一種止裂性能優(yōu)異的厚鋼板及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鋼材制造領(lǐng)域，具體涉及一種止裂性能優(yōu)異的厚鋼板及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在船舶、建筑物、橋梁、海洋結(jié)構(gòu)物及原油和天然氣輸送管道等領(lǐng)域應(yīng)用的鋼材，為了保證使用安全和避免使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成危害，要求鋼材難以發(fā)生脆性斷裂，這就要求鋼材具有優(yōu)異的止裂性能，使脆性裂紋在傳播過(guò)程中能迅速的停止下來(lái)。
[0003]另一方面，出于降低運(yùn)輸成本、提高效率和降低排放的需求，集裝箱船向著大型化發(fā)展。同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，國(guó)際貿(mào)易的恢復(fù)大大增加了集裝箱的運(yùn)輸量，進(jìn)一步推動(dòng)了對(duì)大型集裝箱船的需求。集裝箱船的大型化，隨之而來(lái)的是使用大規(guī)格和高強(qiáng)度的鋼板。船體的安全性至關(guān)重要，則要求船體不發(fā)生脆性破壞；即使發(fā)生了脆性破壞，為了避免船體的全面損壞，則要求船體具有優(yōu)異的止裂性。從這一要求出發(fā)，要求集裝箱船的上甲板艙口圍板部分所使用的鋼板具有優(yōu)異的止裂性。因此在集裝箱船建造中，期望使用具有優(yōu)異的止裂性能的厚鋼板，目前中厚板的厚度一般為4.5-25.0 mm，厚板厚度為25.0~100mm。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中提高鋼板止裂性能的方法，包括添加合金元素和細(xì)化組織，如專利CN101341269 B給出一種添加合金元素Ni和控制軋后冷速的方法開(kāi)發(fā)止裂性優(yōu)良的鋼板的方法，該方法的缺點(diǎn)在于使用了貴重金屬Ni，提高了成本，同時(shí)使碳當(dāng)量Ceq升高，惡化焊接性能；同時(shí)，在止裂性的提高上不是很有效；文獻(xiàn)“表層超細(xì)晶厚鋼板的研制”(趙四新，姚連登，趙小婷.世界鋼鐵，2009，5: 18-22.) —文中提出了在軋制過(guò)程中采用傳統(tǒng)生產(chǎn)線上的ACC冷卻系統(tǒng)對(duì)鋼坯進(jìn)行冷卻控溫來(lái)生產(chǎn)表層超細(xì)晶鋼的方法，該方法的缺點(diǎn)是傳統(tǒng)生產(chǎn)線上的ACC冷卻系統(tǒng)離軋機(jī)位置遠(yuǎn)，導(dǎo)致控制的自由度不夠，生產(chǎn)效率低；同時(shí)ACC冷卻系統(tǒng)的冷卻能力不足。
[0005]對(duì)于傳統(tǒng)的控乳控冷工藝(XhermalMechanical Controll processing,TMCP)和新一代控軋控冷工藝(Mew Generat1n TMCP，NG-TMCP)，在軋制過(guò)程鋼坯絕大部分都在空氣中冷卻，使熱軋中組織的調(diào)控手段較單一；同時(shí)鋼坯厚度方向的溫度梯度較小，變形很難深入到心部，造成厚鋼板的心部性能難以保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種止裂性能優(yōu)異的厚鋼板及其制造方法，目的是通過(guò)軋制水冷同步的方法，得到一種止裂性優(yōu)異和心部韌性改善的厚鋼板。
[0007]本發(fā)明的止裂性能優(yōu)異的厚鋼板化學(xué)成分為普碳鋼或微合金鋼，具體成分按照質(zhì)量百分比為:C:0.04-0.20%、Si:0.10-0.50%、Mn:1.0-2.0%、P < 0.10%、S < 0.10%、Al < 0.10%、Nb:0~0.10%、V:0~0.10%、Ti:0~0.05%、N:0.0020-0.010%, Mo:0~0.5%, Cr:0-1.0%，Ni:0~1.0%，余量為Fe ;其金相顯微組織是以鐵素體為基體，第二相為珠光體，厚鋼板的心部鐵素體平均晶粒尺寸< 8 μ m，大角晶界的晶界密度> 0.407 μ πΓ1以上，厚鋼板的上下表層為超細(xì)晶層，單面超細(xì)晶層的厚度> 0.1倍板厚，超細(xì)晶層的鐵素體平均晶粒尺寸彡3 μ m，大角晶界的晶界密度彡0.676 μ Hi^10
[0008]本發(fā)明的止裂性能優(yōu)異的厚鋼板的制造方法，按照以下步驟進(jìn)行:
(1)按照質(zhì)量百分比為:C:0.04-0.20%、Si:0.10-0.50%、Mn:1.0-2.0%、P < 0.10%、
5< 0.10%、Al < 0.10%、Nb:0~0.10%、V:0~0.10%、Ti:0~0.05%、N:0.0020-0.010%, Mo:0-0.5%，Cr:0~1.0%，Ni:0~1.0%，余量為Fe的化學(xué)成分冶煉鋼水，澆鑄后鍛造成鋼坯，將鋼坯加熱至1000~1250°C ；
(2)對(duì)出爐后的鋼坯進(jìn)行軋制變形，在軋制的同時(shí)對(duì)鋼坯進(jìn)行水冷，保證每道次軋制時(shí)鋼坯表面的溫度降至400~800°C，在水冷的間隙鋼板表層有回溫現(xiàn)象，在軋制結(jié)束后，采用超快速冷卻將軋制得到的鋼板以彡150C /s的冷速冷卻至600~700°C，并最終空冷至室溫，得到止裂性能優(yōu)異的厚鋼板。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)和有益效果是:
晶粒細(xì)化是提高鋼板韌性和止裂性的重要手段，對(duì)于厚鋼板，很難實(shí)現(xiàn)厚度方向的全面細(xì)化，但實(shí)現(xiàn)厚鋼板表層的超細(xì)化和心部適當(dāng)細(xì)化則是可能的。本發(fā)明在軋制中對(duì)鋼坯的溫度進(jìn)行調(diào)控，即在軋機(jī)旁邊添加水冷裝置，在軋制的同時(shí)對(duì)鋼坯實(shí)施水冷，使鋼坯表面的溫度降低至400~800°C，然后繼續(xù)施加變形，在水冷的間隙，由于心部溫度較高，心部對(duì)表層會(huì)有顯著的熱傳導(dǎo)發(fā)生，表層溫度會(huì)升高。在軋制過(guò)程中實(shí)施水冷，增大了鋼坯厚度方向上的溫度梯度，使變形能深入到心部，從而細(xì)化心部的組織，改善心部的韌性，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼板組織性能的高效、靈活的調(diào)控，以提高生產(chǎn)效率，降低成本。
[0010]本發(fā)明對(duì)于鋼材的成分沒(méi)有特定的要求，包括普碳鋼和微合金鋼，本發(fā)明中將鋼坯加熱至1000~1250°c，其中，對(duì)于成分為普碳鋼的鋼坯，加熱溫度為1000~1200°C，當(dāng)溫度超過(guò)1200°C時(shí)將產(chǎn)生粗大的奧氏體晶粒，使后續(xù)的組織細(xì)化變得困難；對(duì)于成分為微合金鋼的鋼坯，加熱溫度為1150~1250°C，如溫度低于1150°C，微合金元素?zé)o法完全固溶，則微合金元素難以發(fā)揮作用，而當(dāng)溫度高于1250°C時(shí)，則產(chǎn)生粗大的奧氏體晶粒，使后續(xù)的組織細(xì)化變得困難。
[0011]本發(fā)明還在鋼坯出爐后即進(jìn)行冷卻和變形，在鋼板軋制的同時(shí)實(shí)施多次水冷，保證每次軋制時(shí)鋼板表面的溫度降至400~800°c，同時(shí)水冷的間隙鋼板表層有回溫現(xiàn)象，在變形結(jié)束后，采用超快冷把鋼板以彡15°C /s的冷速冷卻至600~700°C，當(dāng)終冷溫度低于600°C時(shí)，易產(chǎn)生貝氏體組織，甚至馬氏體組織，當(dāng)高于700°C時(shí)，則不利于組織的細(xì)化。冷卻結(jié)束后，空冷至室溫。
[0012]本發(fā)明的厚鋼板，組織以鐵素體為母相，第二相為珠光體，在厚度方向上使上、下表層至少0.1倍板厚厚度層內(nèi)的組織的鐵素體晶粒尺寸在3μπι以下，大角晶界的晶界密度在0.676 μ πΓ1以上，心部的鐵素體平均晶粒尺寸為8 μ m以下，大角晶界的晶界密度在0.407 μ πΓ1以上，即能實(shí)現(xiàn)止裂性能優(yōu)異和心部韌性改善的厚鋼板的開(kāi)發(fā)，這種鋼板可以作為造船，尤其是大型集裝箱船，海洋平臺(tái)和原油、天然氣運(yùn)輸管道等的結(jié)構(gòu)用材。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明的軋制水冷同步過(guò)程示意圖；
其中:1:乳機(jī)；2:乳棍；3:乳機(jī)芳超快冷裝直；4:乳制中的鋼還；5:乳后超快冷裝直；
6:軋后控冷過(guò)程的鋼板。
[0014]圖2為實(shí)施例1的20mm厚鋼板實(shí)驗(yàn)室軋制過(guò)程1/4厚度處和1/2厚度處鋼坯溫度隨軋制過(guò)程的變化；
圖3為實(shí)施例1的20_厚的鋼板鐵素體晶粒尺寸在鋼板厚方向的分布圖；
圖4為實(shí)施例1中用EBSD (電子背散射衍射)法測(cè)得的距鋼板表面2mm位置處的IPF(Inverse Pole Figure)圖；
圖5為實(shí)施例1中用EBSD法測(cè)得的距鋼板表面9mm位置處的IPF圖；
圖6為鋼板表層超細(xì)晶層和心部的沖擊試樣沖擊斷口脆性斷面率隨溫度的變化。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下列舉實(shí)施例以更好的說(shuō)明本發(fā)明。在符合本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)，實(shí)施例也可以改變，這些均包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。
[0016]實(shí)施例1
本實(shí)施例的止裂性能優(yōu)異的厚鋼板化學(xué)成分為微合金鋼，具體成分按照質(zhì)量百分比為:C 0.13%,Si 0.39%,Mn 1.5%、P 0.014%,S 0.002%、A1 0.039%,Nb 0.034%,V 0.031%,Ti0.016%、N 0.0032%，余量為Fe ;其金相顯微組織是以鐵素體為基體，第二相為珠光體，厚鋼板的心部鐵素體平均晶粒尺寸> 8 μ m，大角晶界的晶界密度> 0.407 μ πΓ1以上，厚鋼板的上下表層為超細(xì)晶層，單面超細(xì)晶層的厚度> 0.1倍板厚，超細(xì)晶層的鐵素體平均晶粒尺寸彡3 μ m，大角晶界的晶界密度彡0.676 μ
[0017]本發(fā)明的止裂性能優(yōu)異的厚鋼板的制造方法，如圖1所示，按照以下步驟進(jìn)行:
(1)采用160kg真空感應(yīng)爐，按照質(zhì)量百分比為:C0.13%、Si 0.39%、Mn 1.5%、P0.014%、S 0.002%、Al 0.039%、Nb 0.034%、V 0.031%、Ti 0.016%、N 0.0032%,余量為 Fe 的化學(xué)成分冶煉鋼水，澆鑄后鍛造成尺寸為長(zhǎng)10mmX寬80mmX厚85mm的鋼坯，將鋼坯加熱至1200°C并保溫2小時(shí)；
(2)采用Φ450πιπι二輥可逆熱軋實(shí)驗(yàn)軋機(jī)對(duì)出爐后的鋼坯進(jìn)行軋制變形，軋制壓下規(guī)程為:85 — 70 — 60 — 50 — 40 — 30 — 20mm,在軋制的同時(shí)對(duì)鋼坯進(jìn)行水冷，保證每道次軋制時(shí)鋼坯表面的溫度降至600~800°C，在水冷的間隙鋼板表層有回溫現(xiàn)象，在軋制結(jié)束后，采用超快速冷卻將軋制得到的鋼板以> 500C /s的冷速冷卻至650°C，并最終空冷至室溫，得到止裂性能優(yōu)異的20mm厚鋼板。
[0018]軋制過(guò)程中在鋼坯1/4厚度和1/2厚度位置埋下熱電偶，測(cè)量軋制過(guò)程這兩個(gè)厚度位置的溫度變化，軋制過(guò)程鋼坯1/4厚度和1/2厚度位置的溫度變化如圖2所示，從圖2中可以看出1/4厚度位置與心部的溫差很大，同時(shí)可看出表層的溫度較低。
[0019]將得到的厚鋼板制備成金相試樣，沿鋼板的縱向切取試樣，包含試樣的上下表面，依次用80#、240#、600#、800#、1000#、1200#和1500#的砂紙對(duì)金相試樣的縱向截面進(jìn)行研磨，隨后用顆粒度為25000的人造金剛石研磨膏拋光，隨后用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕1s左右，在LAICA DM 2500 M光學(xué)顯微鏡上觀察鋼板厚度方向的組織，采用截線法測(cè)量鋼板厚度方向上每Imm間隔鐵素體的晶粒尺寸，鐵素體晶粒尺寸沿厚度方向上的變化如圖3所不,從圖3中可以看出表層至少2mm以內(nèi)的晶粒尺寸在3 μ m以下,是表層超細(xì)晶鋼。
[0020]