一种低温韧性15NI钢及其制造方法.pdf

本发明公开了一种低温韧性1.5Ni钢及其制造方法，其化学成分的重量百分配比为：C 0.02～0.10wt％，Si 0.22～0.30wt％、Mn 1.00～1.50wt％、V≤0.08wt％、Ni 1.20～1.60wt％、S≤0.005wt％、P≤0.010wt％、Nb≤0.03wt％、Ti≤0.04wt％、Al≤0.04wt％，N 0.002～0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质。其制造方法包含如下步骤：冶炼和浇铸成铸坯；铸坯加热，控制轧制，热处理。本发明钢以微合金钢经控制轧制后，调质处理的方法生产一种屈服强度达400MPa以上、抗拉强度500MPa以上、低温冲击韧性满足-100℃要求的高强度低温压力容器钢板的方法。适用于制作低温压力容器，液化天然气和液化石油气储罐、石油化工储罐等容器。

1.  一种低温韧性1.5Ni钢，其特征在于化学成分百分配比为：C0.02～0.10wt％、Si0.22～0.30wt％、Mn1.00～1.50wt％、V≤0.08wt％、Ni1.20～1.60wt％、S≤0.005wt％、P≤0.010wt％、Nb≤0.03wt％、Ti≤0.04wt％、Al≤0.04wt％、N0.002～0.005wt％，且Ni+Mn＝2.40～3.00wt％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.  如权利要求1所述的低温韧性1.5Ni钢，其特征在于所述成分中Nb、V、Ti中至少有一种不为零。

3.  如权利要求1或2所述的低温韧性1.5Ni钢，其特征在于所述的成分中Nb+V+Ti≤0.10wt％。

4.  一种低温韧性1.5Ni钢的制造方法，其特征在于包含以下步骤：
(1)按照如下配比冶炼并浇铸成铸坯：C0.02～0.10wt％、Si0.22～0.30wt％、Mn1.00～1.50wt％、V≤0.08wt％、Ni1.20～1.60wt％、S≤0.005wt％、P≤0.010wt％、Nb≤0.03wt％、Ti≤0.04wt％、Al≤0.04wt％、N0.002～0.005wt％，且Ni+Mn＝2.40～3.00wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；
(2)铸坯加热，加热温度1150～1250℃；
(3)控制轧制，再结晶区控轧轧制的终止温度900℃～1100℃；非再结晶区控轧轧制的开始温度850℃～950℃；两相区轧制温度800～850℃；
(4)冷却，终止冷却温度≤300℃；
(5)热处理，淬火温度850℃～950℃，回火温度550℃～660℃。

5.  如权利要求4所述的低温韧性1.5Ni钢的制造方法，其特征在于所述步骤(1)中，加入的Nb、V、Ti中至少有一种重量百分比不为零。

6.  如权利要求4所述的低温韧性1.5Ni钢的制造方法，其特征在于所述步骤(1)中，加入的Nb+V+Ti≤0.10wt％。

7.  如权利要求4所述的低温韧性1.5Ni钢的制造方法，其特征在于所述步骤(3)中，再结晶控制轧制的累计压下率≥50％；未再结晶控制轧制的累计压下率≥20％；两相区控制轧制的累计压下率≤10％。

8.  如权利要求4所述的低温韧性1.5Ni钢的制造方法，其特征在于所述步骤中，各阶段保温时间根据板厚按照1～3.5min/mm计算得出。

一种低温韧性1.5Ni钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种Ni钢，特别属于低温韧性1.5Ni钢及其制造方法。
背景技术
低温钢主要用于制造储存和运输各类液化气体的压力容器和储罐。Ni是发展低温钢中的一个重要元素，根据Ni含量的不同发展了1.5Ni、3.5Ni、5Ni、9Ni等不同级别的低温钢，以适用于不同的低温环境和介质，其中1.5Ni钢被广泛应用于化工和石油化工等领域—45℃～—80℃低温压力容器用钢，如化工企业的乙烯装置，城市煤加压气化中的低温甲醇洗装置等，还可满足LPG(液化石油气)贮藏和输送的需要。作为低温钢，很重要的一个技术指标就是低温冲击韧性，合金元素Ni加入钢中，固溶于铁素体，使基体的低温韧性得到显著的改善，但Ni是一种较贵重元素，约280000元/吨，增加成本的同时，含Ni钢的铸坯在加热时容易形成难以去除的致密氧化铁皮，给加热轧制工序带来困难。因此探索降低低温钢生产成本而又保证良好的低温韧性的生产工艺将为低温容器用1.5Ni钢的发展起重要作用。
经国内、国际联机检索，专利号JP2000001735该专利阐述了一种具有渗氮能力且高温强度和低温韧性良好的低合金钢，通过增加Ni含量和控制再结晶晶粒的大小提高高温下的强度和低温冲击韧性，并且淬透性得到增强，适宜制造大尺寸工件。专利号JP2002129280JP09302445A该专利阐述了一种压力容器用含Ni钢板的生产方法，可实现低温焊接，满足各种低温压力容器用钢标准中的关于强度的要求。它采用低碳成分设计，Ni含量涵盖1.5％至9.5％，并含有0.02～0.08％Mo，钢板经过淬回火处理。为了得到晶粒细化的组织，在750～850℃进行累计变形率大于50％的轧制，轧后以大于2℃/s的冷速冷却至400℃以上，或者冷却至400℃以下，再在Ac₁温度或以下进行回火。专利号US4137104A阐述了一种用于制造北极地区管道用高强度、良好低温韧性钢板的制造方法，其中Ni含量为0.8～2.0％Ni，并通过添加0.0005～0.0040％Ca对夹杂物进行改性处理，其发明目的在于提供一种廉价的低温钢，用于制造大尺寸口径的管线钢，以替代3.5Ni钢。专利号JP54071714A阐述了一种高强度、高止裂韧性钢的生产方法。其中包括0.03～0.18％C，0.05～0.60％Si和0.6～2.0％Mn基本元素，可加元素包括一种或一种以上的：Nb≤0.15％，V≤0.15％，Cu≤0.7％，Cr≤0.7％，Mo≤0.3％，Ni≤2.0％和Al≤0.1％。专利号JP60103118A专利阐述了一种价廉但低温韧性优良的条钢制造方法。其添加了Mo这种较贵重合金元素，成分体系与本专利有所区别，具体成分对比如表1所示。它的轧制工艺为：在850℃以下进行轧制量大于60％的变形，880℃以下完成终轧，轧后空冷至室温或者进一步在500℃～700℃之间进行回火。专利号CN99109124.8阐述了一种超细组织微合金钢控制轧制方法，主要工艺流程如下：首先，钢坯加热至1150℃～1220℃使微合金元素充分溶解，钢坯出炉后在900℃～1150℃温度范围内，实施两道次控轧，每一道次的变形量在20～40％之间，然后在800℃～840℃温度范围内对钢坯实施连续三道次应变诱导轧制，每道次的变形量为30～50％，各道次的间隔时间小于10秒，在完成上述应变诱导轧制以后，以≥10℃/s的冷却速度对钢板实施加速冷却。专利号CN98812439.阐述了一种含有少于9％Ni含量具有优异低温韧性的高强度钢的生产工艺。轧制工艺是：在奥氏体可发生再结晶的温度范围，采用一个或多个道次；在低于奥氏体再结晶温度但高于Ar₃转变点的温度范围，采用一个或多个道次。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低温韧性1.5Ni钢及其制造方法，以弥补现有技术的不足，提高高低温韧性的优异性能。本发明采用奥氏体再结晶区和未再结晶区轧制，并在两相区进行了变形量小的轧制，得到一种贝氏体型针状铁素体组织。与以往上述已经申请的专利相比，本专利的合金配方相对简单，只添加含量不超过0.10％的合金元素，降低了生产制造成本且增加了生产的可制造性；采用低碳成分设计，可保证良好的焊接性能；利用了Nb在控轧中的作用，有效的细化晶粒，提高了产品的综合性能，而且可采取灵活多变的轧制工艺，提高生产效率、减小轧机负荷。
本发明解决上述问题的技术方案为：一种低温韧性1.5Ni钢，其化学成分的重量百分配比为：C0.02～0.10wt％、Si0.22～0.30wt％、Mn1.00～1.50wt％、V≤0.08wt％、Ni1.20～1.60wt％、S≤0.005wt％、P≤0.010wt％、Nb≤0.03wt％、Ti≤0.04wt％、Al≤0.04wt％、N0.002～0.005wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，所述的成分中Ni+Mn＝2.40～3.00wt％。
可选择地，所述的成分中Nb、V、Ti中至少有一种不为零。
优选地，所述的成分中Nb+V+Ti≤0.10wt％。
碳C：是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但是提高C含量对钢的延性、韧性和焊接性有负面影响。低温钢在制造压力容器时对焊接性能要求严格，所以C含量不能过高，本发明钢中设计碳的控制范围为0.02％至0.10％，主要是基于钢的强韧性匹配和焊接性能，碳含量太低则钢中没有足够的碳化物和固溶碳，在奥氏体转变过程中不利于形成足够的强化相从而获得所需的强度；反之，碳含量过高则钢的塑性和韧性降低，焊接性也变差。
硅Si：硅在钢中起固溶强化作用，同时也是钢中的脱氧元素，但含量过高会恶化钢材的焊接性能。
锰Mn：和Ni、N一样，锰能阻止回火处理过程中奥氏体晶粒的长大，提高铁素体基体的韧性和强度，另外锰能提高奥氏体稳定性并降低奥氏体相变温度，锰是弱碳化物形成元素，在钢中主要起固溶强化作用，有利于提高奥氏体转变组织强度。此外，Mn是替代Ni的有用元素，因此锰含量的添加取决于镍含量，本发明钢中设计锰的控制范围为1.00％至1.50％，且Ni+Mn＝2.40～3.00％，含量过高，将增加碳化物形成的几率，对韧性不利。
硫S和磷P：是钢中不可避免的有害元素，对钢的塑性和韧性不利。冶炼时尽量降低硫、磷含量，提高钢材纯净度。
铌Nb：铌是强碳和氮的化合物形成元素，对晶粒细化的作用十分明显。通过热轧过程中NbC应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经控制轧制和控制冷却使精轧阶段非再结晶区轧制的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物，以使钢具有高强度和高韧性，适当的含量充分发挥控制轧制的作用。而含高过高没有进一步的效果，所以本发明钢种Nb含量控制在0.030％以内。
钛Ti：是一种强烈的碳氮化物形成元素，Ti的未溶的碳氮化物在钢加热时可以阻止奥氏体晶粒的长大，在高温奥氏体区粗轧时析出的TiN和TiC可有效抑制奥氏体晶粒长大，同时提高Nb在奥氏体中的固溶度。另外在焊接过程中，钢中的TiN和TiC粒子能显著阻止热影响区晶粒长大，从而改善钢板的焊接性能同时对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用。但钛含量过高，形成的氮化钛粗大，且钢中固溶的碳量减少，不利于获得良好的强韧性匹配。
钒V：V通过与C和N形成VN或V(CN)微细析出粒子，对钢的强化做出贡献。同时，V有利于提高调质后硬度的稳定性。但如含量太高，则成本增加显著。
铝Al：铝是钢中的主要脱氧元素，有利于细化晶粒，一般的钢中均加入一定量的铝。
氮N：在加钛的钢中，适量的氮与钛形成氮化钛，这种第二相粒子易在高温析出有利于强化基体，并且氮化钛非常稳定，在均热时可稳定存在，有效阻止奥氏体晶粒长大。
所述的一种低温韧性1.5Ni钢的制造方法，其包含以下步骤：
(1)按照如下配比冶炼并浇铸成铸坯：C0.02～0.10wt％、Si 0.22～0.30wt％、Mn 1.00～1.50wt％、V≤0.08wt％、Ni 1.20～1.60wt％、S≤0.005wt％、P≤0.010wt％、Nb≤0.03wt％、Ti≤0.04wt％、Al≤0.04wt％、N 0.002～0.005wt％，且Ni+Mn＝2.40～3.00wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；
(2)铸坯加热，加热温度1150～1250℃；
(3)控制轧制，再结晶区控轧轧制的终止温度900℃～1100℃；非再结晶区控轧轧制的开始温度850℃～950℃；两相区轧制温度800～850℃；
(4)冷却，终止冷却温度≤300℃；
(5)热处理，淬火温度850℃～950℃，回火温度550℃～660℃。
可选择地，步骤(1)中，加入的Nb、V、Ti中至少有一种重量百分比不为零。
优选地，步骤(1)中，加入的Nb+V+Ti≤0.10wt％。
优选地，步骤(3)中，再结晶控制轧制的累计压下率≥50％；未再结晶控制轧制的累计压下率≥20％；两相区控制轧制的累计压下率≤10％。
优选地，各阶段保温时间根据板厚按照1～3.5min/mm计算得出。
本发明的优点和效果是：高低温韧性1.5Ni钢的成分设计是以低碳、微合金化，通过增加Mn降低Ni含量和添加微量晶粒细化元素Nb、Ti、V；结合热轧控轧控冷工艺，获得了一种贝氏体型针状铁素体组织，有效的保证了1.5Ni钢的低温韧性。适宜制作低温压力容器。与现有Ni系低温钢钢种3.5Ni钢相比，本发明生产出的1.5Ni钢的性能达到以下要求：拉伸性能(横向)：目标：Rm＝490～640MPa；Rp_0.2≥355MPa；A≥22％。
V型缺口冲击性能：目标：试验温度—80℃，10×10×55mm试样的冲击功平均值≥200J；—100℃，10×10×55mm试样的冲击功平均值≥150J。金相组织目标：贝氏体型针状铁素体组织。
附图说明
图1是本发明实施例的金相组织示意图。
具体实施方式
一种低温韧性1.5Ni钢及其制造方法，其化学成分的重量百分配比为：C0.02-0.10wt％，Si 0.22-0.30wt％、Mn 1.00-1.50wt％、≤V 0.08wt％、Ni1.20-1.60wt％、S≤0.005wt％、P≤0.010wt％、Nb≤0.03wt％、Ti≤0.04wt％、Al≤0.04wt％，N0.002-0.005wt％，其余为Fe。
表1是1.5Ni钢的国内外专利与本发明对比：化学成分(wt％)
以上是较接近的国内外专利对比，详细化学成分见表1。通过对比上述专利可以发现：很少有专利设计到1.5Ni钢的生产，研究较多的两种情况是：Ni含量大于1.5％直至12.0％；小于1.2％，只作为辅助添加元素来使用，对含1.20％～1.60％Ni含量的低温钢涉及较少。大部分专利都添加了Cr、Mo等合金元素，提高性能的同时也提高了制造成本，对比发现，本发明只添加微量Nb、Ti、V中的一种或一种以上，且总重量不超过0.1％，大大降低了制造成本。专利JP54071714A、JP60103118A、CN99109124.8、CN200510024776.8、CN98812439.4中都涉及到了控制轧制的工艺，与本发明相比，所采用的控轧的工艺有所区别，以上专利都要求在奥氏体区进行不同变形量的轧制，本发明采用奥氏体再结晶区和未再结晶区轧制，并在两相区进行了变形量小的轧制，得到一种贝氏体型针状铁素体组织。
一种低温韧性1.5Ni钢的制造方法，其包含以下步骤：冶炼和浇铸成铸坯；铸坯加热，控制轧制，热处理。

由于合金配方相对简单，只添加Nb、Ti、V中的一种或一种以上，总含量不超过0.10％，降低了生产制造成本且增加了生产的可制造性；以低碳为特点，加入1.5％左右的Ni，增加了低温冲击韧性和良好的焊接性能，使1.5Ni低温钢具有良好的止裂性能，适合制造低温压力容器。利用Nb在控轧中的作用，通过和C生成NbC起到细化晶粒作用，Nb可以抑制奥氏体形变再结晶，提高了奥氏体再结晶温度，有利于在奥氏体未再结晶区域轧制，有效的细化晶粒，提高了产品的综合性能，而且可采取灵活多变的轧制工艺，提高生产效率、减小轧机负荷。经过适当热处理后，得到了较高的低温冲击韧性(—80℃下夏比冲击功达到200J以上，100℃下夏比冲击功达到150J以上)，大大超过EN10028—1标准中关于3.5Ni钢低温韧性的要求(—100℃下的夏比冲击功大于40J)，可替代3.5Ni钢使用。
实施例1-5
表2是实施例1-5的化学成份
表2

根据热轧和热处理工艺，实施例1-5轧制(成品钢厚20mm)和热处理工艺参数范围如下：
板坯加热温度：1150～1250℃；再结晶控制轧制温度：950～1100℃，累计压下率≥50％；未再结晶控制轧制温度：870～920℃，累计压下率≥20％；两相区控制轧制温度：800～850℃，累计压下率≤10％；终止冷却温度：≤300℃；淬火温度：850～950℃；回火温度：600～660℃。
各阶段保温时间根据板厚按照1～3.5min/mm计算得出。
表3实施例1-5具体工艺参数
表3

如图1所示，实施例通过上述工艺后的金相组织。
对实施例1-5进行力学性能试验，试样尺寸为10×10×55mm，拉伸、冲击为横向。表4是实施例1-5的力学性能
表4

本发明钢以微合金钢经控制轧制后，调质处理的方法生产一种屈服强度达400MPa以上、抗拉强度500MPa以上、低温冲击韧性满足—100℃要求的高强度低温压力容器钢板的方法。