高韌性、抗pwht軟化脆化的鋼板及其制造方法

高韌性、抗pwht軟化脆化的鋼板及其制造方法
【專利摘要】高韌性、抗PWHT軟化脆化的鋼板及其制造方法，其成分重量百分比為：C0.15～0.19％、Si≤0.30％、Mn1.40～1.70％、P≤0.013％、S≤0.003％、Ni0.05～0.30％、V0.09～0.15％、Al≤0.010％、N0.015～0.030％、Ca0.0010～0.0040％、余Fe和不可避免雜質；本發明采用高C－高Mn－極低Al的低合金鋼成分體系，結合高V、高N合金化，Ceq≤0.48％、Als≤0.010％，N/V≥0.16、(％N)×(％V)≥0.0013、[5(％C)+(％Mn)]×(％P)≤0.029及[(％Mn)×(％V)]/t≥0.006，Ca/S＝1.00～3.00，(％Ca)×(％S)0.28≤2.5×10－3，優化控軋及后續熱處理工藝，獲得優良的低溫韌性、強韌性匹配、焊接性改善型及抗多重PWHT軟化與脆化的鋼板。
【專利說明】高韌性、抗PWHT軟化脆化的鋼板及其制造方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及低碳（高強度）低合金鋼，特別涉及一種高韌性、抗PWHT軟化脆化的 鋼板及其制造方法，其屈服強度彡485MPa、抗拉強度彡600MPa、-40°C的Charpy橫向沖擊功 (單個值47J、焊接性改善型的低溫結構及移動容器用鋼，主要用于海洋風塔結構、寒地 區域橋梁結構、尤其移動容器儲罐承壓結構的制造用材。

【背景技術】
[0002] 眾所周知，低碳（高強度）低合金鋼是最重要工程結構材料之一，廣泛應用于石油 天然氣管線、海洋平臺、船舶制造、橋梁結構、鍋爐壓力容器、建筑結構、汽車工業、鐵路運輸 及機械制造之中。低碳（高強度）低合金鋼性能取決于其化學成分、制造過程的工藝制度， 其中強度、韌性和焊接性是低碳（高強度）低合金鋼最重要的性能，它最終決定于成品鋼材 的顯微組織狀態。隨著科技不斷地向前發展，人們對鋼的強韌性、焊接性提出更高的要求， 即在維持較低制造成本的同時大幅度地提高鋼板的綜合機械性能和使用性能，以減少鋼材 的用量而節約成本，減輕鋼構件自身重量、穩定性和安全性。
[0003] 目前世界范圍內掀起了發展新一代高性能鋼鐵材料的研究高潮，通過合金組合設 計、革新控軋/TMCP技術及熱處理工藝獲得更好的顯微組織匹配，從而使鋼板得到更高的 強度韌性匹配、抗HIC及SCC性能、更優良的焊接性；本發明鋼板正是采用上述技術，低成本 地開發出綜合力學性能優異的低溫結構用鋼。
[0004] 現有技術制造-40°c的低溫橫向沖擊韌性（單個值）彡47J的厚鋼板時，一般均要 在鋼中添加一定量的貴重合金元素 Cu與Ni (有時可能還添加少量的元素 Mo)、Nb與Ti微 合金化，采用TMCP工藝，以確保母材鋼板具有優異的低溫韌性。
[0005] 如（《鐵 i 鋼》，Vol. 73,1987, S610 ;《鐵 i 鋼》，Vol. 72,1986，S1153 ;《The Firth(1986)international Symposium and Exhibit on Offshore Mechanics and Arctic Engineering》，1986，Tokyo，Japan，P354 ;《川崎制鐵技報》，1985，P168 ;Accelerated Cooling Rolled Steel, 1986, P209 ； ((Accelerated Cooling Rolled Steel, 1986, P249 ； Kawasaki steel technical report》，1999, No. 40, P56 ;《Kawasaki steel technical r印ort》，1993, No. 29, P54 ;《住友金屬》，Vol. 50, No. 1 (1998)，P26 ;《鋼鐵研究（日文）》， 1984,第 314 號，P19)。
[0006] 現有大量專利文獻只是說明如何實現母材鋼板的低溫韌性，對于如何在焊接條件 下，獲得優良的熱影響區（HAZ)低溫韌性說明得較少，尤其采用大線能量焊接時如何保證 熱影響區（HAZ)的低溫韌性少之又少。如日本專利昭63 - 93845、昭63 - 79921、昭60 - 258410、特平開 4 - 285119、特平開 4 - 308035、平 3 - 264614、平 2 - 250917、平 4 - 143246 及美國專利 US Patent4855106、US Patent5183198、US Patent4137104)。
[0007] 還有如中國專利 ZL201210209637. 2、ZL201110071407.X、ZL201010204970. 5 所公 開的正火型低溫鋼，其為了獲得優良的低溫韌性，采用合金組合設計，添加 Cu、Ni (有時也 添加少量的Mo)，微Nb、Ti合金化，獲得了優良的低溫韌性與焊接性；但鋼板的制造成本較 高，更重要的是對于焊后反復高溫正火、長時間高溫回火時，鋼板發生較為嚴重的軟化與脆 化，不能滿足高速運動的移動容器罐筒體及封頭用鋼的需要。


【發明內容】

[0008] 本發明的目的在于提供一種高韌性、抗PWHT軟化脆化的鋼板及其制造方法，鋼板 屈服強度彡485MPa、抗拉強度彡600MPa、-40°C的Charpy橫向沖擊功（單個值）彡47J、焊 接性改善型的低溫結構及移動容器用鋼，主要用于海洋風塔結構、寒地區域橋梁結構、尤其 移動容器儲罐承壓結構的制造用材。
[0009] 正火回火狀態60公斤級高強度、抗多重PWHT軟化與脆化型低溫用鋼是厚板產品 中難度大、技術含量高的品種之一；其原因是在正火回火條件下，改善焊接性與高屈服強度 /抗拉強度之間的矛盾、高屈服強度/抗拉強度與優良的抗多重焊后熱處理（PWHT)軟化與 脆化之間的矛盾、超低成本制造與優良的低溫韌性、焊接性改善及抗多重PWHT軟化與脆 化特性之間的矛盾；因此為解決上述矛盾，本發明充分挖掘成分設計與正火回火熱處理匹 配的潛力。
[0010] 本發明合金組合設計入手，采用了一種高c 一高Μη-極低A1的低合金鋼成分 體系中，采用高、V高Ν合金化，碳當量Ceq彡0. 48%、Als彡0. 010%，控制N/V彡0. 16、 (% N) X (% V)彡 0· 0013、[5(% 0 + (% Μη)] X (% P)彡 0· 029 及[(% Μη) X (% V)]/ t 彡 0· 006，Ca 處理且 Ca/S 比控制在 1. 00 ?3. 00 之間及（％ Ca) X (% S)a28 彡 2. 5X10 - 3,優化控軋及后續熱處理工藝，獲得優良的低溫韌性、強韌性匹配、焊接性改善型及抗多重 PWHT軟化與脆化的鋼板，特別適宜于海洋風塔結構、寒地區域橋梁結構、尤其移動容器儲罐 承壓結構的制造用材，并且能夠實現低成本穩定批量工業化生產。
[0011] 具體的，本發明的高韌性、抗PWHT軟化脆化的鋼板，其成分重量百分比為：
[0012] C :0· 15%?0· 19%
[0013] Si 0. 30%
[0014] Μη :1· 40%?1. 70%
[0015] Ρ 0. 013%
[0016] S 0. 003%
[0017] Ni :0· 05%?0· 30%
[0018] V :0· 09%?0· 15%
[0019] A1 0. 010%
[0020] Ν:0·015%?0·030%
[0021] Ca :0· 0010%?0· 0040%
[0022] 其余為Fe和不可避免的夾雜；且上述成分必須同時滿足如下關系：
[0023] N/V > 0. 16,保證均勻細小的VN粒子從鋼中析出，并以彌散的狀態分布在鋼中，細 化鋼板的顯微組織，最大化VN析出強化，實現釩氮鋼復合強化與韌化效能的同時，鋼板在 多重PWHT過程中，抵抗VN粒子OstewiId熟化，改善鋼板的低溫韌性及抗多重PWHT軟化與 脆化特性。
[0024] (% N) X (% V)彡0. 0013,保證數量足夠的細小均勻VN在鋼中析出，釘軋奧氏體 晶粒長大、促進鐵素體在VN粒子上形核，細化鋼板顯微組織，改善鋼板的低溫韌性與抗多 重PWHT軟化與脆化特性。
[0025] [(% Μη) X (% V)]/t > 0. 006,其中t為鋼板厚度；保證無論何種厚度的鋼板，數 量足夠的VN粒子皆以細小均勻的狀態從鋼中彌散析出，回補因隨著板厚變化而導致的釩 氮復合強韌化效能的變化，保證所有厚度鋼板釩氮復合強韌化作用最大化，提高鋼板強度、 低溫韌性及抗多重PWHT軟化與脆化特性。
[0026] [5(%0 + (% Μη)] X (%P)彡0.029,控制高碳、高Μη鋼水凝固宏觀、板宏觀偏析， 降低鋼板內部尤其鋼板中心部位的偏析程度，確保鋼板低溫沖擊韌性、抗多重PWHT軟化與 脆化特性及優良的焊接性。
[0027] Ca/S在1. 0?3. 0之間且Ca) X (% S)°_28彡1. 0X10 -3 ;鋼中夾雜物含量較少 且均勻細小地彌散在鋼中，改善鋼板的低溫韌性、均勻延伸率及焊接性，尤其改善焊接HAZ 斷裂韌性。
[0028] 獲得的鋼板組織為均勻細小的鐵素體+珠光體，平均晶粒尺寸在10um以下。
[0029] 在本發明成分設計中：
[0030] 碳對鋼板低溫沖擊韌性及焊接性影響很大，從改善鋼板的低溫沖擊韌性及焊接性 角度，希望鋼中C含量比較低為宜；但從正火回火鋼板的抗拉強度，更重要的從熱軋過程和 正火過程的顯微組織控制角度，C含量不宜過低，過低C含量導致奧氏體晶界遷移率較高， 這給熱軋和正火的均勻細化組織帶來較大問題，易形成混晶組織，同時過低C含量還造成 晶界結合力降低，導致鋼板低溫沖擊韌性低下、焊接熱影響區低溫沖擊韌性劣化；綜合以上 的因素，C的含量控制在0. 15%?0. 19%之間。
[0031] Si促進鋼水脫氧并能夠提高鋼板強度，但是采用A1脫氧的鋼水，Si的脫氧作用不 大，Si雖然能夠提高鋼板的強度，但是Si嚴重損害鋼板的低溫韌性與焊接性，尤其對抗多 重PWHT軟化與脆化特性損害更大，因此鋼中的Si含量應盡可能控制得低，考慮到煉鋼過程 的經濟性和可操作性，Si含量控制在< 0. 30%。
[0032] Μη作為合金元素在正火回火型鋼板中具有重要的作用，Μη不僅能夠提高鋼板強 度尤其屈服強度，還具有擴大奧氏體相區，降低八(： 1、4(33、41'1、41'3相變點溫度，細化鋼板顯微 組織，改善鋼板低溫沖擊韌性，用Μη替代貴重合金元素 Ni生產優良低溫沖擊韌性鋼板的 首選元素，是正火回火型鋼板不可缺少的合金元素；但是加入過多Μη會增加鋼板內部偏析 程度，降低鋼板力學性能的均勻性、低溫韌性及焊接性（偏析所致），且Μη具有較強淬硬傾 向，提高鋼板的淬硬性，影響鋼板較大熱輸入焊接性；而較小熱輸入焊接時，焊接熱影響區 易形成脆硬組織如馬氏體、Μ/A島等，綜合考慮上述因素，Μη含量控制在1. 40%?1. 70%之 間。
[0033] Ρ作為鋼中有害夾雜對鋼板的低溫沖擊韌性和焊接性具有巨大的損害作用；理論 上要求越低越好，但考慮到煉鋼條件、煉鋼成本和煉鋼廠的物流順暢，要求Ρ含量控制在 < 0· 013%。
[0034] S作為鋼中有害夾雜對鋼板的低溫韌性（尤其橫向低溫韌性）損害作用很大，更 重要的是S在鋼中與Μη結合，形成MnS夾雜物，在熱軋過程中，MnS的可塑性使MnS沿軋向 延伸，形成沿軋向MnS夾雜物帶，嚴重損害鋼板的橫向低溫沖擊韌性、Z向性能和焊接性，同 時S還是熱軋過程中產生熱脆性的主要元素；理論上要求越低越好，但考慮到煉鋼條件、煉 鋼成本和煉鋼廠的物流順暢原則，要求S含量控制在< 0. 003%。
[0035] 眾所周知，Ni不僅能夠提高鋼板大幅度提高正火回火型鋼板低溫韌性；更重要的 是Ni與微合金元素 V形成復合疊加強化作用，大幅度提高鋼板的屈服強度與抗拉強度， 確保在較低碳當量條件下獲得60公斤級高強度正火回火型鋼板；此外添加適量的Ni在 強化、韌化正火回火型鋼板的同時，不劣化鋼板的焊接性；由此可見Ni含量在一定范圍內 (< 3. 70% )添加得越多越好；但是Ni是非常貴重合金元素，在能夠確保性能條件下，添加 的量越少越好；根據本發明鋼種機理研究表明：在碳當量低于0.48%的條件下，為了獲得 60公斤級正火回火型鋼板，Ni含量適宜范圍為0. 05%?0. 30%。
[0036] 本發明采用釩、氮復合強韌化技術生產正火回火型鋼板；為了獲得60公斤級正火 回火型鋼板，需要添加一定數量的合金元素 V，保證V與N結合形成VN，細化鋼板顯微組織 的同時，實現VN最大程度的析出強化效果；因此V含量下限不能低于0. 09%，而過多加入 V不僅增加制造成本，更重要的是惡化板坯表面質量、劣化鋼板塑性、低溫沖擊韌性與焊接 性，因此鋼板V含量上限不能超過0. 15%。
[0037] 本發明采用釩、氮復合強韌化技術生產正火回火型鋼板；為了獲得60公斤級正 火回火型鋼板，需要添加一定數量的合金元素 N，保證V與N結合形成VN，細化鋼板顯微組 織的同時，實現VN最大程度的析出強化效果，更重要的是N的添加量不僅需要與V含量匹 配，而且鋼中N含量足以抑制VN粒子Ostewild熟化（細小粒子溶解消失、粗大粒子進一步 長大、粗化）；因此鋼中N含量控制在0. 015%?0. 030%之間。
[0038] 由于A1對N的化學親合力大于V對N的化學親合力，鋼中的N容易與鋼中A1結 合，形成A1N粒子，導致V、N復合強韌化失效；因此為保證鋼中N與V結合而非A1 ;因此A1 控制在0.010%以下。
[0039] 對鋼進行Ca處理，一方面可以純凈鋼液，另一方面對鋼中硫化物進行變性處理， 使之變成不可變形的、穩定細小的球狀硫化物，抑制S的熱脆性、提高鋼板沖擊韌性和Z向 性能、改善鋼板沖擊韌性的各向異性。Ca加入量的多少，取決于鋼中S含量的高低，Ca加入 量過低，處理效果不大；Ca加入量過高，形成Ca(0，S)尺寸過大，脆性也增大，可成為斷裂裂 紋起始點，降低鋼的低溫韌性，同時還降低鋼質純凈度、污染鋼液。一般控制Ca含量按ACR =(wt% Ca) [l-1.24(wt% 0)]/1.25(wt% S)，其中ACR為硫化物夾雜形狀控制指數，因此 Ca含量的控制范圍為0. 001 %?0. 004%。
[0040] 為改善60公斤級正火回火型鋼板焊接性，降低焊接預熱溫度、適當拓寬焊接熱輸 入量范圍，鋼板碳當量 Ceq 彡 0· 48%，其中 Ceq = C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5。
[0041] 本發明的高韌性、抗PWHT軟化脆化的鋼板的制造方法，其包括如下步驟：
[0042] 1)冶煉、鑄造
[0043] 按權利要求1所述的成分冶煉，鑄造采用連鑄，連鑄工藝采用凝固末端輕壓下技 術，以減輕連鑄坯中心偏析，連鑄輕壓下率控制在3 %?7 %之間，控制中間包澆注溫度在 1500°C ?1550°C ;
[0044] 2)板坯加熱溫度1180°C?1280°C，保證高V、高N含量條件下VN完全固溶；板坯 出爐后采用高壓水除鱗，除鱗不盡可反復除鱗；
[0045] 3)軋制
[0046] 第一階段為普通軋制，板坯除磷結束后，輸送到粗軋機架進行連續不間斷軋制，細 化奧氏體晶粒；
[0047] 第二階段采用再結晶控制軋制，控軋開軋溫度1000°C?900°C，乳制道次壓下率 彡7%，再結晶區累計壓下率彡60%，終軋溫度700°C?800°C ;
[0048] 4)正火
[0049] 鋼板正火溫度控制在880?920°C，正火保持時間為5min?20min，正火后鋼板自 然空冷至室溫；其中保持時間為鋼板中心達到正火溫度后的計時時間；
[0050] 5)回火
[0051] 鋼板回火溫度控制在600?650°C之間、回火保持時間為25min?45min，保證VN 以均勻、細小、彌散狀態析出；回火后鋼板自然空冷至室溫；其中，保持時間為鋼板中心達 到回火溫度后的計時時間。
[0052] 本發明的有益效果是：
[0053] 正火回火狀態60公斤級高強度、抗多重PWHT軟化與脆化型低溫用鋼是厚板產 品中難度大、技術含量高的品種之一，尤其正火鋼板和正火回火鋼板在多重焊后熱處理 (PWHT)條件下，鋼板一般均發生嚴重的軟化（鋼板屈服強度、抗拉強度急劇下降）與脆化 (鋼板低溫沖擊急劇劣化）；其原因是在正火回火條件下，改善焊接性與高屈服強度/抗拉 強度之間的矛盾、高屈服強度/抗拉強度與優良的抗多重PWHT軟化與脆化之間的矛盾、超 低成本制造與優良的低溫韌性、焊接性改善及抗多重PWHT軟化與脆化特性之間的矛盾。
[0054] 因此為解決上述矛盾，本發明充分挖掘成分設計與正火回火熱處理匹配的效能， 運用釩氮復合強韌化技術，在添加少量貴重合金元素 Ni的情況下，生產出綜合性能優良的 抗多重PWHT軟化與脆化的鋼板，而且降低貴重資源消耗，降低制造成本。

【專利附圖】

【附圖說明】 [0055]
[0056] 圖1為本發明實施例A的鋼板顯微組織中VN彌散析出狀態的照片。
[0057] 圖2為本發明實施例A的鋼板顯微組織中VN彌散析出狀態的照片。

【具體實施方式】
[0058] 下面結合實施例和附圖對本發明做進一步說明。
[0059] 本發明鋼實施例參見表1，表2?表4為本發明鋼實施例的制造工藝。表5、表6 為本發明實施例鋼的性能。
[0060] 由圖1、圖2可知，通過成分、控軋及后續熱處理工藝結合，得到鋼板的顯微組織為 均勻細小的鐵素體+珠光體（可能存在少量的粒狀貝氏體），平均晶粒尺寸在10 μ m以下， VN以均勻、細小、彌散狀態析出。
[0061] 根據本發明鋼板技術特點，本發明通過合理的合金元素的組合設計與再結晶控 車U熱處理工藝相結合，鋼板即可獲得優異的低溫韌性，而且鋼板具有優良的焊接性、抗多 重PWHT軟化與脆化特性，因而節約了用戶構件制造的成本，縮短了用戶構件制造的時間。
[0062] 由于本發明鋼板生產過程中不需要添加任何設備，制造工藝簡潔、生產過程控制 容易，合金設計簡單、貴重合金元素添加量少，因此制造成本低廉，具有很高性價比。
[0063] 隨著我國經濟持續發展，對能源需求量越來越大，而發展清潔能源作為國家戰略 提出，清潔能源工程建設及相關裝備制造用關鍵材料（清潔能源運輸設備：移動容器用 鋼）一一高焊接性、正火回火型低溫、抗多重PWHT軟化與脆化特性的鋼板，具有廣闊的市場 前景。
[0064] 表1單位：重量百分比
[0065]

【權利要求】
1. 高韌性、抗PWHT軟化脆化的鋼板，其成分重量百分比為： C :0· 15%?0· 19% Si 0. 30% Mn :1. 40%?1. 70% P 0. 013% S 0. 003% Ni :0. 05%?0. 30% V :0. 09%?0. 15% A1 0. 010% N :0. 015%?0. 030% Ca :0· 0010%?0· 0040% 其余為Fe和不可避免的夾雜；且上述元素含量必須同時滿足如下關系： N/V ^ 0. 16 ； (% N) X (% V) ^ 0. 0013 ； [(% Μη) X (% V) ]/t彡0· 006,其中t為鋼板厚度，單位為mm ; [5(% 〇 + (% Μη)] X (% P) ^ 0. 029 ； Ca/S 在 1.0 ?3.0 之間，且，（％Ca)X(%S)〇·28 彡 1.0X10 -3; Ceq 彡 0· 48%，其中，Ceq = C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5 ; 獲得的鋼板組織為均勻細小的鐵素體+珠光體，平均晶粒尺寸在l〇um以下。
2. 如權利要求1所述的高韌性、抗PWHT軟化脆化的鋼板的制造方法，其特征是，包括如 下步驟： 1) 冶煉、鑄造 按權利要求1所述的成分冶煉，鑄造采用連鑄，連鑄工藝采用凝固末端輕壓下技術，連 鑄輕壓下率控制在3%?7%之間，控制中間包澆注溫度在1500°C?1550°C ; 2) 板坯加熱溫度1180°C?1280°C，板坯出爐后采用高壓水除鱗，除鱗不盡可反復除 鱗； 3) 軋制 第一階段為普通軋制，板坯除磷結束后，輸送到粗軋機架，進行連續不間斷軋制； 第二階段采用再結晶控制軋制，控軋開軋溫度l〇〇〇°C?900°C，乳制道次壓下率 彡7%，再結晶區累計壓下率彡60%，終軋溫度700°C?800°C ; 4) 正火 鋼板正火溫度控制在880?920°C，正火保持時間為5min?20min，正火后鋼板自然空 冷至室溫；其中保持時間為鋼板中心達到正火溫度后的計時時間； 5) 回火 鋼板回火溫度控制在600?650°C之間、回火保持時間為25min?45min，回火后鋼板 自然空冷至室溫；其中保持時間為鋼板中心達到回火溫度后的計時時間。
【文檔編號】C21D8/02GK104109801SQ201410369625
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月30日 優先權日:2014年7月30日
【發明者】劉自成, 施青, 吳勇 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司