一种抗包申格效应优良的1000MPa海工用钢板及其制备方法与流程

本发明属于钢铁材料制备，特别涉及一种抗包申格效应优良的1000mpa海工用钢板及其制备方法。

背景技术：

1、自21世纪伊始，船舶及海洋工程领域迎来了迅猛的发展。特别是随着北极航线的开放和寒带海洋资源的勘探开发，对相关技术和设备的挑战日益严峻。北极地区蕴藏着丰富的石油、天然气等能源，其开发利用为全球能源结构带来了新的变革机遇。然而，这一区域极端的气候条件，如低温、强腐蚀性环境，对船舶和海洋工程装备提出了更为苛刻的性能要求，包括必须具备更强的抗包申格效应、抗低温、抗腐蚀、抗疲劳等特性。在这一背景下，海工用钢材料的研究和开发变得尤为关键。新型海工用钢不仅要能够承受极端环境下的力学载荷影响，还需具备良好的抗形变性能、焊接性能、抗腐蚀能力以及足够的低温韧性。目前，研究集中在微合金化技术、控制轧制冷却及热处理工艺等方面，旨在通过这些先进技术提升材料的抗形变性、抗腐蚀性和其他综合性能。

2、海洋工程平台在服役过程中，面临着复杂的海洋环境挑战。除了常规的力学负荷外，还需抵御风浪、潮汐、冰冲击、地震等自然因素的考验。这些因素对材料的选择提出了特殊要求，尤其是在高盐、潮湿的海洋气候中，钢板容易受到腐蚀和生物附着，导致性能下降和寿命缩短。因此，开发出能够在极端海洋环境中稳定工作的高品质海洋工程用超高强钢显得尤为迫切。这种钢材需要具备高强度、超低温韧性、抗包申格效应、优异的抗疲劳性能、易焊接性、良好的耐蚀性和抗海洋生物附着能力，以确保海洋工程平台的长期稳定运行。

3、目前，现有海洋工程用钢已能满足海工领域市场的大部分需求，但更低韧脆转变温度、优良抗形变性能的特殊钢材仍是世界各国的发展的目标，高服役安全性的高强钢板的研发难度高，生产工艺严格，对设备要求高，开发难度大。

4、公开号为cn1922337b的发明专利《包申格效应的体现小的钢板或钢管及其制造方法》提出了一种仅含c、si、mn、p、s元素的低包申格效应钢管，在化学成分和生产工艺方面，都无法解决大厚度超高强度级别钢板的低包申格效应问题。公开号为cn102560254b的发明专利《一种低包申格效应及低应变时效效应钢管的制造方法》提出了一种屈服强度480-700mpa的抗包申格效应钢管，采用cr+cu+nb+v合金成分，无法生产大厚度超高强度级别低包申格效应钢板。因此，研究开发一种适用于严苛环境海洋工程领域的抗包申格效应大厚度1000mpa级超高强度海工钢板成为当前亟待研究的重要课题。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明的目的是提供了一种抗包申格效应优良的1000mpa海工用钢板及其制备方法，本发明制备的海工用钢板的最大厚度可达50mm，有效晶粒尺寸2～7μm，屈服强度≥1000mpa，抗拉强度1030～1250mpa，延伸率≥16％，均匀变形延伸率≥6％，-60℃夏比冲击功≥120j，2％残余应变时，包申格效应比≥0.9，其力学性能、高服役安全性能完全可以满足海洋工程设备服役要求。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供一种抗包申格效应优良的1000mpa海工用钢板，按重量百分比计，包括以下组分c：0.06％～0.14％，si：0.15％～0.4％，mn：0.9％～1.3％，p≤0.02％，s≤0.01％,als：0.02％～0.06％，ni：7.0％～12.0％，cr：0.3％～0.45％，mo：0.3％～0.65％，cu：0.3％～1.2％，nb：0.03％～0.08％，v：0.08％～0.18％，ti：0.01％～0.025％，其余为fe和不可避免的杂质，ceq为1.0～1.4。

4、钢中各化学元素的作用机理如下：

5、c作为钢中提高钢板强度和硬度的重要元素，c含量过低是会导致c固溶含量和碳化物含量降低，钢板强度和刚度不足，抗包申格效应能力较差。c含量过高将产生过量淬硬组织，钢板韧性降低，所以精确控制c元素含量在0.06％～0.14％。

6、si可提高钢板的强度、耐磨性，适当加入si元素可以提高钢材的刚度，同时si可减少o含量，si含量低于0.15％时脱氧效果不明显，si含量大于0.4％时会导致低温韧性较差，本发明si含量为0.15％～0.4％。

7、mn元素可大量固溶于fe基体中，提高钢板强度，mn含量低于0.9％时对大厚度钢板强度贡献较小，同时mn是扩大奥氏体相区元素，提高奥氏体稳定性，本专利采用洁净化冶炼可以适当增加mn元素含量，起到提高钢板均匀变形延伸率的作用，当mn元素质量百分含量大于1.3％时，偏析又会使得厚板芯部的低温韧性较差，本发明mn含量为0.9％～1.3％。

8、p、s元素对钢板的力学性能特别是抗疲劳性能没有益处，应控制p≤0.02％，s≤0.01％。

9、al是钢中主要的脱氧元素，当al含量过低时v、ti等微合金元素因被氧化无法起到细化晶粒的目的；相反al元素过高则形成大型夹杂物，本发明als含量为0.02％～0.06％。

10、ni的作用是改善钢板韧性和热加工性，大量加入可以获得较低的韧脆转变温度，提高钢板韧塑性，同时ni元素的加入可以改善cu元素在钢中的热裂倾向，ni元素具有一定的抗点蚀作用，本发明ni含量为7.0％～12.0％。

11、cr元素在钢中可以有效的提高钢板强度和刚度；适当提高cr含量，可以提高钢板均匀变形能力，但是cr含量过高会降低钢板冲击韧性，本发明cr含量为0.3％～0.45％。

12、mo元素可以提高钢板的淬透性，同时mo元素在钢中可以形成细小碳化物，能有效提高钢板屈服强度，同时，热处理钢板中添加适量mo元素可以提升钢板韧性，本发明mo含量为0.3％～0.65％。

13、cu元素是本发明添加的重要元素，在钢中可以提高钢板的强度，cu元素可以在钢中与ni元素共同作用，降低钢板韧脆转变温度，单独加入过量的cu元素会造成热脆性，钢板表面质量下降，且钢板低温韧性下降，但是本发明中添加了大量ni元素，结合本发明中的加热轧制工艺，可以有效避免cu脆问题，发挥cu元素的作用。本发明cu元素含量为0.3％～1.2％。

14、nb是本发明主要添加元素，提高钢板强韧性的同时改善钢板弹性变形范围内均匀变形能力。加热时未溶解的nb的c、n化物颗粒分布在奥氏体晶界上，可阻碍钢在加热时奥氏体晶粒长大，细化晶粒，同时改善耐疲劳性能和韧性，进而提高钢板的抗包申格效应；在钢板冷却过程中，nb(cn)大量析出，进一步促进位错缠结、细化晶粒。在本发明中nb含量为0.03％～0.08％。

15、v元素可以在基体中形成v(c,n)粒子，可以起到细化晶粒的作用，v元素的加入可以提升钢板抗包申格效应。本发明v含量为0.08％～0.18％。

16、ti元素的加入是为了使ti、n形成tin，阻止钢坯在加热、轧制过程中晶粒的长大，可以提升钢板强度和均匀弹性变形能力，超过0.025％时，将会使钢的韧性恶化。故在本发明中ti含量为0.01％～0.025％。

17、基于上述技术方案，进一步地，所述的海工用钢板的厚度为10～50mm，有效晶粒尺寸2～7μm，金相组织为回火马氏体和残余奥氏体，残余奥氏体的比例为2～5％，屈服强度≥1000mpa，抗拉强度1030～1250mpa，延伸率≥16％，均匀变形延伸率≥6％，-60℃夏比冲击功≥120j，2％残余应变时，包申格效应比≥0.9。

18、本发明还提供上述的抗包申格效应优良的1000mpa海工用钢板的制备方法，包括如下步骤：

19、(1)加热：将铸坯在炉温600～700℃下装入加热炉，保温60～90min，目的是使钢坯在低温阶段保持特厚坯料厚度方向温度一致，避免cr、cu元素受热不均造成坯料内部缺陷产生；升温至加热段温度，加热段温度1190～1260℃，加热段保温时间2～10h，均热保温的目的是在保证微合金的c/n化物充分溶解的同时，避免铸态组织异常长大、避免坯料中高cu高mn含量造成表面缺陷；

20、(2)轧制：采用两阶段控轧工艺，一阶段开轧温度为1150～1250℃，一阶段单道次轧制平均压下量为10～15mm，一阶段总压下率≥40％，高温一阶段的轧制目的在于利用材料在高温时的良好塑性，此时坯料芯部温度较高而表面温度较低，硬化程度不明显，因此可以进行大压下量轧制，这种轧制方式有助于破坏坯料芯部的柱状组织，增加芯部组织的形变，从而改善材料的微观结构；轧制得到的中间坯的冷却工艺同样重要，控制在5-8℃/s的冷却速率进行水冷，可以有效提高钢板的轧制生产效率；此外，适当缩短中间坯的冷却时间，可以防止坯料芯部的组织晶粒在冷却过程中重新长大；重新长大的晶粒会削弱第一阶段轧制中坯料芯部晶粒形变积累的效果，进而影响钢板的低温冲击韧性和抗疲劳性能；因此，中间坯冷却工艺的优化对于保证最终产品的性能至关重要；

21、二阶段开轧温度890～1000℃，二阶段单道次轧制平均压下量为6～15mm，二阶段累计压下率≥45％，终轧温度为≥850℃；第二阶段低温轧制目的是利用表面温度下降较多，增加钢板芯部变形量，改善钢板芯部晶粒尺寸，促进奥氏体晶粒扁平化、细小化；利用ni、cu、nb、v等合金元素共同作用，起到细晶强化改善位错密度，提高钢板屈服强度和弹性变形均匀性，而单道次压下率和轧制温度对晶粒细化和c/n化物均匀析出最为重要；

22、(3)调质：包括亚温淬火、淬火和回火，亚温淬火温度590～760℃，亚温淬火保温时间1～5min/mm，淬火温度800～900℃，淬火保温时间1～2min/mm，淬火冷却速率5～20℃/s，回火温度500～600℃，回火保温时间150～250min；亚温淬火的主要目的是在钢中形成残余奥氏体，这有助于提高钢板在低温条件下的韧性。通过控制加热温度，亚温淬火避免了奥氏体晶粒的过度长大，从而在淬火过程中保持了材料的微观结构完整性，这有助于提高材料的韧性并减少脆性。高温淬火则是为了确保钢的微观结构能够充分转变为奥氏体，这是淬火过程中形成马氏体的前提。通过在适当的温度下进行快速冷却，可以促进组织转变为马氏体，从而提高钢板的硬度和强度。亚温淬火与高温淬火工艺相结合，可以更好的起到细化晶粒的作用。通过晶界强化代替位错强化的方法，从而避免因预先受载产生少量塑性变形，位错沿某滑移面运动而形成位错缠结或胞状组织。这种位错移动在卸载后施加反向力，位错被迫作反向运动，因为在反向路径上障碍较少，位错可以在较低应力下移动较大距离，就会造成明显的包申格效应。本发明采用特别细小的微观晶粒组织形成的晶界强化代替常规的位错强化机制，可以显著的降低钢板在受力后的包申格效应。同时，高温淬火需要在不引起钢板开裂或变形的情况下进行，以确保材料的完整性和加工性能；高温回火是淬火后的一个关键步骤，它通过调整回火温度和保温时间，可以优化基体组织并促进第二相的析出。这种处理方式有助于降低钢板的强度和硬度，同时提高其塑性和韧性。充分的回火处理能够使回火转变产物尽可能完成转变，从而达到改善材料综合性能的目的。

23、基于上述技术方案，进一步地，步骤(1)中所述升温过程的升温速率控制在1.5～5℃/min，避免钢坯受热过快导致钢坯内外应力过大造成裂纹缺陷。

24、基于上述技术方案，进一步地，步骤(1)中加热段温度1200～1250℃，加热段保温时间3～7h。

25、基于上述技术方案，进一步地，步骤(2)中一阶段开轧温度为1170～1230℃，一阶段总压下率控制在40～55％。

26、基于上述技术方案，进一步地，步骤(2)中二阶段开轧温度900～980℃，二阶段总压下率控制在45～60％，终轧温度为850～930℃。

27、基于上述技术方案，进一步地，步骤(3)中亚温淬火温度600～750℃，亚温淬火保温时间1～2min/mm，淬火温度820～880℃，淬火保温时间1～1.5min/mm，淬火冷却速率6～15℃/s，回火温度500～580℃，回火保温时间180～250min。

28、基于上述技术方案，进一步地，步骤(1)中所述的铸坯的制备包括如下步骤：将钢水通过转炉、lf炉、rh或vd炉精炼，进一步降低p、s和非金属夹杂物含量，连铸成铸坯，连铸过程全程保护浇铸。

29、本发明相对于现有技术具有的有益效果如下：

30、针对极寒深海海洋环境对超高强海工钢的成分性能要求，本发明利用c、si、mn、ni、cr、mo、cu与微合金元素v、nb、ti相配合的成分设计，通过合金元素筛选与配比、钢质洁净度控制、高效轧制工艺优化等多个方面进行了大量系统的研究，通过调质工艺中亚温淬火与高温淬火工艺相结合，可以更好的起到细化晶粒的作用，细小的微观晶粒组织形成的晶界强化代替常规的位错强化机制，可以显著的降低钢板在受力后的包申格效应，制备得到的最大厚度50mm的抗包申格效应优良的1000mpa海工用钢板具有优良的强韧性能和抗包申格效应性能，钢板的屈服强度≥1000mpa，抗拉强度1030～1250mpa，延伸率≥16％，均匀变形延伸率≥6％，-60℃夏比冲击功≥120j，2％残余应变时，包申格效应比≥0.9，具有较为广阔的应用前景。