一种高强度高韧性－50℃低温钢及其制造方法

摘要

一种高强度高韧性－50℃低温钢及其制造方法，本发明属低合金钢制造领域。本发明其化学成分按重量百分比为：C：0.12～0.20，Si：0.15～0.50，Mn：1.20～1.70，P：≤0.015，S：≤0.010，Ni：0.30～1.00，Ti：0.005～0.050，Al：0.005～0.10，Nb：0.010～0.050，此外还含有V：≤0.10，Cu：≤1.0，Mo：≤0.50，Zr：≤0.040，RE：≤0.020中的一种或一种以上，余量为Fe。生产本发明钢的方法是：钢坯加热温度为1150～1280℃，加热速率8～14分钟/cm，钢的开轧温度≥1100℃，控轧累计压下率≥60％，末三道每道次压下率≥10％，终轧温度780～860℃；采用正火热处理，正火保温温度为850～930℃，保温时间为：30～50分钟十板厚(mm)×1分钟/mm。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高强度高韧性-50℃低温钢及其制造方法，属低合金钢制造领域。

背景技术

在本发明提出之前，涉及低合金钢制造领域的同类技术产品较多，基本上都是针对特殊的应用环境而提出的，其优点和弊端各异。有中国专利专利公开号200710062013.1“一种生产低温高韧性钢及其钢板的方法”，所涉及钢的Ni含量范围为8.50～10.00％，低温冲击试验温度为-196℃。还有瑞典专利SE442642“低合金高强度焊接钢”，其主要化学成分为0.07～0.11％C、0.50～0.90％Ni，还必须含有Cr、Cu、Mo、V、Ti等元素，该钢可以在-50℃海水腐蚀环境下使用。又有如日本专利JP592643201“一种低温高强度钢板的生产方法”，通过对含1.0～4.0％Ni、0.005～0.05％C的低合金钢进行热轧、快速冷却、回火热处理，获得了优异的-40℃时低温韧性。

还有两项日本专利JP2000397907“低合金钢及其生产方法”和JP021763491“优良低温韧性和抗硫化物应力腐蚀裂纹的低合金高强度钢”，分别采用控轧控冷(TMCP)+回火、淬火+回火生产工艺，这两个专利对化学成分和生产工艺都提出了权利要求，但都没有介绍低的冲击试验温度。

在我国低温压力容器用低合金钢钢板中，现有三个钢号：16MnDR、15MnNiDR和09MnNiDR。16MnDR钢板的使用量最大，但据使用部门反映，16MnDR钢板的韧性指标偏低，国标GB3531中要求-40℃A_KV≥27J，焊接后焊接热影响区的-40℃A_KV很难达到国标GB150标准中不小于20J的要求，15MnNiDR与16MnR钢的强度要求相同，均为Rm≥490MPa，而国标GB 3531中的另外一个钢号09MnNiDR的Rm≥440MPa，致使我国低温压力容器罐体壁厚较大，自重系数相应增大，增加了球罐制造成本和工人的劳动强度。

由于压力容器用钢向高韧性、高强度方向发展很快，因此，提高现有低温压力容器用钢的强度，又提高韧性，成为科研人员的首选课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强度高韧性-50℃低温钢及其制造方法，能克服已有技术之不足，采用可行的生产工艺，适合大生产操作，获得高强度、稳定而且优良的-50℃低温韧性。

为达到本发明提出的目的，本发明设计了一种高强度高韧性-50℃低温钢，其化学成分按重量百分比为：C：0.12～0.20，Si：0.15～0.50，Mn：1.20～1.70，P：≤0.015，S：≤0.010，Ni：0.30～1.00，Ti：0.005～0.050，Al：0.005～0.10，Nb：0.010～0.050，此外还含有V：≤0.10，Cu：≤1.0，Mo：≤0.50，Zr：≤0.040，RE：≤0.020中的一种或一种以上，余量为Fe。

本发明在上述取值范围内的化学成分按重量百分比为：

C：0.13，Si：0.17，Mn：1.31，P：0.008，S：0.007，Ni：0.37，Ti：0.009，Al：0.028，Nb：0.024，V：—，Cu：0.16，Mo：0.12，Zr：0.018，RE：0.0027，余量为Fe。

本发明进一步在取值范围内的化学成分按重量百分比为：

C：0.19，Si：0.41，Mn：1.65，P：0.011，S：0.006，Ni：0.79，Ti：0.043，Al：0.053，Nb：0.043，V：0.027，Cu：—，Mo：0.21，Zr：0.031，RE：—。

按上述范围给定的化学成分按重量百分比生产本发明钢的方法是：采用铁水脱硫技术，转炉顶底吹炼，真空深处理及成分微调，按通常纯净钢工艺进行轧制、热处理，其特征在于：钢坯加热温度为1150～1280℃，因为加热温度越高，钢坯轧制时的变形抗力越小，利于保护轧机，但过高的加热温度会导致钢坯表面氧化烧损严重，降低钢坯的成材率；加热速率8～14分钟/cm，使钢中的合金元素充分扩散且均匀分布。钢的开轧温度≥1100℃，控轧累计压下率≥60％，末三道每道次压下率≥10％，终轧温度780～860℃；采用正火热处理，正火保温温度为850～930℃，保温时间为：30～50分钟十板厚(mm)×1分钟/mm。

以下详述本发明钢中C、Si、Mn、P、S、Ni、Ti、Al、Nb、V、Cu、Mo、Zr、RE限定量的理由。

C在钢中以间隙原子存在，能非常有效地提高钢材强度，要保证发明钢具有足够的强度，所以下限是0.12％；但是，随着碳含量增加，钢材的延伸率和冲击韧性下降，尤其是低温韧性下降的幅度更大，考虑到本发明的目的是制造高韧性低温钢，同时，为兼顾钢材的焊接性，因而要求C含量不能太高，所以C含量上限是0.20％。

Si是为钢水预脱氧而添加的，能降低钢中碳的石墨化倾向，并以固溶强化形式提高钢的强度，但Si降低钢的韧性，其含量不宜高，所以其含量范围为0.15～0.50％。

Mn是提高钢的屈服强度和抗拉强度的元素，在低碳低合金高强度钢中，添加的Mn以固溶形式强化钢材基体，添加1.20％以上是必要的；但Mn含量过高时导致钢的过热敏感性增大，在稍有过热的情况下，晶粒就发生粗化，降低钢材的性能，还增加回火脆性，所以上限是1.70％。

对于高强度高韧性-50℃低温钢而言，P含量越低越好，但是工业生产中降低P含量需要很高成本和冶炼时间，所以上限是0.015％。

S含量过高使钢材具有各向异性且韧性降低，所以上限是0.010％。

Ni具有面心立方结构，其冲击韧性与试验温度无关。Ni能与铁以任何比例互溶，通过细化铁素体晶粒改善钢的低温韧性。镍能细化低合金钢中的珠光体，因而含镍钢的碳量可以降低，有利于改善钢的低温韧性、塑性和焊接性。为获得良好的-50℃低温韧性，0.30％的Ni含量是必须的；但Ni含量过高易造成钢板氧化皮难以脱落，并增加钢材成本，故上限控制在1.00％。

Ti是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，形成的TiN、Ti(CN)等粒子非常稳定，能有效地钉扎晶界，阻止γ晶粒长大，因而能够细化晶粒，提高钢材的低温韧性和强度，添加Ti时0.005％是下限；添加量过多则生成碳化物(TiC)，降低低温韧性，因此上限宜为0.050％。

Al是钢中最为经济有效的脱氧元素，一定含量的Al还能细化钢材的晶粒，提高钢材的强度和韧性；但Al含量过高易导致钢中夹杂物增多，降低钢材的低温韧性，降低钢材的表面质量，因此，Al含量的限定范围为0.005～0.10％。

Nb是一种强碳化物形成元素，在钢中形成的NbC、Nb(CN)等第二相质点，抑制奥氏体再结晶，细化晶粒，提高钢材的强度和低温韧性；但Nb含量过高易在连铸过程中产生裂纹，故其含量控制在0.050％以下。

V也是一种强碳化物形成元素，在钢中形成的VC、V(CN)等第二相质点，能细化晶粒，提高钢材的强度和低温韧性；但V含量过高时，降低钢的焊接性，故其含量限制在0.10％以下。

Cu在钢中主要起沉淀强化作用，还有利于获得良好的低温韧性，提高钢材的抗疲劳裂纹扩展能力；当Cu含量过高时，钢板在轧制过程中极易产生网状裂纹，故其含量限制在1.0％以下。

Mo能有效提高钢材的强度，提高钢材的抗氢脆能力；如果添加量过高，将导致钢材的韧性下降，故其含量限制在0.50％以下。

Zr含量在0.005％时，RE添加量在约200g/吨时，均有助于提高钢的纯净度，从而提高钢材的低温韧性。

本发明在与同类产品作对比试验中，充分显示了本发明的优越性，试验数据详见列表：

列表  发明钢与对比钢的化学成分和力学性能对比

从列表对比数据可见，本发明的钢在成分设计上采用了Ti-Nb-Mo处理，钢质纯净，能钢中的夹杂物由粗大的硅酸盐变质为细小的氧化物夹杂，再经过正火处理，组织均匀而稳定，从而确保本发明钢具有高的强度，稳定而且优良的低温韧性。本发明钢的强度和塑性都高于对比钢，尤其是本发明钢的-50℃AKV值大大高于对比钢，是对比钢的2～4倍。本发明钢生产工艺简单，成本低廉，在各冶金企业均可实施。

本发明钢最适合作为低温球罐、储罐和高寒地区使用的工程机械用钢。

本发明钢具有如下优点：

1.本发明钢的生产工艺具有良好的适应性，钢板的强度和低温韧性满足设计技术要求，且具有足够的富裕量，生产成本低廉，适应大生产要求。

2.本发明钢采用了微合金化及真空处理，钢质纯净，为获得稳定而且优良的低温韧性奠定了基础。

3.采用正火热处理工艺，组织稳定，因而本发明钢具有稳定而且优良的-50℃低温韧性。

具体实施方式

按照本发明钢成分要求，用80吨顶底复合吹炼氧气转炉冶炼了三炉本发明钢，加热到1220℃出炉轧制，开轧温度分别为1110℃、1150℃、1200℃，累计压下率61～77％，末三道每道次压下率为10～16％，终轧温度分别为790、830、860℃。轧制钢板厚度分别14、26、46mm。正火温度分别为850、890、930℃，正火保温时间分别为44、66、96分钟，随后测试了这三种规格钢板的力学性能：强度、塑性和系列温度冲击韧性，并与相应的比较钢做了对比。发明钢与对比钢的化学成分和力学性能对比详见说明书列表。

实施例1：C：0.13，Si：0.17，Mn：1.31，P：0.008，S：0.007，Ni：0.37，Ti：0.009，Al：0.028，Nb：0.024，V：—，Cu：0.16，Mo：0.12，Zr：0.018，RE：0.0027。

实施例2：C：0.16，Si：0.24，Mn：1.47，P：0.012，S：0.008，Ni：0.59，Ti：0.021，Al：0.014，Nb：0.019，V：0.036，Cu：0.27，Mo：—，Zr：0.032，RE：0.0039。

实施例3：C：0.19，Si：0.41，Mn：1.65，P：0.011，S：0.006，Ni：0.79，Ti：0.043，Al：0.053，Nb：0.043，V：0.027，Cu：—，Mo：0.21，Zr：0.031，RE：—。