本發(fā)明屬于低合金船舶用鋼制造，具體涉及一種具有高ctod特性的51kg級bca2止裂鋼及其制造方法。

背景技術(shù)：

1、隨著集裝箱貨船向大型化發(fā)展，自2016年以來，18000-20000teu的集裝箱船訂單持續(xù)增長，目前已增加到24000teu。隨著對大型集裝箱貨船安全性要求的提高，對甲板上部結(jié)構(gòu)用厚鋼板也提出了更高的性能要求。但是隨著鋼板厚度的增大以及強(qiáng)度的提高，鋼材會變脆，止裂特性也會下降。國際船級社協(xié)會規(guī)定，2014年1月1日后簽訂合同的集裝箱貨船，必須履行甲板上部結(jié)構(gòu)采用高止裂性鋼的義務(wù)，因此限制了超過16000teu巨型集裝箱船的生產(chǎn)。

2、集裝箱船關(guān)鍵部位采用的止裂鋼，因其受力狀態(tài)不同，關(guān)鍵特性一般分為三類，即bca型、ctod型和兼具bca+ctod型。其中ctod(裂紋尖端張開位移)是一種評價材料和焊接接頭抗斷裂性能的有效方法、通過計算裂紋尖端附近的張開位移，利用位移外推插值法得到裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子的結(jié)果，已經(jīng)成為表征材料斷裂韌性的重要指標(biāo)之一。ctod數(shù)值越大，表示裂紋尖端處材料的抗開裂性能越好，即韌性越好；反之，ctod值越小，表示裂紋尖端處材料的抗開裂性能越差，即韌性越低。該指標(biāo)一直被iacs指南和各國船級社規(guī)范列為對于船體和海洋平臺用鋼斷裂韌性的主要考核評價指標(biāo)，尤其是對于厚度大于50mm、用于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位的鋼板，是必須評價的性能之一。bca是鋼板脆性斷裂止裂韌性的評價指標(biāo)，在現(xiàn)有船級社規(guī)范中分為bca1型和bca2型兩種，其指標(biāo)分別為6000n/mm3/2和8000n/mm3/2，指標(biāo)越高，則其脆性斷裂的抑止能力越高。

3、公開號為cn113242910a的發(fā)明專利《具有優(yōu)異的脆裂萌生抗力的超厚結(jié)構(gòu)鋼材及其制造方法》公開了一種大厚度焊接結(jié)構(gòu)用鋼板，在脆性止裂韌性方面達(dá)到6000n/mm3/2，即bca1級，但未對ctod進(jìn)行評價、強(qiáng)度等級僅為47kg，無法滿足更高強(qiáng)度等級、更高止裂韌性等級的設(shè)計要求。公開號為cn109311126b的發(fā)明專利《脆性裂紋傳播停止特性優(yōu)異的焊接結(jié)構(gòu)體》提出了一種抑止脆性裂紋傳播的結(jié)構(gòu)鋼，最大厚度為50mm，其細(xì)化的組織構(gòu)成提高了裂紋擴(kuò)展功，使其具有高的裂紋擴(kuò)展抑制能力。但該材料的強(qiáng)度等級僅為高強(qiáng)級別，對ctod和低溫韌性未做評價，厚度偏薄，不適宜用作大型集裝箱船舷側(cè)列板等要求大厚度、多種關(guān)鍵特性的結(jié)構(gòu)部位。公開號為cn110616300b的發(fā)明專利《一種優(yōu)良ctod特性的低溫用鋼及其制造方法》公開一種優(yōu)良ctod特性的低溫用鋼，其最大厚度僅為60mm，強(qiáng)度等級為40kg級別，僅具有較好的ctod特性，不僅沒有進(jìn)行脆性斷裂止裂韌性指標(biāo)評價，而且其厚度較小，無法滿足超大型箱船的設(shè)計建造要求。因此，研究開發(fā)一種適用于超大型集裝箱船關(guān)鍵部位的50kg級以上、且具有高ctod特征值、bca2型脆性止裂韌性的止裂鋼成為當(dāng)前亟待研究的重要課題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對以超大型集裝箱船關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為代表的核心材料升級與綜合性能要求，為解決大厚度材料由于平面應(yīng)變導(dǎo)致的脆性斷裂止裂韌性惡化問題，以及基于強(qiáng)制規(guī)范下的材料多種關(guān)鍵特性的高標(biāo)準(zhǔn)要求，本發(fā)明的目的是提供了一種具有高ctod特性的51kg級bca2止裂鋼及其制造方法。本發(fā)明采用特定的成分體系和生產(chǎn)工藝，同時調(diào)控產(chǎn)品的相組成和織構(gòu)組分，獲得具有超高強(qiáng)度、耐低溫、易焊接、高斷裂韌性和裂紋抑止能力等技術(shù)特征的止裂鋼，不僅適用于超大型集裝箱船艙口圍板、上甲板龍骨等關(guān)鍵部位，也可用于承受交變載荷、具有高斷裂韌性要求的大型焊接結(jié)構(gòu)件。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供一種51kg級高ctod特性的bca2級止裂鋼，化學(xué)成分及重量百分比為：c：0.05％～0.13％、si：0.15％～0.40％、mn：1.20％～1.60％、p：0.007％～0.012％、s≤0.01％、al：0.01％～0.05％、nb：0.007％～0.050％、ti：0.006％～0.012％、ni：0.50％～1.00％、cu：0.35～0.75％、v:0.03～0.08％，cr、mo和re中的一種或兩種以上，cr：0.10％～0.30％，mo：0.08％～0.15％，re：0.02％～0.05％，余量為fe及不可避免的雜質(zhì)。

4、基于上述技術(shù)方案，進(jìn)一步地，所述的51kg級高ctod特性的bca2級止裂鋼的厚度為60～100mm，貝氏體組織百分比在60％以上，屈服強(qiáng)度≥500mpa、抗拉強(qiáng)度600～770mpa，斷后伸長率≥20％，-40℃低溫沖擊功≥200j，ctod(-10℃)≥0.8mm、ndt≤-60℃、止裂韌性kca≥8000n/mm3/2。

5、以下詳細(xì)闡述本發(fā)明止裂鋼中各合金成分作用機(jī)理，其中百分符號％代表重量百分比：

6、c：是保證鋼強(qiáng)度的必要元素，尤其是對于tmcp鋼板，含量在0.05％以上，但當(dāng)含量超過一定量時，對于材料的低溫韌性、止裂韌性及焊接性影響惡化作用顯著。此外，c含量的增加還會增大鋼中冷卻形成的殘余奧氏體的傾向，惡化焊接性和低溫韌性，因此上限為0.13％。優(yōu)選c含量控制在0.06％～0.13％。

7、si：是煉鋼過程中主要的脫氧成分，為了得到充分的脫氧效果必須含0.10％以上。但若超過上限則會降低母材及焊接部位的韌性，以固溶形式存在的si提高強(qiáng)度的同時也能提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度，因此si的含量為0.15％～0.30％。

8、mn：是保證鋼的強(qiáng)度和韌性的必要元素，mn與s結(jié)合形成mns，避免晶界處形成fes而導(dǎo)致的熱裂紋，同時mn也是良好的脫氧劑。錳作為低成本的強(qiáng)韌化元素，其含量過低，無法保證材料的強(qiáng)度，但當(dāng)mn含量高于1.60％時，會加重鑄坯偏析并惡化粗晶熱影響區(qū)(cghaz)的低溫韌性，因此優(yōu)選的mn含量應(yīng)該控制在1.20％～1.60％。

9、p：是鋼中不可避免的雜質(zhì)元素，會惡化鋼的韌性和焊接性能。研究表明，當(dāng)p含量過高時，其脆化性能顯著提高，因此上限優(yōu)選為0.012％。

10、s：含量如果超過0.02％，會在鋼中形成大量的mns夾雜，而mns夾雜的形成及其產(chǎn)生的各向異性，嚴(yán)重降低鋼板的韌塑性、焊接性；同時，s含量的提高會造成熱軋鋼板熱裂傾向的增大，因此，冶煉過程中會采取措施使鋼中s含量盡可能降低。本發(fā)明中，確定s含量上限為0.01％。

11、al：作為脫氧和細(xì)化晶粒元素，一般添加含量在0.01％以上，但超過0.05％時容易產(chǎn)生鑄坯熱裂紋，形成大量夾雜，同時鋼的韌性降低，因此al含量上限為0.05％，優(yōu)選含量范圍為0.01％～0.05％。

12、ni：作為奧氏體穩(wěn)定化元素，ni的增加可提高固溶強(qiáng)化效果，鎳可降低臨界冷卻速度，延遲珠光體轉(zhuǎn)變，對本發(fā)明所述高ctod特性止裂鋼板的組織控制、晶粒細(xì)化和均勻化有益，但過高的含量會顯著提高成本，宜將其含量控制在0.50％～1.00％之間。

13、cu：能夠明顯提升鋼板淬透性和耐腐蝕能力，也是鋼中奧氏體穩(wěn)定性元素，適量的加入可細(xì)化tmcp鋼板的微觀組織，提升低溫韌性；但過多的加入，會造成“銅脆”傾向，鑄坯表面和內(nèi)部易出現(xiàn)裂紋，降低軋后鋼板的力學(xué)性能，而且使韌性降低，引起鋼板脆化。本發(fā)明采用tmcp+回火工藝，利用cu的彌散析出，在不損害韌性的情況下，獲得高強(qiáng)度，因此，本發(fā)明cu含量優(yōu)選控制在0.45％～0.75％之間。

14、cr：鉻是弱碳化物形成元素，一定的cr含量加入，可提高鋼板的淬透性、促進(jìn)以貝氏體為代表的強(qiáng)化組織的形成，其可以替代一部分的c、mn等強(qiáng)化元素，降低前者因提高強(qiáng)度而帶來的韌性惡化作用，但較高的cr加入后，也會導(dǎo)致焊接性能的惡化，因此在tmcp工藝下，優(yōu)選的cr含量范圍在0.10％～0.30％之間。

15、mo：作為顯著提高淬透性和貝氏體化傾向的元素，在鋼中適當(dāng)添加mo可抑止珠光體的形成，其提高鋼的強(qiáng)化性作用與cr相似，通過碳化物的形成來提高鋼的強(qiáng)度，但添加過多也會造成焊接性和低溫韌性的惡化，因此優(yōu)選的mo含量范圍在0.08％～0.15％之間。

16、nb：產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化的關(guān)鍵元素之一，細(xì)化作用表現(xiàn)在兩方面，其一對奧氏體再結(jié)晶具有顯著地延遲作用，提高再結(jié)晶溫度，防止再結(jié)晶奧氏體長大；其二是隨著軋制溫度的降低，nb的c、n化物在奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變前彌散析出，成為鐵素體形核質(zhì)點，使鐵素體在小過冷度下形成，不易長大，細(xì)化鐵素體晶粒尺寸。作為非再結(jié)晶溫度區(qū)間擴(kuò)大的nb元素，可通過晶粒細(xì)化增加高角晶界，進(jìn)而改善止裂韌性。

17、ti：微量鈦與鋼中c、n結(jié)合，形成細(xì)小穩(wěn)定的c、n化物顆粒，在板坯加熱過程中可以有效阻止奧氏體晶粒粗化，焊接時可以抑制焊接熱影響晶粒粗化，改善基體組織和焊縫熱影響區(qū)的低溫韌性。

18、n可以與nb、ti、v形成細(xì)小析出物，發(fā)揮強(qiáng)化和細(xì)晶作用，提高強(qiáng)韌性，但含量過高使焊接性惡化，且易產(chǎn)生應(yīng)變時效，惡化低溫韌性，其含量控制在0.001％～0.004％為宜。

19、re：稀土元素可深度降低鋼中低熔點元素在晶界偏聚而導(dǎo)致的惡化行為，通過凈化晶界來提高強(qiáng)度和韌性；改變鋼中硫化物的分布和形態(tài)，特別是鋼中mns夾雜在熱軋時易形成細(xì)條狀分布，造成鋼具有明顯的方向性，嚴(yán)重惡化橫向性能。同時，一定量的稀土元素還可以改善鋼的可焊性和耐腐蝕性，優(yōu)選含量為0.02％～0.05％。

20、本發(fā)明還提供上述的51kg級高ctod特性的bca2級止裂鋼的制造方法，主要包括冶煉、精煉、連鑄、加熱、軋制、冷卻、和回火處理工藝過程；其中，

21、加熱工藝過程中加熱溫度為1100～1150℃，保溫時間為0.8～1.5min/mm；該溫度設(shè)置是由于，低于1100℃的溫度不足以讓nb等合金元素完全溶解到奧氏體中，無法保證熱軋所需的終軋溫度，而高于1150℃，使得原始奧氏體晶粒粗化顯著，會降低鋼板的低溫韌性；

22、軋制工藝過程分為兩個階段軋制，第一階段軋制在奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制，第二階段軋制在未再結(jié)晶區(qū)軋制；

23、冷卻工藝過程為層流冷卻，開冷溫度730℃以上，終冷溫度550℃以下，冷卻速率控制在1-4℃/s；

24、回火處理工藝過程，回火溫度為580-630℃，回火時間1.5-2.3min/mm，出爐后空冷至室溫。

25、基于上述技術(shù)方案，進(jìn)一步地，加熱工藝過程中加熱溫度為1100～1140℃，保溫時間為1～1.2min/mm。

26、基于上述技術(shù)方案，進(jìn)一步地，第一階段軋制的開軋溫度為930℃～1105℃，累積壓下量不低于45％，第二階段軋制的開軋溫度為800℃～840℃，終軋溫度為750℃～790℃，累積壓下量不低于45％。

27、基于上述技術(shù)方案，進(jìn)一步地，開冷溫度為690～730℃，終冷溫度為500～550℃。

28、基于上述技術(shù)方案，進(jìn)一步地，冶煉工藝過程采用深脫硫鐵水，鐵水s≤0.02％，鐵水至轉(zhuǎn)爐后，采用“雙渣”脫磷與爐后鋼水“扒渣”相結(jié)合的工藝冶煉，終渣堿度控制在r＝3.0±0.1之間，擋渣操作，放鋼時間不小于6min。

29、基于上述技術(shù)方案，進(jìn)一步地，冶煉工藝過程采用高拉碳一次點吹方式生產(chǎn)。

30、基于上述技術(shù)方案，進(jìn)一步地，所述的精煉為lf精煉，采用鋁粒、碳化硅、碳化鈣調(diào)渣，進(jìn)一步降低o、s、非金屬夾雜等有害雜質(zhì)含量。

31、基于上述技術(shù)方案，進(jìn)一步地，連鑄工藝過程中過熱度≤20℃，采用重壓下和鑄坯凝固末端電磁攪拌，重壓下量為15～25mm，二冷采用分段式冷卻，前段強(qiáng)冷，冷卻速率10～30℃/s，后段弱冷，冷卻速率為5～15℃/s，連鑄坯拉速1.0-1.3m/min，澆鑄板坯厚度280～320mm。

32、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有的有益效果如下：

33、(1)本發(fā)明提供的適用于超大型集裝箱船關(guān)鍵部位的51kg級、且具有高ctod特征值、bca2型脆性止裂韌性止裂鋼，ctod≥0.8mm、-40℃低溫沖擊功≥200j以上，kca≥8000n/mm3/2，滿足了超大型集裝箱船對鋼材強(qiáng)度等級、斷裂韌性提升的要求。

34、(2)由于止裂鋼在制造過程中需要進(jìn)行焊接及焊后消應(yīng)力處理，以減少焊接接頭位置由于應(yīng)力集中導(dǎo)致的斷裂發(fā)生，單純采用tmcp工藝生產(chǎn)的鋼板，其往往無法滿足回火穩(wěn)定性，極易發(fā)生性能下降。而本發(fā)明通過tmcp+回火，在保證強(qiáng)度的同時，改善材料韌性的同時，保證了鋼板具有良好的回火穩(wěn)定性，利于工程應(yīng)用。

35、(3)本發(fā)明利用nb、ti元素抑制奧氏體晶粒長大并在奧氏體轉(zhuǎn)變過程中的促進(jìn)形核來細(xì)化晶粒，控制厚度心部組織，提高組織均勻性；配以相應(yīng)的獨特生產(chǎn)工藝解決了大厚度、高ctod型止裂鋼的技術(shù)指標(biāo)匹配難題。

36、(4)本發(fā)明通過添加適量強(qiáng)韌化元素并配以精準(zhǔn)控制的冶煉及tmcp+回火工藝，實現(xiàn)細(xì)晶、析出和相變強(qiáng)化的綜合作用；如通過加入適量cu，以析出強(qiáng)化保證強(qiáng)度，同時mo的加入提高了回火穩(wěn)定性，ni的添加避免了低溫韌性和止裂性能、焊接性的惡化。

37、(5)本發(fā)明通過調(diào)控相組分和織構(gòu)組態(tài)，實現(xiàn)高斷裂韌性和止裂韌性等特征，兼具超強(qiáng)度的條件下，特別是獲得一定組分貝氏體和{112}<110>織構(gòu)，可提高協(xié)調(diào)變形能力和裂紋擴(kuò)展阻力，從而產(chǎn)生較高的啟裂功和裂紋擴(kuò)展功，獲得了良好的斷裂韌性。

38、(6)本發(fā)明的制備工藝完備且經(jīng)濟(jì)實用，可以滿足批量穩(wěn)定化生產(chǎn)需要。