一种低温高韧性铈锆复合处理fh40船板钢及其制备方法
阅读说明：本技术 一种低温高韧性铈锆复合处理fh40船板钢及其制备方法 (Low-temperature high-toughness cerium-zirconium composite treated FH40 ship plate steel and preparation method thereof ) 是由 李运刚 孟祥海 王哲 李孟星 马涛 李慧蓉 高建新 张士宪 于 2019-05-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢,所述船板钢的原料化学成分质量百分比为：C 0.04～0.08％,Si 0.2～0.4％,Mn 1.4～1.7％,P≤0.012％,S≤0.005％,Nb 0.020～0.055％,Ti 0.01～0.02％,V 0.025～0.060％,Ni 0.20～0.35％,Al 0.01～0.04％,Ce 0.01～0.04％,Zr 0.01～0.03％以及余量的Fe和不可避免的杂质；其制备方法包括以下步骤：S1、准备原料熔炼成钢坯；S2锻造得到锻坯；S3轧制；S4冷却成钢。本发明通过采用控轧控冷技术,并且复合添加Ce、Zr合金元素,使晶粒细化,获得组织为铁素体和贝氏体；生产出的钢板强度高,屈服强度≥435MPa,抗拉强度≥530MPa,断后延展率≥22.4％,低温冲击韧性良好,-60℃纵向冲击功≥244J。(The invention discloses low-temperature high-toughness cerium-zirconium composite treated FH40 ship plate steel, which comprises the following raw materials in percentage by mass: 0.04-0.08% of C, 0.2-0.4% of Si, 1.4-1.7% of Mn, less than or equal to 0.012% of P, less than or equal to 0.005% of S, 0.020-0.055% of Nb, 0.01-0.02% of Ti, 0.025-0.060% of V, 0.20-0.35% of Ni, 0.01-0.04% of Al, 0.01-0.04% of Ce, 0.01-0.03% of Zr and the balance of Fe and inevitable impurities; the preparation method comprises the following steps: s1, preparing raw materials and smelting the raw materials into a steel billet; s2 forging to obtain a forging stock; s3 rolling; s4 cooling to steel. The invention adopts the controlled rolling and controlled cooling technology and compositely adds Ce and Zr alloy elements to refine grains and obtain tissues of ferrite and bainite; the produced steel plate has high strength, yield strength of more than or equal to 435MPa, tensile strength of more than or equal to 530MPa, elongation after fracture of more than or equal to 22.4 percent, good low-temperature impact toughness and longitudinal impact energy of more than or equal to 244J at minus 60 ℃.)
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及一种低温高韧性铈锆复合处 理FH40船板钢及其制备方法。
背景技术
近年来造船行业发展迅速，普通强度造船钢板不能满足造船业发 展要求。诸如在极地资源及航线开发的背景下，船舶需要抵抗住-60℃ 及以下的低温气候，因此，极地运输船、资源勘探船、破冰船、舰艇 建造过程中，比如甲板、燃气轮机、轴承和连接件等部件都需要用到 高强船板钢。不仅要求船板具有良好的强韧性匹配、稳定性，还要有 良好的低温韧性、大线能量焊接性能、耐海水腐蚀性能。目前国内外 对AH、BH、DH、EH系列的高强钢合金化组织与性能研究较多，但是 对于FH系列的高强船板钢组织与性能研究不多，尤其是稀土复合元 素添加后的影响机制研究更少，并且大热输入焊接性能较差，焊缝热 影响区韧性较低，不能满足实际生产需求。因此，开发具有低温高韧 性铈锆复合处理FH40船板钢，对于提高船舶的在-60℃及其以下工作 的安全性具有重要的意义。
近年来，FH40级船板钢的制备也取得了一定的成果，而且相关 的专利也有公开的报导。
如：公开号为CN 103695769 B的专利公开了一种高强度FH40海 洋工程用钢钢板及其生产方法，该发明中其屈服强度为420-440MPa， 抗拉强度仅为530～580MPa，伸长率仅为22-24％；-60℃的V型冲击 功仅为在180～240J；并且没有给出该钢板的组织特征。
公开号为CN105112782 A的专利公开了一种热轧态船用低温铁素 体LT-FH40钢板及其生产方法，该发明通过低碳和铌-钛合金化的成 份设计，低磷硫冶炼工艺，配合合理的控轧控冷技术，工艺复杂，生 产周期长，生产效率低。
公开号为CN101876033A的专利公开了一种低温高韧性船板钢， 该专利所公开的船板钢，其低温冲击韧性较高，-60℃纵向冲击功可 达250J以上，但是其抗拉强度较低，约为480MPa。远不能满足现代 大型船舶的需求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种 低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢，所述船板钢的原料 化学成分质量百分比为：C 0.04～0.08％，Si 0.2～0.4％，Mn 1.4～ 1.7％，P≤0.012％，S≤0.005％，Nb0.020～0.055％，Ti 0.01～ 0.02％，V 0.025～0.060％，Ni 0.20～0.35％，Al 0.01～0.04％， Ce 0.01～0.04％，Zr 0.01～0.03％以及余量的Fe和不可避免的杂质。
在原料组分中添加C、Si、Mn、P、S、Nb、V、Al、Ti、Ni、Ce 和Zr进行成分微调，其中：
C：是微合金钢中主要强化元素，是提高钢板淬透性的主要元素； 其含量偏低时会使碳化物等的生成量降低，影响轧制时细化晶粒的效 果。当含量偏高时，对钢板的低温韧性与焊接性能不利。本发明控制 C的范围为0.04％～0.08％。
Si：能够促进钢水脱氧并提高钢板的强度，在钢中固溶能力较强， 可以起到一定的强化作用，但含量过高会严重损害钢板的低温韧性和 焊接性能。因此本发明控制Si含量在0.05％～0.2％。
Mn：适当的Mn可以延缓钢种铁素体和珠光体转变，大幅增加钢 种淬透性，降低钢材脆性转变温度，改善冲击韧性。本发明控制Mn 的范围为1.4％～1.7％。
Ti：Ti能产生强烈的沉淀强化作用，提高钢的强度，还能阻止 奥氏体再结晶；同时，能够产生晶粒细化的作用，提高钢材的屈服强 度。本发明控制Ti的范围为0.01％～0.02％。
Nb：一种是高温区通过Nb对奥氏体晶界的溶质拖曳效应提高奥氏 体完全再结晶温度，防止再结晶奥氏体晶粒长大；另一种是较低温区 通过Nb的碳、氮化物成为铁素体的形核质点，从而细化了铁素体晶 粒。本发明控制Nb的范围为0.02％～0.055％。
V：同Ti一样均为强碳化物形成元素。低温时V的碳、氮化物大 量析出可以起到细化、由于VC、V(CN)的沉淀强化晶粒的作用，进而 提高钢板的强度。在V、Nb、Ti共存的情况下，适当的钒含量对提高 焊缝韧性具有良好的作用。本发明控制V的范围为0.025％～0.060％。
Al：是强的氧化物形成元素，也是强的氮化物形成元素，一般要 求Al≥0.020％，就能够保证钢板在焊接和热处理过程再加热时能获 得细的奥氏体晶粒。本发明控制Al的范围为0.01％～0.04％。
Ni：是唯一能够改善低温冲击韧性(DWTT、NDT、CTOD和CVN)的 元素。也能有效的防止在连铸和热轧期间发生铜诱发的表面开裂。本 发明控制Ni的范围为0.2％～0.35％。
Ce：Ce的氧化物、硫化物或氧硫化物均是热稳定性好的高熔点 夹杂物，这些高熔点夹杂物在大热输入焊接过程中不会发生溶解，能 够成为铁素体的有效形核质点，有益于提高HAZ韧性。其作用还在于 在炼钢的过程有利于钢水纯净化。本发明控制Ce的范围为0.01％～ 0.04％。
Zr：与Ni、Nb形成细小的富(Ni，Zr，Nb)粒子，能改善钢的 蠕变性能可显著提高母材的低温冲击韧性，钢中含Zr夹杂物尺寸都 在微米级，它们都是在凝固过程中析出，对韧性有着十分重要的影响。 本发明控制Zr的范围为0.01％～0.03％。
优选的，所述船板钢组织为铁素体和贝氏体，其中铁素体体积分 数为71～80％，贝氏体体积分数为20～29％，铁素体平均晶粒尺寸 为9.0～10.8μm。
优选的，所述船板钢厚度为16～26mm，屈服强度为435～480MPa， 抗拉强度为530～599MPa，屈强比为0.76～0.83，-60℃冲击功为 244～275J，断后伸长率为22.4～24.2％。
一种低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢的制备方法，包括以 下步骤：
S1、准备上述化学质量百分比的原料采用金属锰、硅铁、铌铁、 钢芯铝、钛铁、镍板合金、钼铁、钒铁、铈粉、锆铁进行成分微调； 将铈粉熔炼后通过金属皮包裹加入到熔炼炉底部，熔炼出钢水并铸造 成钢坯；
S2、锻造：将步骤S1制备的钢坯加热到1160～1220℃，保温0.5～ 1h进行锻造，开锻温度为1130～1170℃，终锻温度850～900℃，然 后空冷，得到锻坯；
S3、轧制：
(3)粗轧：将步骤S2制备的锻坯加热至1200～1230℃，保温1～ 2h，然后对钢坯进行2-4道次粗轧，开轧温度为1150～1180℃，总 累积压下率为52.5～67.6％，得到中间坯，
(4)精轧：对中间坯进行4道次精轧，开轧温度为940～960℃， 总累积压下率为24.6～64.6％，终轧温度为860～880℃，得到厚度 为16～26mm的钢板；
S4：冷却成钢：对钢板进行水冷-空冷-水冷三段式冷却：I段水 冷，冷却至640～680℃，II段空冷，III段水冷冷却，终冷温度为 480～550℃，随后缓冷至室温，得到低温高韧性铈锆复合处理FH40 船板钢。
优选的，所述步骤S1制备得到的钢坯厚度为110～135mm。
优选的，所述步骤S2中锻造阶段压下率为20.8～25.0％，且锻 坯的厚度为95～105mm。
优选的，所述步骤S3中粗轧的单道次压下率为16.3～23.5％， 精轧的单道次压下率为20.2～25.4％，且中间坯的厚度为34～64mm。
优选的，所述步骤S4中I段水冷的速率为100～150℃/s，II段 空冷时间为3.3～5.0s，III段水冷冷却速度28～44℃/s。
本发明的有益效果为：本发明复合添加Ce和Zr，铸态组织为先 共析铁素体、针状铁素体和珠光体；轧态组织为铁素体和贝氏体，对 于γ-α相变后的铁素体晶粒尺度控制有明显细化作用；既能提高强 度，又可以提高低温韧性。该船板钢铁素体体积分数为71～80％， 贝氏体体积分数为20～29％，厚度为16～26mm，屈服强度为435～ 495MPa，抗拉强度为530～599MPa，屈强比为0.76～0.83，-60℃冲 击功为244～275J，断后伸长率为22.4～24.2％。通过对铸坯进行 锻造，可以提高铸件的致密度和减小出现缺陷的倾向；采用三段式快 速冷却的方法，可以适当提高终轧温度，实现船板钢的高温轧制，降 低轧机负荷。-60℃低温冲击韧性值均远远满足船级社的要求，从使 用性能方面改善了船体在运行时的安全性。
附图说明
图1为本发明实施例3制备的低温高韧性铈锆复合处理FH40船 板钢的轧态金相组织照片；
图2为本发明实施例3制备的低温高韧性铈锆复合处理FH40船 板钢的铸态金相组织照片；
图3为本发明实施例3制备的低温高韧性铈锆复合处理FH40船 板钢的应力-应变曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一
S1、准备上述化学质量百分比的原料采用金属锰、硅铁、铌铁、 钢芯铝、钛铁、镍板合金、钼铁、钒铁、铈粉、锆铁进行成分微调； 将铈粉熔炼后通过金属皮包裹加入到熔炼炉底部，熔炼出钢水并铸造 成厚度为135mm的钢坯；
S2、锻造：将步骤S1制备的钢坯加热到1200℃，保温1h进行 锻造，开锻温度为1170℃，终锻温度900℃，然后空冷，锻造厚度依 次为135mm→105mm，锻造压下率为22.2％，得到锻坯；
S3、轧制：
(1)粗轧：将步骤S2制备的锻坯加热至1210℃，保温1.5h， 然后对钢坯进行3道次粗轧，开轧温度为1170℃，轧制厚度依次为 105mm→75mm→59mm→46mm，总累积压下率为56.2％，得到46mm中 间坯，
(2)精轧：对中间坯进行4道次精轧，开轧温度为960℃，总 累积压下率为24.6～64.6％，轧制厚度依次为46mm→37mm→33mm→ 29mm→26mm，终轧温度为880℃，得到厚度为26mm的钢板；
S4：冷却成钢：对钢板进行水冷-空冷-水冷三段式冷却：I段水 冷，冷却至640～680℃，II段空冷，III段水冷冷却，终冷温度为 480～550℃，随后缓冷至室温，得到低温高韧性铈锆复合处理FH40 船板钢。
本实施例制备的低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢组织为铁 素体和贝氏体组织，其中铁素体体积分数为71％，贝氏体体积分数 为20％，铁素体平均晶粒尺寸为10.8μm。所述钢板的力学性能见表 2。
实施例二
S1、准备上述化学质量百分比的原料采用金属锰、硅铁、铌铁、 钢芯铝、钛铁、镍板合金、钼铁、钒铁、铈粉、锆铁进行成分微调； 将铈粉熔炼后通过金属皮包裹加入到熔炼炉底部，熔炼出钢水并铸造 成厚度为120mm的钢坯；
S2、锻造：将步骤S1制备的钢坯加热到1190℃，保温1h进行 锻造，开锻温度为1160℃，终锻温度900℃，锻造厚度依次为120mm →100mm，锻造压下率为16.7％，然后空冷，得到锻坯；
S3、轧制：
(1)粗轧：将步骤S2制备的锻坯加热至1215℃，保温1.5h， 然后对钢坯进行3道次粗轧，开轧温度为1080℃，轧制厚度依次为 100mm→71mm→54mm→43mm，总累积压下率为57％，得到厚度为43mm 的中间坯，
(2)精轧：对中间坯进行4道次精轧，开轧温度为960℃，轧 制厚度依次为43mm→34mm→29mm→24mm→21mm，总累积压下率为 51.2％，终轧温度为880℃，得到厚度为21mm的钢板；
S4：冷却成钢：对钢板进行水冷-空冷-水冷三段式冷却：I段水 冷，冷却至640～680℃，II段空冷，III段水冷冷却，终冷温度为480～550℃，随后缓冷至室温，得到低温高韧性铈锆复合处理FH40 船板钢。
本实施例制备的低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢组织为铁 素体和贝氏体组织，其中铁素体体积分数为75％，贝氏体体积分数 为24％，铁素体平均晶粒尺寸为10.1μm。所述钢板的力学性能见表 2。
实施例三
S1、准备上述化学质量百分比的原料采用金属锰、硅铁、铌铁、 钢芯铝、钛铁、镍板合金、钼铁、钒铁、铈粉、锆铁进行成分微调； 将铈粉熔炼后通过金属皮包裹加入到熔炼炉底部，熔炼出钢水并铸造 成厚度为110mm的钢坯；
S2、锻造：将步骤S1制备的钢坯加热到1215℃，保温1h进行 锻造，开锻温度为1155℃，终锻温度900℃，锻造厚度依次为110mm →95mm，锻造压下率为13.7％，然后空冷，得到锻坯；
S3、轧制：
(1)粗轧：将步骤S2制备的锻坯加热至1215℃，保温1.5h， 然后对钢坯进行3道次粗轧，开轧温度为1080℃，轧制厚度依次为 95mm→67mm→50mm→41mm，总累积压下率为56.8％，得到厚度为41mm 的中间坯，
(2)精轧：对中间坯进行4道次精轧，开轧温度为960℃，轧 制厚度依次为41mm→30mm→24mm→19mm→16mm，总累积压下率为60％，终轧温度为860～880℃，得到厚度为16mm的钢板；
S4：冷却成钢：对钢板进行水冷-空冷-水冷三段式冷却：I段水 冷，冷却至640～680℃，II段空冷，III段水冷冷却，终冷温度为 480～550℃，随后缓冷至室温，得到低温高韧性铈锆复合处理FH40 船板钢。
本实施例制备的低温高韧性铈锆复合处理FH40船板钢组织为铁 素体和贝氏体组织，其中铁素体体积分数为80％，贝氏体体积分数 为29％，铁素体平均晶粒尺寸为9.0μm。所述钢板的力学性能见表 2。
表1本发明实施例1-3的钢板化学成分(wt％)
表1(续)
表2本发明实例1-3制备的船板钢的力学性能参数
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技 术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改 变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技 术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改 变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。