一种低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法技术

一种低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法，钢水成分：C：0.03‑0.06%，Si：0.1‑0.2%，Mn：0.5‑0.8%，Ni：8.6‑9.1%，Mo：0.02‑0.05%，Als：0.015‑0.035%，S≤0.005%，P≤0.007%，N≤0.007%，以及余量Fe和不可去除杂质，采用真空度≤50Pa的真空炉冶炼并合金化；加热温度1160‑1220℃，保温时间90‑180min，开坯后坯料厚度120‑150mm；采用两阶段控制轧制，轧制后待温10‑15s，之后以15‑40℃/s的冷却速率加速冷却至440‑550℃后再空冷至室温；钢板加热至575‑605℃回火45‑70min后空冷至室温。本发明专利技术利用9Ni钢材料特性及薄规格钢板冷却特性，将控轧控冷与热处理工艺有机结合，在提高材料性能的同时缩短工艺流程、减少工艺能耗，达到了降低高强韧薄规格9Ni钢板生产成本的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超低温用钢及其制造方法，尤其是涉及一种低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法。
技术介绍
随着天然气在能源需求中比例不断提高，LNG输送及储存技术迅速发展，而9Ni钢因其在-196℃超低温环境下具有优良韧性得以广泛应用。目前我国已经实现了9Ni钢的规模化工业生产。作为一种典型的热处理钢种，9Ni钢生产难度大，特别是热处理工艺窗口窄，过程能耗高，因而生产成本高（特别是薄规格9Ni钢吨钢热处理成本高）。因此，如何在前道工序实施有效的组织调控，从而减少热处理工艺流程及能耗，达到降低生产成本的目的，是9Ni钢生产在顺应钢铁行业发展大趋势过程中面临的重要课题。据检索，现有技术中，专利CN103088198A公开了一种生产9Ni钢的在线热处理方法，具有生产流程短、效率高的特点，但该方法依赖在线加热设备，投资高、能耗大，从实际生产经验来看难以在规模化生产中推广应用。专利CN101864537A公开了一种应用于深冷环境的超高强度9Ni钢及其制备工艺，通过在线淬火加离线热处理制备综合性能良好的9Ni钢，含Cu元素，但该工艺中轧制后加速冷却至200℃以下，“一淬到底”的在线淬火方式使材料在快速冷却过程中发生马氏体相变，因此板形难以控制，而且离线热处理包括两相区淬火和回火等两道工艺，与调质相比未能缩短工艺流程。专利CN103602888A公开了一种低压缩比热轧9Ni钢厚板及其制造方法，针对厚规格9Ni钢板生产提出了优化工艺，该方法用于制造厚规格9Ni钢板，但该方法采用常规的离线调质热处理，未充分利用控制冷却进行组织调控，离线热处理包含淬火和回火，工艺成本及能耗较高。另一个值得关注的重要问题是，在上述及其它已公开技术中，都未能利用9Ni钢材料特性针对薄规格（8mm厚度及以下）情况提出优化工艺，工艺降本及降耗存在较大空间。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：⑴如何利用9Ni钢淬透性高以及薄规格钢板空冷速率高的特点设定合理控制冷却工艺，使元素分布和显微组织更有利于改善材料强韧性匹配，且有利于薄板板形的控制，降低对矫直工艺的要求，进一步降低工艺成本；⑵如何显著缩短工艺流程并减少了能耗，大大降低薄板热处理成本。本专利技术解决以上技术问题的技术方案是：一种低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法，包括以下步骤：㈠炼钢：钢水的重量百分比成分为：C：0.03-0.06%，Si：0.1-0.2%，Mn：0.5-0.8%， Ni：8.6-9.1%，Mo：0.02-0.05%，Als：0.015-0.035%，S≤0.005%，P≤0.007%，N≤0.007%，以及余量Fe和不可去除杂质，采用真空度≤50Pa的真空炉冶炼并合金化；㈡开坯：加热温度1160-1220℃，保温时间90-180min，开坯后坯料厚度120-150mm；㈢轧制：采用两阶段控制轧制，板坯加热温度1140-1180℃，一阶段轧制温度为1020-1120℃，道次压下量15-30%，二阶段轧制温度为750-960℃，道次压下量≥12%，累计压下率≥60%，轧制厚度≤8mm；㈣冷却：轧制后待温10-15s，使轧件温度均匀化，之后以15-40℃/s的冷却速率加速冷却至440-550℃后再空冷至室温；㈤热处理：钢板加热至575-605℃回火45-70min后空冷至室温。本专利技术工艺条件的限定起到的作用为：9Ni钢是典型的热处理钢种，通常认为该材料需要水冷淬火工艺得到马氏体相(C以间隙原子形式存在于体心四方结构中)，并在随后的回火工艺中得到回火马氏体与回转奥氏体的混合组织。与该现有工艺认知不同的是，本专利技术认为9Ni钢中C原子含量很低，其高淬透性主要来自于高Ni含量，以适中的冷却速率发生相变形成铁素体板条束，同时使碳原子以小尺寸M-A组元形式存在于板条界或板条束界上，这种结构更有利于回火过程中回转奥氏体的形成与稳定化。9Ni钢化学成分决定了其具有高淬透性，若利用空冷工艺完成上述组织转变，一方面能够降低淬火能耗，另一方面也有利于板形控制。进一步地，在轧制后的控制冷却过程中而不是离线热处理中完成上述组织转变，则能够缩短热处理工艺流程并显著降低工艺成本。材料的淬透性主要由化学成分决定，而规格则显著影响冷却速率。本专利技术中8mm以下厚度规格的9Ni钢板在空冷条件下能够得到接近于淬火条件的板条束组织。轧制后加速冷却至440-550℃，该温度区间接近但仍高于过冷奥氏体相变临界点，在随后的空冷过程中γ-Fe以切边机制转变为α-Fe，得到板条束形态的铁素体组织，而C原子则仍能够发生扩散，在板条界或板条束界上富集或以M-A组元间隙原子形式存在，该组织及元素分布状态更有利于后续工艺中回转奥氏体的形成（图1所示为薄规格9Ni钢板控制冷却状态的组织形态，基体组织为尺寸细小的铁素体板条束）。此外，轧制后以15-40℃/s的冷却速率加速冷却能够避免高温缓冷条件下有害元素晶界偏聚及粗大碳化物析出，从而有利于低温韧性。在之后的离线回火工艺中，回转奥氏体在板条界或板条束界上形成，并在保温过程中进一步富集Ni等合金元素以提高稳定性；铁素体板条束在保温过程中则发生回复，同时铁素体中的P等有害元素也被排至回转奥氏体中，从而改善了基体性能。为了在回火过程中得到回转奥氏体，回火温度需要控制在材料相变临界点附近，温度过低则不能形成奥氏体，温度过高则奥氏体稳定性不足，而恰当的回火时间则能够在保证强度的前提下使回转奥氏体富集足够多的合金元素而在-196℃的超低温条件下也能够保持结构稳定；因此本专利技术中将回火温度控制在575-605℃，将回火时间控制在45-70min。本专利技术化学成分含量限定理由如下：Ni元素能够稳定奥氏体相、提高淬透性、降低韧脆转变温度并能够改善变形性能。本专利技术将Ni含量控制在8.6-9.1%，配合本专利技术的控轧控冷及热处理工艺，可以细化组织并得到适度回复的板条束组织加少量（体积分数1-5%）稳定的回转奥氏体，该混合组织具有较高强度及优良低温韧性。Ni含量过低，回转奥氏体稳定性下降，低温韧性难以保证；Ni含量过高则使成本增加。C元素能够通过固溶强化或析出强化提高强度，同时能够稳定奥氏体相，但C含量过高不利于焊接热影响区低温韧性。9Ni钢稳定奥氏体相的主要元素为Ni，C含量应控制在较低水平，因此本专利技术将C含量控制在0.03-0.06%。Si在炼钢过程中为脱氧元素，适量Si能够抑制Mn和P的偏聚，而O含量过高、Mn和P的偏聚都会损害9Ni钢低温韧性。但Si以间隙固溶原子形式存在时不利于韧性，因此含量不能过高。本专利技术将Si控制在0.1-0.2%。Mn是奥氏体稳定元素，也是铁素体强化元素，还能够提高淬透性。Mn含量过低不利于强度，含量过高则易于形成大尺寸的MnS并损害塑性及韧性。因此本专利技术将Mn控制在0.5-0.8%。Mo能够提高淬透性，同时也能够提高铁素体基体的回火抗力，使9Ni钢强度容易保证，微量添加即可发挥显著作用，含量过高则增加材料成本。本专利技术将Mo元素添加量控制在0.02-0.05%。Al在炼钢过程中为脱氧元素，但过量添加会形成大尺寸的Al3O2和AlN并损害低温韧性。本专利技术将Al含量（Als）控制在0.015-0.035%。S易与Mn形成MnS，P容易在晶界偏聚并降低晶界抗裂纹扩展能力，N容本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：㈠炼钢：钢水的重量百分比成分为：C：0.03‑0.06%，Si：0.1‑0.2%，Mn：0.5‑0.8%， Ni：8.6‑9.1%，Mo：0.02‑0.05%，Als：0.015‑0.035%，S≤0.005%，P≤0.007%，N≤0.007%，以及余量Fe和不可去除杂质，采用真空度≤50Pa的真空炉冶炼并合金化；㈡开坯：加热温度1160‑1220℃，保温时间90‑180min，开坯后坯料厚度120‑150mm；㈢轧制：采用两阶段控制轧制，板坯加热温度1140‑1180℃，一阶段轧制温度为1020‑1120℃，道次压下量15‑30%，二阶段轧制温度为750‑960℃，道次压下量≥12%，累计压下率≥60%，轧制厚度≤8mm；㈣冷却：轧制后待温10‑15s，使轧件温度均匀化，之后以15‑40℃/s的冷却速率加速冷却至440‑550℃后再空冷至室温；㈤热处理：钢板加热至575‑605℃回火45‑70min后空冷至室温。

【技术特征摘要】
1.一种低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：㈠炼钢：钢水的重量百分比成分为：C：0.03-0.06%，Si：0.1-0.2%，Mn：0.5-0.8%， Ni：8.6-9.1%，Mo：0.02-0.05%，Als：0.015-0.035%，S≤0.005%，P≤0.007%，N≤0.007%，以及余量Fe和不可去除杂质，采用真空度≤50Pa的真空炉冶炼并合金化；㈡开坯：加热温度1160-1220℃，保温时间90-180min，开坯后坯料厚度120-150mm；㈢轧制：采用两阶段控制轧制，板坯加热温度1140-1180℃，一阶段轧制温度为1020-1120℃，道次压下量15-30%，二阶段轧制温度为750-960℃，道次压下量≥12%，累计压下率≥60%，轧制厚度≤8mm；㈣冷却：轧制后待温10-15s，使轧件温度均匀化，之后以15-40℃/s的冷却速率加速冷却至440-550℃后再空冷至室温；㈤热处理：钢板加热至575-605℃回火45-70min后空冷至室温。2.如权利要求1所述的低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法，其特征在于：所述步骤㈣中，轧制后加速冷却至440-550℃，该温度区间接近但仍高于过冷奥氏体相变临界点，在随后的空冷过程中γ-Fe以切边机制转变为α-Fe，得到板条束形态的铁素体组织，而C原子则能够发生扩散，在板条界或板条束界上富集或以M-A组元间隙原子形式存在，该组织及元素分布状态更有利于后续工艺中回转奥氏体的形成；轧制后加速冷却还能够避免高温缓冷条件下有害元素晶界偏聚及粗大碳化物析出，有利于低温韧性。3.如权利要求1所述的低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法，其特征在于：所述步骤㈤中，钢板加热至575-605℃回火45-70min后空冷至室温，回转奥氏体在板条界或板条束界上形成，并在保温过程中进一步富集合金元素以提高稳定性；铁素体板条束在保温过程中则发生回复，同时铁素体中的有害元素也被排至回转奥氏体中，从而改善了基体性能。4.如权利要求1或2或3所述的低成本高强韧薄规格9Ni钢板的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：按元素重量百分比其成分为：0.05%C，0.19%Si，0.59%Mn，9.1%Ni，0.022%Mo，0.019%Als，0.0011%S，0.004%P，0.004%N，以及余量Fe和不可去除杂质，采用300Kg真空感应炉炼钢，铸坯厚度200mm；将铸坯在加热炉中加热至1200℃并保温140min后开坯成150mm厚锻坯；将锻坯在加热炉中加热至1140℃，一阶段轧制开轧温度1105℃、终轧温度1040℃，压下规程为150mm -112mm -84mm -63mm -47mm -35mm，二阶段轧制开轧温度940℃、终轧温度775℃，压下规程为35mm -26mm -19....

【专利技术属性】
技术研发人员：孙超，李东晖，尹雨群，王从道，赵荣贵，
申请(专利权)人：南京钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32