一种用于超低温环境的节镍型7Ni钢及其热处理工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种用于超低温环境的节镍型7Ni钢及其热处理工艺，属于低温用钢技术领域。该节镍型7Ni钢成分：Ni：7.00～7.60％；C：0.02～0.06％；Si：0.03～0.80％；Mn：0.10～0.90％；Cr：0.30～0.60％；余量为Fe及不可避免的夹杂。该钢采用QLT热处理，具体为高温淬火+两相区亚温淬火+回火工艺，包括多步工艺。本发明专利技术节镍型7Ni钢具有优良强塑性组合和出色的低温韧性，其性能已经达到9Ni钢相当水平，可以作为超低温环境中的结构钢材，并实现了制造成本的降低，具有非常好的经济适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于超低温环境的节镍型7Ni钢及其热处理工艺
本专利技术涉及低温用钢
，具体涉及一种用于超低温环境的节镍型7Ni钢及其热处理工艺。
技术介绍
作为一种清洁和高效的能源，液化天然气(liquefiednaturalgas，简称LNG)的需求量在世界范围内迅速增长。液化天然气是在常压下将天然气冷却至-162℃形成的液体，液化后的天然气只有原气态体积的1/625，非常便于存贮和运输。目前，全球LNG的需求以每年约8％的速度增长，亚洲未来几年增长速度更快，而我国已成为全球五大天然气进口和消费国之一，国内天然气消费量年均增速10％以上，到2020年我国的天然气消费量将达到2000亿立方米。LNG工业在我国越来越受到重视，除已建成的几个接收基地外，我国未来几年还将在沿海城市建造十余个LNG接收基地，包括十几座大型LNG储罐。由于液化天然气的储运温度为-162℃，这就要求用于建造LNG储罐的材料必须具有良好的低温冲击韧性以及优良的强塑性综合性能。9Ni钢是LNG储运设备所需重要钢种，随着LNG工业的快速发展，对9Ni钢的需求也会不断增加。但随着镍资源的大量消耗，镍合金化成本占9Ni钢成本的比重越来越大，致使镍系低温钢的成本不断提高，节镍成为了一个重要课题。为此日本住友金属公司研发出一种可以替代9Ni钢的节镍型7Ni钢，通过优化成分设计并采用合理的TMCP工艺，使这种节镍型7Ni钢的低温韧性达到9Ni钢水平，并实际应用于LNG储罐的制造。目前7Ni钢已被编入日本工业标准(JIS)，命名为SL7N590，并作为2736&2737实例写入ASME标准，未来将作为A841G级纳入ASTM标准。除此之外，美国石油协会(API)、BS\EN、ISO也在推进该种节镍型钢材的标准认证工作。但在国内，节镍型7Ni钢的相关研究还处于起步阶段，因此有必要对其进行进一步研究与探讨。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于超低温环境的节镍型7Ni钢及其热处理工艺，该节镍型7Ni钢能够用于-196℃以上低温环境，具有高韧性、高塑性和高强度；同时，该低温钢降低镍合金化成本，在节约镍资源的前提下，其低温性能依然可以满足LNG工程用钢要求，并达到与9Ni钢力学性能相当的水平。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种用于超低温环境的节镍型7Ni钢，其特征在于：按重量百分比计，该节镍型7Ni钢化学成分如下：Ni：7.00～7.60％；C：0.02～0.06％；Si：0.03～0.80％；Mn：0.10～0.90％；Cr：0.30～0.60％；余量为Fe及不可避免的夹杂。该节镍型7Ni钢中，控制杂质元素P和S的含量为：P≤0.010wt.％；S≤0.005wt.％。该节镍型7Ni钢中还含有Mo和/或Nb；Mo含量为0.1～0.20wt.％，Nb含量为0.01～0.06wt.％。该节镍型7Ni钢优选的化学成分包括如下三组：A组成分为(wt％)：Ni：7.00～7.60％、C：0.02～0.06％、Si：0.03～0.06％、Mn：0.70～0.90％、P≤0.010、S≤0.005％、Cr：0.30～0.60％、Nb：0.01～0.03％；余量为Fe；B组成分为(wt％)：Ni：7.00～7.60％、C：0.02～0.10％、Si：0.50～0.80％、Mn：0.10～0.30％、P≤0.010％、S≤0.005％、Cr：0.30～0.60％、Mo：0.10～0.20％；余量为Fe；C组成分为(wt％)：Ni：7.00～7.60％、C：0.02～0.10％、Si：0.50～0.80％、Mn：0.10～0.30％、P≤0.010％、S≤0.005％、Cr：0.30～0.60％、Mo：0.10～0.20％、Nb：0.03～0.06％；余量为Fe。具有上述化学成分的节镍型7Ni钢经热轧制和热处理后，钢厚度为10～20mm，屈服强度高于590MPa，抗拉强度高于680MPa，延伸率高于20％，在-196℃低温条件下冲击功高于100J。所述用于超低温环境的节镍型7Ni钢的制备过程为炼钢、轧制及热处理；所述炼钢工艺中：采用铁水K-S脱硫技术深度脱硫，同时采用转炉顶底复合吹炼，LF加热炉中进行Ca-Si处理，在RH真空炉中进行真空处理及成分微调；所述轧制工艺过程为：轧制前铸锭加热温度为1260～1300℃，在铸锭表面涂防氧化涂层，加热速率为8～13min/cm，保温4小时，粗轧阶段开轧温度不小于1100℃；中间坯厚度70～100mm；精轧开轧温度不大于900℃，精轧终轧温度为820～860℃；所述热处理工艺为：将空冷后的轧制钢进行QLT热处理，即得用于-196℃以上低温环境的高韧性、高塑性、高强度低温钢。所述热处理工艺(QLT热处理)具体包括如下步骤：(1)将空冷后的轧制钢在A3温度以上进行高温淬火，所述A3温度为750～800℃；(2)将经步骤(1)高温淬火后的钢在两相区温度进行亚温淬火，所述两相区温度为630～780℃；(3)将经步骤(2)两相区亚温淬火后的钢在A1温度以下进行回火处理并水冷，所述A1温度为620～650℃。上述步骤(1)中，所述高温淬火的温度为830～930℃，保温时间为58～62分钟；上述步骤(2)中，所述两相区亚温淬火的温度为690～710℃，保温时间为58～62分钟；上述步骤(3)中，所述回火温度为578～582℃，保温时间为58～62分钟。所述轧制工艺为：轧制前铸锭加热温度为1260～1300℃，在铸锭表面涂防氧化涂层，加热速率为8～13min/cm，保温4小时，粗轧阶段开轧温度不小于1100℃；中间坯厚度70～100mm；精轧开轧温度不大于900℃，精轧终轧温度为820～860℃。本专利技术设计原理如下：所述低温钢的元素组成，其中Ni是该低温钢中最重要的合金元素，适量的Ni含量加入，可降低A1温度点，从而细化晶粒。Ni在热处理过程中会在逆转奥氏体中发生富集，由于Ni含量升高可降低马氏体转变温度点，因而Ni是保证逆转奥氏体稳定性的重要元素。当逆转奥氏体中富集的Ni含量足够高时，其在-196℃的低温环境中依然可以保持较高的稳定性。这种逆转奥氏体发生马氏体转变时吸收更多的能量，降低应力集中，使裂纹尖端钝化，从而可有效抑制裂纹的扩展。Ni还可降低钢的韧-脆转变温度，改善低温韧性。此外，Ni的固溶增加了基体的交滑移能力，减少了间隙原子与位错的交互作用。C可显著提高钢的强度，是最经济的提高强度的元素之一。但是，低温钢基本都是低碳钢，因为C含量过多，会造成韧-脆转变为温度升高，降低钢的低温韧性，同时也会损害焊接等工艺性能。无论从低温韧性还是焊接性能考虑，都应严格控制钢中C含量。Mn是奥氏体稳定元素，有利于逆转奥氏体的形成，并能提高基体强度。降低C含量，提高Mn/C比，可以得到较低的韧-脆转变温度。Mn含量过低强度达不到要求，Mn含量过高则会形成一些大尺寸的MnS夹杂物影响韧性，因此Mn需要控制在一定合适的范围内。Si可以抑制P在晶界偏聚，能够溶入基体，产生固溶强化作用，提高基体强度和硬度，但会使韧性和塑性有所降低。Mo可以提高淬透性，使钢的强度和硬度提高，但Mo含量过高，会导致低温韧性下降。Cr能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于超低温环境的节镍型7Ni钢，其特征在于：按重量百分比计，该节镍型7Ni钢化学成分如下：Ni：7.00～7.60％；C：0.02～0.06％；Si：0.03～0.80％；Mn：0.10～0.90％；Cr：0.30～0.60％；余量为Fe及不可避免的夹杂。

【技术特征摘要】
1.一种用于超低温环境的节镍型7Ni钢，其特征在于：按重量百分比计，该节镍型7Ni钢化学成分如下：Ni：7.00～7.60％；C：0.02～0.06％；Si：0.03～0.80％；Mn：0.10～0.90％；Cr：0.30～0.60％；余量为Fe及不可避免的夹杂。2.根据权利要求1所述的用于超低温环境的节镍型7Ni钢，其特征在于：该节镍型7Ni钢中，P≤0.010wt.％；S≤0.005wt.％。3.根据权利要求1所述的用于超低温环境的节镍型7Ni钢，其特征在于：该节镍型7Ni钢中还含有Mo和/或Nb；Mo含量为0.1～0.20wt.％，Nb含量为0.01～0.06wt.％。4.根据权利要求1-3任一所述的用于超低温环境的节镍型7Ni钢，其特征在于：按重量百分比计，该节镍型7Ni钢化学成分如下：Ni：7.00～7.60％、C：0.02～0.06％、Si：0.03～0.06％、Mn：0.70～0.90％、P≤0.010％、S≤0.005％、Cr：0.30～0.60％、Nb：0.01～0.03％；余量为Fe。5.根据权利要求1-3任一所述的用于超低温环境的节镍型7Ni钢，其特征在于：按重量百分比计，该节镍型7Ni钢化学成分如下：Ni：7.00～7.60％、C：0.02～0.10％、Si：0.50～0.80％、Mn：0.10～0.30％、P≤0.010％、S≤0.005％、Cr：0.30～0.60％、Mo：0.10～0.20％；余量为Fe。6.根据权利要求1-3任一所述的用于超低温环境的节镍型7Ni钢，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗兴宏，曹宏玮，战国锋，李书瑞，刘实，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21