030%时,严重损害钢板的焊接性,因此Nb含量控制在
0.015%~0.030%之间。
[0023] N的控制范围与Ti的控制范围相对应,为提高钢板晶粒细化效果与改善钢板焊接性,Ti/N在1.5~3.5之间最佳。N含量过低且Ti含量过高时,生成TiN粒子数量少、尺寸大,不能起到改善钢的焊接性与晶粒细化的作用,反而对钢板焊接性、细化晶粒有害;但是N含量过高时,钢中自由[N]增加,尤其较大线能量焊接条件下热影响区(HAZ)自由[N]含量急剧增加,严重损害HAZ低温韧性,恶化钢的焊接性;此外,N含量较高时,板坯表面裂纹严重,严重时造成板坯报废。因此N含量控制在≤0.0040%。
[0024] 对钢进行Ca处理,一方面可以进一步纯洁钢液,另一方面对钢中硫化物进行变性处理,使之变成不可变形的、稳定细小的球状硫化物、抑制S的热脆性、提高钢板的低温韧性、改善钢板抗疲劳裂纹扩展特性、延伸率及Z向性能、改善钢板韧性的各向异性。Ca加入量的多少,取决于钢中S含量的高低,Ca加入量过低,处理效果不大;Ca加入量过高,形成Ca(O,S)尺寸过大,脆性也增大,可成为断裂裂纹起始点,降低钢的低温韧性、延伸率,同时还降低钢质纯净度、污染钢液,劣化钢板抗疲劳裂纹扩展特性;因此Ca含量的合适范围为0.0010%~0.0040%。
[0025] 本发明的抗疲劳裂纹扩展优良钢板的制造方法,其特征是,包括如下步骤:
[0026] 1)冶炼铸造
[0027] 按上述成分冶炼、铸造成板坯;
[0028] 2)板坯加热,加热温度控制在1050℃~1130℃之间;
[0029] 3)轧制,钢板总压缩比即板坯厚度/成品钢板厚度≥4.0;
[0030] 第一阶段为普通轧制;
[0031] 第二阶段采用未再结晶控制轧制,开轧温度控制在780℃~840℃,
[0032] 轧制道次压下率≥7%,累计压下率≥60%,终轧温度760℃~800℃;
[0033] 4)冷却
[0034] 控轧结束后,对钢板进行加速冷却;钢板开冷温度750℃~790℃,
[0035] 冷却速度≥6℃/s,停冷温度为400℃~600℃,随后钢板自然空冷至
[0036] 350℃±25℃后进行缓冷,缓冷工艺为钢板温度表面大于等于300℃的条件下至少保温24小时。
[0037] 在本发明制造方法中:
[0038] 根据钢板成分中C、Mn、Nb及Ti含量范围,板坯加热温度控制在1050℃~1130℃之间,确保钢中Nb在板坯加热过程中全部固溶到奥氏体中去的同时,板坯奥氏体晶粒不发生反常长大。
[0039] 钢板总压缩比(板坯厚度/成品钢板厚度)≥4.0,保证轧制形变穿透到钢板芯部,改善钢板中心部位显微组织与性能。
[0040] 第一阶段为普通轧制,在轧机轧制能力范围内进行连续不间断轧制,最大程度提高轧线产能的同时,确保形变钢坯发生再结晶,细化奥氏体晶粒。
[0041] 第二阶段采用未再结晶控制轧制,根据上述钢中Nb元素含量范围,为确保未再结晶控轧效果,控轧开轧温度控制在780℃~840℃,轧制道次压下率≥7%,累计压下率≥60%,终轧温度760℃~800℃。
[0042] 本发明的有益效果:
[0043] 本发明钢板通过简单成分组合设计,并与TMCP制造工艺相结合,不仅低成本地生产出综合性能优良的抗疲劳裂纹扩展的TMCP钢板,而且大幅度地缩短了钢板的制造周期,为企业创造巨大的价值,实现了制造过程的绿色环保。钢板的高性能高附加值集中表现在钢板具有高强度、优异的低温韧性与焊接性,尤其钢板具有优良的抗疲劳裂纹扩展能力,实现了低合金成本、低制造工序成本制造,并成功地解决了大型重钢结构抗疲劳性能的问题,保证钢结构在长期服役过程中的安全可靠性;良好的焊接性节省了用户钢构件制造的成本、降低了构件制作难度,缩短了用户钢构件制造的时间,为用户创造了巨大的价值,因而此类钢板不仅是高附加值、绿色环保性的产品。附图说明
[0044] 图1为本发明钢板实施例3的显微组织(1/4厚度)。

具体实施方式

[0045] 下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
[0046] 本发明钢实施例的成分参见表1,表2、表3为本发明实施例刚到额制造工艺。表4为本发明钢板性能。
[0047] 从表4及附图1可以看出,本发明钢板屈服强度≥385MPa、抗拉强度520~630MPa、-40℃的夏比冲击功(单个值)≥80J、焊接性优良的抗疲劳裂纹扩展钢板(在ΔK=8MPa·m1/2条件下,da/dN≤3.0×10-8)。成品钢板的显微组织为铁素体+均匀弥散分布贝氏体的双相组织,显微组织平均晶粒尺寸在10μm以下。
[0048] 本发明钢板通过简单成分组合设计,并与TMCP制造工艺相结合,不仅低成本地生产出综合性能优良的抗疲劳裂纹扩展钢板(FCA),而且大幅度地缩短了钢板的制造周期,为企业创造巨大的价值,实现了制造过程的绿色环保。钢板的高性能高附加值集中表现在钢板具有高强度、优异的低温韧性与焊接性,尤其钢板具有优良的抗疲劳裂纹扩展能力,实现了低合金成本、低制造工序成本,并成功地解决了大型重钢结构抗疲劳性能的问题,保证钢结构在长期服役过程中的安全可靠性;良好的焊接性节省了用户钢构件制造的成本、降低了构件制作难度,缩短了用户钢构件制造的时间,为用户创造了巨大的价值,因而此类钢板不仅是高附加值、绿色环保性的产品。
[0049] 本发明钢板主要用于船体结构、海洋平台、跨海大桥、海洋风塔结构、港口机械等大型重钢结构等,并且能够实现低成本稳定批量工业化生产。
[0050] 随着我国国民经济发展,建设节约型和谐社会的要求,海洋开发已摆到日事议程,目前我国海洋工程建设及其相关装备制造业方兴未,海洋工程建设及其相关装备制造业的关键材料――抗疲劳裂纹扩展钢板具有广阔的市场前景。
[0051]
[0052]
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