具有优异低温韧性的超高强度奥氏体时效钢制造技术

在基体板以及焊接时的热影响区（ＨＡＺ）处的低温韧性优异的超高强度、可焊接、低合金钢具有高于８３０ＭＰａ（１２０ｋｓｉ）的抗拉强度，并且具有包含奥氏体薄膜层和细晶粒的马氏体／下贝氏体板条的显微层状组织，所述钢的制备过程为：加热含有铁以及特定重量百分比的添加元素的钢坯，所述添加元素为碳，锰，镍，氮，铜，铬，钼，硅，铌，钒，钛，铝，以及硼中的一些或全部；在奥氏体可发生再结晶的温度范围内，采用一个或多个道次，将所述钢坯轧制成板材；在低于奥氏体再结晶温度但高于Ａｒ↓［３］转变点的温度下，采用一个或多个道次对所述板材进行终轧；将所述终轧板材淬火至一适当淬火终止温度（ＱＳＴ）；停止所述淬火；或者在空冷前在ＱＳＴ点基本等温保持所述板材一段时间，或者对所述板材进行缓慢冷却，或者只是简单地将所述板材空冷至室温。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在母材板以及焊接时的热影响区(HAZ)处均具有优异低温韧性的超高强度、可焊接、低合金钢板。而且，本专利技术涉及该钢板的生产方法。
技术介绍
在下面的说明中定义了许多术语。为了方便起见，直接在权利要求书的前面给出了一个术语表。经常地，需要在低温，即低于约-40℃(-40°F)的温度下贮存和运输加压的挥发性流体。例如，需要在约1035kPa(150psia)至7590kPa(1100psia)的压力范围内以及约-123℃(-190°F)--62℃(-80°F)的温度下，贮存和运输加压的液化天然气(PLNG)的容器。也需要在低温下安全且经济地贮存和运输其它具有高蒸汽压的挥发性流体，如甲烷、乙烷以及丙烷的容器。由于此类容器由焊接钢建造而成，因此，所述钢在工作条件下，其母材钢及HAZ处均须具有充分的强度来承受流体的压力，还须具有充分的韧性来防止断裂，即失效事件的发生。韧脆转变温度(DBTT)将结构钢划分为两个断裂方式。在低于DBTT的温度下，钢的失效倾向于以低能量解理(脆性)断裂方式出现，而在高于DBTT的温度下，钢的失效倾向于以高能量的延性断裂方式发生。建造用于上述的低温应用场合以及其它的承载、低温服役场合的贮存及运输容器所用的焊接钢的DBTT必须远低于母材钢及其HAZ处的工作温度，以避免发生由低能量的解理断裂所导致的失效。通常用于低温结构场合的含镍钢，如镍含量大于约3wt％的钢具有低的DBTT，但其抗拉强度也较低。典型地，市售的含镍量为3.5wt％，5.5wt％和9wt％的钢的DBTT分别约为-100℃(-150°F)，-155℃(-250°F)和-175℃(-280°F)，抗拉强度最高分别为约485MPa(70Ksi)，620MPa(90Ksi)和830MPa(120Ksi)。为了实现所述强度与韧性的组合，这些钢一般需进行价格昂贵的处理，如双退火处理。在低温应用场合，工业上目前在使用这些商品化的含镍钢，原因在于它们的低温韧性好，但必须针对它们相对低的抗拉强度进行设计。所述设计一般为满足承载、低温场合的要求，要求钢的厚度过大。因此，由于这些钢的成本高以及所要求的厚度过高，所以这些含镍钢在承载、低温场合的使用一般很昂贵。另一方面，几种市售的现有技术水平的低碳以及中碳高强度的、低合金(HSLA)钢，例如，AISI4320或4330钢，均存在提供较佳抗拉强度(例如高于约830MPa(120Ksi))以及低成本生产的潜力，但所述钢一般DBTT较高，并且，特别是在焊接热影响区(HAZ)的DBTT较高。一般地，所述钢的焊接性和低温韧性随抗拉强度的增加而下降。正是出于这一原因，一般才未考虑在低温场合使用当前市售的、现有技术水平的HSLA钢。所述钢中HAZ处的DBTT高的原因一般在于在粗晶粒且经亚稳再加热的HAZ处，即被加热至约Ac1相变点与约Ac3相变点之间温度的HAZ处，形成了由焊接热循环所致的不良显微组织(见术语表中Ac1及Ac3相变点的定义)。DBTT随HAZ处的晶粒尺寸与脆性显微组织的组元，如马氏体-奥氏体(MA)岛的增加而明显升高。例如，现有技术水平的HSLA钢，用于油及气体的输送的X100管线的HAZ处的DBTT高于约-50℃(-60°F)。能量贮存及运输部门中存在强烈需求，就是开发将上述商品化的含镍钢的低温韧性性能与HSLA钢的高强度及低成本的特点相结合，同时也具有优异的焊接性和所要求的厚截面能力，即在大于约2.5cm(1英寸)的厚度时显微组织与性能(如强度和韧性)均大体均匀一致的新钢种。在非低温应用场合，大部分市售的，现有技术水平的低碳与中碳HSLA钢由于强度高时其韧性较低，因此，它们或者在只相当于其强度水平的几分之一的条件下设计使用，或者，被处理成较低强度，以获得满意的韧性。在工程应用场合，所述这些方法造成截面厚度的增加，并且，因此，使构件的重量增加，而且最终导致其成本比HSLA钢的高强度潜力得以充分利用时的成本高。在某些关键场合，例如高性能齿轮，使用含镍超过3wt％的钢(如AISI48XX，SAE93XX等)以保证充分的韧性。这种方法虽获得了HSLA钢的较佳强度，但却使成本明显增加。使用标准的商品化的HSLA钢时遇到的另一个问题是HAZ处的氢致开裂，特别是采用低热输入焊接时，这一问题尤为突出。在低合金钢具有高强度和超高强度的条件下，采用低成本的方法提高其韧性，这既有显著的经济意义，又存在确定的工程需求。特别是，需要一种在商业化的低温场合使用的具有超高强度，如大于830MPa(120Ksi)的抗拉强度，以及母材板与HAZ处的低温韧性均优异，如DBTT低于约-73℃(-100°F)的价格合理的钢材。因此，本专利技术的主要目的是在如下三个关键方面改善现有水平的HSLA钢的生产技术，以使其适合在低温使用(ⅰ)将母材钢与焊接HAZ处的DBTT降低至约-73℃(-100°F)以下，(ⅱ)获得超过830MPa(120Ksi)的抗拉强度，以及(ⅲ)提供较佳的焊接性。本专利技术的其它目的是获得在厚度大于约2.5cm(1英寸)时，整个厚度范围内显微组织与性能基本均匀一致的上述HSLA钢，以及采用目前工业化的处理技术进行上述工作，以使所述钢在商业化的低温场合的使用从经济上可行。专利技术概述根据本专利技术的上述目的，提供一种处理方法，其中，具有所要求的化学组成的低合金钢坯被再加热至适当温度，然后，热轧成钢板，并且在热轧终了时，采用适当流体如水进行淬火，将所述钢板快冷至适当的淬火中止温度(QST)，以便获得包含，优选地，约2-10vol％奥氏体薄膜层以及约90-98vol％的以细晶粒马氏体和细晶粒下贝氏体为主的板条的显微层状组织。在本专利技术的一个实施方案中，所述钢板然后被空冷至室温。在另一个实施方案中，所述钢板在QST下基本等温保持，时间最长达约5分钟，随后空冷至室温。在又一个实施方案中，所述钢板以低于约1.0℃/秒(1.8°F/秒)的速度慢冷最长达约5分钟后，再空冷至室温。如在描述本专利技术中所使用的那样，淬火指的是采用任何方式进行的加速冷却，在所述方式中，选用的是具有增加钢的冷却速度倾向的流体，与将所述钢空冷至室温相反。另外，根据本专利技术的上述目的，根据本专利技术处理的钢特别适合于许多低温应用场合，原因在于，所述钢，优选指的是厚度等于或大于约2.5cm(1英寸)的钢板，具有下述特性(ⅰ)母材钢及焊接HAZ处的DBTT低于约-73℃(-100°F)，(ⅱ)抗拉强度大于830MPa(120Ksi)，优选大于约860MPa(125Ksi)，并且更优选大于约900MPa(130Ksi)，(ⅲ)较佳的焊接性，(ⅳ)整个厚度范围内基本均匀一致的显微组织和性能，以及(ⅴ)改善的优于标准的商品化的HSLA钢的韧性。所述钢的抗拉强度可以高于约930MPa(135Ksi)，或高于约965MPa(140Ksi)，或高于约1000MPa(145Ksi)。附图描述参照附图以及下面的详细描述，将会更好地了解本专利技术的优点，其中，所述附图中附图说明图1是说明由本专利技术的奥氏体时效的方法如何在根据本专利技术的钢中获得显微层状组织的连续冷却转变(CCT)图的示意图。图2A(现有技术)是在传统钢中解理裂纹穿过由下贝氏体与马氏体构成的混合显微组织中的板条界的示意图。图2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钢板的生产方法，所述钢板具有包含约２－１０ｖｏｌ％奥氏体薄膜层以及约９０－９８ｖｏｌ％的以细晶粒马氏体和细晶粒下贝氏体为主的板条的显微层状组织，所述方法包括如下步骤：（ａ）将钢坯加热至充分高的再加热温度，以便（ｉ）使所述钢坯基本上均 匀化，（ｉｉ）使所述钢坯中的所有铌及钒的碳化物和碳氮化物基本溶解，以及（ｉｉｉ）在所述钢坯中形成细小的初始奥氏体晶粒；（ｂ）在奥氏体可发生再结晶的第一个温度范围，采用一个或多个热轧道次，将所述钢坯轧制成钢板；（ｃ）在低于约Ｔ↓［ｎｒ ］温度但高于约Ａｒ↓［３］转变点的第二个温度范围，采用一个或多个热轧道次，进一步轧制所述钢板；（ｄ）以约１０～４０℃／秒（１８～７２°Ｆ／秒）的冷却速度将所述钢板淬火至低于约Ｍｓ转变点与１００℃（１８０°Ｆ）之和但高于约Ｍｓ点的淬火终止 温度；（ｅ）终止所述淬火，以便使所述钢板转变成包含约２－１０ｖｏｌ％奥氏体薄膜层以及约９０－９８ｖｏｌ％的以细晶粒马氏体和细晶粒下贝氏体为主的板条的显微层状组织。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：具滋荣，NRV班加鲁，GA沃根，
申请(专利权)人：埃克森美孚上游研究公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]