具有优异的低温冲击韧性的超厚钢板及其制造方法与流程

1.本公开内容涉及可以用作例如用于海洋、桥梁和建造的材料的结构钢材，并且更具体地，涉及具有优异的低温冲击韧性的超厚钢板及其制造方法。


背景技术：

2.具有一定厚度或更大厚度的超厚钢板可以通过厚板工艺来制造，并且在这种情况下，可以将轧制方法分为一般轧制、正火轧制和热机械控制轧制(thermo-mechanical controlled rolling，tmcp)等。此外，可以在轧制之后进行热处理过程，并且在这种情况下，热处理过程包括正火热处理过程、淬火热处理过程、淬火-回火热处理等。
3.在上述轧制过程中，一般轧制为在不控制轧制温度的情况下进行轧制的方法，这可以主要应用于不需要冲击韧性的一般钢。
4.与此不同，tmcp通过温度控制进行再结晶区轧制和非再结晶区轧制，并且可以根据需要通过冷却来确保强度和冲击韧性。然而，当通过这样的tmcp过程制造超厚材料时，需要长的等待时间来调节轧制温度，导致生产率严重降低。
5.正火轧制是在相对高的温度下完成的，因此强度和韧性可能由于空气冷却期间的晶粒生长而降低。
6.因此，当通过tmcp过程、正火轧制过程或轧制之后的热处理过程制造超厚钢板时，需要应用含有0.12％或更多c的高碳组分体系来确保强度，但是由于韧性严重劣化，因此可以在室温和0℃下保证冲击韧性，并且存在由热处理导致的成本增加的问题。
7.同时，可以将超厚钢板应用于各种结构产业，例如基础设施产业(例如船舶)；以及离岸结构、桥梁、建造等的各种框架；和风力发电基础结构等。
8.近来，在诸如基础设施产业、能源产业等的大多数领域中，由于安装成本的最小化和安装环境的劣化而存在结构更大的趋势，并且预期在用于各种产业领域的结构钢板中，对厚度为100mm或更大的超厚钢板的需求将随着结构更大的趋势而增加。
9.然而，超厚钢板的冶金缺点在于，由于轧制量的减少和冷却过程的限制，难以实现强度并确保韧性。
10.由于在制造这样的超厚钢板时轧制和冷却过程的限制，因此存在过度添加合金组分以实现钢板强度的趋势，这可能导致成本增加以及钢板的韧性迅速变差的问题。
11.此外，在除去不利地影响韧性的合金组分以确保超厚钢板的韧性的情况下，导致强度降低。
12.因此，需要开发可以实现超厚钢板的强度和韧性二者的技术。
13.(专利文献1)韩国专利公开第10-2014-0003010号


技术实现要素：

14.技术问题
15.本公开内容的一个方面是通过克服现有超厚钢板的冶金缺点来提供具有优异的
强度和低温冲击韧性的超厚钢板及其制造方法。
16.本公开内容的目的不限于以上描述。本公开内容的目的将从本说明书的全部内容中理解，并且本公开内容所属领域的技术人员将没有困难地理解本公开内容的另外目的。
17.技术方案
18.根据本公开内容的一个方面，提供了具有优异的低温冲击韧性的超厚钢板，超厚钢板以重量计包含：0.06％至0.1％的碳(c)、0.3％至0.5％的硅(si)、1.35％至1.65％的锰(mn)、0.015％至0.04％的铝(可溶al)、0.015％至0.04％的铌(nb)、0.005％至0.02％的钛(ti)、0.15％至0.4％的铬(cr)、0.3％至0.5％的镍(ni)、0.002％至0.008％的氮(n)、0.01％或更少(不包括0％)的磷(p)、0.003％或更少(不包括0％)的硫(s)、以及余量中的铁(fe)和不可避免的杂质，所述超厚钢板满足以下关系式1，
19.其中超厚钢板以面积分数计包含：80％至90％的铁素体和剩余部分的珠光体作为显微组织。
20.[关系式1]
[0021]
mn+5(ni+ct)》3.6
[0022]
其中，各元素是指重量含量。
[0023]
根据本公开内容的另一个方面，提供了用于制造具有优异的低温冲击韧性的超厚钢板的方法，该方法包括以下操作：准备满足上述合金组成和关系式1的钢坯；将钢坯在1020℃至1150℃的范围内的温度下加热；使经加热的钢坯在1000℃或更高下经受粗轧；在粗轧之后，在恰好高于非再结晶温度(tnr)的温度下或者在tnr至a3的范围内的温度下对钢坯进行精热轧；以及在精热轧之后对其进行空气冷却。
[0024]
有益效果
[0025]
如上所述，根据本公开内容，可以提供对于厚度为100mm至200mm的超厚钢板而言具有优异的强度和低温冲击韧性的超厚钢板。
[0026]
作为结构材料，本公开内容的超厚钢板可以用于各种领域，例如基础设施产业(例如船舶)；海洋结构、桥梁、建造等的各种框架；和风力发电基础结构等。
附图说明
[0027]
图1示出了根据本公开内容的一个实施方案的超厚钢板的显微组织的照片。
具体实施方式
[0028]
在提供适用于结构钢材的厚度为100mm或更大(100mm至200mm)的超厚钢板时，本公开内容的发明人已经深入研究了用于确保优异强度和低温冲击韧性的方法。
[0029]
作为其结果，证实了可以通过优化超厚钢板的合金组成体系和轧制过程来提供具有目标物理特性的超厚钢板，并因此提供了本公开内容。
[0030]
特别地，本公开内容的技术意义在于，可以解决现有tmcp钢材的生产率问题、确保一般轧制材料和热处理材料的物理特性的问题、热处理材料成本的问题等。
[0031]
在下文中，将详细描述本公开内容。
[0032]
根据本公开内容的一个方面，具有优异的低温冲击韧性的超厚钢板以重量计可以包含：0.06％至0.1％的碳(c)、0.3％至0.5％的硅(si)、1.35％至1.65％的锰(mn)、0.015％
至0.04％的铝(可溶al)、0.015％至0.04％的铌(nb)、0.005％至0.02％的钛(ti)、0.15％至0.4％的铬(cr)、0.3％至0.5％的镍(ni)、0.002％至0.008％的氮(n)、0.01％或更少(不包括0％)的磷(p)、0.003％或更少(不包括0％)的硫(s)。
[0033]
在下文中，将详细地描述如上限制本公开内容中提供的钢板的合金组成的原因。
[0034]
同时，在本公开内容中，除非另有说明，否则各元素的含量基于重量，组织的比率基于面积。
[0035]
碳(c)：0.06％至0.1％
[0036]
碳(c)是引起固溶强化并与钢中的nb等结合以形成碳氮化物的元素，其有利于确保钢的强度。
[0037]
为了充分获得c的强度效果，c可以以0.06％或更多的量包含在内，但是当c含量超过0.1％时，珠光体相作为显微组织过度形成，因此存在低温下冲击特性和疲劳特性劣化的问题。此外，随着固溶c含量的增加，冲击特性降低。
[0038]
因此，c可以以0.06％至0.1％的量包含在内，并且更有利地，以0.07％或更多且0.09％或更少的量包含在内。
[0039]
硅(si)：0.3％至0.5％
[0040]
硅(si)用于与铝(al)一起使钢水脱氧。si具有改善强度的效果，但是当si含量过多时，可能损害低温下的冲击特性和疲劳特性，因此必需以适当的量添加si。
[0041]
当si含量小于0.3％时，可能无法确保足够的强度，另一方面，当si含量超过0.5％时，阻碍c的扩散，使得存在促进ma相(马氏体-奥氏体混合组织)形成的问题。
[0042]
因此，si可以以0.3％至0.5％的量包含在内。
[0043]
锰(mn)：1.35％至1.65％
[0044]
锰(mn)是通过固溶强化对改善强度具有大的效果的元素，并且可以以1.35％或更多的量包含在内。然而，当mn含量过多时，由于存在韧性可能因形成mns夹杂物和中心部分偏析而导致劣化的问题，因此考虑到这一点，mn可以以1.65％或更少的量包含在内。
[0045]
铝(可溶al)：0.015％至0.04％
[0046]
铝(可溶al)是钢的主要脱氧剂，并且有利于使钢中的氮(n)固定。为此，以0.015％或更多的量包含al是有利的，但是当al含量超过0.04％时，al2o3夹杂物的分数和尺寸增加，这导致低温韧性受损。此外，与si类似，存在低温韧性和低温疲劳特性由于加速基础材料和焊接热影响区中ma相的形成而劣化的问题。
[0047]
因此，al可以以0.015％至0.04％的量包含在内。
[0048]
铌(nb)：0.015％至0.04％
[0049]
铌(nb)具有固溶强化效果，并且通过形成碳氮化物以细微地形成组织来抑制轧制或冷却期间的再结晶而有利于改善强度。
[0050]
为了充分地获得以上效果，nb可以以0.015％或更多的量包含在内。另一方面，当nb的含量过多时，由于c亲和力而发生c聚集，使得促进ma相的形成，并且存在损害低温下的韧性和疲劳特性的问题，因此考虑到这一点，可以将nb的含量限制为0.04％或更少。
[0051]
因此，nb可以以0.015％至0.04％的量包含在内，更有利地，nb可以以0.02％或更多的量包含在内。
[0052]
钛(ti)：0.005％至0.02％
[0053]
钛(ti)与氮(n)结合(这可能使钢的冲击特性和表面品质劣化)以形成基于ti的氮化物(tin)，并用于减少溶解的n的含量。基于ti的析出物通过抑制组织的粗化而有助于细化，并且对提高韧性是有用的。
[0054]
为了充分获得上述效果，ti可以以0.005％或更多的量包含在内，但是当ti含量超过0.02％时，由于析出物的粗化而导致破坏，并且与n结合之后剩余的溶解ti形成基于ti的碳化物(tic)，因此存在损害基础材料和焊接区的韧性的问题。
[0055]
因此，ti可以以0.005％至0.02％的量包含在内，并且更有利地，ti可以以0.01％或更多的量包含在内。
[0056]
铬(cr)：0.15％至0.4％
[0057]
铬(cr)为通过增加钢的淬透性而有利于改善强度的元素。
[0058]
为了充分获得上述效果，cr可以以0.15％或更多的量包含在内，但是当cr的含量超过0.4％时，不仅可焊性劣化，而且存在作为昂贵元素导致制造成本增加的问题。
[0059]
因此，cr可以以0.15％至0.4％的量包含在内。
[0060]
镍(ni)：0.3％至0.5％
[0061]
镍(ni)为可以同时改善钢的强度和韧性的元素。
[0062]
特别地，为了在根据本公开内容的轧制过程中充分获得改善强度和韧性的效果，ni可以以0.3％或更多的量包含在内。然而，当ni含量超过0.5％时，上述效果饱和，但是存在制造成本增加的问题。
[0063]
因此，ni可以以0.3％至0.5％的量包含在内。
[0064]
氮(n)：0.002％至0.008％
[0065]
氮(n)与钢中的ti、nb、al等结合以形成析出物，并且这些析出物通过在再加热期间形成细的奥氏体组织而有效改善强度和韧性。
[0066]
为了充分获得上述效果，添加0.002％或更多的n是有利的，但是当n含量超过0.008％时，在高温下引起表面裂纹，并且在形成析出物之后剩余的n以原子状态存在，导致钢的韧性受损。
[0067]
因此，n可以以0.002％至0.008％的量包含在内。
[0068]
磷(p)：0.01％或更少(不包括0％)
[0069]
磷(p)为导致晶界偏析的元素，其可能导致钢的脆化。因此，应将p的含量控制得尽可能低。
[0070]
在本公开内容中，即使当p以0.01％的最大量包含在内时，在确保预期的物理特性方面也不存在问题，因此可以将p含量限制为0.01％或更少。然而，考虑到不可避免地添加水平，可以不包括0％。
[0071]
硫(s)：0.003％或更少(不包括0％)
[0072]
硫(s)主要与钢中的mn结合以形成mns夹杂物，其为损害低温韧性的因素。
[0073]
因此，为了确保本公开内容中所期望的低温韧性和低温疲劳特性，s含量应控制得尽可能低，并且优选地可以限制为0.003％或更少。然而，考虑到不可避免地添加水平，可以不包括0％。
[0074]
本公开内容的剩余部分可以为铁(fe)。然而，在一般制造过程中，可能不可避免地从原料或周围环境添加不可避免的杂质，因此杂质可能无法被排除。一般制造过程领域的
技术人员可以知晓所述杂质，因此，在本公开内容中可以不提供对杂质的描述。
[0075]
优选的是，在满足上述合金组成的本公开内容的钢板中，钢中的mn、ni与cr之间的关系满足以下关系式1。
[0076]
[关系式1]
[0077]
mn+5(ni+cr)≥3.6
[0078]
其中，各元素是指重量含量。
[0079]
在本公开内容中，为了改善厚度为100mm至200mm的超厚钢板的低温韧性，可以将c的含量限制为0.10％或更少。在本公开内容中，通过关系式1来控制钢中的mn、ni与cr之间的关系，使得即使当c含量相对降低时，也不会不利地影响确保强度。
[0080]
具体地，当本公开内容中所提出的合金组成中mn、ni与cr之间的含量关系不满足上述关系式1时，即，当关系式1的值小于3.6时，可能无法获得最大厚度为200mm的超厚钢板的强度。
[0081]
满足上述合金组成和关系式1的本公开内容的超厚钢板可以具有由铁素体和珠光体的复合组织构成的显微组织。
[0082]
具体地，优选的是，本公开内容的超厚钢板以面积分数计包含：80％至90％的铁素体和剩余部分的珠光体。
[0083]
当铁素体的分数小于80％时，难以确保超厚钢板的低温韧性。另一方面，当铁素体的分数超过90％时，珠光体的分数不足，使得不能确保目标水平的强度。
[0084]
此外，本公开内容的超厚钢板具有细的组织，因为铁素体的平均晶粒尺寸为50μm或更小。
[0085]
在此，应注意，平均晶粒尺寸基于等效圆直径。
[0086]
如上所述，本公开内容通过细微地实现超厚钢板的组织而具有能够同时确保优异的强度和低温韧性的效果。
[0087]
具体地，本公开内容的超厚钢板可以具有300mpa或更大的屈服强度和在-20℃下200j或更大的冲击韧性，表现出高强度和优异的低温冲击韧性。
[0088]
在下文中，将详细描述根据本公开内容的另一个方面的用于制造具有优异低温冲击韧性的超厚钢板的方法。
[0089]
简而言之，可以通过准备满足本公开内容中提出的合金组成和关系式1的钢坯，然后使该钢坯经受[加热-轧制-空气冷却]的过程来制造钢板。特别地，在本公开内容中，存在的技术意义在于，作为轧制过程，轧制过程在正火热处理区域中进行，而不在完成轧制过程之后进行单独的热处理。
[0090]
以下将详细描述每个过程条件。
[0091]
[钢坯加热]
[0092]
在本公开内容中，优选在进行轧制过程之前进行加热钢坯并使其均质化的过程，在这种情况下，加热过程可以在1020℃至1150℃的温度范围内进行。
[0093]
当钢坯的加热温度低于1020℃时，ti、nb等可能无法充分溶解，导致强度降低。另一方面，当其加热温度高于1150℃时，奥氏体的晶粒粗化，使得存在钢的韧性可能劣化的问题。
[0094]
钢坯可以具有400mm或更小的厚度以确保足够的轧制量，从而确保强度和韧性，同
时通过随后的轧制过程具有200mm的最大厚度。
[0095]
[轧制过程]
[0096]
可以对根据以上加热的钢坯进行热轧来制造热轧钢板。
[0097]
在本公开内容中，热轧优选在[再结晶区轧制(粗轧)-非再结晶区轧制(精轧)]的操作中进行。
[0098]
粗轧可以在1000℃或更高下进行，使得奥氏体可以完全再结晶。
[0099]
此后，可以在恰好高于非再结晶温度(tnr)的温度下或者在tnr至a3的范围内的温度下，在奥氏体单相区中进行精轧。在这种情况下，为了进一步促进晶粒细化效果，在接近a3温度下进行精轧是有利的，但是为了获得正火效果，在恰好高于tnr温度下进行精轧是有利的。恰好高于tnr的温度可以表示为大于tnr至tnr+50℃的温度范围。
[0100]
tnr和a3温度可以通过下式获得，其中各元素意指重量含量。
[0101]
tnr＝887+464c+(6445nb-644√nb)+(732v-230√v)+890ti+363al-357si
[0102]
a3＝910-203√c-15.2ni+44.7si+104v+31.5mo-30mn+11cr+20cu-700p-400al-400ti
[0103]
当精轧期间的温度低于a3时，进行两相区轧制，并且正火效果不足，使得可能存在需要另外的热处理过程的问题。
[0104]
更优选地，精轧可以在820℃至900℃的温度范围内完成。
[0105]
由于本公开内容旨在通过进行上述轧制过程来获得最大厚度为200mm的超厚钢板，因此必需考虑轧制过程中粗轧和精轧期间的压下率的分布。
[0106]
在本公开内容中，优选的是，将紧接在粗轧之后的剩余轧制压下率控制为25％至35％。当剩余轧制压下率小于25％时，存在粗轧过程延长和生产率降低的问题。另一方面，当剩余轧制压下率超过35％时，存在由于在粗轧之后的精轧期间在轧机上产生负荷，可能无法实现良好轧制的问题。
[0107]
在此，应注意，剩余轧制压下率是指相对于目标厚度粗轧之后剩余的精轧的量。
[0108]
[空气冷却]
[0109]
可以对通过完成根据以上的轧制过程获得的热轧钢板进行冷却，在这种情况下，优选进行空气冷却以实现正火效果。
[0110]
根据本公开内容通过在完成轧制过程之后进行空气冷却，不仅可以实现晶粒细化的效果，而且可以实现在不进行后续的热处理过程的情况下获得具有优异强度和韧性的超厚钢板的效果。
[0111]
更具体地，当在本公开内容的超厚钢板中形成预期的显微组织时，对于厚度为100mm至200mm的超厚钢，可以确保优异的强度和韧性特性二者。
[0112]
为了确保强度，通过常规正火热处理制造的钢板的碳含量高于通过控制轧制+冷却制造的tmcp钢材的碳含量，使得通过常规正火热处理制造的钢材即使在热处理之后也趋于具有较差的冲击韧性。此外，当热处理温度太高，或热处理时间太长时，与热处理之前处于轧制状态的钢板相比，强度可能由于晶粒生长而降低。
[0113]
在通过tmcp过程制造超厚钢板的情况下，由于因温度控制需要几分钟的空气冷却等待时间，因此生产率降低，并且需要因水处理而导致的成本，这在经济上是不利的。
[0114]
本公开内容提出了能够克服通过上述过程生产的超厚板的缺点的制造方法，并且
通过优化具有特定合金组分体系的板坯的轧制和冷却条件，可以提供具有优异的强度和低温韧性特性的超厚板。
[0115]
在下文中，将通过以下实施例更详细地描述本公开内容。然而，应注意，以下实施例仅用于通过举例说明详细地描述本公开内容，并且不旨在限制本公开内容的权利范围。原因是本公开内容的权利范围由权利要求中描述的事项和由此合理推断的事项来确定。
[0116]
发明实施方式
[0117]
(实施例)
[0118]
准备具有表1中示出的合金组成的钢坯。在这种情况下，合金组成的含量为重量％，并且其剩余部分包含fe和不可避免的杂质。
[0119]
使所准备的钢坯在表2所示的条件下经受加热、热轧(粗轧和精轧)和冷却(空气冷却)，因此制造了各热轧钢板。在这种情况下，粗轧在1000℃或更高下进行。
[0120]
[表1]
[0121][0122]
[表2]
[0123][0124]
测量如上制造的各热轧钢板的显微组织和机械特性，并且其结果示于表3中。
[0125]
在各热轧钢板的显微组织中，用光学显微镜(om)观察在1/4t(其中t意指厚度(mm))点处收集的试样，并在-20℃下对同一试样进行夏比冲击测试以评估冲击韧性。
[0126]
此外，使用万能拉伸测试机测量根据jis 5号标准收集的试样的拉伸强度、屈服强度和伸长率。
[0127]
[表3]
[0128][0129]
如表1至表3所示，在满足本公开内容中提出的所有合金组成、关系式1和制造条件的发明例1至3中，可以确认钢板具有300mpa或更大的屈服强度，和在-20℃下200j或更大的冲击韧性，其具有高强度和优异的低温冲击韧性。
[0130]
另一方面，在满足本公开内容中提出的合金组成体系，但是在精轧期间具有过高的终止温度的比较例1的情况下，形成粗铁素体，导致较差的强度和韧性。
[0131]
此外，在钢中c含量过多的比较例2中，过度形成珠光体，确保了强度，但是韧性大大变差。
[0132]
在偏离本公开内容中提出的关系式1的比较例3中，可以确认，即使形成如本公开内容中所期望的显微组织，强度也降低。这证明了当没有根据本公开内容的关系式1优化钢中的可硬化元素的含量时，难以确保目标强度。
[0133]
图1为发明例3的显微组织的照片，并且可以确认形成了具有珠光体与作为主要相的细铁素体相的复合组织。

技术特征：
1.一种具有优异的低温冲击韧性的超厚钢板，以重量计包含：0.06％至0.1％的碳(c)、0.3％至0.5％的硅(si)、1.35％至1.65％的锰(mn)、0.015％至0.04％的铝(可溶al)、0.015％至0.04％的铌(nb)、0.005％至0.02％的钛(ti)、0.15％至0.4％的铬(cr)、0.3％至0.5％的镍(ni)、0.002％至0.008％的氮(n)、0.01％或更少(不包括0％)的磷(p)、0.003％或更少(不包括0％)的硫(s)、以及余量中的铁(fe)和不可避免的杂质，所述超厚钢板满足以下关系式1，其中所述超厚钢板以面积分数计包含：80％至90％的铁素体和剩余部分的珠光体作为显微组织，[关系式1]mn+5(ni+cr)≥3.6其中，各元素是指重量含量。2.根据权利要求1所述的具有优异的低温冲击韧性的超厚钢板，其中所述铁素体的平均晶粒尺寸为50μm或更小。3.根据权利要求1所述的具有优异的低温冲击韧性的超厚钢板，其中所述钢板具有300mpa或更大的屈服强度和在-20℃下200j或更大的冲击韧性。4.根据权利要求1所述的具有优异的低温冲击韧性的超厚钢板，其中所述钢板的厚度为100mm至200mm。5.一种用于制造具有优异的低温冲击韧性的超厚钢板的方法，包括以下操作：准备钢坯，所述钢坯以重量计包含：0.06％至0.1％的碳(c)、0.3％至0.5％的硅(si)、1.35％至1.65％的锰(mn)、0.015％至0.04％的铝(可溶al)、0.015％至0.04％的铌(nb)、0.005％至0.02％的钛(ti)、0.15％至0.4％的铬(cr)、0.3％至0.5％的镍(ni)、0.002％至0.008％的氮(n)、0.01％或更少(不包括0％)的磷(p)、0.003％或更少(不包括0％)的硫(s)、以及余量中的铁(fe)和不可避免的杂质，所述钢坯满足以下关系式1，将所述钢坯在1020℃至1150℃的范围内的温度下加热；使经加热的钢坯在1000℃或更高温度下经受粗轧；在所述粗轧之后，在恰好高于非再结晶温度(tnr)的温度下或者在tnr至a3的范围内的温度下，对所述钢坯进行精热轧；以及在所述精热轧之后对其进行空气冷却，[关系式1]mn+5(ni+cr)≥3.6其中，各元素是指重量含量。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述精热轧在820℃至900℃的温度范围内结束。7.根据权利要求5所述的方法，其中所述粗轧之后的剩余轧制压下率为25％至35％。8.根据权利要求5所述的方法，其中所述钢板的厚度为100mm至200mm。

技术总结
本发明涉及可以用作例如用于海洋、桥梁和建筑应用的材料的结构钢，并且更具体地，涉及具有优异的低温冲击韧性的超厚钢板及其制造方法。方法。方法。


技术研发人员：金佑谦 金相镐 白大雨
受保护的技术使用者：浦项股份有限公司
技术研发日：2021.11.25
技术公布日：2023/8/9