一种具有高CTOD特性的51kg级BCA2止裂钢及其制造方法与流程

本发明属于低合金船舶用钢制造，具体涉及一种具有高ctod特性的51kg级bca2止裂钢及其制造方法。

背景技术：

1、随着集装箱货船向大型化发展，自2016年以来，18000-20000teu的集装箱船订单持续增长，目前已增加到24000teu。随着对大型集装箱货船安全性要求的提高，对甲板上部结构用厚钢板也提出了更高的性能要求。但是随着钢板厚度的增大以及强度的提高，钢材会变脆，止裂特性也会下降。国际船级社协会规定，2014年1月1日后签订合同的集装箱货船，必须履行甲板上部结构采用高止裂性钢的义务，因此限制了超过16000teu巨型集装箱船的生产。

2、集装箱船关键部位采用的止裂钢，因其受力状态不同，关键特性一般分为三类，即bca型、ctod型和兼具bca+ctod型。其中ctod(裂纹尖端张开位移)是一种评价材料和焊接接头抗断裂性能的有效方法、通过计算裂纹尖端附近的张开位移，利用位移外推插值法得到裂纹尖端的应力强度因子的结果，已经成为表征材料断裂韧性的重要指标之一。ctod数值越大，表示裂纹尖端处材料的抗开裂性能越好，即韧性越好；反之，ctod值越小，表示裂纹尖端处材料的抗开裂性能越差，即韧性越低。该指标一直被iacs指南和各国船级社规范列为对于船体和海洋平台用钢断裂韧性的主要考核评价指标，尤其是对于厚度大于50mm、用于关键结构部位的钢板，是必须评价的性能之一。bca是钢板脆性断裂止裂韧性的评价指标，在现有船级社规范中分为bca1型和bca2型两种，其指标分别为6000n/mm3/2和8000n/mm3/2，指标越高，则其脆性断裂的抑止能力越高。

3、公开号为cn113242910a的发明专利《具有优异的脆裂萌生抗力的超厚结构钢材及其制造方法》公开了一种大厚度焊接结构用钢板，在脆性止裂韧性方面达到6000n/mm3/2，即bca1级，但未对ctod进行评价、强度等级仅为47kg，无法满足更高强度等级、更高止裂韧性等级的设计要求。公开号为cn109311126b的发明专利《脆性裂纹传播停止特性优异的焊接结构体》提出了一种抑止脆性裂纹传播的结构钢，最大厚度为50mm，其细化的组织构成提高了裂纹扩展功，使其具有高的裂纹扩展抑制能力。但该材料的强度等级仅为高强级别，对ctod和低温韧性未做评价，厚度偏薄，不适宜用作大型集装箱船舷侧列板等要求大厚度、多种关键特性的结构部位。公开号为cn110616300b的发明专利《一种优良ctod特性的低温用钢及其制造方法》公开一种优良ctod特性的低温用钢，其最大厚度仅为60mm，强度等级为40kg级别，仅具有较好的ctod特性，不仅没有进行脆性断裂止裂韧性指标评价，而且其厚度较小，无法满足超大型箱船的设计建造要求。因此，研究开发一种适用于超大型集装箱船关键部位的50kg级以上、且具有高ctod特征值、bca2型脆性止裂韧性的止裂钢成为当前亟待研究的重要课题。

技术实现思路

1、针对以超大型集装箱船关键结构为代表的核心材料升级与综合性能要求，为解决大厚度材料由于平面应变导致的脆性断裂止裂韧性恶化问题，以及基于强制规范下的材料多种关键特性的高标准要求，本发明的目的是提供了一种具有高ctod特性的51kg级bca2止裂钢及其制造方法。本发明采用特定的成分体系和生产工艺，同时调控产品的相组成和织构组分，获得具有超高强度、耐低温、易焊接、高断裂韧性和裂纹抑止能力等技术特征的止裂钢，不仅适用于超大型集装箱船舱口围板、上甲板龙骨等关键部位，也可用于承受交变载荷、具有高断裂韧性要求的大型焊接结构件。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供一种51kg级高ctod特性的bca2级止裂钢，化学成分及重量百分比为：c：0.05％～0.13％、si：0.15％～0.40％、mn：1.20％～1.60％、p：0.007％～0.012％、s≤0.01％、al：0.01％～0.05％、nb：0.007％～0.050％、ti：0.006％～0.012％、ni：0.50％～1.00％、cu：0.35～0.75％、v:0.03～0.08％，cr、mo和re中的一种或两种以上，cr：0.10％～0.30％，mo：0.08％～0.15％，re：0.02％～0.05％，余量为fe及不可避免的杂质。

4、基于上述技术方案，进一步地，所述的51kg级高ctod特性的bca2级止裂钢的厚度为60～100mm，贝氏体组织百分比在60％以上，屈服强度≥500mpa、抗拉强度600～770mpa，断后伸长率≥20％，-40℃低温冲击功≥200j，ctod(-10℃)≥0.8mm、ndt≤-60℃、止裂韧性kca≥8000n/mm3/2。

5、以下详细阐述本发明止裂钢中各合金成分作用机理，其中百分符号％代表重量百分比：

6、c：是保证钢强度的必要元素，尤其是对于tmcp钢板，含量在0.05％以上，但当含量超过一定量时，对于材料的低温韧性、止裂韧性及焊接性影响恶化作用显著。此外，c含量的增加还会增大钢中冷却形成的残余奥氏体的倾向，恶化焊接性和低温韧性，因此上限为0.13％。优选c含量控制在0.06％～0.13％。

7、si：是炼钢过程中主要的脱氧成分，为了得到充分的脱氧效果必须含0.10％以上。但若超过上限则会降低母材及焊接部位的韧性，以固溶形式存在的si提高强度的同时也能提高韧脆转变温度，因此si的含量为0.15％～0.30％。

8、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。锰作为低成本的强韧化元素，其含量过低，无法保证材料的强度，但当mn含量高于1.60％时，会加重铸坯偏析并恶化粗晶热影响区(cghaz)的低温韧性，因此优选的mn含量应该控制在1.20％～1.60％。

9、p：是钢中不可避免的杂质元素，会恶化钢的韧性和焊接性能。研究表明，当p含量过高时，其脆化性能显著提高，因此上限优选为0.012％。

10、s：含量如果超过0.02％，会在钢中形成大量的mns夹杂，而mns夹杂的形成及其产生的各向异性，严重降低钢板的韧塑性、焊接性；同时，s含量的提高会造成热轧钢板热裂倾向的增大，因此，冶炼过程中会采取措施使钢中s含量尽可能降低。本发明中，确定s含量上限为0.01％。

11、al：作为脱氧和细化晶粒元素，一般添加含量在0.01％以上，但超过0.05％时容易产生铸坯热裂纹，形成大量夹杂，同时钢的韧性降低，因此al含量上限为0.05％，优选含量范围为0.01％～0.05％。

12、ni：作为奥氏体稳定化元素，ni的增加可提高固溶强化效果，镍可降低临界冷却速度，延迟珠光体转变，对本发明所述高ctod特性止裂钢板的组织控制、晶粒细化和均匀化有益，但过高的含量会显著提高成本，宜将其含量控制在0.50％～1.00％之间。

13、cu：能够明显提升钢板淬透性和耐腐蚀能力，也是钢中奥氏体稳定性元素，适量的加入可细化tmcp钢板的微观组织，提升低温韧性；但过多的加入，会造成“铜脆”倾向，铸坯表面和内部易出现裂纹，降低轧后钢板的力学性能，而且使韧性降低，引起钢板脆化。本发明采用tmcp+回火工艺，利用cu的弥散析出，在不损害韧性的情况下，获得高强度，因此，本发明cu含量优选控制在0.45％～0.75％之间。

14、cr：铬是弱碳化物形成元素，一定的cr含量加入，可提高钢板的淬透性、促进以贝氏体为代表的强化组织的形成，其可以替代一部分的c、mn等强化元素，降低前者因提高强度而带来的韧性恶化作用，但较高的cr加入后，也会导致焊接性能的恶化，因此在tmcp工艺下，优选的cr含量范围在0.10％～0.30％之间。

15、mo：作为显著提高淬透性和贝氏体化倾向的元素，在钢中适当添加mo可抑止珠光体的形成，其提高钢的强化性作用与cr相似，通过碳化物的形成来提高钢的强度，但添加过多也会造成焊接性和低温韧性的恶化，因此优选的mo含量范围在0.08％～0.15％之间。

16、nb：产生细晶强化的关键元素之一，细化作用表现在两方面，其一对奥氏体再结晶具有显著地延迟作用，提高再结晶温度，防止再结晶奥氏体长大；其二是随着轧制温度的降低，nb的c、n化物在奥氏体向铁素体转变前弥散析出，成为铁素体形核质点，使铁素体在小过冷度下形成，不易长大，细化铁素体晶粒尺寸。作为非再结晶温度区间扩大的nb元素，可通过晶粒细化增加高角晶界，进而改善止裂韧性。

17、ti：微量钛与钢中c、n结合，形成细小稳定的c、n化物颗粒，在板坯加热过程中可以有效阻止奥氏体晶粒粗化，焊接时可以抑制焊接热影响晶粒粗化，改善基体组织和焊缝热影响区的低温韧性。

18、n可以与nb、ti、v形成细小析出物，发挥强化和细晶作用，提高强韧性，但含量过高使焊接性恶化，且易产生应变时效，恶化低温韧性，其含量控制在0.001％～0.004％为宜。

19、re：稀土元素可深度降低钢中低熔点元素在晶界偏聚而导致的恶化行为，通过净化晶界来提高强度和韧性；改变钢中硫化物的分布和形态，特别是钢中mns夹杂在热轧时易形成细条状分布，造成钢具有明显的方向性，严重恶化横向性能。同时，一定量的稀土元素还可以改善钢的可焊性和耐腐蚀性，优选含量为0.02％～0.05％。

20、本发明还提供上述的51kg级高ctod特性的bca2级止裂钢的制造方法，主要包括冶炼、精炼、连铸、加热、轧制、冷却、和回火处理工艺过程；其中，

21、加热工艺过程中加热温度为1100～1150℃，保温时间为0.8～1.5min/mm；该温度设置是由于，低于1100℃的温度不足以让nb等合金元素完全溶解到奥氏体中，无法保证热轧所需的终轧温度，而高于1150℃，使得原始奥氏体晶粒粗化显著，会降低钢板的低温韧性；

22、轧制工艺过程分为两个阶段轧制，第一阶段轧制在奥氏体再结晶区轧制，第二阶段轧制在未再结晶区轧制；

23、冷却工艺过程为层流冷却，开冷温度730℃以上，终冷温度550℃以下，冷却速率控制在1-4℃/s；

24、回火处理工艺过程，回火温度为580-630℃，回火时间1.5-2.3min/mm，出炉后空冷至室温。

25、基于上述技术方案，进一步地，加热工艺过程中加热温度为1100～1140℃，保温时间为1～1.2min/mm。

26、基于上述技术方案，进一步地，第一阶段轧制的开轧温度为930℃～1105℃，累积压下量不低于45％，第二阶段轧制的开轧温度为800℃～840℃，终轧温度为750℃～790℃，累积压下量不低于45％。

27、基于上述技术方案，进一步地，开冷温度为690～730℃，终冷温度为500～550℃。

28、基于上述技术方案，进一步地，冶炼工艺过程采用深脱硫铁水，铁水s≤0.02％，铁水至转炉后，采用“双渣”脱磷与炉后钢水“扒渣”相结合的工艺冶炼，终渣碱度控制在r＝3.0±0.1之间，挡渣操作，放钢时间不小于6min。

29、基于上述技术方案，进一步地，冶炼工艺过程采用高拉碳一次点吹方式生产。

30、基于上述技术方案，进一步地，所述的精炼为lf精炼，采用铝粒、碳化硅、碳化钙调渣，进一步降低o、s、非金属夹杂等有害杂质含量。

31、基于上述技术方案，进一步地，连铸工艺过程中过热度≤20℃，采用重压下和铸坯凝固末端电磁搅拌，重压下量为15～25mm，二冷采用分段式冷却，前段强冷，冷却速率10～30℃/s，后段弱冷，冷却速率为5～15℃/s，连铸坯拉速1.0-1.3m/min，浇铸板坯厚度280～320mm。

32、本发明相对于现有技术具有的有益效果如下：

33、(1)本发明提供的适用于超大型集装箱船关键部位的51kg级、且具有高ctod特征值、bca2型脆性止裂韧性止裂钢，ctod≥0.8mm、-40℃低温冲击功≥200j以上，kca≥8000n/mm3/2，满足了超大型集装箱船对钢材强度等级、断裂韧性提升的要求。

34、(2)由于止裂钢在制造过程中需要进行焊接及焊后消应力处理，以减少焊接接头位置由于应力集中导致的断裂发生，单纯采用tmcp工艺生产的钢板，其往往无法满足回火稳定性，极易发生性能下降。而本发明通过tmcp+回火，在保证强度的同时，改善材料韧性的同时，保证了钢板具有良好的回火稳定性，利于工程应用。

35、(3)本发明利用nb、ti元素抑制奥氏体晶粒长大并在奥氏体转变过程中的促进形核来细化晶粒，控制厚度心部组织，提高组织均匀性；配以相应的独特生产工艺解决了大厚度、高ctod型止裂钢的技术指标匹配难题。

36、(4)本发明通过添加适量强韧化元素并配以精准控制的冶炼及tmcp+回火工艺，实现细晶、析出和相变强化的综合作用；如通过加入适量cu，以析出强化保证强度，同时mo的加入提高了回火稳定性，ni的添加避免了低温韧性和止裂性能、焊接性的恶化。

37、(5)本发明通过调控相组分和织构组态，实现高断裂韧性和止裂韧性等特征，兼具超强度的条件下，特别是获得一定组分贝氏体和{112}<110>织构，可提高协调变形能力和裂纹扩展阻力，从而产生较高的启裂功和裂纹扩展功，获得了良好的断裂韧性。

38、(6)本发明的制备工艺完备且经济实用，可以满足批量稳定化生产需要。