一种针状铁素体/块状铁素体船用钢板及其制造方法

摘要

本发明涉及一种针状铁素体/块状铁素体船用钢板及其制造方法，微观组织为针状铁素体+块状铁素体，其中针状铁素体的体积占比为40±5％，铁素体平均晶粒尺寸为3‑6μm。屈服强度横向拉伸性能介于390～420MPa，抗拉强度介于520～550MPa，屈强比介于0.72～0.77，延伸率≥29％，‑40℃、‑60℃纵向冲击韧性值≥200J，应变时效后，‑40℃、‑60℃冲击韧性值没有明显降低。采用较低的碳含量，并通过Si‑Cr‑Nb元素的添加，形成尽可能多的铁素体相，抑制珠光体的形成。采用了较高的终冷温度，较高的终冷温度保证钢板基体组织仍为铁素体/针状铁素体，避免上贝氏体或粒状贝氏体这些虽然能提高强度，但是恶化钢板韧性及塑性组织出现。

权利要求

1.一种针状铁素体/块状铁素体船用钢板，其特征在于：所述钢板的微观组织为针状铁素体+块状铁素体，其中针状铁素体的体积占比为40±5%，铁素体平均晶粒尺寸为3‑6μm；

所述钢板的制造方法包括：

钢水冶炼：采用铁水预处理，KR深脱硫，将钢水中的硫含量低于0.0020%；转炉出钢采用预熔精炼渣+活性石灰进行造渣；转炉终点C≤0.02%，出钢过程进行15～20min底吹氩气、氮气，参照150吨转炉出钢时间控制介于4～6min控制出钢；钢水进行LF、RH精炼，钢水到达LF炉后进行升温化渣，添加合金，最后喂Ti线与Ca线；

连铸：以连铸工艺将钢水浇铸成连铸坯；

轧制工艺：连铸坯与成品厚度的压缩比≥4，采用TMCP工艺，连铸坯再加热温度1180～

1220℃，加热时间1.2～1.5min/mm，采用粗轧和精轧两阶段控制轧制，粗轧单道次压下率为

12～20%，粗轧终轧温度1000～1080℃，粗轧后所得中间坯的厚度为1.7～2.5倍的成品厚度；精轧开轧温度为850～880℃，精轧末两道次轧制压下率≤5%，轧后采用加速冷却，冷却速率8～12℃/s，终冷温度600～640℃，随后空冷至400℃，下线堆垛冷却。

2.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于：所述钢板的元素成分按质量百分比计为C：

0.03～0.05%，Si：0.35～0.50%，Mn：1.40～1.60%，P：≤0.0070%，S：≤0.0030%，Ti：0.008～

0.020%，N：0.0030～0.0060%，Cr：0.10～0.25%，Nb：0.040～0.060%，Al：0.005～0.020%，Ca：

0.0005～0.0020%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

3.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于：屈服强度横向拉伸性能介于390～420MPa，抗拉强度介于520～550MPa，屈强比介于0.72～0.77，延伸率≥29%，‑40℃、‑60℃纵向冲击韧性值≥200J，应变时效后，‑40℃、‑60℃冲击韧性值没有明显降低。

4.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于：所述钢板的生产厚度为50～70mm。

说明书

一种针状铁素体/块状铁素体船用钢板及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种针状铁素体/块状铁素体船用钢板及其制备方法。钢板厚度介于50‑70mm，具有良好的低温冲击韧性、应变时效性能。

背景技术

[0002] 随着世界各国对海洋资源不断开发利用，海洋造船业及装备业得到了长足发展，带动了船舶及海洋工程用钢板的技术进步。现代船舶及海洋工程用钢板尺寸在向更大厚度发展，更需具备高强度、高韧性、易焊接、易加工、耐腐蚀等特点。

[0003] 目前，订货量最多的是屈服强度≥355MPa的AH36、DH36、EH36等高强船体结构钢板，这些钢板一般是由热轧(AR)、控制轧制(CR)、正火轧制(NR)、热机械轧制(TMCP)、正火(N)等生产方式交货，其组织形态主要为铁素体与珠光体混合组织。对于组织为铁素体与珠光体厚度介于50‑70mm这类大厚度钢板，由于连铸坯与钢板的压缩比低，因连铸坯偏析带来的内部缺陷难以通过TMCP工艺得到明显改善，一般不采取TMCP状态交货。当用其它状态交货，为了保证钢板强度，需要添加足量的C以及其它合金或者微合金元素，以替代TMCP工艺轧后冷却水的作用。碳当量、焊接冷裂纹敏感性指数也较高，不利于钢板焊接性能提升，以及钢板耐焊接时大热输入量对钢板组织性性能的恶化，影响厚板高效焊接的实施。

[0004] 经检索，已有很多致力于TMCP工艺生产船用厚板的工作，如专利文献CN105506253A通过三阶段轧制获得了TMCP船板钢，其中第三阶段终轧温度已降至800℃以下，虽然勉强达到EH36钢级性能结果，但对生产节奏、钢板板形、轧机负荷造成很多负面的影响。CN103264052A同样通过三阶段轧制，获得了68mm EH40和60mm AH36钢板，其36级船板，终冷温度为540‑560℃，终冷温度过低，不利于厚板厚度方向组织均匀性，且冷却速率达到14‑16℃/s，已经达到或超过一般ACC冷却系统上限控制能力。专利文献CN106756543涉及一种TMCP态低成本大线能量焊接用高强船板钢，添加合金较多，合金成本过高，不符合船板钢降本增效的发展趋势。

发明内容

[0005] 为了降低船用钢板的制造成本，同时又能进一步改善船体用钢的强韧性及焊接性，设计了一种组织由低碳针状铁素体和块状铁素体组成的船板钢，利用针状铁素体和块状铁素体组织的硬度比传统船体钢中先共析铁素体硬而软于珠光体的特点，保证了钢板的强度。而针状铁素体与块状铁素体的界面结合能力更加优于先共析铁素体与珠光体相界面，因而达到良好的韧性以及抗脆断能力。

[0006] 本发明的成分选用低碳设计，并设计促进块状铁素体/针状铁素体形成元素，结合TMCP工艺，在生产过程中抑制珠光体的形成，以期获得针状铁素体+块状铁素体目标组织。本发明获得的钢板在满足船级社规范中船用钢板和低温韧性钢≥355MPa、抗拉强度≥
490MPa钢级的性能要求外，还具有低屈强比，良好的强韧性匹配，优异的低温冲击韧性、抗低温应变时效性能等特点。

[0007] 本发明具体技术方案为：一种针状铁素体/块状铁素体船用钢板，微观组织为针状铁素体+块状铁素体，其中针状铁素体的体积占比为40±5％(所述组织占比是指金相图上该组织的面积占比)，铁素体平均晶粒尺寸为3‑6μm。屈服强度横向拉伸性能介于390～420MPa，抗拉强度介于520～550MPa，屈强比介于0.72～0.77，延伸率≥29％，‑40℃、‑60℃纵向冲击韧性值≥200J，应变时效后，‑40℃、‑60℃冲击韧性值没有明显降低。

[0008] 为了实现上述钢板，采用的元素设计按质量百分比计为C：0.03～0.05％，Si：0.35～0.50％，Mn：1.40～1.60％，P：≤0.0070％，S：≤0.0030％，Ti：0.008～0.020％，N：0.0030～0.0060％，Cr：0.10～0.25％，Nb：0.040～0.060％，Al：0.005～0.020％，Ca：0.0005～0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

[0009] 上述元素设计对应的依据是

[0010] C：降低钢板中的碳含量可以抑制珠光体转变，增加铁素体相分数，提高钢的低温冲击性能、低温应变时效性能，改善钢板的焊接冷裂纹敏感性，钢中碳含量越多越不利于本发明目标组织的实现。但若碳设计低于0.03％，会显著增加转炉炼钢的生产成本。因此，碳含量控制为0.03～0.05％。

[0011] Si：主要用于脱氧，同是硅也是一种良好的铁素体形成元素，抑制珠光体的形成，本发明是Si‑Al脱氧，为了尽可能多的铁素体相组成，本发明下限设定为0.35％，但Si过多会严重损害钢板的焊接性能，增加热影响区的马氏体‑奥氏体(MA)组元，影响热影响区的冲击韧性，若超过0.50％以上又会造成钢板厚度1/2处偏析以及破坏焊接性能，所以规定其上限为0.50％。

[0012] Mn：在所述钢中具有推迟奥氏体向铁素体转变的作用，对细化铁素体，提高强度和韧性有利。当锰的含量较低，上述作用不显著，钢板强度和韧性偏低等。过高则又会引起连铸坯偏析、韧性差和可焊性降低等，故本发明中考虑到合金的综合加入，规定锰含量加入量介于1.40～1.60％的范围内。

[0013] P：虽能提高耐蚀性，但会降低低温韧性和妨碍可焊性，对结构钢是不适当的，本发明规定其控制在0.0070％以下。

[0014] S：形成MnS夹杂物，也会导致中心偏析，对低温韧性、应变时效性、焊接性都有不良影响，本发明规定在其控制在0.0030％以下。

[0015] Ti：通过形成Ti2O3粒子，可以促进晶内铁素体的生成，增加针状铁素体形成几率，同时也用来固定钢中的氮元素，在适当条件下，钛、氮形成氮化钛，阻止钢坯在加热、轧制、特别是焊接达1350℃的高温过程中奥氏体晶粒粗化，改善母材和焊接热影响区的极低温韧性，提高焊接性能。钛低于0.008％时，效果差，超过0.020％时，过剩的钛会与其它元素复合析出，使钢的韧性恶化。

[0016] N：是本发明中的重要元素，不同于以往以有害元素来控制，而是要保证钢板中氮含量一定，当钢中的Ti、N原子之比为1：1时，此时相对于Ti、N重量之比为3.42，TiN粒子最为细小且分布弥散，对高温奥氏体晶粒的细化作用最强，不仅可获得优良的韧性，根据Ti的加入量以及钢中氧含量、以及其它固氮元素，本发明中N含量控制为0.0030～0.0060％。

[0017] Cr：是提高钢淬透性的元素，提高钢板的强度。此外，Cr也是铁素体形成元素，有利于铁素体的形成，相对Ni、Cu合金来说，同样的加入量，可以显著降低合金成本。但是含量过高，增加碳当量、焊接冷裂纹敏感指数，导致钢板表面质量差。兼顾船级社规范要求，本发明Cr含量控制介于0.10～0.25％。

[0018] Nb：Nb的溶质拖曳作用和Nb(C,N)对奥氏体晶界的钉扎作用，均抑制形变奥氏体的再结晶，扩大奥氏体非再结晶区间，减少特厚板生产待温时间。并在冷却或回火时形成析出物，从而使强度和韧性均得到提高，还可以增加针状铁素体相形成几率。添加量小于0.040％时针状铁素体形成相不够多，大于0.060％时易导致连铸坯产生表面裂纹，增加成本。因此，本发明规定铌含量应介于0.040～0.060％的范围内。

[0019] Al：是钢的优良脱氧剂，有效的细化晶粒元素，提高钢的强度和韧性。结合Si含量的添加量，本发明规定铌含量应介于0.005～0.020％的范围内。

[0020] Ca：钙处理是本发明钢种的必要处理环节，Ca含量过高会形成大型夹杂物，过低起不到效果，本发明规定钙含量介于0.0005～0.0020％。

[0021] 本发明的另一目的是提供上述钢板的制造方法，包括

[0022] 钢水冶炼：采用铁水预处理，KR深脱硫，将钢水中的硫含量低于0.0020％；转炉出钢采用预熔精炼渣+活性石灰进行造渣；转炉终点C≤0.02％，出钢过程进行15～20min底吹氩气、氮气，150吨转炉出钢时间控制介于4～6min；钢水进行LF、RH精炼，钢水到达LF炉后进行升温化渣，添加合金，最后喂Ti线与Ca线，是为了提高Ti、Ca收得率，防止Ti在过高温度形成析出，避免大型钛氧化物夹杂的形成。

[0023] 连铸：以连铸工艺将钢水浇铸成连铸坯。

[0024] 轧制工艺：连铸坯与成品厚度的压缩比≥4，采用TMCP工艺，连铸坯再加热温度1180～1220℃，加热时间1.2～1.5min/mm，采用粗轧和精轧两阶段控制轧制，粗轧单道次压下率为12～20％，粗轧终轧温度1000～1080℃，粗轧后所得中间坯的厚度为1.7～2.5倍的成品厚度；精轧开轧温度为850～880℃，精轧末两道次轧制压下率≤5％，轧后采用加速冷却，冷却速率8～12℃/s，终冷温度600～640℃，随后空冷至400℃，下线堆垛冷却。

[0025] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0026] 1、采用较低的碳含量，并通过Si‑Cr‑Nb元素的添加，形成尽可能多的铁素体相，抑制珠光体的形成。

[0027] 2、通过较高量Nb的添加，一方面在奥氏体再结晶(粗轧)过程中部分Nb与Ti复合析出，阻止奥氏体晶粒粗化，随后在轧后冷却过程中，Nb进一步析出，促进晶内针状铁素体的形核，并使钢获得一定占比的针状铁素体(本发明中针状铁素体体积百分比约占40％)，提高大厚度钢板的强韧性。该组织与传统355MPa级钢具有的铁素体+珠光体组织(部分厚板中还会有少量贝氏体出现)显著不同。

[0028] 3、通过铁素体形成元素Cr的添加，一方面提高钢的淬透性，未加入Ni、Cu、Mo等合金，节省合金加入成本。并通过调整冷却水强度，控制冷却速度，保证特厚钢板的强度，推迟贝氏体等低温组织的形成，将终冷温度控制在600‑640℃，保证块状铁素体的形成，避免了贝氏体的出现。块状铁素体比一般先共析铁素体强度高，形成温度略低于先共析铁素体。

[0029] 4、通过连铸坯的压缩比的控制，在TMCP轧制过程中，增加道次压下量，控制道次总数量，较强冷却速度下，是为了防止厚度方向上性能不均匀性过大。同时，也是为了增加针状铁素体/块状铁素体相变驱动力，增加形核点，细化最终晶粒尺寸，本发明铁素体平均晶粒尺寸为3‑6μm。

[0030] 5、本申请虽然冷却速率较高，介于8～12℃/s，但是采用了较高的终冷温度(600～640℃)，较高的终冷温度保证钢板基体组织仍为铁素体/针状铁素体，避免上贝氏体或粒状贝氏体这些虽然能提高强度，但是恶化钢板韧性及塑性组织出现。此外，较高的终冷温度有助于减少厚钢板内应力，有利于钢板板形的控制，防止TMCP钢因应力释放，在使用过程中强度下降。

[0031] 6、本申请TMCP工艺窗口为大生产易控制的区间范围，无需额外增加生产设备，便可实现。其四倍压缩比要求，大多数钢厂的坯料设计可以满足。此外本发明也可以推广应用至其它如高层建筑用钢、桥梁用钢等TMCP交货的大厚钢板制造上。

附图说明

[0032] 图1为本发明实施例4各轧制道次压下率。

[0033] 图2为本发明实施例3中钢板厚度1/4处组织。

具体实施方式

[0034] 以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0035] 各实施例所对应的针状铁素体/块状铁素体船用钢板化学成分见表1，表中数据为各元素的质量百分比含量，剩余为Fe及不可避免的杂质元素。

[0036] 表1

[0037] 实施例 炉号 C Si Mn P S Cr Ca Al Ti N Nb实施例1 S22007231 0.03 0.36 1.58 0.004 0.0014 0.10 0.0010 0.014 0.016 0.0035 0.047实施例2 S22004775 0.04 0.48 1.46 0.003 0.0007 0.18 0.0012 0.008 0.012 0.0045 0.050实施例3 S11904874 0.05 0.40 1.53 0.005 0.0013 0.22 0.0020 0.018 0.015 0.0050 0.048实施例4 S11904883 0.04 0.45 1.56 0.003 0.0016 0.15 0.0008 0.012 0.018 0.0036 0.056[0038] 钢板的生产工艺如下：

[0039] 采用铁水预处理，KR深脱硫，硫含量低于0.0020％；转炉出钢采用预熔精炼渣+活性石灰进行造渣；转炉终点C≤0.02％，出钢过程进行15～20min底吹氩气、氮气，150吨转炉出钢时间控制在4～6min。随后进行LF、RH精炼，钢水到达LF炉后进行升温化渣，加入合金，最后喂Ti线与Ca线，随后将钢水浇铸成连铸坯。

[0040] 轧制工艺：连铸坯与成品厚度的压缩比≥4，采用TMCP工艺，连铸坯再加热，采用粗轧和精轧两阶段控制轧制，粗轧终轧温度1000～1080℃；精轧开轧温度为850～880℃，末两道次轧制压下率≤5％，轧后采用加速冷却，终冷温度600～640℃，冷却速率8～12℃/s，随后空气冷却至400℃，下线堆垛冷却。具体轧制工艺见表2，典型轧制道次压下率分配如实施例4见图1，具体冷却工艺见表3。

[0041] 表2

[0042]

[0043] 表3

[0044]

[0045] 按照上述各实施例的冶炼、轧制、水冷工艺制得的钢板，其力学性能见表4。从实施例拉伸性能来看，钢板屈服强度横向拉伸性能介于397～412MPa，抗拉强度介于523～545MPa，屈强比介于0.72～0.77，延伸率优良≥29％。‑40℃、‑60℃低温纵向冲击韧性值≥
200J。

[0046] 表4

[0047]

[0048]

[0049] 将实施例进行5％塑性变形，250℃时效1小时，‑40℃、‑60℃时效冲击韧性值没有明显降低，具有优异的抗低温时效性能，具体见表5。

[0050] 表5

[0051]

[0052] 除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。