一种屈服强度≥345Mpa的时效强化低温容器钢及生产方法 |
|||||||
| 申请号 | CN202410179657.2 | 申请日 | 2024-02-18 | 公开(公告)号 | CN117904541A | 公开(公告)日 | 2024-04-19 |
| 申请人 | 武汉钢铁有限公司; | 发明人 | 杨秀利; 习天辉; | ||||
| 摘要 | 一种 屈服强度 ≥345Mpa的时效强化低温容器 钢 ，其组分及重量百分比含量为：C：0.04～0.09％，Si：0.11～0.22％，Mn：0.6～1.20％，P≤0.005％，S≤0.003％，Alt：0.03～0.025％，Cu：0.09～0.20％；生产方法： 铁 水 脱硫 ；转炉 冶炼 ；经 真空 处理后 连铸 ；对 铸坯 加热；经冷却后粗轧；精轧至产品厚度；经冷却后卷取；切段；固溶处理；冷却；时效处理。本 发明 保证钢板在室温条件下的屈服强度大于345MPa， 抗拉强度 在430～640MPa，延伸率大于21％，且能使钢板‑20℃时冲击韧性达到60J以上。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种屈服强度≥345Mpa的时效强化低温容器钢，其组分及重量百分比含量为：C： |
||||||
| 说明书全文 | 一种屈服强度≥345Mpa的时效强化低温容器钢及生产方法技术领域[0001] 本发明涉及一种容器用钢及生产方法，具体属一种屈服强度≥345Mpa的时效强化低温容器钢及生产方法。 背景技术[0002] 目前，在应用于储罐、气瓶、LNG接收站结构件等领域的低合金超高强度钢容器钢，主要是屈服强度为345Mpa级的Q345R、16MnDR、HP345等钢种。该系列钢种主要以碳、硅、锰为主，结合少量铌、钒、钛强度合金元素；在工艺上通过采用正火或者正火+回火热处理工艺，原因在于通过不同的热处理工艺可以获得马氏体组织、贝氏体组织或针状铁素体组织，以获得合适的强韧性，满足需要的性能应用要求。 [0003] 现有技术中，本技术领域添加合金元素多，这就会造成经济成本高，对于资源的节约及生产成本的降低，以及环境的友好显然存在不足。还有就是虽然其合金成分虽然较简单，但其力学性能又不能满足发展之需要，实现不了在满足市场对其力学性能需要的前提下，还能使化学元素简单，使生产成本低得以降低的要求，如经初步检索的： [0004] 经初步检索： [0005] 中国专利申请号为CN202210257135.0的文献，公开了《一种抗时效微碳钢深冲带钢及其生产方法》，按照质量百分数，其由以下原料制备而成：C:0.010‑0.025％，Si:≤0.05％，Mn:0.10‑0.25％，P≤0.025％，S≤0.015％，Al：0.020‑0.060％，N≤0.0040％，其余为铁和不可避免的杂质。该文献虽生产成本低、表面质量良好、产品性能优良、抗时效性能好、冲压成型好和工艺简单的特点，但由于采用微碳钢成分体系，在连退冷却时，固溶碳就会在晶内和晶界析出，这样会导致固溶碳比较少，但是当碳含量较低时，在冷却过程中固溶碳只会在晶界析出，而未析出的固溶碳含量远远多于晶界析出的碳化物，导致材料的最终固溶碳含量很高，在时效过程中会析出，且屈服强仅在140～190MPa，抗拉强仅在310～ 360MPa，该文献虽然化学成分较简单，但屈服强度级别较低，无法满足低温压力容器用钢良好强度和韧性的要求。 [0006] 中国专利申请号为CN202310700416.3的文献，公开了《一种S355级别大应变时效风电用钢及其制造方法》，所述钢包含如下质量百分数的化学成分：C：0.045～0.065％，Si:0.05～0.15％，Mn：1.48～1.58％，P≤0.01％、S≤0.0015％，Cu:0.15～0.25％，Ni：0.20～ 0.30％，Nb：0.016～0.024％，Ti：0.009～0.016％，Ca:0.001～0.003％，Al：0.025～ 0.050％，其余为Fe以及不可避免的杂质，且满足如下关系：V+Nb+Ti≤0.15％；通过对设计的化学成分进行冶炼、浇铸、加热、粗轧、精轧、冷却等操作步骤，能够制造出厚度为35～ 45mm的大应变时效风电用钢，该风电用钢的显微组织以细化的铁素体及贝氏体为主，具有高强度、高韧性的力学性能特征，经7％预应变、250℃温度下1小时的时效处理后低温冲击韧性在‑40℃温度达到100J以上。该文献钢化学元素添加种类多，重点通过应变时效来表征钢种具有良好的低温韧性效果，由于合金元素添加种类多，添加量也多，势必影响生产成本。 [0007] 中国专利申请号为202310025415.3的专利文献，公开了“一种高强韧轻质耐磨高锰钢铸件的热处理方法”，本发明涉及一种高强韧轻质耐磨高锰钢铸件的热处理方法，步骤为：预处理：高锰钢铸件表面涂覆防氧化保护涂层；水韧处理：将高锰钢铸件以预设速度加热升温至水韧温度，保温后水淬；深冷处理：将水韧后的高锰钢铸件降温至深冷处理温度，保温；时效处理：将深冷处理后的高锰钢铸件加热到时效温度保温，保温，随后空冷至室温，且深冷和时效处理间隔不大于1h；喷丸处理：时效处理后的高锰钢铸件表面进行喷丸处理。本发明利用水韧、深冷和时效处理的组合获得单一的奥氏体组织，获得有效的弥散分布的纳米级碳化物组织，有效提高了高强韧轻质高锰钢的晶粒细化、固溶强化效果。该文献专利主要通过不同热处理手段组合的方式，实现单相奥氏体组织高锰钢强度的提升。是对热处理工艺作用的充分发挥。本发明则是采用低碳低锰和少量奥氏体形成元素Cu的成分设计理念，结合固溶和时效热处理的工艺，来实现钢种强度和韧性的提升。 发明内容[0008] 本发明在于克服现有技术存在的不足，提供一种保证钢板在室温条件下的屈服强度大于345MPa，抗拉强度在430～640MPa，延伸率大于21％，且能使钢板‑20℃时冲击韧性达到60J以上的屈服强度≥345Mpa的时效强化低温容器钢及生产方法。 [0009] 实现上述目的的措施： [0010] 一种屈服强度≥345Mpa的时效强化低温容器钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.04～0.09％，Si：0.11～0.22％，Mn：0.6～1.20％，P≤0.005％，S≤0.003％，Alt：0.03～ 0.025％，Cu：0.09～0.20％，其余为铁和不可避免的杂质。 [0011] 优选地：Cu的重量百分比含量为0.12～0.20％。 [0012] 生产一种屈服强度≥345Mpa的时效强化低温容器钢的方法，其步骤： [0013] 1)铁水脱硫，脱硫目标：S≤0.005％，并控制铁水在进入转炉之前的温度不低于1250℃； [0014] 2)进行转炉冶炼，控制出钢温度不低于1680℃；在此期间需要注意的是，在出钢过程中，按照设定的先加入粒度不超过30mm白灰、粒度不超过50mm萤石后进行出钢预精炼，随后采用一次性加入铝量预脱氧，其加入量已达到脱氧设定值为原则； [0015] 在出钢至1/3时开始加入锰铁进行再次脱氧；直至出钢至2/3时加加完；控制出钢时间在2.5～6min； [0017] 4)对铸坯进行加热，并控制铸坯入炉温度不低于400℃；出炉温度在1200～1240℃，加热速率为9～15min/cm； [0018] 5)经冷却后进行粗轧，并控制粗轧开轧温度在1060～1180℃，粗轧第一道次压下率不低于15％，粗轧后钢板出口厚度为成品厚度的3.5～10.5倍； [0019] 6)精轧至产品厚度，控制终轧温度在850～880℃，累计压下率不低于70％，末道次压下率不低于40％； [0020] 7)经冷却后进行卷取，控制卷取温度在560～600℃； [0021] 8)进行切段，经自然冷却至室温后先进行矫直，后按照需求开卷切段，[0022] 9)进行固溶处理，控制固溶温度在830～870℃，固溶保温时间按照(板厚+30)min[0023] 进行； [0024] 式中：钢板的厚度单位为mm； [0025] 10)进行冷却，在冷却速率为50～80℃/s下冷却至室温； [0026] 11)进行时效处理，采用保温坑保温，保温温度为80～100℃，保温时间在8～24小时；后空冷至室温。 [0027] 优选地：固溶温度在836～863℃。 [0028] 优选地：时效处理的保温温度在87～95℃，保温时间在9～16小时。 [0029] 本发明中各原料及主要工艺的作用及机理 [0030] C，设定范围≤0.09％，优选0.05～0.09％。碳元素是钢材料中不可或缺的元素之一，其在钢中的含量很大程度上决定材料的性能。固溶阶段，钢中的碳元素，一部分会融入钢的基体中，起固溶强化的作用；一部分碳会和钢中的其他合金元素形成碳化物。在时效过程中，马氏体的基体会弥散析出碳化物，碳化物含量的增多，会引起材料的二次硬化。当碳含量超过一定范围后，时效效果反而减少。 [0031] Si，设定范围≤0.22％，优选0.12～0.22％。不是有意添加的合金元素，而是冶炼时从废钢和生铁原料中带入的。钢中硅含量增加，可提高强度，Si元素还能固溶在ε碳化物中，延迟ε碳化物转变为θ碳化物，促进碳化物的形成，提高稳定性。同时塑性和韧性下降，所以钢中尽量控制硅元素含量。 [0032] Mn，设定范围≤1.20％，优选0.60～1.20％。固溶强化作用，可以在几乎不影响钢的延展性的情况下提高钢的硬度和强度。Mn也是奥氏体的形成元素，在加入大量的Mn之后可以获得残余奥氏体组织，降低钢的淬火温度和硬度，减少淬火变形。但锰含量越高，钢的过热敏感性和回火脆性倾向越严重。 [0033] Cu：设定范围≤0.20％，优选0.12～0.20％。本发明在不影响钢板使用性能的前提下，通过对原有化学成分的优化、简化，去除原有的强度合金元素，添加少量Cu来弥补成分减少带来的性能不足。Cu元素在本发明中是奥氏体形成元素之一，研究表明，添加Cu元素后，钢中回转奥氏体的含量比无铜钢中回转奥氏体含量有大幅度的增加，随着Cu元素含量的增加钢中的回转奥氏体含量也随之增加，但Cu元素含量较高时，钢中的回转奥氏体稳定性降低，本发明钢采用固溶处理+时效处理，添加Cu元素后发明钢的屈服强度和抗拉强度有小幅增加，而低温冲击韧性则得到明显改善。 [0034] Alt：设定范围≤0.025％，优选0.015％～0.025％。钢中常用的脱氧剂，固定钢中的自由氮，在奥氏体中的最大溶解度大约0.6％，溶入奥氏体后仅微弱地增大淬透性，可提高钢的晶粒粗化温度，降低钢的脆性转变温度，防止应变与温度时效，提高钢的冲击韧性。 [0035] P、S及其他杂质元素：P、S是钢中有害的杂质元素，P虽然可大幅度提高强度，但易在钢中形成偏析，降低钢的韧性及焊接性能，S易形成塑性硫化物，使钢各向异性严重，恶化钢的冲击韧性和加工性能。所以，应严格控制钢中P、S及其他杂质元素的含量。 [0036] 本发明之所以控制在出钢过程中，按照设定的先加入粒度不超过30mm白灰、粒度不超过50mm萤石后进行出钢预精炼，随后采用一次性加入铝量预脱氧，其加入量已达到脱氧设定值为原则；在出钢至1/3时开始加入锰铁进行再次脱氧；直至出钢至2/3时加加完；控制出钢时间在2.5～6min，是由于粒度较小的白灰和萤石可以缩短保温时间、改善炉渣的流动性，合适的出钢时间控制，可以使加入的合金得到充分熔化，分布更加均匀，确保合金吸收率的稳定性。 [0037] 本发明之所以控制铸坯入炉温度不低于400℃；出炉温度在1200～1240℃，加热速率为9～15min/cm，是由于利用铸坯自身热量，采用热装热送，有效利用连铸坯本身热量，减少加热炉能源消耗，铸坯在加热炉内进行保温和均热，确保保温时间和出钢温度，减少铸坯头尾温差。 [0038] 本发明之所以控制粗轧开轧温度在1060～1180℃，粗轧第一道次压下率不低于15％，粗轧后钢板出口厚度为成品厚度的3.5～10.5倍，是由于采用粗轧方法，对坯料进行长宽尺寸、表面形状的整定，同时将坯料进行大延伸，达到中间坯厚度。 [0039] 本发明之所以控制终轧温度在850～880℃，累计压下率不低于70％，末道次压下率不低于40％，是由于合适的终轧温度和道次压下率可以充分细化奥氏体晶粒度和板型精度，获得目标尺寸和良好的综合性能。 [0040] 本发明之所以控制固溶温度在830～870℃，固溶保温时间按照(板厚+30)min进行，是由于合适的固溶温度可使轧制后的铁素体和珠光体组织重新达到奥氏体固溶体相区内，保温适当时间，使原组织内的析出相溶入固溶体，为后续时效处理做准备。固溶处理工艺目前一般用于合金或不锈钢。一般低碳合金钢采用正火等热处理方式。固溶处理原理是将固溶度随温度升高而增大的钢或合金，加热到单项固溶体相区内的适当温度，保温适当时间，以使原组织内的析出相溶入固溶体。通过固溶处理，得到的组织为过饱和固溶体。由于过饱和固溶体为不稳定状态，因此再通过结合后续时效处理以实现组织均匀化的目的。 [0041] 本发明之所以采用保温坑保温，保温温度为80～100℃，保温时间在8～24小时，是由于固溶处理后组织处于不平衡状态，有自发地析出溶质元素的趋势。在一定温度条件下，组织从不均匀固溶体中析出亚稳相ε碳化物和含铜相，析出的亚稳相与母相固溶体保持共格关系，同时阻碍位错的移动，从而实现析出强化的目的。 [0043] 图1为本发明的金相组织图。 具体实施方式[0044] 下面对本发明予以详细描述： [0045] 表1为本发明各实施例及对比例的化学成分列表； [0046] 表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表； [0047] 表3为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表。 [0048] 本发明各实施例按照以下步骤生产 [0049] 1)铁水脱硫，脱硫目标：S≤0.005％，并控制铁水在进入转炉之前的温度不低于1250℃； [0050] 2)进行转炉冶炼，控制出钢温度不低于1680℃；在此期间需要注意的是，在出钢过程中，按照设定的先加入粒度不超过30mm白灰、粒度不超过50mm萤石后进行出钢预精炼，随后采用一次性加入铝量预脱氧，其加入量已达到脱氧设定值为原则； [0051] 在出钢至1/3时开始加入锰铁进行再次脱氧；直至出钢至2/3时加加完；控制出钢时间在2.5～6min； [0052] 3)经真空处理后进行连铸，期间：控制真空度不低于15Pa；铸坯矫直温度不低于950℃； [0053] 4)对铸坯进行加热，并控制铸坯入炉温度不低于400℃；出炉温度在1200～1240℃，加热速率为9～15min/cm； [0054] 5)经冷却后进行粗轧，并控制粗轧开轧温度在1060～1180℃，粗轧第一道次压下率不低于15％，粗轧后钢板出口厚度为成品厚度的3.5～10.5倍； [0055] 6)精轧至产品厚度，控制终轧温度在850～880℃，累计压下率不低于70％，末道次压下率不低于40％； [0056] 7)经冷却后进行卷取，控制卷取温度在560～600℃； [0057] 8)进行切段，经自然冷却至室温后先进行矫直，后按照需求开卷切段，[0058] 9)进行固溶处理，控制固溶温度在830～870℃，固溶保温时间按照(板厚+30)min[0059] 进行； [0060] 式中：钢板的厚度单位为mm； [0061] 10)进行冷却，在冷却速率为50～80℃/s下冷却至室温； [0062] 11)进行时效处理，采用保温坑保温，保温温度为80～100℃，保温时间在8～24小时； [0063] 后空冷至室温。 [0064] 表1本发明各实施例及对比例的化学成分列表(wt％) [0065] [0066] 表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表 [0067] [0068] [0069] 续表2 [0070] [0071] 表3本发明各实施例及对比例力学性能检测结果列表 [0072] [0073] [0074] 注：(1)拉伸性能测试：在室温条件下，对钢板厚度1/4处取横向试样，根据GB/T228.1《金属材料.拉伸试验.第1部分：室温试验方法》测得钢板的屈服强度ReL、抗拉强度Rm、伸长率A； [0075] (2)低温冲击韧性测试：在环境温度‑20℃条件下，对钢板厚度1/4处取横向试样，根据GB/T 229《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行检测试验，得到‑20℃下标准试样的KV2冲击平均值。 [0076] 从表3中可以看出，本发明低碳钢通过固溶处理和时效处理在室温下屈服强度和抗拉强度均高于一般低碳合金钢强度，同时在‑20℃仍具有较高的冲击功值，说明其具有良好的强韧性匹配，完全满足结构件使用要求。本发明钢采用低碳低锰和少量铜元素(当前市场价约：61000元/吨)的化学成分设计，比起常规添加较高碳、锰含量及铌(当前市场价约：208000元/吨)、钒(当前市场价约：86000元/吨)、钛(当前市场价约：23000元/吨)合金元素可有效降低生产成本。 [0077] 本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈