專(zhuān)利名稱(chēng)：超低溫韌性?xún)?yōu)異的含鈮鋼板及其軋制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有良好超低溫韌性的含鈮鋼板及其軋制方法，屬于金屬材料專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)石油化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展，氣體的液化、分離和液化氣體的生產(chǎn)、貯運(yùn)已相當(dāng)普遍。低溫壓力容器用鋼板廣泛用于制造低溫焊接壓力容器，而且隨著石化產(chǎn)品的深度加工日益受到重視，對(duì)-60～-100℃低溫用鋼材市場(chǎng)前景廣闊，低溫技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展促進(jìn)了低溫用鋼的發(fā)展。
對(duì)低溫用鋼鐵材料，低溫韌性是其運(yùn)行的安全性和可靠性的重要保證。尤其對(duì)于長(zhǎng)期處在低溫等惡劣環(huán)境下服役的材料，保證其具有足夠的強(qiáng)度和韌性，尤其是低溫韌性，是保證其安全使用的重要因素。
鋼的強(qiáng)度通常通過(guò)在鋼的化學(xué)組成與加工技術(shù)間建立一種平衡來(lái)獲得，由此形成一種基本上均勻的顯微組織。傳統(tǒng)工藝采用Nb、V和Ti微合金化配合使用TMCP(熱機(jī)械處理工藝)技術(shù)使組織細(xì)化，來(lái)獲得韌性和高強(qiáng)度，但對(duì)于厚板，由于壓縮比較低，同時(shí)由于加速冷卻的速度受到限制，在這種情況下，通過(guò)TMCP技術(shù)來(lái)改善韌性就受到限制。隨著鋼板厚度加厚，強(qiáng)度和沖擊韌性逐漸下降。傳統(tǒng)的方法是采用降低鋼中的C量，以減少珠光體量或添加Ni等元素來(lái)抑制珠光體形成來(lái)保證低溫韌性。但是，使用傳統(tǒng)方法時(shí)，鋼中的C含量一般不低于0.04重量％，否則會(huì)造成晶界脆化，降低低溫韌性。傳統(tǒng)的組成體系時(shí)，-60℃下，采用全尺寸夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)測(cè)定的韌性最好的約為300焦耳。
中國(guó)專(zhuān)利CN02817752.5公開(kāi)了“具有好超低溫韌性的熱軋鋼板及其制造方法”，其涉及具有好的超低溫韌性的、用于干線用管的熱軋板，其鋼板組成為C0.04重量％～0.07重量％；Si0.15重量％～0.25重量％；Mn1.50重量％～1.65重量％；Nb0.04重量％～0.06重量％；V0.04重量％～0.06重量％；Ti0.01重量％～0.02重量％；Mo0.10重量％～0.30重量％；Ni0.10重量％～0.30重量％；S不高于0.003重量％，P不高于0.020重量％，N不高于0.003重量％，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。其典型-60℃下，采用全尺寸夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)測(cè)定的韌性最好的約為300焦耳。
中國(guó)專(zhuān)利CN98807689.6“超低溫韌性?xún)?yōu)異的可焊接的超高強(qiáng)度鋼”涉及一種鋼板，其抗拉強(qiáng)度至少約930MPa，-40℃下，采用全尺寸夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)測(cè)定的韌性至少約120焦耳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種超低溫韌性?xún)?yōu)異的含鈮鋼板及其軋制方法，該含鈮鋼板在超低溫度下具有較高的拉伸強(qiáng)度、優(yōu)異的超低溫沖擊韌性以及高的強(qiáng)度。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種超低溫韌性?xún)?yōu)異的含鈮鋼板，其特征是所述含鈮鋼板組分的重量百分比為C0.02～0.04，Mn0.20～2.00，Nb0.04～0.10，Ti0.005～0.06，S不高于0.003，P不高于0.020，N不高于0.005，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
一種含鈮鋼板的軋制方法，是按下列步驟進(jìn)行 (1)將鋼坯加熱至一個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟龋摐囟冉橛?000℃和1250℃之間； (2)在奧氏體可發(fā)生再結(jié)晶的溫度區(qū)域內(nèi)經(jīng)一道次或多道次軋制成中間板坯，本階段最后道次的壓下率不小于15％，總壓下率不小于40％； (3)第一階段軋制后的中間坯停留適當(dāng)時(shí)間后用中間水冷裝置進(jìn)行噴水冷卻，停留一定時(shí)間后，在奧氏體不發(fā)生再結(jié)晶的第二個(gè)溫度范圍，采用一個(gè)或多個(gè)道次進(jìn)一步軋制所述的板材； (4)第二階段首道次壓下量適當(dāng)控制，終軋溫度控制在一定的范圍之內(nèi) (5)軋后鋼板采用加速冷卻，冷卻速度和終冷溫度控制在一定范圍之內(nèi)。
所述第一階段軋制后的中間坯停留不低于5秒時(shí)間后用中間水冷速度不低于1℃/秒進(jìn)行噴水冷卻，其后停留時(shí)間不低于5秒。在奧氏體不發(fā)生再結(jié)晶的第二個(gè)溫度范圍為介于800℃至1050℃之間。
所述第二階段首道次壓下量控制在不低于18％，終軋溫度控制在800℃至900℃之間范圍。
所述軋后鋼板采用加速冷卻，冷卻速度控制在4～8℃/秒，終冷溫度控制在不高于550℃。
本發(fā)明的材料是通過(guò)進(jìn)一步降低鋼中的C含量，添加較高量的Nb，配合中間冷卻和TMCP工藝等，促使Nb細(xì)化鐵素體晶粒和在鐵素體晶界偏聚提高晶界結(jié)合強(qiáng)度來(lái)提高低溫韌性，鋼中C含量低于0.04重量％。而傳統(tǒng)制造低溫韌性?xún)?yōu)良的厚板是采用降低鋼中C量，以減少珠光體量或添加Ni等元素來(lái)抑制珠光體形成來(lái)保證低溫韌性，但一般最低的C含量不低于0.04重量％。
本發(fā)明提供的一種含鈮鋼板在超低溫度下具有較高的拉伸強(qiáng)度、優(yōu)異的超低溫沖擊韌性以及高的強(qiáng)度。這種鋼材可用于低溫壓力容器用鋼等場(chǎng)合，能夠在超低溫情況下長(zhǎng)久使用。


圖1為不同材料組成的全尺寸夏比V形缺口沖擊韌性曲線； 圖2為不同中間冷卻條件對(duì)材料再結(jié)晶行為的影響示意圖； 圖3為一次軋制的厚板軋制流程示意框圖； 圖4為二次軋制的厚板軋制流程示意框圖； 圖5為含鈮鋼厚板控制軋制和冷卻的工藝示意圖。
圖中1加熱爐，2粗軋機(jī)，3中間冷卻，4精軋機(jī)，5加速冷卻。
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
本發(fā)明提供了一種超低溫韌性?xún)?yōu)異的含鈮鋼板，在二次精煉過(guò)程中采用Ca處理，使硫化物夾雜球化。此時(shí)含鈮鋼板組分的重量百分比為C0.02～0.04，Mn0.20～2.00，Nb0.04～0.10，Ti0.005～0.06，S不高于0.003，P不高于0.020，N不高于0.005，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
接著將鋼坯加熱1100℃至1250℃之間進(jìn)行奧氏體化，第一階段軋制壓縮比為40～70％，保持10秒左右，然后以1～3℃/秒冷卻中間坯至950～1000℃，保持10秒，進(jìn)行第二階段軋制，首道次壓下率為20～25％，終軋溫度控制在800℃～850℃之間。然后以冷卻速度在4～6℃/秒進(jìn)行加速冷卻，終冷溫度控制在500～550℃。
本發(fā)明的材料是通過(guò)進(jìn)一步降低鋼中的C含量，添加較高量的Nb，配合中間冷卻和TMCP工藝等，促使Nb細(xì)化鐵素體晶粒和在鐵素體晶界偏聚提高晶界結(jié)合強(qiáng)度來(lái)提高低溫韌性。其具體的化學(xué)組分及對(duì)組分限定的原因如下所述。
C低的C含量可以減少鋼中珠光體份數(shù)來(lái)提高沖擊韌性，過(guò)低的C可能會(huì)形成晶界游離滲碳體造成晶界脆化。C與鋼中添加的微合金元素形成析出相可形成沉淀強(qiáng)化。在本發(fā)明的材料中，C元素的含量控制在0.02重量％～0.04重量％。
MnMn能同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性的固溶強(qiáng)化元素，用于調(diào)節(jié)本發(fā)明材料的強(qiáng)度，控制在0.20重量％～2.0重量％。更高的強(qiáng)度級(jí)別可以進(jìn)一步提高M(jìn)n含量，可能造成最終的材料組織出現(xiàn)貝氏體。
NbNb可促進(jìn)細(xì)化軋后組織，提高材料的強(qiáng)韌性。軋制過(guò)程中，固溶Nb以及析出的碳氮化物均能起阻礙再結(jié)晶過(guò)程或阻止再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大。奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變過(guò)程中Nb的析出可以進(jìn)一步阻止晶粒尺寸的長(zhǎng)大。但超過(guò)0.10重量％時(shí)對(duì)焊接性和HAZ的韌性不利。但為提高晶界的結(jié)合強(qiáng)度，和強(qiáng)化抑制再結(jié)晶的作用，需要保持較高Nb含量。本發(fā)明材料中優(yōu)選為0.04重量％～0.10重量％。
TiTi可通過(guò)形成彌散析出的氮化物來(lái)阻止加熱過(guò)程中奧氏體晶粒長(zhǎng)大，也有與阻止HAZ的組織粗化，同時(shí)固定鋼中的游離N，對(duì)提高低溫韌性有極大的好處。過(guò)量的Ti使得析出物尺寸粗化，不利其作用的發(fā)揮，本發(fā)明材料優(yōu)選為0.005重量％～0.06重量％。
SS是對(duì)沖擊值帶來(lái)不利影響的元素，可以形成硫化物夾雜，成為裂紋源，本發(fā)明材料控制在不高于0.003重量％。
PP也是對(duì)沖擊值帶來(lái)不利影響的元素，可以在板坯芯部偏析以及在晶界偏聚等損害低溫韌性，本發(fā)明材料控制在不高于0.020重量％。
NN可以與Ti形成氮化物，阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，但游離的N對(duì)低溫韌性極為有害，本發(fā)明材料控制在不高于0.005重量％。
NiNi是穩(wěn)定奧氏體的元素，可阻止珠光體的形成。如果需要在本發(fā)明材料的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高其強(qiáng)度，而保持其低溫韌性，可以適當(dāng)添加，但可能造成最終的材料組織出現(xiàn)貝氏體。
采用本發(fā)明材料和對(duì)比材料在相似的軋制條件下軋制鋼材時(shí)，低溫韌性有大幅度的提高，參見(jiàn)圖1，以及表1至表3的實(shí)施例。
下面詳細(xì)解釋對(duì)本發(fā)明的含鈮鋼板的軋制方法。
圖2所示為不同中間冷卻條件對(duì)材料再結(jié)晶行為的影響(“軟化比”為再結(jié)晶行為的宏觀表征，軟化比越高，再結(jié)晶趨勢(shì)越明顯)。采用快速中間冷卻方式的含鈮鋼，其奧氏體再結(jié)晶行為得到明顯的抑制。
圖3和圖4所示為一般厚板軋制流程的示意框圖，圖3顯示了板坯在加熱爐1加熱后，直接進(jìn)行軋制(精軋機(jī)4)和加速冷卻5處理的過(guò)程；圖4顯示了板坯在加熱爐1加熱后，經(jīng)第一階段軋制(粗軋機(jī)2)、中間水冷3、第二階段軋制(精軋機(jī)4)和加速冷卻5處理的過(guò)程。第一階段軋制可以在一個(gè)軋機(jī)機(jī)架上完成，也可以分別在兩個(gè)機(jī)架上完成。中間水冷過(guò)程可以在中間水冷裝置上完成，也可以在加速冷卻裝置上完成。
細(xì)小的奧氏體晶粒尺寸和一定程度的應(yīng)變累積的奧氏體，可以增加鐵素體晶界，固溶狀態(tài)的Nb原子在鐵素體晶界偏聚，可以增加晶界結(jié)合強(qiáng)度，阻止裂紋的擴(kuò)展。軋前處于固溶狀態(tài)的Nb有很好的抑制再結(jié)晶作用，可以促進(jìn)變形奧氏體的應(yīng)變累積效果。但是厚板軋制軋件厚度尺寸大、軋制道次間隙時(shí)間長(zhǎng)，Nb易于形成碳氮化物析出。相變過(guò)程中，由于鐵素體中Nb的固溶度低，Nb很容易在相變前沿偏聚，形成析出相或保持成固溶狀態(tài)。
通過(guò)調(diào)整Nb和C的含量，采用控制的中間冷卻可以促進(jìn)Nb在軋前以固溶態(tài)存在，適當(dāng)?shù)目刂评鋮s可以促進(jìn)Nb在鐵素體晶界偏聚以強(qiáng)化晶界。本發(fā)明采用中間水冷速度不低于2℃/秒，以減少中間待溫過(guò)程N(yùn)b的析出量，然后停留時(shí)間不低于5秒，保證軋件的溫度均勻性。冷卻速度控制在4～8℃/秒，終冷溫度控制在不高于550℃以保證相變過(guò)程N(yùn)b在鐵素體晶界偏聚。
實(shí)施例 在實(shí)施例中，采用本發(fā)明的材料和對(duì)比材料制造連鑄坯，兩種材料在組成方面，例如C含量、Nb含量等不盡相同。
如圖5所示，經(jīng)冶煉并經(jīng)二次精煉達(dá)到表1所示的本發(fā)明實(shí)施例及對(duì)比材料的連鑄坯，進(jìn)行1100℃～1200℃加熱，第一階段軋制壓縮比為40～50％，在1050℃之前完成第一階段軋制，中間坯厚度80～120mm，保持10秒，然后以～2℃/秒冷卻中間坯至950℃，保持10秒，進(jìn)行第二階段軋制，首道次壓下率為20～25％，最終產(chǎn)品厚度20～30mm，終軋溫度控制在800℃～850℃之間。然后以冷卻速度在5～7℃/秒進(jìn)行加速冷卻，終冷溫度控制在500～550℃，參見(jiàn)表2。
對(duì)于按上述方法制造的本發(fā)明材料和對(duì)比材料，分別研究了其拉伸性能和沖擊韌性，結(jié)果示于表3(沖擊韌性曲線見(jiàn)圖1)。在強(qiáng)度級(jí)別相當(dāng)?shù)臈l件下，本發(fā)明材料具有極其優(yōu)異的低溫沖擊韌性。
本發(fā)明的一種含鈮鋼板，這種鋼板抗拉強(qiáng)度不小于550MPa，在-60℃下，采用全尺寸夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)測(cè)定的韌性至少約350焦耳。
本發(fā)明提供的含鈮鋼厚板，在超低溫度下可具有高的拉伸強(qiáng)度、優(yōu)異的超低溫沖擊韌性以及高的強(qiáng)度，同時(shí)該鋼板能滿足必要的焊接性要求。這種鋼材可用于低溫壓力容器用鋼等場(chǎng)合，能在超低溫情況下長(zhǎng)久使用。
表1
表2
表3

權(quán)利要求
1. 一種超低溫韌性?xún)?yōu)異的含鈮鋼板，其特征是所述含鈮鋼板組分的重量百分比為C0.02～0.04，Mn0.20～2.00，Nb0.04～0.10，Ti0.005～0.06，S不高于0.003，P不高于0.020，N不高于0.005，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述含鈮鋼板的軋制方法，其特征是按下列步驟進(jìn)行
(1)將鋼坯加熱至一個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟?，該溫度介?000℃和1250℃之間；
(2)在奧氏體可發(fā)生再結(jié)晶的溫度區(qū)域內(nèi)經(jīng)一道次或多道次軋制成中間板坯，本階段最后道次的壓下率不小于15％，總壓下率不小于40％；
(3)第一階段軋制后的中間坯停留適當(dāng)時(shí)間后用中間水冷裝置進(jìn)行噴水冷卻，停留一定時(shí)間后，在奧氏體不發(fā)生再結(jié)晶的第二個(gè)溫度范圍，采用一個(gè)或多個(gè)道次進(jìn)一步軋制所述的板材；
(4)第二階段首道次壓下量適當(dāng)控制，終軋溫度控制在一定的范圍之內(nèi)；
(5)軋后鋼板采用加速冷卻，冷卻速度和終冷溫度控制在一定范圍之內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述含鈮鋼板的軋制方法，其特征是第一階段軋制后的中間坯停留不低于5秒時(shí)間后用中間水冷速度不低于1℃/秒進(jìn)行噴水冷卻，其后停留時(shí)間不低于5秒。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述含鈮鋼板的軋制方法，其特征是在奧氏體不發(fā)生再結(jié)晶的第二個(gè)溫度范圍為介于800℃至1050℃之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述含鈮鋼板的軋制方法，其特征是第二階段首道次壓下量控制在不低于18％，終軋溫度控制在800℃至900℃之間范圍。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述含鈮鋼板的軋制方法，其特征是軋后鋼板采用加速冷卻，冷卻速度控制在4～8℃/秒，終冷溫度控制在不高于550℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有良好超低溫韌性的含鈮鋼板及其軋制方法，屬于金屬材料專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。一種超低溫韌性?xún)?yōu)異的含鈮鋼板，其特征是所述含鈮鋼板組分的重量百分比為C0.02～0.04，Mn0.20～2.00，Nb0.04～0.10，Ti0.005～0.06，S不高于0.003，P不高于0.020，N不高于0.005，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明提供的一種含鈮鋼板在超低溫度下具有較高的拉伸強(qiáng)度、優(yōu)異的超低溫沖擊韌性以及高的強(qiáng)度。這種鋼材可用于低溫壓力容器用鋼等場(chǎng)合，能夠在超低溫情況下長(zhǎng)久使用。
文檔編號(hào)C21D8/02GK101255528SQ20071003769
公開(kāi)日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2007年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月26日
發(fā)明者焦四海, 聰 王, 尹小東, 沈建國(guó) 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司