本發(fā)明涉及合金鋼制造領(lǐng)域，具體地指一種用于-70℃的高韌性、低屈強比低溫鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
屈強比為材料屈服強度與抗拉強度的比值，鋼材具備較低的屈強比可以在嚴(yán)重的負荷變形下，提高鋼材的抗變形能力，即屈強比越低，材料從開始塑性變形到斷裂所需要的形變能就越大，從而提高了其抗大變形的能力，可以有效保證安全性。但在LPG船及LPG儲罐材料的應(yīng)用中，由于其使用溫度達到了-70℃，不僅對材料的屈強比有嚴(yán)格規(guī)定，對鋼材的低溫韌性也有著極高的要求，因此，需要合理保證屈強比與低溫韌性的匹配以適應(yīng)市場對該類型鋼種的要求。
目前，市場上尚未有針對此應(yīng)用的專門的低屈強比低溫鋼種。公開號為CN103774050的中國發(fā)明專利提出了一種低屈強比高塑性鋼，其組分及含量為：C：0.07～0.09％，Si：0.15～0.20％，Mn：1.30～1.50％，P：≤0.008％，S：≤0.004％，Ti：0.010～0.015％，Cr：0.10～0.20％，Ni：0.15～0.20％，Cu：0.20～0.25％，Al：0.025～0.030％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。該鋼具低的屈強比，較好的塑性，但主要用于常溫環(huán)境，并未涉及在在-70℃下使用。公開號為CN103122436的中國發(fā)明專利提出了一種-70℃使用的正火型低溫壓力容器用鋼，其成分及組成為：為C：0.09～0.12％、Si：0.15～0.50％、Mn：1.2～1.6％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Nb：0.02～0.04％、Ni：0.40～0.80％、Ti：0.006～0.010％、Alt：0.020～0.034％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。該鋼經(jīng)正火熱處理等工序得到-70℃正火型低溫壓力容器鋼板，可用于制造-70℃低溫壓力容器設(shè)備，但屈強比較高，均超過0.72。公開號為CN103014554的中國發(fā)明專利公開一種低屈強比管線鋼，其成分質(zhì)量百分比為：C：0.05～0.08％，Si：0.15～0.30％，Mn：1.55～1.85％，P≤0.015％，S≤0.005％，Al：0.015～0.04％，Nb：0.015～0.025％，Ti：0.01～0.02％，Cr：0.20～0.40％，Mo：0.18～0.30％，N：≤0.006％，O≤0.004％，Ca≤0.005％，Ni≤0.40％，其中，Ca/s≥1.5，余量為鐵和不可避免雜質(zhì)。其屈服強度在500MPa以上，屈強比在0.70以上，主要用于地震高發(fā)區(qū)以及抗大應(yīng)變輸送管線用鋼管。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供了一種用于-70℃的高韌性、低屈強比低溫鋼及其制造方法，該低溫鋼能克服已有鋼種屈強比偏高，低溫韌性與屈強比匹配不佳的問題，采用可行的生產(chǎn)工藝，適合大生產(chǎn)操作，獲得良好的低溫韌性、拉伸性能的壓力容器用鋼。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種用于-70℃的高強度、高韌性、低屈強比低溫鋼，所述低溫鋼化學(xué)成分重量百分比為：C：0.05～0.20、Si≤0.30、Mn：0.85～1.50、P≤0.005、S≤0.003、Alt：0.015～0.050、Ni：0.35～0.70、N≤0.004，此外還含有Mo≤0.10，Nb≤0.05，Ti≤0.025，Ca≤0.005中的任意一種或幾種，余量為Fe及不可避免的夾雜。
進一步地，所述低溫鋼的化學(xué)成分重量百分比為：C：0.05～0.15、Si：0.01～0.20、Mn：0.85～1.50、P≤0.005、S≤0.003、Alt：0.015～0.050、Ni：0.40～0.70、Nb：0.02～0.05、Ti：0.008～0.025、N≤0.004、Ca：0.002～0.005，余量為Fe及不可避免的夾雜。
再進一步地，所述低溫鋼的化學(xué)成分重量百分比為：C：0.05～0.12，Si：0.15～0.30，Mn：0.85～1.20，P≤0.005，S≤0.003，Alt：0.015～0.050，Ni：0.40～0.70，N≤0.004，Mo≤0.10，Ca：0.002～0.005，余量為Fe及不可避免的夾雜。
再進一步地，所述低溫鋼的厚度為10～50mm，屈服強度為370MPa級別，其屈強比低于0.65，所述低溫鋼在-70℃低溫條件下沖擊功高于150J。
本發(fā)明提供了一種用于-70℃的高強度、高韌性、低屈強比低溫鋼的制備方法，該低溫鋼是由煉鋼工藝、軋鋼工藝和加工、熱處理工藝三大工藝制備而成，
1)煉鋼工藝：采用鐵水K-S脫硫技術(shù)進行深度脫硫，并進行轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉，LF加熱爐中進行Ca-Si處理，在RH真空爐進行真空處理及成分微調(diào)；
2)軋制工藝：軋制前鑄坯加熱溫度為1260～1300℃，在鑄坯表面涂防氧化涂層，加熱速率為8～13min/cm，粗軋采用兩階段軋制，粗軋一階段開軋溫度不小于1200℃，然后進行待溫，粗軋二階段開軋溫度不小于1100℃；中間坯厚度70～100mm，精軋開軋溫度不大于940℃，精軋終軋溫度為760～880℃；
3)加工、熱處理工藝：根據(jù)鋼板厚度不同，該鋼進行正火+回火的熱處理，其工藝制度見下表1
表1熱處理制度
本發(fā)明的理論基礎(chǔ)
1、化學(xué)成分(C、Si、Mn、P、S、Alt、Ni、Ti、Mo、Nb、Ca)限定量的理由
因該鋼種要求在-70℃下具備優(yōu)異的低溫韌性，因此，煉鋼時要嚴(yán)格控制鋼水的純凈度，防止P、S和其他雜質(zhì)元素對該鋼低溫韌性的影響。Mn、Nb、Ti、Ni的設(shè)計成分保證了鋼的強度、韌性和焊接性能，其中Ni合金主要用來提高鋼的低溫韌性，Ti合金可以細化鋼板焊接熱影響區(qū)組織，提高韌性水平，Mo可以提高鋼板SR后的性能穩(wěn)定性。通過調(diào)整C、Mn等對強度敏感元素的含量來控制其屈強比；設(shè)置P≤0.005％，S≤0.003％，N≤0.004％，主要是考慮到這幾個元素對該鋼低溫韌性影響較大，要嚴(yán)格限制其含量。
(1)合金元素對鋼低溫性能的影響
C是提高鋼材強度最有效的元素，隨著C含量的增加，鋼中Fe3C增加，淬硬性也增加，鋼的抗拉強度和屈服強度提高。但是，增加鋼中C含量，鋼的延伸率和沖擊韌性下降，尤其是對低溫韌性影響較大。同時，由于C元素間隙固溶強化的影響，其含量增加易使鋼屈強比升高，因此設(shè)計其含量低于0.20％。
Si與碳的親和力很弱，在鋼中不與碳化合，但能溶入鐵素體，產(chǎn)生固溶強化作用，使得鐵素體的強度和硬度提高，但塑性和韌性卻有所下降，根據(jù)Pikering關(guān)系其對屈服強度的影響較高，其含量不宜過高，因此本發(fā)明鋼的Si含量控制在0.30％以內(nèi)。
Mn是提高鋼的屈服強度和抗拉強度的主要元素之一，根據(jù)Pikering關(guān)系其對屈服強度的影響同樣較大，同時，Mn元素是一種易偏析的元素，當(dāng)偏析區(qū)Mn、C含量達到一定比例時，在鋼材生產(chǎn)和焊接過程中會產(chǎn)生馬氏體相，該相會表現(xiàn)出很高的硬度，對鋼板低溫韌性和抗氫致開裂性能有較大影響。因此，綜合考慮將Mn含量限定在0.40％～1.50％范圍內(nèi)。
Al是鋼中的主要脫氧元素，一定含量的Al還能細化鋼板的晶粒，提高鋼板的強度和韌性。但是當(dāng)Al含量偏高時，易導(dǎo)致鋼中夾雜增多，對鋼的韌性不利，同時會降低鋼的淬硬性和韌性，降低鋼的抗氫致開裂性能。因此將本發(fā)明鋼中Alt含量控制在0.015％～0.050％以內(nèi)。
Ni能與鐵以任何比例互熔，通過細化鐵素體晶粒來改善鋼的低溫韌性，可以明顯降低鋼板的低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度。針對-70℃的使用要求，本發(fā)明鋼將Ni含量設(shè)定在0.40％～0.70％。
Ti是一種強烈的碳化物和氮化物形成元素，形成的TiN、Ti(CN)等粒子非常穩(wěn)定，能夠在形核時有效的阻止晶粒長大，因此能夠細化晶粒，提高鋼板的強度和韌性。鋼板在焊接時Ti的作用也比較明顯，能夠有效細化焊接熱影響區(qū)組織。考慮鋼板低溫韌性要求和對焊接性能的影響，設(shè)計Ti的含量時控制在0.025％以內(nèi)。
Mo是有效提高鋼板回火穩(wěn)定性的元素，能夠提高鋼板強度和抗氫致開裂性能。如果添加量過高，會導(dǎo)致鋼板低溫韌性下降，因此，本發(fā)明鋼Mo含量控制在0.35％以內(nèi)。
Nb是一種強碳化物形成元素，在鋼中形成NbC、Nb(CN)等第二相質(zhì)點，阻礙奧氏體晶粒的長大，細化晶粒，提高鋼板的強度和低溫韌性。但其含量過高時易產(chǎn)生晶間裂紋，且造成屈強比的上升。因此，綜合考慮將本發(fā)明的Nb含量控制在0.05％以內(nèi)。
Ca是鋼進行Ca-Si處理時增加的元素，其含量不高時元素本身對鋼板性能無明顯影響，但經(jīng)過Ca-Si處理后，鋼中夾雜物相貌發(fā)生變化，尺寸降低，球化率提高，有利于鋼的抗硫化氫腐蝕性能。但考慮到Ca-Si處理后鋼中雜質(zhì)元素增加，因此，加入量不宜過大，該鋼將處理后Ca含量控制在0.005％以內(nèi)。
(2)雜質(zhì)元素和氣體對鋼低溫性能的影響
低溫壓力容器鋼要確保在低溫環(huán)境中的使用。鋼中的雜質(zhì)元素和氣體對鋼板的低溫韌性影響較大，因此要可能的降低。
P在鋼中除了形成可引起鋼紅脆(熱脆)和塑性降低的易熔共晶夾雜物外，還對氫原子重新組合過程起抑制作用，使得鋼增氫效果增加，從而提高鋼的脆性，降低低溫韌性水平和抗氫致開裂性能。S含量過高則會使鋼板具有各向異性且韌性降低，使得鋼的穩(wěn)定性急劇惡化。因此，對于該鋼應(yīng)將P控制在0.005％以內(nèi)，S控制在0.003％以內(nèi)。
另外，該鋼應(yīng)盡量減少鋼中氣體含量，減小鋼的偏析。同時，為了減少鋼的時效影響，將N的含量控制在0.004％以內(nèi)。
2、生產(chǎn)工藝設(shè)定的理由
(1)煉鋼工藝
該鋼冶煉時在LF爐進行Ca-Si處理，通過對夾雜物進行變性，能夠有效降低夾雜物尺寸，改變夾雜物的形狀，有利于提高鋼的低溫沖擊韌性及抗腐蝕性能。同時，通過較長時間(不低于15min)的真空處理，可較好的降低鋼中雜質(zhì)、氣體含量，有利于鋼的低溫韌性的提高。
(2)軋鋼工藝
該鋼合金含量較高，按合金鋼工藝進行軋制。軋制前鑄坯加熱溫度為1260～1300℃，加熱速率為8～13min/cm，確保鑄坯溫度均勻鋼。同時，由于Ni元素的存在，鋼坯表面易產(chǎn)生氧化鐵皮層，需在鑄坯加熱前涂抹防氧化涂層。該鋼坯在軋制時進行四階段軋制，即粗軋一階段→待溫→粗軋二階段→中間坯→待溫→精軋。與常規(guī)低合金鋼軋制工藝相比，主要是粗軋采取了兩階段軋制，一階段大壓下后待溫，同時確保避開混晶溫度區(qū)間，然后進行二階段軋制，該軋制工藝對提高鋼板韌性有較好效果。
粗軋時，根據(jù)成品鋼板厚度，控制本階段軋制結(jié)束時中間坯的厚度。精軋時，待溫避開奧氏體部分再結(jié)晶區(qū)溫度后，開始奧氏體未再結(jié)晶區(qū)控制軋制。精軋終軋后，形變位錯將發(fā)生回復(fù)和多邊形化，從而細化組織，提高鋼板的低溫韌性。軋制時，要考慮鋼的臨界點溫度，避免出現(xiàn)混晶現(xiàn)象。因此綜合考慮，鋼的粗軋一階段開軋溫度不小于1200℃，粗軋二階段開軋溫度不小于1100℃，精軋開軋溫度不大于920℃，精軋軋終軋溫度760℃～880℃，精軋道次設(shè)定在5～9次。
(3)加工、熱處理工藝
由于該鋼要在低溫環(huán)境下長期使用且屈強比較低，所以針對該鋼的特點，設(shè)計熱處理工藝為正火+回火熱處理。正火+回火后該鋼的組織是一種較穩(wěn)定的鐵素體+珠光體組織。正火溫度分別設(shè)計為850～950℃，是為了讓鋼充分奧氏體化，獲得穩(wěn)定的組織?；鼗饻囟仍O(shè)計為450～650℃，是為了提高組織的穩(wěn)定性，并適當(dāng)粗化晶粒以控制細晶強化對屈強比的影響，同時也可以根據(jù)不同回火溫度調(diào)整鋼板強度范圍。
本發(fā)明的有益效果在于：
本發(fā)明在成分設(shè)計上控制C、Mn元素含量，以降低鋼板屈強比，同時添加一定量的Ni元素保證其低溫沖擊韌性，同時添加一定量的Ti、Mo、Nb等微合金元素改善其焊接性能，嚴(yán)格控制P、S、N含量，并進行Ca-Si處理，使得該鋼在具有優(yōu)良的低溫韌性能同時具有較低的屈強比。利用正火+回火熱處理得到穩(wěn)定的軟相鐵素體+硬相珠光體組織，利用鋼中軟相和硬相比例的不同控制其屈強比。
本發(fā)明鋼通過成分設(shè)計、夾雜物控制、軋制和熱處理后，獲得較低的屈強比，良好的強韌性、焊接性能，可用于制造石油化工、化肥等行業(yè)中有低溫使用要求的壓力容器設(shè)備。
具體實施方式
為了更好地解釋本發(fā)明，以下結(jié)合具體實施例進一步闡明本發(fā)明的主要內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于以下實施例。
表2本發(fā)明實施例與對比鋼種化學(xué)成分(wt％)
表3本發(fā)明實施例與對比鋼種的主要工藝過程
表4本發(fā)明實施例與對比鋼種的熱處理工藝過程
表5本發(fā)明實施例與對比鋼種的力學(xué)檢驗結(jié)果
從表5可以看出，本發(fā)明鋼種屈強比低，低溫沖擊性能好，具備優(yōu)良的抗變形能力和低溫韌性，且生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)成本較低，鋼質(zhì)純凈，可用于制造-70℃低溫環(huán)境下使用的對屈強比有特殊要求的低溫壓力容器設(shè)備。
其它未詳細說明的部分均為現(xiàn)有技術(shù)。盡管上述實施例對本發(fā)明做出了詳盡的描述，但它僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部實施例，人們還可以根據(jù)本實施例在不經(jīng)創(chuàng)造性前提下獲得其他實施例，這些實施例都屬于本發(fā)明保護范圍。