一种低屈强比罐车用高强钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种低屈强比罐车用高强钢及其制造方法。
背景技术
经过几十年经济高速发展，我国石油消耗日趋增大，对环境污染等问题也日趋突出。随着国民环保意识觉醒，我国节能减排和环保政策逐渐推广执行，市场对移动罐车的要求越来越严格，那些容重比小，运载效率低的移动罐车逐渐淘汰，移动罐车的大型化、高端化已成为趋势。自21世纪初，我国开始使用600MPa级高强钢以来，移动罐车体积越来越大，容重比越来越小。随着交通运输业急剧扩大，罐车事故频发，碰撞容易造成罐车罐体开裂，从而引起危化品泄露，造成环境污染和财产损失，这对罐车用钢的屈强比、塑性等提出了更高要求。低屈强比和高塑性可明显提高罐车用钢板的抗变形能力，大幅减少因碰撞、撞击等引起的罐车用钢板的开裂。随着钒合金价格的逐年增加，钢板生产成本也越来越高，给市场推广和应用带来较大影响。
专利 CN102719737B是一种屈服强度460MPa的正火型高强韧钢板，采用C-Mn-Ni-V-N成分设计，抗拉强度实物水平为660~690MPa，低温韧性优良，但其V含量为0.12~0.20%、N含量为0.005~0.020%，塑性不足，合金成本高，N含量控制不稳定，易导致铸坯裂纹产生，不利于批量生产。
专利CN201310108383.X申请了一种屈服强度460MPa的正火容器钢及其制造方法，抗拉强度Rm≥570MPa，实物性能为578~613MPa，-40℃KV2≥100J，Si含量为0.30~0.50%，并采用了控制冷却工艺，并控制冷却速度8~15℃/s，但其抗拉强度不足，屈强比为0.82~0.84，且生产工艺流程长且复杂，Si含量较高不利于钢板表面质量。
专利CN201110462082.8是一种无Ni正火型Q370R压力容器钢板及其制造方法，并采用控制冷却工艺生产，其抗拉强度为550~585MPa，塑性指标为28~29%，组织类型为铁素体+珠光体，但其为500MPa级低合金钢，仅能满足-20℃冲击韧性要求，且V含量为0.07~0.08%，生产工艺流程长。
综上所述，现有正火型高强钢板存在生产工艺流程长，屈强比较高，强度不足，且钢中V合金元素含量较高，合金成本较高，且N含量较高，不利于批量生产。
发明内容
本发明其目的就在于提供一种低屈强比罐车用高强钢及其制造方法，以解决上述背景技术中的问题；采用本发明工艺制成的罐车用高强钢，具有低屈强比、高强度、高塑性及优异的低温韧性的特点。
为实现上述目的而采取的技术方案是，一种低屈强比罐车用高强钢，所述该高强钢的化学成分质量百分比含量分别为：C：0.08～0.15%、Si：0.05～0.20%、Mn：1.50～2.00%、P≤0.012%、S≤0.005%、Cr：0.32～0.45%、Ni：0.10～0.20%、Nb：0.02～0.07%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。
所述高强钢满足Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.50%。
所述高强钢的厚度为8~25mm。
所述高强钢的性能满足：屈服强度≥400MPa，抗拉强度Rm≥610MPa，延伸率A50≥32%，屈强比≤0.75，横向冲击功-50℃KV2≥47J。
本发明还公开了一种低屈强比超厚水电高强钢的制造方法，所述方法包括以下步骤：
（1）冶炼：高炉铁水经KR脱硫，再经120~160t氧气转炉进行冶炼，控制[P]≤0.010%，[C]≤0.04%；在钢包炉精炼处理，并同时加入铬铁、钒铁、镍铁、锰铁合金，将成分调整至目标值，同时[S]≤0.004%；再在RH真空炉进行精炼，在真空处理1个循环后添加硼铁；
（2）连铸：采用匹配的拉速与温度，全程保护浇注、电磁搅拌技术浇注成厚度140~300mm及以上规格的铸坯，铸坯堆垛缓冷48小时，铸坯温度低于300℃转入下一工序；
（3）轧制：将铸坯加热至1160～1220℃，在炉时间为0.9～1.5min/mm×板厚(mm)，高温铸坯经机械和高压水除鳞，除尽铸坯表面氧化铁皮；然后控制轧制，终轧温度控制在970～1020℃，前2道次压下量≥28mm；精轧开轧温度为860～930℃，终轧温度为820～860℃，轧制成8～25mm厚钢板；
（4）正火：8~25mm厚低屈强比罐车用高强钢钢板经900~930℃正火，在炉时间为60~105分钟，出炉空冷至室温后成为成品钢板。
为保证本发明的目的，以满足低屈强比罐车用高强钢低屈强比、高强度、高塑性、优异的低温韧性等特性，本发明中C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Nb等元素的限定理由阐述如下：
C通过固溶强化作用可明显提高钢板强度，当C含量较低时，必须通过添加合金元素来提高强度，明显增加成本，但过量的碳将明显降低钢的韧性和可焊性。为保证钢板强度和韧性等，C的含量为0.08～0.15%。
Si可有利于钢板强度的提高，当Si含量过高时，易形成坚硬硅酸盐夹杂物引起钢板表面缺陷，也明显降低钢板的韧性，Si的含量为0.05～0.20%。
Mn是低合金钢中普遍用来提高钢板强度的重要元素，在正火型高强钢中，提Mn降C是主要手段，Mn与钢中的Fe形成固溶体，可提高钢中铁素体的强度，其通过降低临界转变温度而细化珠光体组织，也起到提高钢的强度和韧性的作用。为保证钢的高强和低温韧性等，Mn的含量为1.50%～2.00%。
P对钢板的力学性能、热加工性是不利的，但其作为杂质元素不可避免存在于钢中，如无特殊性能要求，其含量越低越好，P的含量≤0.012%。
S通常是有害元素，其含量过高，降低钢的韧性和塑性，作为不可避免的杂质元素，尽量降低其含量，S的含量≤0.005%。
Cr可促进钢中贝氏体等硬相组织形成，与铁形成连续固溶体，固溶强化基体，细化组织，提高钢板的强度和硬度，但其过高时，促进形成过多的硬相组织，降低钢的韧性和塑性。Cr的含量为0.32～0.45%。
Ni是改善钢的低温韧性的主要元素，也是形成和稳定奥氏体的主要合金元素，其与铁互溶，通过细化钢种a相晶粒，从而改善钢的低温韧性。但其含量较高时，也将显著增加钢的生产成本，Ni的含量为0.10～0.20%。
Nb在控制轧制过程中引入大量高密度位错和畸变区，促进更多的相变核心的形成和相变组织的细化，从而提高贝氏体、铁素体基体强度。另外与C、N形成细小Nb（C、N）析出物，可促进新相形成，使晶粒进一步细化。但当Nb含量超过0.07%时，会恶化焊接热影响区的低温韧性。Nb的含量为0.02～0.07%。
本发明采用低C-Mn-Cr及Nb、Ni微合金化成分设计和正火工艺生产；首先对铁水进行脱硫，控制[S]≤0.003%；在炼钢时进行脱磷，控制出钢[P]≤0.010%，出钢后添加铬铁、镍铁、锰铁。在钢包炉精炼时进一步深脱硫，将硫控制至较低含量，钢水中的O含量尽量通过Al线脱氧并控制至在20ppm以下，同时添加按照目标成分添加铌铁等合金；Nb与C、N结合在钢中形成细小高温质点Nb(C、N)，在钢液凝固和轧制过程中有利于抑制晶粒长大和细化晶粒。在真空处理时，保证真空处理时间不少于10分钟，进一步降低钢中气体含量，保证[H]≤2ppm、[O]≤10ppm、[N]≤40ppm，同时有利于夹杂物的充分上浮和除去，保证了铸坯内在冶金质量和纯净度，有利于改善钢的低温韧性和塑性。浇注时采用电磁搅拌技术，改善铸坯心部质量，减少铸坯中心疏松和中心偏析，使铸坯质量达到中心偏析C1.0级以下，中心疏松0.5级，无裂纹。轧制时采用控制轧制工艺，充分利用Nb和Cr的作用，调整钢的组织形态，使钢板内部形成铁素体+珠光体+少量贝氏体组织，提高钢的强度，同时有利于降低钢的屈强比，改善塑性。最后对钢板再进行正火处理，进一步消除钢板应力，使钢板组织更均匀，使钢板具有优异的强韧性匹配和优异的塑性。
有益效果
与现有技术相比本发明具有以下优点。
1.本发明钢板不仅具有高强度、优良的-50℃低温韧性等特点，还有具有低屈强比、高塑性等特性，可明显提高罐车安全性，满足罐车要求；
2.发明采用C-Mn-Cr系和Nb、Ni微合金化成分设计，经LF、RH精炼处理，使钢板具有优异的内在质量，再经正火热处理，使钢板组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体，达到提高强度，降低屈强比，改善韧性和塑性目的，开发出低屈强比罐车用高强钢，其生产成本低，操作性强，且工艺流程短；
3.本发明生产出的高强钢为8~25mm厚，其碳当量Ceq≤0.50%，性能满足屈服强度≥400MPa，抗拉强度Rm≥600MPa，延伸率A50≥32%，屈强比≤0.75，横向冲击功-50℃KV2≥47J；具有优良的强韧性匹配、较低屈强比、高塑性、可焊性的特点。
附图说明
以下结合附图对本发明作进一步详述。
图1为本发明中实施例1的23mm厚钢板金相组织视图；
图2为本发明中实施例1的12mm厚钢板金相组织视图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述。
一种低屈强比罐车用高强钢的化学成分按质量百分比计为C：0.08～0.15%、Si：0.05～0.20%、Mn：1.50～2.00%、P≤0.012%、S≤0.005%、Cr：0.32～0.45%、Ni：0.10～0.20%、Nb：0.02～0.07%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。
同时满足：Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.50%。
本发明低屈强比罐车用高强钢的性能满足：屈服强度≥400MPa，抗拉强度Rm≥610MPa，延伸率A50≥32%，屈强比≤0.75，横向冲击功-50℃KV2≥47J。
本发明还公开了一种低屈强比罐车用高强钢的制造方法，该方法的工艺流程为：高炉铁水、铁水KR处理、120~160t氧气转炉冶炼、LF钢包炉精炼、RH真空炉处理、连铸、铸坯加热、控制轧制、正火、探伤、检验；其主要工序的具体操作步骤为：首先铁水先进行深脱硫，并经120~160t氧气转炉冶炼，再在LF精炼炉深脱硫、合金添加及精炼处理，然后进行RH真空处理，连铸时采用轻压下技术和全过程保护浇注技术在连铸机上浇注成140~300mm厚铸坯。将铸坯加热至1160～1220℃，在炉时间为0.9～1.5min/mm×板厚(mm)，高温铸坯经机械和高压水除鳞，除尽铸坯表面氧化铁皮；然后控制轧制，终轧温度控制在970～1020℃，前2道次压下量≥28mm；精轧开轧温度为860～930℃，终轧温度为820～860℃，轧制成8～25mm厚钢板；再进行900~930℃正火处理后成为成品钢板。
本发明具体各实施例的熔炼化学成分见表1(wt%)，剩余为Fe及不可避免的杂质元素。
表1
上述实施例均在120~160t转炉冶炼，铁水经KR脱硫，[S]最低达到0.001%，再经LF钢包炉进行深脱硫、升温、精炼处理及添加相关合金，之后在RH真空处理炉进行脱气、除夹杂物等精炼处理，充分使夹杂物和气体去除，保证钢水纯净度，并保证合金成分均匀，然后经电磁搅拌和全过程保护浇注成140~300mm厚铸坯。
将140~300mm厚铸坯加热至1160～1220℃，在炉时间为0.9～1.5min/mm×板厚(mm)，铸坯出炉后经机械和高压水除鳞，除尽铸坯表面氧化铁皮；然后控制轧制，终轧温度控制在970～1020℃，前2道次压下量≥28mm；精轧开轧温度为860～930℃，终轧温度为820～860℃，轧制成8～25mm厚钢板；轧制过程中充分利用细小高温质点Nb（C、N）细化晶粒作用，在控轧控冷过程中提高钢的基体强度和改善其低温韧性，同时利用Cr的强化基体作用，进一步提高钢的强度，有利于屈强比的降低。再进行900~930℃正火处理，在炉时间为60～105min，出炉后空冷至室温，使钢板组织更加均匀，有利于提高钢板韧性和塑性。表2为各实施例主要轧制和正火工艺参数。
表2
热处理后的钢板，夹杂物及组织参数统计见表3，横向取样加工成拉伸、冲击试样，并进行力学性能测试，结果见表4。
表3
表4
由表3和表4可见，钢中夹杂物等级较低，含量少，可明显改善钢板低温韧性和塑性，组织类型为铁素体F+珠光体P+少量贝氏体B，铁素体晶粒较细，少量贝氏体的存在有利于钢板强度的提高，同时有助于降低钢板的屈强比。因此，本发明试验钢板强度、冲击韧性、延伸率性能优异，富裕量均较大，特别是屈强比低，低温韧性和塑性优异。
图1所示，为实施例1中23mm厚钢板组织结构图，组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体。该组织不仅保证了钢具有较好的强韧性，还使其具有较好的屈强比和塑性。图2所示为实施例1中12mm厚钢板组织结构图，组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体。
本发明均可在冶金行业中中厚板厂实施，工艺流程简单，可操作性强且成本较低；可应用于汽车罐车、铁路罐车、罐式集装箱等行业。
