一种超低温韧性优异的吉帕级高强钢板及其制备方法

技术领域

本发明属于合金钢领域，具体涉及一种超低温韧性优异的吉帕级高强钢板及其制备方法。

背景技术

随着近几年世界能源的短缺，一些海洋及极寒地区的资源开发力度加大，对耐低温高强度钢板需求增加，要求钢板具有高强度的同时，还要具有良好的耐低温性能、优良的焊接性能及耐腐蚀等性能。目前吉帕级高强钢传统工艺主要添加较高含量的C、Ni、Cr、Mo等合金元素并采用调质热处理工艺，获得回火马氏体及析出细小碳氮化物来提高材料强度，但材料低温韧性较差，难以满足极地及海洋高寒环境使用要求。

申请号为201310218152.4的中国专利申请公开了一种屈服强度960Mpa级超高强度高钛钢板及其制备方法，其在低碳及多元合金设计基础上进行了高钛成分设计，Ti含量0.06-0.20%，但低温韧性较差，-40℃冲击功仅为60-83J，难以满足-60℃及以下超低温环境使用。

申请号为202110654580.6的中国专利申请公开了一种屈服强度1040Mpa以上超高强钢板及其制造方法，其在低碳设计基础上，采用了Ni、Cr、Mo、Cu等多元合金设计，并采用两阶段控制轧制及调质热处理，但低温冲击性能最小值为80J不是很理想，难以满足-60℃及以下超低温环境使用。

申请号为202210080215.3的中国专利申请公开了一种超高韧性、低屈强比及低纵横向强度各向异性1000Mpa级钢板及其制造方法， -60℃超低温环境下冲击功最小值为120J，但50mm以下钢板屈服强度最小值为890Mpa，不能达到1000MPa以上高强度要求，另外，其制造方法中要求第二阶段开轧温度720-800℃，终轧温度710-760℃，如此低的温度对轧机设备负荷要求极高，一般生产企业难以生产，不适宜进行大批量生产。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种超低温韧性优异的吉帕级高强钢板及其制备方法，钢板屈服强度≥1030Mpa，抗拉强度≥1060MPa，延伸率≥35%，-60℃超低温冲击功≥200J，具有强度高、超低温环境下韧性好、同时兼有易焊接等特点，可更好地用于极地、海洋等高寒地区工程机械、海洋平台、船舶等领域。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种超低温韧性优异的吉帕级高强钢板，其化学成分组成及质量百分比为：C：0.03-0.06%，Si：0.10-0.20%，Mn：0.70-0.90%，P≤0.008%，S≤0.002%，B：0.0010-0.0030%，Ni：3.0-4.0%，Mo：0.30-0.50%，Cu：1.0-1.2%，Nb：0.03-0.05%，Ti：0.010-0.030%，余量为铁和不可避免的杂质元素。

本发明所述钢板成分中各元素的作用机理如下：

C：碳具有显著的固溶强化作用，可提高钢的强度，但也会使钢冲击韧性明显下降，且损害其焊接性能，因此，为满足高强度与高韧性的良好匹配，必须降低碳含量，而高强度则通过其他手段来获得。本发明涉及的钢板采用低碳成分设计，C含量范围为0.03-0.06%。

Si：硅是钢中的脱氧元素之一，具有较强的固溶强化作用，但过高的Si含量会降低钢的韧性并恶化其焊接性能。本发明限定Si含量范围为0.10-0.20%。

Mn：锰提高钢的淬透性，在钢中主要是固溶强化，但锰含量过高，会引起钢板带状组织严重，韧性降低，并对焊接性能产生不利影响。本发明Mn含量的范围为0.70-0.90%。

Mo：钼存在于钢的固溶体和碳化物中，有固溶强化作用，并显著提高钢的淬透性，抑制P、S等杂质元素在晶界的偏聚而降低回火脆性；回火过程中可与Ti等微合金元素共同析出形成复合微合金碳氮化物，细化其尺寸，提高沉淀强化作用，但过多的钼会损害钢的低温韧性，降低可焊性且成本较高。本发明Mo含量范围为0.30-0.50%。

Cu：在钢中加入铜可提高耐蚀性，改善焊接性并提高强度；在时效处理过程中，富铜纳米相可通过阻碍位错运动提高钢板强度，并且可以改善熔合线和热影响区的韧性。本发明Cu含量的范围为1.0-1.2%。

Ni：镍主要用来提高韧性，改善抗大气腐蚀能力，利用镍增加层错能，促进低温下螺旋位错的交滑移，减少应力集中以提高钢的韧性，含铜钢中的镍还可以消除铜脆现象，减轻热轧过程的晶间开裂，增加铜在铁中的溶解度，形成的富铜相、富镍相可使熔点提高，避免热脆性。本发明添加了较高含量的镍，Ni含量的范围为3.0-4.0%。

B：硼在钢中的主要作用是增加钢的淬透性，加入极微量的硼就有明显的效果，当有铌存在时，硼的作用更加突出，硼和氮及氧有强的亲和力，钢中加入一定量的B，可以削弱钢的时效现象。硼低于0.001%，提高淬透性效果不明显，高于0.0030%，钢的韧性恶化，本发明B含量的范围为0.0010%-0.0030%。

Nb、Ti：铌的碳、氮析出物在热轧过程阻止奥氏体再结晶和抑制晶粒长大，能够细化奥氏体晶粒，可同时提高强度和韧性，Ti可产生强烈的沉淀强化及中等程度的晶粒细化作用，Ti还可以和B相互配合，以更大限度的提高钢的淬透性。本发明Nb含量的范围为0.03-0.05%，Ti含量范围为0.01-0.03%。

本发明所述超低温韧性优异的吉帕级高强钢板厚度为5-20mm。

本发明所述超低温韧性优异的吉帕级高强钢板性能如下：屈服强度≥1030Mpa，抗拉强度≥1060MPa，延伸率≥35%，-60℃超低温冲击功≥200J。

本发明所述超低温韧性优异的吉帕级高强钢板的显微组织为板条马氏体、板条贝氏体及铁素体的混合组织。

本发明所述超低温韧性优异的吉帕级高强钢板的制备方法，包括冶炼、连铸、加热、轧制、热处理工序。

本发明所述加热工序，加热温度为1150-1200℃，保温3-5h。

本发明所述轧制工序，采用两阶段轧制，第一阶段轧制得到的中间坯厚度与钢板成品厚度比值≥2.5，第一阶段终轧温度≥980℃。

本发明所述轧制工序，第二阶段开轧温度≤920℃，终轧温度≥880℃，轧制成厚度为5-20mm的钢板，然后进行空冷。

本发明所述热处理工序，将钢板加热到880-920℃，保温1.0-1.5h，然后进行淬火，淬火介质为水；将淬火后的钢板冷却至室温后再加热到500-550℃，保温1.0-2.0h，然后空冷至室温，进行时效处理。

本发明技术方案的有益效果在于：

（1）本发明采用低C及适量Nb、Ti、B、Mo、Cu、Ni等多元合金成分体系设计，充分发挥合金元素在钢中固溶强化、细晶强化、析出强化等有益效果，通过调控轧制与热处理工艺，得到细化的马氏体、贝氏体板条束尺寸，保证了较高密度的大角度晶界，同时析出大量细小的含Nb、Ti、Cu等纳米相，最终获得屈服强度≥1030Mpa，抗拉强度≥1060MPa，延伸率≥35%，-60℃超低温冲击功≥200J的钢板，在具备高强度的同时具有优异的超低温高韧性。

（2）本发明超低温韧性优异的吉帕级高强钢板制备方法简单，工艺可控性强，容易实现工业化生产。

（3）本发明超低温韧性优异的吉帕级高强钢板不但具有高强度、高韧性的特点，同时兼备良好的焊接性能。

附图说明

图1为实施例1超高强钢的金相组织。

图2为实施例2超高强钢的拉伸性能曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种超低温韧性优异的吉帕级高强钢板，其化学成分为：C：0.03%，Si：0.15%，Mn：0.75%，P：0.006%，S：0.002%，B：0.0010%，Ni：4.0%，Mo：0.35%，Cu：1.0%，Nb：0.035，Ti：0.020%，余量为铁及不可避免的杂质；所述钢板制备方法如下：

冶炼、连铸：按上述钢板成分进行冶炼，并浇铸成250mm厚钢锭；

加热：铸坯加热温度为1150℃，保温5h；

轧制：将加热后铸坯除鳞，然后进行两阶段轧制，第一阶段轧制得到的中间坯厚度50mm，终轧温度980℃；第二阶段开轧温度900℃，终轧温度880℃，轧制成厚度为20mm的钢板，然后进行空冷；

热处理：将钢板加热到880℃，保温1.0h，然后进行淬火，淬火介质为水；将淬火后钢板冷却至室温后再加热到550℃，保温1.0h，然后空冷至室温，进行时效处理，获得20mm厚钢板。

经力学性能检测，本实施例制备的钢板性能指标为：屈服强度1030MPa，抗拉强度1065MPa，延伸率36%，-60℃超低温冲击功206J。经金相组织检测，其显微组织为板条马氏体、板条贝氏体及铁素体的混合组织，如图1所示；经焊接实验评价，本实施例制备的钢板不预热、不后热，焊后不开裂，焊接接头力学性能为：屈服强度为952MPa，抗拉强度1010MPa，延伸率41%，-60℃超低温冲击功108J。

实施例2

一种超低温韧性优异的吉帕级高强钢板，其化学成分质为：C：0.05%，Si：0.20%，Mn：0.70%，P：0.005%，S：0.001%，B：0.0025%，Ni：3.0%，Mo：0.30%，Cu：1.2%，Nb：0.03，Ti：0.010%，余量为铁及不可避免的杂质；所述钢板制备方法如下：

冶炼、连铸：按上述钢板成分进行冶炼，并浇铸成250mm厚钢锭；

加热：铸坯加热温度为1180℃，保温3.5h；

轧制：将加热后铸坯除鳞，然后进行两阶段轧制，第一阶段轧制得到的中间坯厚度30mm，终轧温度990℃；第二阶段开轧温度920℃，终轧温度890℃，轧制成厚度为10mm的钢板，然后进行空冷；

热处理：将钢板加热到900℃，保温1.5h，然后进行淬火，淬火介质为水；将淬火后钢板冷却至室温后再加热到520℃，保温1.5h，然后空冷至室温，进行时效处理，获得10mm厚钢板。

经力学性能检测，本实施例制备的钢板的性能指标为：屈服强度1045MPa，抗拉强度1070MPa，延伸率38%，拉伸性能曲线如图2所示，-60℃超低温冲击功210J。经焊接实验评价，本实施例制备的钢板不预热、不后热，焊后不开裂，焊接接头力学性能为：屈服强度为970MPa，抗拉强度1023MPa，延伸率39%，-60℃超低温冲击功102J。

实施例3

一种超低温韧性优异的吉帕级高强钢板，其化学成分为：C：0.06%，Si：0.10%，Mn：0.90%，P：0.008%，S：0.001%，B：0.0030%，Ni：3.2%，Mo：0.50%，Cu：1.1%，Nb：0.05，Ti：0.03%，余量为铁及不可避免的杂质；所述钢板制备方法如下：

冶炼、连铸：按上述钢板成分进行冶炼，并浇铸成250mm厚钢锭；

加热：铸坯加热温度为1200℃，保温3h；

轧制：将加热后铸坯除鳞，然后进行两阶段轧制，第一阶段轧制得到的中间坯厚度20mm，终轧温度990℃；第二阶段开轧温度910℃，终轧温度890℃，轧制成厚度为5mm的钢板，然后进行空冷；

热处理：将钢板加热到920℃，保温1.5h，然后进行淬火，淬火介质为水；将淬火后钢板冷却至室温后再加热到500℃，保温2h，然后空冷至室温，进行时效处理，获得5mm厚钢板。

经力学性能检测，本实施例制备的钢板的性能指标为：屈服强度1050MPa，抗拉强度1080MPa，延伸率39%，-60℃超低温冲击功209J。经焊接实验评价，本实施例制备的钢板不预热、不后热，焊后不开裂，焊接接头力学性能为：屈服强度为991MPa，抗拉强度1050MPa，延伸率41%，-60℃超低温冲击功104J。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。