本发明属于钢铁材料制备领域，特别涉及一种抗拉强度820mpa级耐低温超高强大厚度船舶用钢板及其制造方法。
背景技术：
近年来在船舶工业快速增长的带动下，极低船舶用钢的需求量在逐年迅速上升。但是，我国缺乏极地船舶设计和制造经验，与芬兰、日本、韩国、美国和俄罗斯等极地船舶建造强国相比有很大差距。2016年，广船国际承接了俄罗斯yamal项目中极地凝析油轮的建造。2017年，我国最大的海工企业中集来福士承建了挪威订购的“维京龙”号北极钻井平台。尽管我国造船企业承接了少量具有低级别冰区符号的船舶订单，但极地原油运输破冰船和极地lng运输破冰船等高技术极地船舶几乎是空白。
极地船舶建造离不开适应极地恶劣服役环境的低温用钢等关键材料，高强度、高低温韧性及易焊接的高性能钢材是极地船舶安全航行的基本保障。急需开发具有一定的强度、较低的屈强比，良好的低温韧性，抗层状撕裂、良好的可焊性和加工性能等综合性能优异的钢板。
技术实现要素：
为了克服上述缺陷，本发明所要解决的技术问题提出一种抗拉强度820mpa级耐低温超高强大厚度船舶用钢板及其制造方法，通过合理的成分设计，新型调质工艺(两次等温淬火 回火工艺)相结合，制备出具有超高强度(抗拉强度≥820mpa)、耐低温(-40℃冲击功≥150j)、零塑性脆转温度(ndtt)≤-65℃、z向性能≥65％的最大厚度100mm船用钢板，其良好的组织性能均匀性、抗层状撕裂性、耐腐蚀性等特点满足了海洋恶劣环境用钢的技术要求。
为了实现发明目的，本发明采取的技术方案如下：
820mpa级大厚度船舶用钢板，其特征在于：c：0.11％～0.16％；si：0.05％～0.14％；mn：0.80％～1.60％；s：≤0.002％；p：≤0.008％；als：0.02％～0.05％；n：0.003％～0.010％；ni：0.35％～0.55％；cr：0.70％～1.00％；mo：0.55％～0.75％；nb：0.02％～0.04％；cu：0.15％～0.30％；ti：0.008％～0.015％；余量为fe和不可避免的杂质，cu/ni≤0.9。
钢板厚度为50～100mm。
本发明钢中各合金成分的作用机理如下：
c：是有效提高钢板强度的廉价元素，但随着碳含量的提高，则显著降低钢板的塑性、低温韧性和抗焊接裂纹敏感性，碳含量低，在调质后钢的硬度、强度偏低，但是塑性和韧性较高。从经济性和产品性能角度考虑，优选c含量控制在0.11％～0.17％。
si：是炼钢过程中主要的脱氧成分，在炼钢过程中可以作为脱氧剂和还原剂，有利于钢板强度的提高，当含量超过0.5％时将促进马奥岛的形成，损害焊接性和低温韧性。适量的si能够提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比，还能提高钢在高温时的抗氧化性，较低si含量可提升钢板表面质量。因此，优选si含量为0.05％～0.14％。
mn：是保证钢的强度和韧性的必要元素，mn与s结合形成mns，避免晶界处形成fes而导致的热裂纹，同时mn也是良好的脱氧剂。适量的锰可以改善钢的强度和韧性，但过高则在铸坯中缠身偏析，进而造成轧制后难以消除的组织带状，降低钢板横向性能和抗层状撕裂性。为了提高本发明材料的强韧性，因此优选mn含量范围为0.80％～1.60％。
p：是对冲击值带来不利影响的元素，可以在板坯中心部位偏析以及在晶界聚集等损害低温韧性，本发明材料控制在不高于0.008％。
s：是对冲击值带来不利影响的元素，可以形成硫化物夹杂，成为裂纹源，本发明材料控制在不高于0.002％。
als：作为本发明必须添加的脱氧和细化晶粒元素，添加含量在0.01％以上，但超过0.08％时容易产生铸坯热裂纹，同时钢的韧性降低。更优选含量范围为0.02％～0.05％。
n：n与al、ti、nb等元素结合，形成氮化物，是使母材组织微细化的元素。为了发挥这样的效果，需要使n含有0.002％以上，然而过多的固溶n是使haz的韧性恶化的原因，合理的控制n元素的含量，能够起到细化晶粒的作用，因此n含量范围在0.003％～0.010％。
ni：ni具有固溶强化作用，能促使合金钢形成稳定奥氏体组织，具备使ar3点最低和碳当量或冷裂纹敏感系数pcm的增加最小的特性，能提高钢的强度和韧性，并改善cu在钢中引起的热脆性，因此本发明ni含量控制在0.35％～0.55％。
nb：在钢中加入nb可以有效细化钢的晶粒尺寸，提高强度和韧性。添加量小于0.01％时效果不明显；大于0.05％时，钢的韧性与可焊接性降低，因此nb优选含量控制在0.02～0.04％。
ti：作为提高钢的韧性和焊接部位韧性而添加的成分，以tin形式存在而发挥作用，但超过0.04％时易形成大颗粒tin而失去效果，因此添加ti含量优选范围为0.008％～0.015％。
cr：提高钢的淬透性的重要元素，对于厚规格船板及海洋平台用钢而言添加较高cr含量可以有效提高淬透性以弥补厚度带来的强度损失，改善厚度方向上性能的均匀性；适量含量的铬元素能够很好的钢板耐腐蚀性能，因此本发明cr含量控制在cr：0.70％～1.00％。
mo：提高淬透性的元素，扩大γ相区，推迟γ→α相变时先析出铁素体形成、促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变组织起重要作用，能有效提高材料强度；降低相变温度，降低贝氏体转变的临界冷速，有利于在较宽的冷速范围内促进贝氏体转变，使厚钢板具有较好的工艺适应性，能有效改善钢板厚度方向上强韧性能的稳定性。因此本发明mo含量控制在0.55％～0.75％。
cu：在钢中加入cu，可以提高钢的耐蚀性、强度，改善焊接性、成型性与机加工性等。与ni同时使用，还可以避免热脆性。cu含量范围为0.15％～0.30％。
820mpa级大厚度船舶用钢板的制造方法，钢坯冶炼→钢坯轧制→两次等温次淬火处理→回火处理→成品钢板。其制备关键在于如下步骤：
1)冶炼工艺：精选冶炼原料，原料应以铁水或优质返回钢为主，p、s等元素含量尽可能低，按目标值控制熔炼成分，严格控制残余元素含量，避免碳当量超上限。lf和rh精炼炉各需处理20-40min，中包钢水过热度≤30℃，全程保护浇铸，钢中a、b、c、d类夹杂需满足：a类≤1.0，b类≤1.0，c类≤1.0，d类≤1.0的要求，连铸坯成型过程采用轻压下技术，能够有效解决连铸坯的中心偏析情况。
2)加热工艺：采用新型低温加热制度进行，加热温度1120～1180℃，均热温度1080～1120℃，均热时间20min-50min。
3)轧制工艺：采用奥氏体在结晶区和奥氏体非在结晶区两阶段控轧轧制技术，开轧温度1060—1100℃，在每阶段单道次压下率≥15％，二阶段开轧温度850—900℃，终轧温度800—850℃之间，单道次压下率≥12％，结合大变形量轧制工艺细化原始组织、控制及调整相变组织的构成、均匀细化程度和多相粒子析出行为，获得大厚度钢板全厚度截面上的晶粒尺寸均匀化，提高钢种厚向强度与低温韧性的均匀性、抗应变时效性和耐腐蚀性。
4)冷却工艺：钢板轧后进行快速冷却，平均冷速12℃-20℃/s，开冷温度为760-800℃，终冷温度为室温，冷却过程采用超快冷全自动控冷模式进行，全程采用钢板头尾遮蔽控制，保证钢板不同位置性能均匀性。
5)两次等温淬火工艺：采用两次等温淬火的热处理手段，其中第一次淬火加热温度控制在915-935℃之间，加热时间1.6-2.2min\mm，保温30-60min；第二次淬火温度控制在915-935℃之间，加热时间1.3-1.6min\mm保温10-30min，通过两次等温淬火达到晶粒更加细化，组织更加均匀，而且一定程度上使钢板心部更容易淬透。
6)回火工艺：对钢板进行回火处理，回火温度为520--570℃，在炉时间3.0-4.5min\mm，出炉后空冷，获得钢板成品。
本发明的有益效果是：
1)化学成分设计合理，具有较少的合金含量，适当添加ni、cr、cu、mo等合金，钢板成本较低，采用低p、s纯净钢冶炼，改善钢质纯净度，保证了大厚度船舶用钢获得优良钢坯内部质量；
2)创造性提出新型低温加热工艺，加热温度1120～1180℃，均热温度1080～1120℃，均热时间20min-50min，极大程度降低能源消耗，同时细化钢板原始奥氏体组织晶粒尺寸，提后续轧制钢板组织均匀性，提升钢板强韧化提供基础；
3)通过控制轧制 水冷 调质工艺相结合，实现大厚度超高强钢板的组织强韧化，相变组织均匀细化、形态及晶粒尺寸控制以及更高尺寸精度及表面质量，提升钢板不同位置的强度及韧性均匀性；
4)该发明根据两次等温次淬火 回火工艺相结合，制备出具有高强度(抗拉强度≥820mpa)、耐低温(-40℃冲击功≥150j)，零塑性脆转温度(ndtt)≤-65℃，z向≥65％的大厚度尺寸钢板，钢板成品厚度50mm～100mm，其良好的组织性能均匀性、抗层状撕裂性、耐腐蚀性等特点满足了船舶及海洋工程恶劣环境用钢的技术要求。
说明书附图
图1是本发明钢实施例1钢板原始奥氏体晶粒度照片；
图2是本发明钢实施例1成品钢板金相组织照片。
具体实施方式
下面结合附图对具体实施例进行说明：
从实施例1金相组织中可以看出，经两次等温淬火 回火工艺处理后钢板组织基本为回火索氏体，晶界清晰，晶粒非常细小，由此可见，尤其是经二次淬火后钢板晶粒进一步细化，从而大大提高了钢板的抗拉强度级低温韧性。
本发明抗拉强度820mpa级耐低温超高强大厚度船舶用钢板化学成分见表1，钢坯冶炼工艺参数见表2，钢板轧制方法见表3，实施例热处理工艺见表4，实施例钢拉伸和冲击性能见表4。
表1本发明实施例钢化学成分
表2本发明实施例冶炼工艺
表3本发明实施例钢轧制方法
表4本发明实施例热处理工艺
表4本发明实施例钢拉伸和冲击性能
从实施例中可以看出，采用两次等温淬火 回火热处理工艺，对于820mpa级大厚度钢板来讲，能够很好的提高钢板的冲击韧性，1/4及1/2冲击韧性基本能够达到180j以上，表明不同位置综合性能非常均匀；制备出了具有高强度(抗拉强度≥820mpa)、耐低温(-40℃冲击功≥150j)，零塑性脆转温度(ndtt)≤-65℃，z向≥65％的大厚度尺寸钢板，钢板成品厚度50mm～100mm，其良好的组织性能均匀性、抗层状撕裂性、耐腐蚀性等特点满足了船舶及海洋工程恶劣环境用钢的技术要求。
综上，本发明解决了820mpa级大厚度钢板心部冲击韧性不稳定的问题，得到了综合力学性能优异的成品钢板。
1.一种820mpa级大厚度船舶用钢板，其特征在于：该钢板的化学成分质量百分比如下：c：0.11％～0.16％；si：0.05％～0.14％；mn：0.80％～1.60％；s：≤0.002％；p：≤0.008％；als：0.02％～0.05％；n：0.003％～0.010％；ni：0.35％～0.55％；cr：0.70％～1.00％；mo：0.55％～0.75％；nb：0.02％～0.04％；cu：0.15％～0.30％；ti：0.008％～0.015％；余量为fe和不可避免的杂质，cu/ni≤0.9。
2.根据权利要求1所述的一种820mpa级大厚度船舶用钢板，其特征在于：钢板厚度为50～100mm。
3.根据权利要求1所述的一种820mpa级大厚度船舶用钢板，其特征在于：所述钢板-40℃冲击功≥150j。
4.根据权利要求1所述的一种820mpa级大厚度船舶用钢板，其特征在于：所述钢板零塑性脆转温度≤-65℃。
5.根据权利要求1所述的一种820mpa级大厚度船舶用钢板，其特征在于：所述钢板z向性能≥65％。
6.一种根据权利要求1-5任意一项所述的820mpa级大厚度船舶用钢板的制造方法，包括冶炼、连铸、轧制、冷却和调质，其特征在于：轧制前对钢坯加热，加热温度1120～1180℃，均热温度1080～1120℃，均热时间20～50min；采用奥氏体再结晶区和奥氏体非再结晶区两阶段控制轧制技术，一阶段开轧温度1060～1100℃，单道次压下率≥15％，二阶段开轧温度850～900℃，终轧温度800～850℃之间，单道次压下率≥12％；轧后进行快速冷却，平均冷速12～20℃/s，开冷温度为760～800℃，终冷温度为室温。
7.根据权利要求6所述的820mpa级大厚度船舶用钢板的制造方法，其特征在于：所述冶炼过程中钢水在lf和rh精炼炉各需处理20～40min，中包钢水过热度≤30℃，全程保护浇铸，钢中a、b、c、d类夹杂需满足：a类≤1.0，b类≤1.0，c类≤1.0，d类≤1.0。
8.根据权利要求6所述的820mpa级大厚度船舶用钢板的制造方法，其特征在于：所述连铸过程中采用轻压下技术。
9.根据权利要求6所述的820mpa级大厚度船舶用钢板的制造方法，其特征在于：所述调质包括两次等温淬火和回火；所述两次等温淬火其中第一次淬火加热温度控制在915～935℃之间，加热时间1.6～2.2min/mm，保温30～60min；第二次淬火温度控制在915～935℃之间，加热时间1.3～1.6min/mm，保温10～30min；所述回火温度为520～570℃，在炉时间3.0～4.5min/mm，出炉后空冷。
技术总结