E40级船体结构钢生产工艺研究

2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳188E40级船体结构钢生产工艺研究郭振，温永红，武会宾，胡水平（北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京100083）摘要：介绍了微合金元素在高强度船体结构钢生产的作用，制定了生产工艺，对实验结果进行了详细的分析，总结了较为合理的工艺制度，并对低温下冲击性能较好的试样进行了断口扫描，观察了其组织形貌。关键词：船体结构钢；工艺制度；屈服强度；低温韧性StudyonProductionTechnologyofE40ShipPlateGUOZhen,WENYonghong,WUHuibin,HUShuiping(nationalengineeringresearchcenterforadvancedrollingtechnology,beijingscienceandtechnologyuniversity，beijing100083)Abstract:Theeffectofmicroalloyelementsinproductiontechnologyforhighstrengthshipplateisintroducedinthispaper.Rationalrollingscheduleisobtainedbymakingdetailedanalysisfortheexperimentresult.Thespecimenwiththehighestballistisworkinthelowtemperatureisobservedinstereoscanphotographforthenickandthemetallicphasepatternisobserved.Keywords:shipplate;rollingschedule;yieldstrength;low-temperatureflexibility1实验钢的化学成分成分设计的依据是钢板所要求的性能及各化学元素对机械性能的影响。碳是较强的固溶强化元素，能显著提高钢板强度，但降低韧性和塑性，明显恶化钢板的焊接性能。因此碳要控制在下限。合金元素Mn是贝氏体钢中的基本元素，加入量一般为0.9%-1.6%，钢中含一定量的Mn时可使过冷奥氏体转变曲线上存在明显的河湾，有利于在较宽的冷速范围内，获得完全的贝氏体组织，Mn还降低贝氏体转变温度，细化晶粒，增加贝氏体铁素体内的位错密度，Nb在钢中已经得到应用，主要作用是提高奥氏体再结晶温度，细化晶粒，Nb既可引起固溶强化，又能应变析出，起沉淀强化和细晶强化作用〔1〕，在相同的轧制和冷却条件下，Nb能提高轧态强度，且轧后回火处理能通过Nb(CN)沉淀析出进一步提高强度〔2〕。钛的作用：添加Ti会生成TiC颗粒，引起沉淀强化，添加少量的Ti会生成TiN颗粒弥散，起到抑制加热和轧制期间的晶粒长大，有助于韧性的改善。根据元素的相互作用特点，试验设计了两种不同的化学成分编号为E1和E2，针对每种不同的成分采用不同的工艺制度分别轧制成20mm和16mm的钢板，编号为：E1A和E1B；E2A和E2B。试验钢E1和E2的化学成分见表1。表1试验钢的化学成分取样CSiMnPSAlsNbTiNiE10.130.241.550.0160.00620.01360.0390.018E20.110.321.460.0140.00400.01520.0400.0260.5252实验轧制工艺制度实验在北京科技大学高效轧制国家工程研究中心进行。加热装置为高温厢式加热炉。轧制设备2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳189为Φ350二辊可逆热轧机，工作辊尺寸为Φ400-Φ380*350mm，最大轧制压力为1500KN，并且自动调节压下量。冷却设备为水幕层流冷却装置。式样为在实验室用真空感应炉冶炼并浇铸成25kg钢锭，锻造成厚为100mm的厚板。加热到1200℃均匀化1.5h后，经过再结晶温度区和非再结晶温度区（变形率大于60％）的两阶段控轧，再结晶区完成的变形量要使中间坯的厚度为成品钢板厚度的2倍以上，道次压下量在15%-25%，未再结晶区的开轧温度在900℃以下，变形量为60%以上。轧成20mm和16mm的板材，中间坯厚度为58mm，轧后进行控冷。轧制和水冷参数如表2所示：表2E级船板钢的轧制工艺取样加热温度(℃)精轧开轧温度(℃)精轧终轧温度(℃)未再结晶区轧制压下率(%)开冷温度(℃)终冷温度()℃E1A120090082065.5815595E1B120090078272.4776578E2A120090080565.5800585E2B120090080472.47985923实验结果及分析3.1试验钢的力学性能试验钢的力学性能见表3。表3E级实验钢的力学性能AKV（J）取样ReH(Mpa)Rm(Mpa)δ5(%)-20℃-40℃-60℃-80℃E1A45055030.812010837E1B47557025.314311213325E2A43066025.61019035E2B54064023.814711058由表3可以知道本次实验钢的屈服强度为430-540Mpa，抗拉强度为550-660Mpa，延伸率为23.8%-30.8%，符合船级社的要求，结合钢在低温下的冲击韧性，本次实验钢E1B的力学性能最好。3.2实验钢的金相组织分析制取船板纵向的金相试样，用砂纸打磨，抛光后用3％硝酸酒精溶液侵蚀，在光学显微镜下观察试样的显微组织（×1000），并拍摄金相组织照片对其进行分析。3.2.1E1试验钢的金相组织分析实验得到金相组织按同种成分不同厚度分别如下图所表示：由图1、图2可以看出，E1A产生了混晶组织，晶粒很不均匀，晶内有大量的碳化物呈点状分布，准多变形铁素体和珠光体体混合交织，且珠光体呈网状分布在铁素体晶界上，以致其强韧性较差；对于E1B，其组织类型为P+F，铁素体呈准多变形状，珠光体弥散分布，这种组织类型的此种状态分布是最佳的，其强韧性较好，但是当温度更低时，其冲击性能就会恶化，所以其-60℃开始其冲击功致显著降低，到-80℃只有25J，对于研究更高强韧性的船体结构钢，这种组织类型的潜力是有限的。从表1可知，对于试样E1A，C、S、P稍微偏高，但都在正常的控制范围，结合表2提供的工艺参数，对于E1A和E1B，在再结晶区的轧制制度完全相同，而在未再结晶区的轧制制度则有较大的区别，结合工艺参数的分析可以得到，在未再结晶区实行大的压下量轧制和较低的轧制温度有利于船体结构钢组织性能的改善。大的变形量，较低的轧制温度有利于晶粒产生较大的变形，同时在相变时会增加形核点，有利于晶粒的充分细化。为了进一步的研究组织对性能的影响，对珠光体形貌进行了进一步观察(如图3)，E1A珠光体片层间距较为明显，E1B珠光体片层间距较为模糊。可能是冷却速度的差异造成的，在连续冷却条件下，冷却速度越大，珠光体的形成温度越低，即过冷度大，则珠光体的片层间距越低，其2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳190原因是，冷却速度越大，形成温度降低，C原子的扩散能力下降，不易进行较大距离的迁移，只能形成片层间距较小的珠光体组织。由图4和图5可知，E2A和E2B式样其组织类型和E1A基本类似，都为P+F，珠光体呈网状分布于晶界处，只是铁素体形状更加不规则。图1E1A和E1B的金相组织a：E1A；b：E1B图2扫描电镜下的E1A和E1B组织形貌a：E1A；b：E1B图3E1A、E1B内部珠光体的形貌a：E1A；b：E1Bababab2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳191图4E2A和E2B的金相组织a：E2A；b：E2B图5扫描电镜下的E2A和E2B组织形貌a：E2A；b：E2B图6E2A、E2B内部珠光体的形貌a：E2A；b：E2B3.3试验钢低温韧性的研究3.3.1冲击式样的韧脆转变曲线E1A、E1B、E2A、E2B在低温下随着温降做连续的冲击试验，其韧脆转变曲线图如图7所示。通过图7可以看出E1B的低温冲击韧性最好，其韧脆转变温度低于-60oC，但是当温度降低到-80oC时，钢的低温韧性则显著恶化。为了更进一步研究材料的低温韧性，我们以E1B为例对其具有特殊值的冲击断口进行了扫描分析，并对断口处的金相组织进行了分析研究。ababab2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳192图7试验钢的韧脆转变曲线3.3.2E1B冲击断口分析图8E12B断口处组织形貌和SEM形貌a、b为-20oC金相组织和SEM形貌c、d为-40oC金相组织和SEM形貌e、f为-60oC金相组织和SEM形貌bcfeda2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳193如图8所示，a、b是E1B式样在-20oC冲击断口处金相和断口SEM形貌，其冲击功为142J，其金相组织和图1b的金相组织基本相同，此处断口为韧性断口，韧窝为抛物线状，这是由于受切应力作用的缘故，每个韧窝的大小相近，而且在韧窝的底部可见到类似夹杂物或第二相粒子存在，韧窝附近还有深坑，这可能是断裂时珠光体的破碎引起的，珠光体是一种脆性相。-40oC冲击图8c、d中断口呈现出过渡性断裂形貌，其冲击功为111J，光学显微镜下观察其金相组织为较为均匀的多边形铁素体，并弥散分布少量的珠光体，组织较为均匀，断口呈舌状花样，内有较深的坑。-60℃冲击图8e、f中断口也呈现出过渡性断裂形貌，其冲击功为84J，出现了河流花样，根据河流花样的“流向”来判断裂纹的起源和它的扩展方向，河流花样的“上游”是微裂纹的起源位置，“河流”的扩展方向（或解理扇形的扩展方向）是微裂纹的微观走向。图8f有脆性特征，可见在此温度下钢板已开始了脆性转变，在钢的组织中还可以看到大量的球状夹杂物，这可能是炼钢时氧的成分过高引起的，这将会成为裂纹的起源，极大的影响钢的冲击性能。4总结(1)未再结晶区增大变形量，使变形带的数量增加，且在晶体内分布更均匀，从而在相变时提供了更多形核点，使相变后的铁素体晶粒更均匀细小。(2)轧后快冷，使得在奥氏体晶内的形核率增大，从而细化晶粒，并使珠光体弥散分布，对提高钢材的强韧性有利。(3)随着温度的降低，断口形貌逐渐由韧窝状过渡到带有河流花样的脆性形貌。参考文献[1]D.Q.BAI，S.YUET.M.MACCAGNO,J.J.JONAS.E.theFectofDeformationandCoolingRateonMicrostructuresofLowCarbonNb-BSteels.ISIJ,International,1998,38(4):371-379.[2]Zhang.Z,Farrar.R.A.Roleofnorrmetallicinclusionsinformationofacicularferriteinlowalloyweldmetals.MatelSciTechnol,1996,12:233-240.[3]小指军夫.控制轧制与控制冷却.冶金工业出版社，2002.