專利名稱：一種低溫韌性優良的TMCP型YP500MPa級厚板及其制造方法
技術領域：
本發明涉及ー種具有優良低溫韌性的TMCP型YP500MPa級鋼板的生產制造方法，適合用于船舶及海洋平臺。
背景技術：
隨著造船エ業的發展，對船體結構用鋼性能的要求也越來越高，隨著鋼鐵業的發展，具有高強度、優良韌性、可焊性以及高表面質量鋼板的產量在不斷增長，但船舶エ業向大型化、輕量化、節能化發展以及船舶在ー些特殊環境下的服役要求，使得對材料性能的要求愈加嚴格。
各國船級社對船板鋼的技術要求有所不同，但區別不大。按照各國船級社的材料規范，通常將船體結構用鋼分為一般強度級別、高強度級別以及超高強度級別。一般強度級分為A，、B、D、E四個質量(韌性)級別，強度級別為235MPa，國內生產技術相對成熟；高強度級分為32kg、36kg、40kg級三個強度級別和AH、DH、EH、ra四個質量(韌性)級別，要求采用TMCPエ藝生產，目前國內只有少數廠家能夠生產和供貨；超高強度級分為屈服420MPa、460MPa、500MPa、550MPa、620MPa、690MPa 和 AH、DH、EH、ra 四個質量(韌性)級別，采用淬火+回火エ藝和TMCPエ藝皆可生產，但淬火+回火エ藝生產流程長，エ藝復雜，物流成本高，交貨周期長，國內外目前主要研究考慮采用TMCPエ藝生產超高強度船板鋼，在保證質量性能的前提下，大大縮短生產成本和生產周期，但采用TMCPエ藝生產超高強度船板鋼目前在國內外還基本處于研究階段。一般強度的船板鋼主要用于建造沿海、內河和萬噸級以下的海洋航區的船舶殼體，高強度船板鋼由于具有強度高、綜合性能好、能夠減輕船體自重、提高載荷的優點，適用于建造遠洋萬噸級以上的船舶殼體，但目前世界上集裝箱船規模越來越大，為提高集裝箱船的運輸效率，船的大型化是有效的，雖然為此進行了所用鋼材的厚壁化，但采用高強船船板鋼，其韌性有隨厚壁化而下降的傾向。而對于集裝箱船，為實現運輸高效化而采取的大型化和為節油而采取的輕量化是今后發展的必然方向，所以急需開發新一代具有更高的強度且高韌性的鋼板，能使船體厚度減薄的同時強度性能不減，且高韌性化，提高船的可靠性和安全性。低溫韌性優良的TMCP型YP500MPa級船舶及海洋平臺用鋼板即是針對這種技術要求而開發。JP9310119A公開了ー種熱影響區的韌性優異的鋼板的制造方法，主要闡述了ー種通過Mg-Ni合金的加入，應用氧化物冶金技術和TMCPエ藝生產的ー種具有大線能量焊接性能的厚板。與本專利相比，在合金成分設計上不同，最終產品達到的性能要求也不同，具體成分見表I的文獻I。JP9279235A公開了ー種熱影響區的韌性優異的鋼板的制造方法，與專利文獻I類似，主要通過Mg氧化物冶金的方法，獲得ー種具有優良焊接熱影響區韌性的厚板。與本專利相比，合金成分設計不同，具體見表I中的文獻2。JP9279234A公開了ー種在大熱量輸出焊接熱影響區韌性優異的鋼板的制造方法，與專利文獻1、2相同，通過Mg氧化物冶金方法，獲得具有大線能量焊接和優良焊接熱影響區韌性的厚板生產制造方法，與本專利相比，在合金設計上不同，具體見表I中的文獻3。JP9202920A公開了利用ー種氧化物冶金技術生產的具有大線能量焊接性能和良好焊接熱影響區沖擊韌性的厚板；沒有闡述其強度級別，成分設計與本發明不同，并且明確對 DI = (C/10) (supl/2) (1+0. 7Si) (5+5. I (Mn-1. 2)) (1+0. 27Cu) (1+0. 36Ni) (1+2. 16Cr)(l+3Mo)的范圍做了規定，因此在成分設計上更加嚴格，具體比較見表I中的文獻4。JP62093346A公開了ー種在焊接熱影響區具有優良的COD值的高強度鋼生產方法，與本專利在成分設計范圍上不同，尤其是不同的C、Nb含量，在TMCP軋制過程中起到不同作用；另外，該專利產品性能主要體現焊接熱影響區的性能，而本專利產品主要是在低溫下具有優良沖擊韌性的鋼板，具體比較見表I中的文獻5。
·
KR20030053122A提出了ー種屈服強度為350MPa鋼板的成分設計和TMCPエ藝方法。該專利采用O. 06% O. 11%的較高碳含量，與該專利相比，本專利采用O. 03% O. 08%的低C含量，同時采用高Nb路線，成分設計范圍不同。此外，二者TMCPエ藝參數的范圍和生產鋼級也不同，不具可比性，具體比較見表I中的文獻6。CN101177760A提出了一種高強度船用鋼板及其生產方法，采用Ni、Cr、Mo元素合金化增加鋼板淬透性，Mn含量控制在I. 2% 1.6%，而本專利控制Mn含量在O. 5%
2.5 %，針對厚度達到80_的厚板，本專利添加B元素以進一歩增強鋼板心部的冷卻能力和使鋼板厚度方向上性能均勻，提高厚鋼板整體的強韌匹配性能，具體參見表I中的文獻7。W02007074989A公開了ー種厚度方向性能均勻的焊接船板及其制造方法。與本專利C在O. 03% O. 08%相比，該專利采用C在O. 05% I. O %的較高含量范圍，影響厚鋼板的低溫韌性水平，且該專利對Ti/N和化學元素之間有嚴格限制CP = 165x% C+6. 8x% Si+10. 2x% Mn+80. 6x% Nb+9. 5x% Cu+3. 5x% Ni+12. 5x%Cr+14. 4x% MoCP = 40 50與本發明不同，具體成分見表I中的文獻8。JP2008214654A公開了ー種抗止裂性能的鋼板及其制造方法。與本專利相比，該專利采用C-Mn鋼為基，選擇性添加Nb、Ti微合金化元素或Ni、Cr、Mo等淬透性元素，且采用特殊的軋制エ藝形成表面細晶粒組織來實現鋼板的良好止裂性能。而本專利采用低C-Mn鋼加Nb、Ti微合金化處理，采用TMCPエ藝生產低溫韌性優異的彡80mm厚鋼板，且屈服強度達500MPa，化學成分設計原則和軋制エ藝以及鋼板目標性能與該專利皆不同，具體參見表I中的文獻9。CN101705434A公開了ー種具有超高強度和沖擊韌性的船板鋼及其制備方法。其與本發明相比，該技術限定C在O. 3% O. 5%、Mn含量在O. 8% O. 9%的很小范圍，極大的増加生產難度，且要求必須用Al脫氧，此外，軋制エ藝采用熱軋+熱處理方法。該技術化學成分設計和軋制エ藝與本發明不同，具體成分見表I中的文獻10。
發明內容
本發明的目的在于提供ー種具有優良低溫韌性的TMCP型YP500MPa級船體結構用厚板及其生產方法。成份采用低C路線，適當Mn含量，Nb、Ti微合金化，并添加Ni、Mo、Cu等合金元素，應用TMCP方式生產，生產周期短。該鋼板厚度規格達到80mm，甚至達到100mm，屈服強度大于500MPa，-60°C低溫沖擊韌性優異，可用于制造大型船體結構和海洋平臺結構。為實現上述目的，本發明的具有優良低溫韌性的TMCP型YP500MPa級厚鋼板，其化學成分(量百分比 wt% )為C 0. 010-0. 08%, Si 0. 005-0. 6%, Mn :0. 5-2. 50%,P ^ O. 015 %, S ^ O. 005 %, Nb :0. 010-0. 12 %, Ti :0. 005-0. 03 %, V < O. 120 %,Cr ^ I. 50 %, Mo ^ O. 80 %, Cu ^ I. 2 %, Ni ^ I. 60 %, Al ^ O. 06 %, Ca ^ O. 01 %, N O. 003-0. 008%, B彡O. 0025%, O彡O. 008%。余量為Fe和不可避免的其它雜質元素。本發明所述屈服500MPa級厚規格高強度高韌船板鋼的化學成分限定理由如下 碳鋼中最經濟、最基本的強化元素，通過固溶強化和析出強化對提高鋼的強度有明顯作用，但是提高C含量對鋼的延性、韌性和焊接性有負面影響，因此近代鋼的發展過程是不斷降低C含量的過程。降低C含量一方面有助于提高鋼的韌性，另ー方面可改善鋼的焊接性能，尤其對于厚度規格達到80mm及以上厚度的鋼板，C含量應該小于O. 08%，故設定C含量范圍在O. 010-0. 08%。錳通過固溶強化提高鋼的強度，是鋼中補償因C含量降低而引起強度損失的最主要且最經濟的強化元素。Mn還是擴大Y相區的元素，可降低鋼的Y — α相變溫度，有助于獲得細小的相變產物，可提高鋼的韌性、降低韌脆轉變溫度。因此對FH500的Mn含量設計在O. 5-2. 5%范圍。鈮是現代微合金化鋼中最主要的元素之一，對晶粒細化的作用十分明顯。通過熱軋過程中NbC應變誘導析出阻礙形變奧氏體的回復、再結晶，經控制軋制和控制冷卻使非再結晶區軋制的形變奧氏體組織在相變時轉變為細小的相變產物，以使鋼具有高強度和高韌性，本發明配合適量C含量，充分發揮NbC的作用，設計Nb含量范圍在O. 010-0. 12%。鈦強固N元素，Ti/N的化學計量比為3. 42，利用O. 02%左右的Ti就可固定鋼中60ppm以下的N,在板還連鑄時可形成細小的高溫穩定的TiN析出相。這種細小的TiN粒子可有效地阻礙板坯再加熱時的奧氏體晶粒長大，有助于提高Nb在奧氏體中的固溶度，同時對改善焊接熱影響區的沖擊韌性有明顯作用，故本發明設計Ti含量范圍O. 005-0. 030% .鑰提高淬透性的元素，擴大Y相區，推遲Y — α相變時先析出鐵素體形成、促進針狀鐵素體形成的主要元素，對控制相變組織起重要作用，能有效提高材料強度；尤其在低合金厚板鋼中添加少量的Mo能延長珠光體的孕育期，降低相變溫度，降低貝氏體轉變的臨界冷速，有利于在較寬的冷速范圍內促進貝氏體轉變，使厚鋼板具有較好的エ藝適應性，能有效改善鋼板厚度方向上強韌性能的穩定性。故本發明設計Mo含量< O. 80%。硫、磷不可避免的鋼中有害雜質元素，易形成偏析、夾雜等缺陷，惡化船板鋼的焊接性能、沖擊韌性。因此，本發明中厚規格ΕΗ500鋼中控制P彡0.015、S彡O. 005，且須通過Ca處理夾雜物改性技術，使夾雜物形態球化且分布均勻，減少其對韌性的影響。銅、鎳可通過固溶強化作用提高鋼的強度，同時Cu還可改善鋼的耐蝕性，Ni的加入主要是改善Cu在鋼中易引起的熱脆性，且對韌性非常益，在厚規格鋼中還可補償因厚度的增加而引起的強度下降。本發明設計Cu含量范圍為< 1.20%，附含量范圍為< 1.6%。鉻提高鋼的淬透性的重要元素，可以單獨或者復合添加，對于厚規格船板及海洋平臺用鋼而言添加較高Cr含量可以有效提高淬透性以彌補厚度帶來的強度損失，改善厚度方向上性能的均勻性；但太高的鉻和錳同時加入鋼中，會導致低熔點Cr-Mn復合氧化物形成，在熱加工過程中形成表面裂紋，同時會嚴重惡化焊接性能。因此本發明中Cr含量應限定在0-1. 5%。釩在鋼中可起到固溶強化的作用，另ー方面，V在較低溫度軋制時的析出可阻礙位錯的運動，使奧氏體中有大量的位錯，促進貝氏體形核，細化貝氏體最終組織，但過量V會對鋼板的韌性和焊接產生不利影響，故綜合考慮，本發明中加入0-0. 12%的V，根據エ藝和需要進行選擇性添加。鈣鈣處理可以有效改變鋼中硫化物形態，使易于變形的條狀夾雜變為不易變形的、穩定細小的球狀夾雜，提高鋼板的Z向性能，另外還可以改善鋼的低溫韌性，保證力學性能的各向同性。若含量過多則對鋼的韌性易造成損害，甚至影響鋼的焊接性能。本發明中Ca含量范圍為0-0. 01%。氮氮的在鋼中易與Ti、V等元素生產粗大析出物，降低鋼的韌性、焊接性能、熱應カ區韌性，使鋼材脆性増加；另一方面氮會造成連鑄坯開裂，故對于高等級的船板和海洋エ 程用鋼，應該盡量控制N含量。Al鋁為了脫氧而加入鋼中的元素，添加適量的Al有利于細化晶粒，改善鋼材的強朝性能。B硼強淬透性元素，尤其針對厚度較大的鋼板，増加B元素能有效的增強鋼板心部的冷卻能力，增強鋼板心部的強韌性能，使大厚度鋼板的整體性能均勻、穩定，但B含量過多不利于鋼板的韌性，故設計B含量< O. 0025%。本發明的另ー個目的是提供上述具有優良低溫韌性的TMCP型YP500MPa級厚鋼板的制造方法。熱軋エ藝采用300mm厚連鑄坯，加熱溫度1100_1250°C，再結晶區軋制溫度范圍920-1170°C，非再結晶區軋制溫度范圍680-91 (TC，精軋壓縮比彡2T (T :成品厚度)，冷卻速度彡50C /s，終止冷卻溫度300-600°C。優選地，再結晶區軋制溫度為940-1130°C。優選地，非再結晶區軋制溫度為680_850°C。優選地，冷卻速度為5_15°C /S。優選地，終止冷卻溫度為300_560°C。因此，針對微合金化低碳針狀鐵素體組織具有高強度高韌性和良好焊接性能的特點，以晶粒細化、相變強化、析出強化和位錯強化等材料強化理論為基礎，借鑒寶鋼長期船板鋼生產經驗和具有低碳針狀鐵素體組織特征的超高強度船板鋼的試驗室研究結果，對具有針狀鐵素體FH500高強船板鋼的成分設計采用了較低的碳含量、Nb、Ti微合金化以及添加Ni、Mo、Cu的成分設計。煉鋼エ藝采用夾雜物形態控制的純凈鋼冶煉技術，熱軋エ藝采用了控軋控冷的熱機械處理技術，通過合理的成分和エ藝進行最終產品的組織控制，以獲得具有高強度高韌性的低碳針狀鐵素體組織。隨著世界經濟的發展和貿易的增長，船舶需求量不斷上升；隨著海上能源的開發，各類工程船舶的需求持續增長；21世紀，人類將面向海洋，致カ于海洋生物和礦產資源的開發，船舶及海洋工程的研究領域也將擴大；在政治影響未消除前，各國仍在大力增強海軍力量，開發建造新型海軍艦艇。從民用和軍用雙方面來看，船舶エ業都有著廣闊的發展前景。本發明的目的是提供ー種具有_60°C下低溫韌性優良的YP500MPa級TMCP鋼板及其制造方法，主要體現在通過合理的成分設計和エ藝控制，制造最大厚度達到IOOmm的厚規格船體用鋼板，屈服強度達到500MPa，且具有優良的可焊性，可用于制造超大型集裝箱船等船體結構和海洋平臺結構。本專利成分設計采用低碳成分體系，以C-Mn系為基，輔以少量Cu、Ni,Mo,Cr合金化以及微Nb、Ti處理技術，特別是采用較高含量的Nb含量，提高鋼板的非再結晶區溫度，擴大精軋溫度區域，同時，利用，；在エ藝上采用TMCP軋制技術，較低的再加熱溫度、合理的精軋壓縮比控制、合適的終軋溫度以及精確的冷卻控制，在保證鋼板性能穩定性的同時具有良好的板形。本發明與現有技術的專利文獻技術比較，主要區別在于成分設計以及エ藝控制上，成分設計如表I所示。通過與國內外專利文獻對比可發現，本發明鋼采用經濟的成份設計方法和厚板軋制制造エ藝，不經過熱處理，可生產具有高的強度、良好的低溫沖擊韌性以及良好的焊接性 能(低的Pcm指數)的FH500級船體結構用厚鋼板，與現有的專利在成分設計或エ藝設計上存在較大差別。本發明鋼板與現有專利文獻技術相比，具有如下優點(I)與以往上述已經申請的專利相比，采用TMCPエ藝生產最大厚度規格達到IOOmm的鋼板，屈服強度彡500MPa，且低溫沖擊功在_60°C溫度下大于120J，表現出非常優良的低溫韌性。(2)它以低碳為特點，采用控制軋制控制冷卻技木，節省能源，エ序簡単，且能保證強度和厚規格鋼板的沖擊韌性以及良好焊接性能之間的匹配。I-14^.
I_I
表I
C Mn Si S P Nb Ti V Alt NO Mg M<
ナ 0.02-0. 0.5-2.< 0.01-0. 0.005-0.0.001- 0.002- 0.0005-
κ<0Λ < 0.006<0.1 <0.006
獻 20 l_ O j Il0.015l_10 __ 030 ____0.005 __0.006 —0.005 _ 1氧化物冶金技術，合金設計和冶煉技術不同
± 0.02- 0.05-2<0.010.005-0.0010- 0.001- 0.0005-
^< 0.4 < 0.006 <0.03<0.03 <0.006< O.:
^ 0.15 .050.0300.005 _ 0.004 0.005
2氧化物冶金技術，合金設計和冶煉技術不同
ナ 0.02- 0.05-2 < < 0.005- 0.0010-0. 0.001-0.0 0.0003- 、 < 0.4 <0.03 <0.03 <0.006 < O.: 獻 0.15 .00.006 0.015 __0.030 ____005 __04 —_0=004 _
3氧化物冶金技術，合金設計和冶煉技術不同
+ 0.05 1.2-2. <0.4 <0.005-0 0.005-0.0.0015-0. 0.0010-0.
<0.02 <0.03 <0.005 <0. ^ 0.15 O 0_ 0.005 __.03 —02____ 0060 一0060 ___
4限定 DI=(C/10)(sup 1/2) (l+0.7Si)(5+5.1(Mn-1.2))(l+0.27Cu)(l+0 36Ni)(l+2.16 Cr)(l+3Mo)=1.5 2.0
+ 0.03- 0.80-1 0.05-<0.01 0.003-0 0.005-0.0.010-0.0 <
<0.010
獻 0.13 .60 0.40 __O __.010 __ 015___50 __0.0040 ___
5Ceq% <=0.60,非再結晶區軋制<=900 °C，壓縮比>=50%,軋后快冷
+ 0.06—1.30 0.20 <0.02 0.005- 0.005-0. 0.015-0.0
人<0.005 <0.0050
櫨 _0。11 -1.50 -0.50 __O __0.025 —015 ___50_____
6屈服強度為350 MPa，加熱1050 1150 °C,終軋溫度720 °C 780 °C，停.
文 f I I" |_ |_ |_ 「 [ 「 { I
,0.05-0。1.20-1 0.30-0.02-0. 0.008-0. 0.0-0.0
獻<0.010 <0.020.02-0,06 <0.0080.0-0.
10 。60 0.5005 02 5一
7___________
權利要求
1.具有優良低溫韌性的TMCP型YP500MPa級厚鋼板，其重量百分比化學成分為C 0. 010-0. 08 %, Si 0. 005-0. 6 %, Mn :0. 5-2. 50 %, P ^ O. 015，S 彡 O. 005，Nb O.010-0. 12%, Ti 0. 005-0. 03%, V < O. 120%, Cr く I. 50%, Mo く O. 80%, Cu く I. 2%,Ni く I. 60%, Al く O. 06%, Ca く O. 01%,N 0. 003-0. 008%,B く O. 0025%, O ^ O. 008%。余量為Fe和不可避免的其它雜質元素。
2.如權利要求I所述的厚鋼板，其特征在于，鋼板的厚度為30-100mm，優選40-100mm，更優選80-100mm。
3.如權利要求I或2所述的厚鋼板，其特征在于，V:0. 02-0. 10%，或Mo :0. 3-0. 5%,或 Cu 0. 10-0. 40%，或 Ni 0. 3-1. 5%，或 Cr 0. 3-1. 5%0
4.如權利要求1-3任一所述的厚鋼板，其特征在于，屈服強度為500MPa以上，-60°C沖擊韌性大于120J。
5.如權利要求1-4任一所述的厚鋼板的制造方法，包括 連鑄坯加熱溫度為1100-1250°C，再結晶區軋制溫度為920-1170°C，非再結晶區軋制溫度為680-910°C，精軋壓縮比彡2T，T為成品厚度； 冷卻速度彡50C /s，終止冷卻溫度為300-600°C。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，再結晶區軋制溫度為1130-940°C。
7.如權利要求5或6所述的方法，其特征在于，非再結晶區軋制溫度為720-850°C。
8.如權利要求5-7任一所述的方法，其特征在于，冷卻速度5-15°C/s。
9.如權利要求5-8任一所述的方法，其特征在于，終止冷卻溫度為300-560°C。
10.如權利要求5-9任一所述的方法制造的具有優良低溫韌性的TMCP型YP500MPa級厚鋼板，其厚度為30-100mm，優選為80_100臟，屈服強度為500MPa以上，_60°C沖擊韌性為120J以上。
全文摘要
本發明涉及具有優良低溫韌性的TMCP型YP500MPa級厚鋼板，其重量百分比化學成分為C0.010-0.08％，Si0.005-0.6％，Mn0.5-2.50％，P≤0.015％，S≤0.005％，Nb0.010-0.12％，Ti0.005-0.03％，V＜0.120％，Cr≤1.50％，Mo≤0.80％，Cu≤1.2％，Ni≤1.60％，Al≤0.06％，Ca≤0.01％，N0.003-0.008％，B≤0.0025％，O≤0.008％。余量為Fe和不可避免的其它雜質元素。其制造工藝中，連鑄坯加熱溫度為1100-1250℃，再結晶區軋制溫度為920-1170℃，非再結晶區軋制溫度為680-910℃，精軋壓縮比≥2T，T為成品厚度；冷卻速度≥5℃/s，終止冷卻溫度為300-600℃。得到具有優良低溫韌性的TMCP型YP500MPa級厚鋼板。
文檔編號C22C38/58GK102691015SQ201110073700
公開日2012年9月26日 申請日期2011年3月25日 優先權日2011年3月25日
發明者張才毅, 高珊 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司