本發(fā)明屬于金屬材料制造，涉及一種優(yōu)異加工硬化能力的高強(qiáng)高韌性海洋工程裝備用鋼及其制造方法。

背景技術(shù)：

1、在國(guó)際船級(jí)社規(guī)范中，超高強(qiáng)海洋工程結(jié)用鋼屈服強(qiáng)度范圍從420?mpa至960mpa，采用可焊接的低碳低合金成分體系，通常添加ni、cr、mo、cu、v等合金元素。690mpa及以上級(jí)別需采用淬火+高溫回火的調(diào)熱處理工藝生產(chǎn)，高溫回火使馬氏體發(fā)生回復(fù)，畸變晶格中過(guò)飽和c擴(kuò)散，與cr、mo、v形成碳化物，降低了位錯(cuò)密度，高密度位錯(cuò)強(qiáng)化和固溶碳強(qiáng)化顯著降低，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度同時(shí)降低，拉伸應(yīng)力～應(yīng)變曲線變得平緩，明顯降低了加工硬化能力，加工硬化率在過(guò)屈服后立即下降直至頸縮斷裂。因此，淬火+回火熱處理超高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度ys與抗拉強(qiáng)度uts的比值（屈強(qiáng)比yield?ratio）通常高于0.95，即塑性變形后的強(qiáng)度儲(chǔ)備有限，成型后易產(chǎn)生局部塑性失穩(wěn)失效而斷裂，增加了海洋工程結(jié)構(gòu)服役安全風(fēng)險(xiǎn)。

2、因此，在海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選用鋼材規(guī)范中明確了420~960mpa級(jí)別鋼材屈強(qiáng)比≤0.94。而如何降低超高強(qiáng)級(jí)別尤其是690mpa級(jí)以上海工鋼的屈強(qiáng)比成了技術(shù)難題。690mpa級(jí)以上調(diào)控屈強(qiáng)比關(guān)鍵在于提高屈服后的加工硬化能力，優(yōu)化合金成分和工藝來(lái)調(diào)控各種強(qiáng)化機(jī)理貢獻(xiàn)，在保證屈服強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，通過(guò)穩(wěn)定屈服后的高加工硬化率來(lái)提升抗拉強(qiáng)度。

3、中國(guó)專利cn116516252a公開(kāi)了一種屈服強(qiáng)度850～950mpa、抗拉強(qiáng)度在1200～1400mpa、斷后延伸率30％～35％以上、擴(kuò)孔率≥60％的1200mpa超高強(qiáng)塑熱軋mn～trip鋼及其制備方法。采用c：0.23％～0.33％，si：0.45％～1.55％，mn：6.8％～96％，al：2.8％～4.8％成分設(shè)計(jì)，碳當(dāng)量ceq遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了海洋工程用鋼規(guī)范范圍，不適合于焊接海洋工程結(jié)構(gòu)使用。

4、中國(guó)專利cn115181886a公開(kāi)了一種980mpa級(jí)別低碳低合金雙相鋼及快速熱處理制造方法。通過(guò)快速熱處理改變變形組織的回復(fù)、再結(jié)晶及奧氏體相變過(guò)程，制備的雙相鋼屈服強(qiáng)度為598～749mpa，抗拉強(qiáng)度為1030～1090mpa，延伸率為10.6～16.6％，強(qiáng)塑積為109～174gpa％，應(yīng)變硬化指數(shù)n90值大于0.21。但是該專利提供的方法需要熱軋、卷取、冷軋以及快速熱處理，鋼板寬度和厚度有限，不適合中厚鋼板生產(chǎn)工藝裝備，無(wú)法應(yīng)用于海洋工程結(jié)構(gòu)。

5、中國(guó)專利cn111448332b公開(kāi)了一種抗拉強(qiáng)度780mpa級(jí)以上，并且具有低屈強(qiáng)比、優(yōu)異延展性和加工硬化指數(shù)的高強(qiáng)度鋼板制造方法，具有優(yōu)異加工性能。但是，該文獻(xiàn)技術(shù)針對(duì)汽車結(jié)構(gòu)部件高強(qiáng)度鋼板，采用高si高mn高al合金成分，而且通過(guò)熱軋卷板、冷軋、連續(xù)退火工藝生產(chǎn)，不符合足海洋工程結(jié)構(gòu)使用要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在提供一種優(yōu)異加工硬化能力的高強(qiáng)高韌性海洋工程裝備用鋼及其制造方法，通過(guò)合金成分優(yōu)化、控制軋制與控制冷卻以及高溫回火工藝方法，調(diào)控貝氏體、馬氏體、合金碳化物多相組織比例，提升了屈服后變形階段的加工硬化率，解決超高強(qiáng)海洋工程用鋼成型性與局部塑性失效的技術(shù)問(wèn)題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種優(yōu)異加工硬化能力的高強(qiáng)高韌性海洋工程裝備用鋼，鋼的化學(xué)成分重量百分比為c=0.08%～0.15％，si=0.10%～0.20％，mn=0.50%~1.00％，ni=0.30%～0.80％，cr=0.50%～1.50％，mo=0.10%～0.50％，cu=0.10%～0.50％，nb或v=?0.02%～0.04％，al=0.05%～0.08%，?b=0.0005%～0.0015%，?ti≤?0.01%，?n≤?0.005%，?p≤0.010%，?s≤0.006%，其余為fe和不可避免雜質(zhì)；鋼板顯微組織中回火馬氏體體積百分比為75%～85%，回復(fù)多邊形鐵素體體積百分比為13.5%～23.5%、碳化物體積百分比為0.5%～1.5%。

4、一種優(yōu)異加工硬化能力的高強(qiáng)高韌性海洋工程裝備用鋼的制造方法，工藝步驟為：

5、1）鐵水預(yù)處理：首先將鐵水進(jìn)行脫硫預(yù)處理，將鎂脫硫劑與不低于1300℃的鐵水充分混合反應(yīng)，使鐵水s含量不高于0.002%；

6、2）轉(zhuǎn)爐精煉：預(yù)處理后的鐵水倒入轉(zhuǎn)爐冶煉，處理時(shí)間25～30min，脫去鐵水中多余的碳、磷、硫，使c≤0.12%、p≤0.010%、s≤0.008%，溫度到達(dá)1650±30℃出鋼；

7、3）鋼包精煉：轉(zhuǎn)爐在出鋼過(guò)程中加入預(yù)先計(jì)算好的femn、fesi、feni、feal、fecr、cu、mo合金；鋼包運(yùn)送到lf爐外精煉工位，開(kāi)啟底吹氬氣，用石墨電極通電加熱，加入石灰、鋁調(diào)整爐渣并進(jìn)一步脫氧，處理25～30分鐘后，調(diào)整鋼液溫度至1600±10℃；

8、4）真空脫氣：將lf爐精煉后鋼水送至rh/vd真空處理工位并在鋼液中加入硼鐵，之后在不大于0.5tor的真空度環(huán)境下進(jìn)行真空脫氣處理不少于10分鐘，當(dāng)鋼液溫度至1560±10℃時(shí)加入保溫劑；

9、5）中包澆鑄：將上述真空處理后的鋼包吊轉(zhuǎn)到連鑄工位，從鋼包底部引流到澆鑄中包，控制鋼液流速和溫度，中包鋼液溫度控制在1535～1550℃，全程進(jìn)行氬氣封閉和覆蓋劑保護(hù)澆鑄，通過(guò)浸入式水口流入結(jié)晶器；

10、6）板坯連鑄：中包鋼液通過(guò)浸入式水口澆鑄到冷卻矩形銅板結(jié)晶器中，澆鑄過(guò)熱度控制在15～25℃，與結(jié)晶器銅璧接觸的鋼液凝固成坯殼，通過(guò)結(jié)晶器振動(dòng)和引錠桿將鑄坯脫離結(jié)晶器，進(jìn)入足輥區(qū)夾持輥道、二次冷卻區(qū)輥道、扇形段彎輥和矯直輥，用火焰切割得到各種長(zhǎng)度的200～320mm厚度連鑄板坯；

11、7）板坯加熱：將連鑄板坯送到步進(jìn)爐中逐段加熱到1150～1230℃，并在均熱段保溫1～3小時(shí)，控制奧氏體晶粒尺寸在50~100μm；

12、8）控制軋制：連鑄板坯推出加熱爐，經(jīng)輸送輥送到除鱗機(jī)，用高壓水除去表面氧化鐵皮，再送至四輥軋機(jī)在1050~950℃高溫區(qū)進(jìn)行第一階段控制軋制，中間坯在待溫輥道上降溫到850～900℃進(jìn)行第二階段控制軋制；

13、9）在線直線淬火：終軋后鋼板通過(guò)輥道傳送，進(jìn)入層流冷卻區(qū)進(jìn)行兩階段加速冷卻；

14、10）回火熱處理：將直接淬火后鋼板運(yùn)送至回火爐進(jìn)行高溫回火熱處理，回火溫度為550~650℃，保溫時(shí)間為2.5倍板厚mm×min/mm；

15、進(jìn)一步的，步驟8）控制軋制：第一階段控制軋制，950℃以上高溫段控制軋制平均單道次壓下量在30mm以上，軋制到中間坯厚度達(dá)到成品目標(biāo)厚度的2～5倍；第二階段控制軋制，累積壓下量達(dá)到50%～80%，鋼板軋制到成品目標(biāo)尺寸和板形要求；

16、進(jìn)一步的，步驟9）在線直線淬火：第一階段在冷卻區(qū)前1/3長(zhǎng)度，采用弱冷模式控制鋼板冷卻速度5～10℃/s，鋼板溫度至620～660℃，使體積百分比不高于25%部分發(fā)生先共析鐵素體相變；第二階段在冷卻區(qū)后?2/3長(zhǎng)度，采用強(qiáng)冷直接淬火模式，控制鋼板冷卻速度15~30℃/s，至終冷溫度300℃以下，保證剩余奧氏體發(fā)生馬氏體相變，含量75%以上。

17、本發(fā)明制造的具有優(yōu)異加工硬化能力的超高強(qiáng)海洋工程用鋼各合金成分作用機(jī)理如下：

18、c是控制淬火相變組織和提高強(qiáng)度的必要元素，在奧氏體內(nèi)保持固溶狀態(tài)，經(jīng)過(guò)直接淬火形成具有嚴(yán)重晶格畸變的高位錯(cuò)密度馬氏體，提供強(qiáng)烈的位錯(cuò)強(qiáng)化，在回火過(guò)程中與fe、cr、mo、v一起析出碳化物顆粒，保證強(qiáng)度的穩(wěn)定性。但是，過(guò)高c含量不僅容易形成帶狀組織，不利于塑性和韌性，高c成分在焊接熱影響區(qū)容易形成馬氏體而降低焊接部位韌性。從綜合性能角度考慮，優(yōu)選c含量控制在0.08～0.15%。

19、si是轉(zhuǎn)爐精煉后的鋼包脫氧元素，也可以發(fā)揮一定的固溶強(qiáng)化作用，同時(shí)si可以抑制滲碳體析出和粗化，從而提高韌性，但在板坯加熱過(guò)程中容易富集在表層形成鐵橄欖石，影響氧化鐵皮除鱗效果，因此優(yōu)選si含量為0.10～0.20%。

20、mn是保證馬氏體形成能力并發(fā)揮固溶強(qiáng)化的主要元素。如果含量過(guò)高會(huì)抑制奧氏體向鐵素體相變，不利于軋制后在線加速冷卻第一階段的先共析鐵素體形成。如果含量過(guò)低，則在冷卻第二階段強(qiáng)冷直接淬火階段無(wú)法形成足夠馬氏體。因此，mn含量范圍為0.50～1.20%，優(yōu)選范圍為0.70～1.00%。

21、ni是提高鋼的韌性和淬透性的主要元素，同時(shí)起到固溶強(qiáng)化作用。鋼中ni降低位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的激活能，增強(qiáng)了變形過(guò)程位錯(cuò)移動(dòng)性，從而提高了鋼的塑性和低溫韌性。但ni也是高成本合金，因此，本發(fā)明ni含量不高于0.30～0.80%，優(yōu)選范圍為0.50～0.70%。

22、cr是提高鋼淬透性的主要元素，促進(jìn)淬火過(guò)程馬氏體形成。同時(shí)，cr也是奧氏體細(xì)晶元素和強(qiáng)碳化物形成元素，可以顯著提高抗回火脆性，提高回火后鋼板低溫韌性。因此，本發(fā)明cr含量范圍0.50～1.50%，優(yōu)選范圍0.80～1.20%。

23、mo是提高鋼淬透性的主要元素，與c一起形成納米尺寸碳化物moc，起到顯著的析出強(qiáng)化效果。因此，本發(fā)明mo含量范圍0.10～0.50%，優(yōu)選范圍0.20～0.40%。

24、cu在回火過(guò)程中析出納米級(jí)富cu相，起到析出強(qiáng)化作用。因此，本發(fā)明cu含量范圍0.15～0.50%，優(yōu)選范圍0.20～0.30%。

25、nb?或?v：強(qiáng)烈的碳化物形成微合金化元素，在回火過(guò)程中析出納米級(jí)nbc或vc，提供有效的析出強(qiáng)化貢獻(xiàn)。因此，本發(fā)明nb和v兩者中任意一種，含量范圍0.02～0.04%。

26、v具有析出強(qiáng)化、晶粒細(xì)化和提高抗hic及硫化物應(yīng)力開(kāi)裂性能作用，在鋼中與c、n形成納米尺寸vc和v(c,n)顆粒而提高強(qiáng)度，并阻礙奧氏體向鐵素體相變，達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化與韌化效果，同時(shí)作為氫陷阱提高酸環(huán)境下的抗氫致開(kāi)裂與硫化物應(yīng)力開(kāi)裂能力。因此，本發(fā)明v含量范圍為0.005～0.04%，優(yōu)選范圍0.01～0.03%。

27、ti具有細(xì)化奧氏體晶粒尺寸和提高焊接性能作用，在高溫精煉過(guò)程中與鋼液中游離n形成tin顆粒，起到固n作用，保護(hù)添加的b為固溶狀態(tài)而提高淬透性。在板坯加熱過(guò)程中有效抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大，在焊接過(guò)程組織熱影響區(qū)晶粒粗化，提高焊接部位韌性。因此，本發(fā)明ti?含量范圍為0.008～0.020%，優(yōu)選范圍0.010～0.015%。

28、al在精煉過(guò)程中起到強(qiáng)烈脫氧和脫氮作用，形成al2o3和aln夾雜，保證鋼液中自由氧含量不高于10ppm，自由氮含量不高于40ppm，確保添加b在鋼中不形成bn而保持固溶狀態(tài)。因此，本發(fā)明中al含量范圍0.05～0.08%，優(yōu)選范圍0.055～0.065%。

29、b是強(qiáng)淬透性元素，在鋼中微量固溶偏聚于奧氏體晶界，即可有效提升淬火過(guò)程馬氏體形成能力。b也是強(qiáng)烈的氮化物形成元素，因此，本發(fā)明中須與al配合使用，含量范圍為0.0005～0.0015%，優(yōu)選范圍為0.0008～0.0012%。

30、n是鋼中不可避免氣體元素，在煉鋼過(guò)程中極易與ti、al、b形成尖角氮化物顆粒，偏聚于奧氏體晶界，不利于鋼的韌性。因此，本發(fā)明n含量不高于0.005%，優(yōu)選不高于0.003%。

31、p是對(duì)超高強(qiáng)海洋工程用鋼低溫韌性和延展性有害的元素，容易在連鑄過(guò)程中偏聚于板坯中心，以及偏析于原始奧氏體晶界，降低結(jié)晶結(jié)合力而損害韌性，本發(fā)明控制p不高于0.010%，優(yōu)選不高于0.005%。

32、s是對(duì)韌性和塑性不利的有害元素，在鑄坯心部偏析與mn偏析區(qū)形成大尺寸mns夾雜，在軋制階段被變形成兩端尖銳的長(zhǎng)條形狀，成為裂紋源，因此本發(fā)明材料控制s含量不高于0.006%，優(yōu)選范圍不高于0.003%。

33、本發(fā)明的有益效果：?1)低成本簡(jiǎn)單合金成分：采用低c、mn+cr兩大主合金以及nb或v單一微合金化元素，具有低碳當(dāng)量、成分簡(jiǎn)單和低成本優(yōu)勢(shì)，降低了精煉等工藝執(zhí)行難度；?2)高效率制備工藝：采用控制軋制與在線直接淬火工藝，免去了傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)超高強(qiáng)海工鋼離線再加熱淬火的工藝環(huán)節(jié)，提高了生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)過(guò)程能耗；?3)有效提升加工硬化能力：采用前弱后強(qiáng)兩階段控制冷卻工藝，在寬厚板中獲得少量先共析鐵素體軟相和主要馬氏體硬相的雙相組織，有效提升了塑性變形過(guò)程中加工硬化能力及其過(guò)屈服后的穩(wěn)定性，獲得了傳統(tǒng)離線淬火+回火超高強(qiáng)海工鋼難以達(dá)到的低屈強(qiáng)比，從而提高海洋工程結(jié)構(gòu)的服役安全性。