一种低温韧性优异的1GPa级海洋工程用钢板及其制备方法

技术领域

本发明属于钢铁材料制备领域，特别具有低屈强比特征、优异的低温冲击韧性、1GPa级超高强度的海洋工程用钢板及其制备方法。

背景技术

辽阔的海洋蕴藏着极其丰富的资源，为了开发和利用海洋资源，人类不断发展提升着海洋工程装备的技术水平。钢铁是制造海洋装备最重要，不可替代的材料。然而，海洋环境极其复杂，船舶及海洋工程装备在海浪、海潮、风暴及寒冷流冰等严峻的海洋环境中服役，要求海洋工程用钢具备高强度、低温韧性、低屈强比等众多综合性能保证海洋装备的安全性。近年来，虽然超高强度钢在高端海洋装备制造领域的应用不断增加，然而高强度却带来了屈强比较高和冲击韧性较差，限制了高端制造业的发展。因此，重要的不仅是提高强度，而且还要降低屈强比和改善低温韧性。

目前，传统超高强海洋工程用钢屈服强度级别从550MPa到960MPa，采用淬火+回火生产工艺，形成回火马氏体的显微组织。目前生产超高强度海洋工程用钢存在以下不足：(1)以回火马氏体为特征组织的钢板随着屈服升高，屈强比不断接近1，严重影响材料的使用安全性；(2)890MPa级别以上海洋工程用钢的低温韧性不足，无法满足极寒地区海洋工程项目的建造；(3)建造先进的海洋装备需要更高强度的海洋工程用钢，屈服强度需要进一步提高到1GPa级别以上。因此，如何同时获得1GPa级别的超高强度、低屈强比特征和优异低温韧性是海洋工程用钢在未来发展的主要方向。

公开号为CN109161791B的发明专利提出一种具有优良低温韧性的690MPa级别船舶及海洋工程用钢及其制造方法。该专利合金成分含有Cu≤0.5％，Ti：0.005～0.05％，Ni：1.0～2.5％，并采用淬火+回火，或正火+淬火+回火，或回火+淬火+回火，工艺要求控制温度精度高。另外该技术生产工艺开发的钢板屈服强度低于1GPa，-80℃低温冲击韧性不足。

公开号为CN102618793B的发明专利提出一种屈服强度960MPa级钢板及其制造方法。该专利合金成分含有Nb：0.02～0.06％，Ti：0.003～0.04％，B：0.0006～0.0025％，并采用控制轧制控制冷却+在线回火工艺。该技术生产的钢板屈强比大于0.94，-80℃低温冲击韧性不足。

公开号为CN111057965A提出一种低屈强比的海洋工程用钢及其制备方法。该专利成分添加Cu：1.4～1.5％，以及微合金元素Nb：0.01～0.03％，Ti：0.008～0.018％，采用多次淬火+回火热处理工艺，生产周期长，生产成本较高。另外该技术生产的超高强度钢的屈服强度低于1GPa。

公开号为CN111542636A提出一种低屈强比特性优异的高强度钢材及其制造方法。该专利成分添加微合金元素Nb：0.01～0.05％，并采用多段式冷却，工艺复杂。另外，该技术生产的钢板屈服强度低于1GPa。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的问题，提出一种具有低屈强比特征和优异低温韧性的1GPa级海洋工程用钢板及其制备方法，通过合金优化，采用轧制和多步热处理工艺调控钢板的显微组织和晶粒尺寸，得到的钢具有超高屈服强度(≥1GPa)，低屈强比(屈强比＜0.94)，优异低温韧性(-80℃冲击功≥150J)。

本发明从合金元素含量、钢质洁净度控制、工艺优化与参数选择、微观组织控制等几个方面进行了大量且系统的试验研究，最终确定了可满足本发明目的合金元素配比及制备工艺。

具有低屈强比和优异低温韧性的1GPa级海洋工程用钢板，特征化学成分按重量百分比计，包括以下化学成分C：0.08～0.13％，Si：0.20～0.50％，Mn：0.70～1.50％，Ni：6.50～8.50％，Cr：0.40～0.60％，Mo：0.50～0.90％，V：0.05～0.09％，P：≤0.003％，S：≤0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述钢板的制备方法采用轧制+在线淬火工艺，随后对钢板进行多步热处理工艺，钢板的屈服强度≥1GPa，屈强比＜0.94，-80℃冲击功≥150J。多相显微组织为回火马氏体、细小亚稳奥氏体和VC第二相。

所述钢板成品厚度范围为10～50mm。

所述的1GPa级海洋工程用钢板制备工艺，包括如下步骤：

S1、按该钢的化学成分准备进行冶炼、连铸后得到连铸坯，LF和RH精炼炉处理，中包钢水过热度≤20℃，全程保护浇铸；

S2、将连铸坯加热到1100～1150℃，保温2～3h；

S3、对连铸坯采用高温轧制，轧制温度为1050～950℃的奥氏体再结晶温度区，细化奥氏体晶粒，提高相变形核率，达到细化晶粒的目的；

S4、对步骤S3处理后的钢板采用平均冷却速度大于20℃/s的快速冷却系统，终冷温度控制在200℃以下；

S5、采用两步热处理工艺对钢板进行处理。

在步骤S1中，所述LF和RH精炼炉处理的时间各为20～30min；所述中包钢水过热度的温度为10～20℃。

在步骤S1中，所述连铸坯在全程保护浇铸的钢中A即硫化物类、B即氧化铝类、C即硅酸盐类、D即球状氧化物类的非金属夹杂物满足：A≤0.5、B≤0.5、C≤0.5、D≤0.5的夹杂物等级要求。

在步骤S3中，轧制过程中，平均单道次压下率在15％以上，目的是使奥氏体充分再结晶，并细化奥氏体晶粒尺寸。

在步骤S4中，所述平均冷却速度为20～30℃/s；所述终冷温度为30～200℃。在步骤S5中，所述热处理工艺包括：第一步临界热处理，临界热处理范围Ac1～Ac3，温度为700～720℃，保温时间系数：1.0～1.2min/mm，冷却方式采用水冷；第二步临界热处理，临界热处理范围Ac1～Ac3，温度为520～560℃，保温时间系数：2.0～2.5min/mm，冷却方式采用空冷。

以下阐述本发明钢中各合金成分作用机理，其中百分符号％代表重量百分比：

C：是保证强度的必要元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但是过高的C含量对钢的延性、韧性，特别是焊接性有负面影响。从经济性和产品性能角度考虑，优选C含量控制在0.08～0.13％。

Si：是提高强度的主要元素之一，同时Si的加入可以抑制贝氏体形成，抑制渗碳体的析出和粗化，提高韧性，因此优选Si含量为0.20～0.50％。

Mn：是保证钢的强度和韧性的必要元素，添加Mn可以增加亚稳奥氏体含量，形成复相组织，为了提高本发明材料的强韧性，因此Mn含量范围为0.70～1.50％。

P：是对低温韧性、延展性带来不利影响的元素，可以在板坯中心部位偏析以及在晶界聚集等损害低温韧性，本发明材料控制P在不高于0.003％。

S：是对低温韧性、延展性带来不利影响的元素，可以形成硫化物夹杂，成为裂纹源，本发明材料控制S的范围在不高于0.002％。

Ni：具有固溶强化作用，稳定奥氏体的主要合金元素，具备使Ar3点降低，CCT曲线右移，能够形成尺寸细小的马氏体组织，提高钢的强韧性，特别是低温韧性；又因为Ni会影响位错的横向滑移，降低钢的韧脆转变温度，另一个重要作用是促进形成亚稳奥氏体并增加其稳定性作用，因此本发明Ni含量控制在6.50～8.50％。

Mo：提高淬透性的元素，扩大γ相区，对控制相变组织起重要作用，能有效提高材料强度；降低相变温度，降低贝氏体转变的临界冷速，能有效改善钢板厚度方向上强韧性能的稳定性，Mo含量控制在0.50～0.90％。

V：有效细化钢的晶粒尺寸，同时在钢在形成纳米级第二相与位错作用显著提高强度。本发明经大量实验验证V含量0.05～0.09％能有效提高钢的强度。

上述化学成分中，C、Si、Mn和Mo含量过高会形成大量马氏体组织，影响贝氏体组织析出，最终影响钢板韧性性能；含量过低，又会影响钢板的强度不足。Ni、Cr和V的适量组合添加会提高钢板强度和低温韧性。

(1)本发明通过低C含量保证钢板的易焊性，添加高Ni含量促进亚稳奥氏体形成并提高其稳定性，添加微合金元素V可以形成纳米尺寸析出相(VC)来提高强度；控制硫磷含量，减少夹杂物对低温韧性的影响。采用轧制+在线淬火方法，以及多步热处理工艺，特别是临界区淬火+回火工艺，最终得到亚稳奥氏体+回火马氏体组织，可以大幅度降低钢的屈强比；通过回火后析出的VC析出相可以显著提高钢的强度。通过化学成分及制备工艺相结合可以获得高性能的海洋工程用钢。

(2)本发明钢板的屈服强度≥1GPa，屈强比＜0.94，-80℃冲击功≥150J。

(3)本发明产品的制造工艺易于实现，产品性能稳定，成材率高。

具体实施方式

本发明钢的本发明实施例钢化学成分见表1，本发明实施例钢冶炼工艺见表2，本发明实施例钢轧制工艺见表3，热处理工艺见表4，力学性能见表5。

表1本发明实施例钢化学成分

表2本发明实施例钢冶炼工艺

表3本发明实施例钢轧制和冷却工艺

表4本发明实施例钢多步热处理工艺

表5本发明实施例钢力学性能