船用40公斤级热机械控制轧制厚板钢及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及一种钢材料及其制造方法，特别涉及一种具有船用40公斤级热机械控制轧制厚板钢及其制造方法。
背景技术
随着造船工业的发展，对船板性能的要求也越来越高。除了对具有高强度、高表面质量、优良的强韧性与可焊性和钢板需求在不断增长外，对材料的要求也愈加苛刻。各国船级社对船板的技术要求不同，但差别不大，按照各国船级社的船规，通常将船板钢分为一般强度级别和高强度级别。一般强度级分为A、B、D、E四个质量级别，高强度级分为32kg、36kg、40kg级三个强度级别和AH、DH、EH、FH四个质量级别。一般强度的船板钢主要用于建造沿海、内河和万吨级以下的海洋航区的船舶壳体，高强度船板钢由于具有强度高、综合性能好、能够减轻船体自重、提高载荷的优点，适用于建造远洋万吨级以上的船舶壳体。为保证船舶的安全性和可靠性，各国船级社对不同规格、牌号船板的化学成分、机械性能和交货状态都作了严格的规定。有的在要求船板钢强度达到一定水平的基础上，还要求具有良好的低温冲击韧性的配合。同时还要求各牌号的船板具有良好的焊接性能和耐海水腐蚀性能，以补偿在建造过程中各种热、冷加工导致的材质性能下降，尤其是重要部位如船桅、船体纵变应力最大的部位、船底板以及舷部止裂板等。对于无限航区的船舶，更要求应在低温条件下具备较低的延-脆性转变温度，即良好的低温韧性要具有满足船舶建造中的加工工艺的适应性，因为船体线型较为复杂，有许多类型的曲面，因此一方面材料必须具有良好的可焊性，同时要满足对材料的冷、热弯及水火弯板等成形操作，不致形成表面损伤及产生微细裂纹等。
随着高强度船板的产量的增加和质量提高，生产矛盾也立即凸现出来。由于目前高强度船板绝大部分生产工艺需采用热轧+热处理正火后才能交货，所以产量的提高也大大地增加了热处理生产压力，同时也延缓了交货期，制约了高强度船板的大规模生产。此外，正火处理必将增加船板的生产成本。有时受热处理设备工艺性能的影响，如常化炉煤气质量(主要是杂质量)和流量的波动、炉底辊表面质量的降低等，将使得钢板表面氧化皮增厚和产生麻点，不仅增加了工人们打磨钢板麻点的工作量，同时造成正火后钢板表面质量的下降。这不仅降低了高强度船钢的质量等级，也影响了用户的使用。因此经过一道正火工艺后，从生产周期、成本、钢板表面质量等方面，都限制了高强度船板生产规模的进一步扩大。
经检索表明：TMCP(Thermo Mechanic Control Process，热机械处理)船板目前在日本等国家已经进行了这方面研究。现将相关的专利及文献情况分析如下(具体分析见表1)：
专利1：专利公开号JP9310119A、题为“PRODUCTION OF STEEL PLATEEXCELLENT IN TOUGHNESS IN HEAT AFFECTED ZONE”的专利主要阐述了一种通过Mg/Ni合金的加入，用TMCP方法生产的一种具有大线能量焊接性能的厚板。该专利在合金成分设计方法与本发明不同，因此最终产品达到的性能要求也不同。
专利2：专利公开号JP9279235A、题为“PRODUCTION OF STEEL PLATEEXCELLENT IN HEAT AFFECTED ZONE TOUGHNESS”专利与专利1类似，主要通过Mg氧化物冶金的方法，获得一种具有优良焊接热影响区韧性的厚板。
专利3：专利公开号JP9279234A、题为“PRODUCTION OF STEEL PLATEEXCELLENT IN TOUGHNESS IN LARGE HEAT INPUT WELDING HEAT-AFFECTED ZONE”的专利与专利1、2相同，通过Mg氧化物冶金方法，获得具有大线能量焊接和优良焊接热影响区韧性的厚板生产制造方法。
专利4：专利公开号JP9202920A、题为“PRODUCTION OF HIGH STRENGTHSTEEL PLATE EXCELLENT IN TOUGHNESS IN LARGE HEAT INPUT WELDHEAT-AFFECTED ZONE的专利阐述一种具有大线能量焊接的良好焊接热影响区冲击韧性的厚板。没有阐述其强度级别，另外成分设计明确对Di’＝(C/10)(sup1/2)(1+0.7Si)(5+5.1(Mn-1.2))(1+0.27Cu)(1+0.36Ni)(1+2.16Cr)(1+3Mo)做了规定，因此其在成分设计上更加严格。
专利5：专利公开号JP6240355A、题为“PRODUCTION OF HIGH TOUGHNESSTHICK TMCP STEEL PLATE”的专利阐述了一种高韧性厚板的生产制造方法。成分上没有过多要求，只要求C小于等于0.1％，在TMCP工艺上要求过于严格，例如在非再结晶区的变形量和变形温度要求过于严格，导致可制造性降低和成本的增加。
专利6：专利公开号JP 5295432A、题为“PRODUCTION OF STEEL PLATEHAVING HIGH STRENGTH AND HIGH TOUGHNESS BY ONLINE THERMOMECHANICALTREATMENT”的专利同专利5相似，阐述了一种高韧性厚板的生产制造方法。成分上没有过多要求，在TMCP工艺上要求过于严格，例如在在冷却速度上要求大于20℃/s。这在厚板轧机上对于厚度较大的钢板是很难实现的，增加了生产难度。要求过于严格，导致可制造性降低和成本的增加。
专利7：专利公开号JP62093346A、题为“HIGH STRENGTH STEEL EXCELLENTIN COD CHARACTERISTICS IN WELD ZONE”的专利阐述了一种在焊接热影响区具有优良的COD值的高强度钢生产方法。尤其是C/Nb含量在TMCP控制起到不同作用。另外，生产的产品表现不同地性能，该专利主要体现在焊接热影响区的性能，该专利对工艺要求过于严格，例如在非再结晶区的变形量和快速冷却要求过于严格，导致可制造性降低和成本的增加。
专利8：专利公开号CN1786247、题为“高强韧性低碳贝氏体厚钢板及其生产方法”的专利阐述了一种高强度低碳贝氏体钢的成分设计和生产方法。提供了一种高强韧性低碳贝氏体厚钢板及其生产方法，其化学成分含量尤其主要成分是C、Mn设计范围该发明添加了Cu、Ni等贵重金属，该专利加入了过多的合金，增加了制造成本，同时导致焊接性能的降低，增加了制造成本；在生产工艺上采用了TMCP+RPC工艺。另外，生产的产品用途不同，它主要应用在工程机械、挖掘设备、建筑结构等领域。
专利9：专利公开号CN1786246、题为“高抗拉强度高韧性低屈强比贝氏体钢及其生产方法”的专利，与专利8相似，主要阐述了一种低碳贝氏体高强度钢的生产方法。在TMCP工艺后面增加后续处理工艺以提高强度，与本发明的工艺及产品用途不相同，不具备可比性。并且在其化学成分配方中，添加了大量的Mo、Cu、Ni等贵重金属，同时采用TMCP+RPC+SQ方法进行生产，生产的钢板强度大于800N/mm。
专利10：专利公开号CN1786245、题为“高抗拉强度低碳贝氏体厚钢板及其生产方法”的专利，阐述了一种具有高抗拉强度低碳贝氏体高强度钢的生产方法。专利提供了一种高抗拉强度低碳贝氏体厚钢板及其生产方法，其成分范围尤其是C、Mn及主要的微合金元素Cu、Ni、Mo的添加，并且采用TMCP+RPC+T工艺获得抗拉强度900N/mm2级别以上的高强度、高韧性钢种。
专利11：专利公开号KR 2003053122、题为“Method for manufacturingsteel plate involves controlling steel constituents，and applyingsoft reduction and optimizing hot rolling and cold rolling conditionsduring continuous casting”的专利阐述了一种屈服强度为350MPa钢板的成分设计和TMCP工艺方法。生产钢的级别是不同的。
专利12：专利公开号JP5295432A、题为“Prodn.of high strength andhigh toughness steel plate-includes heat treating plate contg.carbon，silicon，manganese，phosphorus sulphur，aluminium and nitrogen atspecified temp.，rolling，etc.”的专利阐述了一种C/Mn钢高强度高韧性钢的生产制造方法。在冷却速度上要求苛刻，要求大于20℃/s。这在厚钢板，尤其是厚度大于20mm钢板是难于实现的，增加了可制造性。另外，在该专利中并没有阐述韧性达到的指标值。
上述现有专利技术的主要特点如下表1所示：
【发明内容】
本发明的目的是通过合理的成分设计和工艺设计，提供一种具有优良低温韧性的TMCP型F40钢及其制造方法，从而能够有效降低生产制造成本，同时增加生产可制造性，使得产品具有高强度级别、较高的冲击韧性以及良好的焊接性能，以解决现有技术中存在的产品的上述性能不佳、制造方法效率不高而难以满足实际需要的问题。
本发明的目的是这样实现的：一种优良低温韧性的TMCP型F40钢，其化学成分重量百分比组分包括：C：0.010-0.12％，Mn：0.3-2.0％，Si：＜0.6％，S：＜0.0030％，P：＜0.015％，Nb：0.010-0.120％，Ti：0.005-0.030％，V：＜0.120％，Al：＜0.060％，Mo：＜0.60％，Cu：＜1.2％，Ni：＜1.5％，Cr：＜1.2％，B：＜0.0040％，Ca：＜0.01％，N：0.003-0.010％，O：0.001-0.006％，Mg：＜0.0001％，其它为Fe和不可避免杂质。
优选地，所述优良低温韧性的TMCP型F40钢的化学成分重量百分比组分包括：C：0.03-0.11％，Mn：0.35-1.5％，Si：＜0.25％，S：＜0.0030％，P：＜0.015％，Nb：0.018-0.10％，Ti：0.014-0.030％，V：＜0.120％，Al：＜0.050％，Mo：＜0.40％，Cu：＜0.6％，Ni：＜0.8％，Cr：＜0.5％，B：＜0.0010％，Ca：＜0.0035％，N：0.0035-0.006％，O：0.0020-0.0030％，Mg：＜0.0001％，其它为Fe和不可避免杂质。
一种优良低温韧性的TMCP型F40钢的制造方法，包括下列步骤：
第一步，转炉或电炉冶炼；
第二步，根据如下化学成分的重量百分比进行炉外精炼：C：0.010-0.12％，Mn：0.3-2.0％，Si：＜0.6％，S：＜0.0030％，P：＜0.015％，Nb：0.010-0.120％，Ti：0.005-0.030％，V：＜0.120％，Al：＜0.060％，Mo：＜0.60％，Cu：＜1.2％，Ni：＜1.5％，Cr：＜1.2％，B：＜0.0040％，Ca：＜0.01％，N：0.003-0.010％，O：0.001-0.006％，Mg：＜0.0001％，其它为Fe和不可避免杂质；
第三步，铸造；
第四步，板坯再加热：加热温度1100-1250℃；
第五步，控制轧制：再结晶控制轧制温度920-1100℃，非再结晶轧制温度720-880℃；
第六步，控制冷却：终止冷却温度200-600℃，冷却速度3-30℃/s。
优选地，所述第五步中的轧制压下率根据钢板成品厚度确定，其大于3倍压比。
本发明的技术构思如下：高强度高韧性F40的成分设计思想是以低C、高Mn，通过加入微量Nb、Ti等微合金元素，对于其它合金元素Cr、Cu、Ni合金元素，可以作为添加元素，也可以不加以降低成本。结合热轧控轧控冷工艺，以保证F40有高强度高韧性的性能。其主要的基本元素作用有以下几个方面：
碳：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，因此近代钢的发展过程是不断降低C含量的过程，如图1所示。降低C含量一方面有助于提高钢的韧性，另一方面可改善钢的焊接性能。
锰：通过固溶强化提高钢的强度，是钢中补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素。Mn还是扩大γ相区的元素，可降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性、降低韧脆转变温度。因此对F40的Mn含量设计在0.3-2.0％范围。
铌：是现代微合金化钢中最主要的元素之一，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。本专利就是配合适当的C含量提高Nb的含量发挥NbC的作用。
钛：是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.02％左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N，在板坯连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相。这种细小的TiN粒子可有效地阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用。
钼：是扩大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，在一定的冷却条件和终止轧制温度下低碳钢中加入0.0-0.6％的Mo就可获得明显的针状铁素体及贝氏体组织，同时因相变向低温方向转变，可使组织进一步细化，主要是通过组织的相变强化提高钢的强度。
硫、磷：是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好。通过超低硫(小于30ppm)及Ca处理对硫化物进行夹杂物形态控制，可使钢具有高的冲击韧性及良好抗HIC性能。
铜、镍：可通过固溶强化作用提高钢的强度，同时Cu还可改善钢的耐蚀性，Ni的加入主要是改善Cu在钢中易引起的热脆性，且对韧性有益。在厚规格钢中还可补偿因厚度的增加而引起的强度下降。
因此，针对微合金化设计，通过TMCP工艺控制，保证具有高强度高韧性和良好焊接性能。以晶粒细化、相变强化、析出强化和位错强化等材料强化理论为基础，对F40成分设计采用了较低的碳含量、超低硫、Nb、Ti微合金化。热轧工艺采用了控轧控冷的热机械处理技术，通过合理的成分和工艺进行最终产品的组织控制，以获得具有高强度高韧性。
本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：①与现有技术相比，本发明的成分配置相对简单，如Cu、Ni等可加可不加，这样降低了生产制造成本和增加了生产可制造性；②本发明以低碳为特点，在保证强度的前提下，增加了冲击韧性和良好的焊接性能，按照本发明方法所制造出的产品具有较高的冲击韧性(-60℃下的夏比冲击功可以达到120J以上)，能够充分保证高强度级别和良好的韧性。
【附图说明】
以下结合附图和具体实施例来对本发明作进一步说明。
图1为钢中C含量、碳当量与钢焊接性关系的Graville曲线图。
图中碳当量CE=C+Mn+Si6+Ni+Cu15+Cr+Mo+V5]]>
【具体实施方式】
实施例1-5
本发明的实施例1-5，其化学成分的重量百分配比如表2所列：
表2实施例的化学成分重量百分配比(wt％)
实 施 例 C Mn Si S P Nb Ti V Al Mo Cu Ni Cr Ca Mg B N O 1 0.010 2.00 0.15 0.002 0.012 0.120 0.016- 0.04 - - - 0.2 0.003 5- - 0.006 0.003 0 2 0.040 1.5 0.25 0.0018 0.01 0.05 0.014- 0.041 0.1 5 0.1 0.6 - 0.002 8- 0.001 0 0.005 5 0.002 0 3 0.100 1.6 0.2 0.0016 0.011 0.02 0.018- 0.038 - - - - 0.003- - 0.005 1 0.002 5 4 0.06 1.3 0.2 0.0016 0.01 0.018 0.016- 0.05 0.4 0 - - - 0.003- - 0.003 5 0.002 0 5 0.12 0.35 0.2 0.0010 0.011 0.010 0.015- 0.04 - 0.6 0.8 0.50 0.002 8- - 0.003 0 0.002 0 6 0.03 1.20 0.21 0.0019 0.011 0.085 0.016- 0.040 - - 0.3 0 0.20 0.002 6- - 0.003 6 0.002 0 7 0.11 0.80 0.22 0.0013 0.010 0.010 0.016- 0.004 5 - 0.30 0.6 0 0.35 0.003 0- - 0.004 5 0.002 2
注：Mg未有意添加，均为痕量，小于0.00010wt％
在表3中，示出了本发明实施例1-5的工艺参数：
表3实施例的工艺参数
实 施 例 加热温度 (℃) 再结晶区控制 轧制温度(℃) 非再结晶区 轧制温度(℃) 停止冷却温度 (℃) 冷却速度 (℃/s) 1 1200 1050 730 400 20 2 1150 950 800 550 8 3 1130 930 820 400 5 4 1100 960 800 230 15 5 1125 920 840 300 13 6 1130 1020 870 580 28 7 1130 940 750 450 10
本发明实施例1-5的力学、夏比冲击实验性能检验结果，如表4所示：
表4实施例的力学、夏比冲击实验性能检验结果
采用本发明方法所制成的钢与现有钢种EH36相比，其性能如表5所示：
表5本发明钢与现有钢种EH36的性能相比
很显然，采用本发明方法所制造的钢在具备高级别强度同时，也具有较高的冲击韧性。
综上所述，与以往的传统生产船板的方法相比，本发明的生产操作较易进行，其采用TMCP技术生产的钢种具有更好的焊接性能和韧性以及更低的制造成本。尤其随着世界经济的发展和贸易的增长，船舶需求量的不断上升，从民用和军用双方面来看，船舶工业都有着广阔的发展前景。因此，本发明在制造高强度级别的F40级船板方面具有广阔的应用前景。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。