本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，尤其涉及一種高ctod性能的51kg止裂鋼及其制造方法，特別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，也可用于具有高斷裂韌性要求的大型焊接結(jié)構(gòu)件。

背景技術(shù)：

1、箱船的大型化已經(jīng)成為世界集運(yùn)業(yè)主流發(fā)展方向。從2000年的7、8千箱，目前已經(jīng)發(fā)展到2萬(wàn)標(biāo)箱以上。船舶的大型化發(fā)展，促使運(yùn)輸能力增加、運(yùn)輸成本和碳排放降低，但是，船舶的大型化對(duì)建造用鋼板的綜合性能提出了更高的要求。特別是應(yīng)用于船舶的舷側(cè)列板、上甲板和龍骨等關(guān)鍵部位，由于在船舶運(yùn)行過(guò)程中需要承受浪涌、集裝箱碰撞等反復(fù)交變載荷作用，需要采用具有優(yōu)異韌性、止裂性及良好可焊性的大厚度高強(qiáng)鋼板，以防止發(fā)生脆斷，保障船舶安全性。隨著船舶的大型化發(fā)展，為防止船舶和海洋平臺(tái)用大厚度鋼板的斷裂韌性、特別是焊接接頭斷裂韌性的要求越來(lái)越高。ctod(裂紋尖端張開(kāi)位移)是一種評(píng)價(jià)材料和焊接接頭抗斷裂性能的有效方法、通過(guò)計(jì)算裂紋尖端附近的張開(kāi)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(kāi)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(kāi)裂性能越差，即韌性越低。該指標(biāo)一直被iacs指南和各國(guó)船級(jí)社規(guī)范列為對(duì)于船體和海洋平臺(tái)用鋼斷裂韌性的主要考核評(píng)價(jià)指標(biāo)，尤其是對(duì)于厚度大于50mm、用于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位的鋼板，是必須評(píng)價(jià)的性能之一。

2、目前，國(guó)內(nèi)外先進(jìn)鋼鐵公司都將船用止裂鋼作為戰(zhàn)略品種，已開(kāi)發(fā)成功并商業(yè)化生產(chǎn)的廠家有jfe、新日鐵住金、神戶制鋼、浦項(xiàng)制鐵、現(xiàn)代鋼鐵、鞍鋼。此后，國(guó)內(nèi)的寶鋼、南鋼等企業(yè)也開(kāi)始了此類(lèi)產(chǎn)品的研發(fā)及應(yīng)用研究。

3、公開(kāi)號(hào)為cn111304530a的《一種大厚度高韌性鋼板及其生產(chǎn)方法》發(fā)明專(zhuān)利，提供了一種具有47kg及以上級(jí)別的超高強(qiáng)度鋼，主要用于海洋平臺(tái)關(guān)鍵部位的承重結(jié)構(gòu)，其主要性能指標(biāo)僅可以滿足船級(jí)社規(guī)范的強(qiáng)度、韌性等級(jí)，不具有抗脆性斷裂、裂紋抑止等性能，無(wú)法用于超大型集裝箱船關(guān)鍵部位。

4、專(zhuān)利文獻(xiàn)《低屈強(qiáng)比、高韌性級(jí)高焊接性yp500mpa級(jí)鋼板及其制造方法》(cn112746219a)提出了一種海上風(fēng)電、低溫壓力容器等結(jié)構(gòu)用鋼板，在脆性止裂韌性方面達(dá)到6000-7000n/mm3/2，未對(duì)ctod進(jìn)行評(píng)價(jià)，其不適用于艙口圍、上甲板龍骨等部位。

5、專(zhuān)利文獻(xiàn)《利用織構(gòu)控制提高船舶用tmcp鋼沖擊韌性的方法》(cn112126759a)提出了基于eh47鋼板，通過(guò)控制中間坯變形分配，改善織構(gòu)組態(tài)，提高韌性的方法。但是，該軋制工藝采用空冷+水冷+空冷+水冷等四階段冷卻方式，明顯延長(zhǎng)了鋼板在線生產(chǎn)時(shí)間，極大的降低了軋制效率，而且對(duì)冷卻系統(tǒng)和軋線布局的要求極為復(fù)雜，無(wú)法滿足大批量生產(chǎn)的實(shí)際。

6、專(zhuān)利文獻(xiàn)《低成本、高止裂及高焊接性yp460mpa級(jí)厚鋼板及其制造方法》(cn112746158a)提出了一種屈服強(qiáng)度460mpa級(jí)鋼板，在強(qiáng)度等級(jí)、ctod斷裂韌性、脆性止裂韌性等級(jí)方面無(wú)法滿足更高的止裂韌性、超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)校核及高抗斷等服役性要求。

7、專(zhuān)利文獻(xiàn)《一種低成本抗拉強(qiáng)度520mpa級(jí)焊接結(jié)構(gòu)用鋼及制造方法》(cn113388782a)提出了一種針對(duì)最大厚度50mm鋼板，采用添加低成本的ti、si元素和微合金化元素nb，獲得抗拉強(qiáng)度520mpa級(jí)鋼的生產(chǎn)技術(shù)，其最大屈服強(qiáng)度僅達(dá)到40kg，厚度也不超過(guò)50mm，無(wú)法用于集裝箱船關(guān)鍵部位的設(shè)計(jì)選材和建造使用。

8、公開(kāi)號(hào)為cn110616300b的專(zhuān)利《一種優(yōu)良ctod性能的低溫用鋼及其制造方法》提出了一種具有40kg強(qiáng)度等級(jí)、最大厚度60mm的常溫ctod≥1.0mm的耐低溫鋼，其強(qiáng)度等級(jí)、厚度規(guī)格等指標(biāo)無(wú)法滿足集裝箱船艙口圍等部位的設(shè)計(jì)要求。

9、綜上可見(jiàn)，與上述公開(kāi)專(zhuān)利和相關(guān)技術(shù)相比，急需研發(fā)可以滿足批量穩(wěn)定化生產(chǎn)需要，具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用性的51kg止裂鋼。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服上述問(wèn)題和不足而提供一種具有超高強(qiáng)度、耐低溫、易焊接、高的斷裂韌性和裂紋抑止能力等技術(shù)特征的高ctod性能的51kg止裂鋼及其制造方法。

2、本發(fā)明提供的一種適用于超大型集裝箱船的51kg級(jí)、高ctod性能止裂鋼板，具有強(qiáng)韌性匹配優(yōu)異、止裂韌性高、焊接性良好等技術(shù)特征，母材及焊接接頭的-40℃低溫沖擊功≥150j以上，ctod(-10℃)：0.80～1.65mm，而且具有良好的可焊接，焊接接頭ctod(-10℃)：0.50～1.28mm，適用于超大型箱船的工程應(yīng)用。

3、本發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

4、一種高ctod性能的51kg止裂鋼，該鋼的成分按重量百分比計(jì)如下：c：0.04％～0.08％、si：0.10％～0.35％、mn：0.85％～1.40％、p：0.005％～0.012％、s≤0.01％、al：0.015％～0.04％、nb：0.006％～0.025％、ti：0.008％～0.016％，ni：0.50％～0.92％，cu：0.25％～0.45％，n：0.001％～0.004％；余量由fe及不可避免的雜質(zhì)。

5、進(jìn)一步，所述止裂鋼中還含有cr：0.15％～0.35％，mo：0.10％～0.25％，re：0.01％～0.03％中的一種或兩種以上。

6、所述止裂鋼顯微組織包括細(xì)板條貝氏體+多邊形鐵素體，所述多邊形鐵素體為針狀多邊形鐵素體或細(xì)晶多邊形鐵素體，其中，按體積百分比計(jì)如下：具有高塑性和良好韌性的針狀鐵素體及細(xì)晶多邊形鐵素體占比55％～70％，鋼板顯微組織平均晶粒尺寸5～12.5μm，以保證鋼板具有優(yōu)異的ctod性能。

7、所述止裂鋼板鋼板厚度為50～100mm，屈服強(qiáng)度reh：520～620mpa，抗拉強(qiáng)度rm：610～730mpa，斷后伸長(zhǎng)率≥22.5％；-40℃低溫沖擊功≥150j、母材ctod(-10℃)：0.80～1.65mm、焊接接頭ctod(-10℃)：0.50～1.28mm，止裂韌性-10℃kca≥6300n/mm3/2；經(jīng)5％變形且在250℃條件下進(jìn)行1小時(shí)保溫的應(yīng)變時(shí)效后，-40℃時(shí)效沖擊功≥130j，滿足了超大型箱船的艙口圍、上甲板等關(guān)鍵部位對(duì)于高抗斷性的的嚴(yán)苛要求。

8、本發(fā)明成分設(shè)計(jì)理由如下：

9、c：是保證鋼強(qiáng)度的必要元素，尤其是對(duì)于tmcp鋼板，含量在0.04％以上，但當(dāng)含量超過(guò)一定量時(shí)，對(duì)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(huì)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，為獲得55％以上高組分軟相鐵素體，結(jié)合控制冷卻的弛豫過(guò)程，實(shí)現(xiàn)多邊形鐵素體的析出，以保證高塑性和高的ctod性能。因此c，含量的上限為0.08％。優(yōu)選c含量控制在0.04％-0.08％。

10、si：是煉鋼過(guò)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。而且si作為強(qiáng)化鐵素體的元素，可降低軟相鐵素體與硬相貝氏體相界面之間的硬度差，減少裂紋沿相界面擴(kuò)展造成鋼板開(kāi)裂失效的風(fēng)險(xiǎn)。但若超過(guò)上限則會(huì)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(shí)也能提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度，因此si的含量為0.10％-0.35％。

11、mn：是保證鋼的強(qiáng)度和韌性的必要元素，mn與s結(jié)合形成熔點(diǎn)較高的mns，可防止因fes而導(dǎo)致的熱脆現(xiàn)象，同時(shí)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(guò)低，無(wú)法保證材料的強(qiáng)度，但當(dāng)mn含量高于1.50％時(shí)，會(huì)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0.85％-1.40％。

12、s：是鋼中的有害元素，它以熔點(diǎn)較低的fes的形式存在，容易導(dǎo)致鋼產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象，從而產(chǎn)生裂紋，鋼中的s易和mn結(jié)合，形成mns夾雜的層狀偏析，使板厚方向的強(qiáng)度和塑性大幅度降低，產(chǎn)生層狀撕裂，危害鋼的性能；同時(shí)，在特定條件下鋼中的mns,與vn、tin一起釘扎奧氏體晶粒長(zhǎng)大和誘發(fā)晶內(nèi)鐵素體形核，有效地細(xì)化了晶粒和提高韌性；因此，冶煉過(guò)程中會(huì)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％。

13、p：是鋼中不可避免的雜質(zhì)元素，會(huì)惡化鋼的韌性和焊接性能。研究表明，當(dāng)p含量過(guò)高時(shí)，其脆化性能顯著提高，因此p：0.005％～0.012％。

14、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(guò)0.05％時(shí)容易產(chǎn)生鑄坯熱裂紋，形成大量夾雜，同時(shí)鋼的韌性降低，因此al含量上限為0.04％，優(yōu)選含量范圍為0.015％-0.04％。

15、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(duì)本發(fā)明所述高ctod性能止裂鋼板的組織控制、晶粒細(xì)化和均勻化有益，但過(guò)高的含量會(huì)顯著提高成本，宜將其含量控制在0.40％-0.92％之間。

16、cu：能夠明顯提升鋼板淬透性和耐腐蝕能力，也鋼中是奧氏體穩(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(guò)多的加入，會(huì)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，因此，本發(fā)明cu含量控制在0.25％-0.45％。

17、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(lái)的韌性惡化作用，但較高的cr加入后，也會(huì)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0.15％-0.35％之間。

18、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(guò)碳化物的形成來(lái)提高鋼的強(qiáng)度，但添加過(guò)多也會(huì)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0.10％-0.25％之間。

19、nb：產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的關(guān)鍵元素之一，nb與碳、氮有著強(qiáng)烈的親和力，形成細(xì)小彌散的第二相粒子，這些細(xì)小粒子在焊接過(guò)程中釘扎奧氏體晶粒，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(diǎn)，使鐵素體在小過(guò)冷度下形成，細(xì)化鐵素體晶粒尺寸。適量的鈮元素可以部分鈮能固溶于奧氏體基體中，偏析在奧氏體晶界，通過(guò)溶質(zhì)拖曳效應(yīng)抑制奧氏體晶界移動(dòng)來(lái)限制晶粒的長(zhǎng)大，細(xì)化晶粒、延長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展路徑、斷裂前消耗更多吸收能，從而提高止裂韌性，因此nb：0.006％～0.025％。

20、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(guò)程中可以有效阻止奧氏體晶粒粗化，焊接時(shí)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，因此ti：0.008％～0.016％。

21、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(guò)高使焊接性惡化，且易產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效，惡化低溫韌性，其含量控制在0.001％～0.004％為宜。

22、re：稀土元素可深度降低因低熔點(diǎn)元素在晶界偏聚而導(dǎo)致的韌塑性惡化行為，通過(guò)凈化晶界來(lái)提高強(qiáng)度和韌性；同時(shí)，通過(guò)改變鋼中mns的形態(tài)，從而抑制其在熱軋時(shí)因易形成細(xì)條狀分布所導(dǎo)致的鋼的各向異性。而且，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0.01％-0.03％。

23、本發(fā)明技術(shù)方案之二是提供一種高ctod性能的51kg止裂鋼的制造方法，包括冶煉、連鑄、控軋控冷、堆垛緩冷；

24、冶煉：包括鐵水預(yù)處理，轉(zhuǎn)爐冶煉、爐外精煉；

25、鐵水預(yù)處理：采用深脫硫鐵水，硫含量≤0.003％，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＝2.8～3.2，通過(guò)有效的擋渣操作，杜絕大量下渣；放鋼時(shí)間不小于5min；

26、轉(zhuǎn)爐冶煉：冶煉過(guò)程采用高拉碳一次點(diǎn)吹方式生產(chǎn)。在轉(zhuǎn)爐內(nèi)調(diào)整鋼的主要元素至本發(fā)明范圍內(nèi)，并根據(jù)要求添加其它合金成分進(jìn)行熔煉。

27、爐外精煉：從轉(zhuǎn)爐搬出的鋼水進(jìn)行二次精煉，進(jìn)一步降低o、s、非金屬夾雜等有害雜質(zhì)含量。lf精煉過(guò)程中采用鋁粒、碳化硅、碳化鈣調(diào)渣，終渣堿度控制在2.3以上。

28、連鑄：

29、中包澆鑄溫度≤1553℃，較低的中包澆鑄溫度，可以細(xì)化鑄態(tài)組織晶粒尺寸；采用重壓下以降低鑄坯凝固產(chǎn)生的成分偏析，凝固末端壓下量為10～20mm，好處是可以壓合心部疏松和缺陷，提高鑄坯心部質(zhì)量，若凝固末端壓下量＜10mm，鋼板心部的晶粒粗大，不均勻，若凝固末端壓下量＞20mm，設(shè)備負(fù)荷大，且心部易出現(xiàn)壓裂問(wèn)題，因此，壓下量過(guò)小或過(guò)大對(duì)后續(xù)金相組織的均勻性、強(qiáng)韌性和延展性都有不利影響。二冷采用分段式冷卻，垂直段冷速為10.0～20.0℃/s、彎曲段的冷速為3.0～5.0℃/s，連鑄坯拉速0.9～1.3m/min，澆鑄板坯厚度250～360mm。

30、加熱：

31、將上述鋼板坯加熱1100℃～1170℃。這是由于，低于1100℃的溫度不足以讓nb等微合金元素完全溶解到奧氏體中，進(jìn)而無(wú)法保證熱軋階段充分發(fā)揮微合金化元素推遲再結(jié)晶細(xì)化晶粒的效果。而高于1170℃，會(huì)使得板坯原始奧氏體晶粒粗化顯著，降低鋼板的低溫韌性。

32、控軋控冷：

33、控軋采用奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制+未再結(jié)晶區(qū)軋制兩階段軋制，其中，

34、奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制：軋制溫度900℃～1050℃，累積壓下率不低于40％；

35、未再結(jié)晶區(qū)軋制：開(kāi)軋溫度760～830℃，終軋溫度730～800℃，累積壓下率不低于40％；

36、控冷采用層流冷卻，開(kāi)冷溫度680～720℃，在此溫度下可獲得具有良好延展性和韌性的鐵素體軟相組織，有助于得到較高的裂紋尖端擴(kuò)展位移(ctod特征值)，冷卻速率控制在2～6℃/s，鋼板終冷溫度450～550℃，得到細(xì)晶板條貝氏體和針狀鐵素體的混合組織，該組織具有良好的強(qiáng)韌性。

37、堆垛緩冷：鋼板下線后應(yīng)進(jìn)行堆垛緩冷進(jìn)行去氫處理，以防止產(chǎn)生白點(diǎn)等缺陷對(duì)鋼板韌性造成影響，緩冷開(kāi)始溫度300～450℃，堆垛時(shí)間不小于48小時(shí)。本發(fā)明的有益效果在于：

38、(1)本發(fā)明鋼基于船級(jí)社規(guī)范傳統(tǒng)51kg鋼級(jí)的化學(xué)成分體系下，通過(guò)控制晶粒細(xì)化及55％以上的高組分軟相組織占比，獲得具有超高強(qiáng)度等級(jí)、高ctod性能的止裂韌性鋼板，滿足了超大型集裝箱船對(duì)鋼材強(qiáng)度等級(jí)、斷裂韌性提升的要求；

39、(2)本發(fā)明成分通過(guò)降低c、mn，改善材料韌性，利用si實(shí)現(xiàn)鐵素體強(qiáng)化，降低軟硬相的組織硬度差，提升顯微組織總體抗斷性；通過(guò)ni、cu元素增加固溶強(qiáng)化效果并利用ni元素提高低溫韌性；利用nb、ti元素抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大并在奧氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中的促進(jìn)形核來(lái)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(dú)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。

40、(3)通過(guò)添加適量強(qiáng)韌化元素并配以精準(zhǔn)控制的冶煉及tmcp工藝，實(shí)現(xiàn)細(xì)晶、析出和相變強(qiáng)化的綜合作用，加入適量ni、cu、mo，以彌補(bǔ)低碳造成的強(qiáng)度不足，而且避免了對(duì)低溫韌性和止裂性能、焊接性的惡化；

41、(4)采用本發(fā)明成分設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方法所獲得的止裂鋼具有細(xì)板條b+針狀/細(xì)晶多邊形鐵素體的復(fù)相組織，平均晶粒尺寸5～10μm，低溫加熱細(xì)化原始奧氏體晶粒尺寸，再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)兩階段分別大于40％的累積壓下率，實(shí)現(xiàn)破碎粗大鑄態(tài)晶粒、獲得累積變形能以提高再結(jié)晶和相變驅(qū)動(dòng)力。針對(duì)大厚度鋼板，由于不同截面上的溫度及再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力的差異，使得再結(jié)晶進(jìn)程不完全同步，通過(guò)調(diào)控軋制道次壓下率和動(dòng)靜態(tài)再結(jié)晶進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)全厚度方向上晶粒尺寸的有效控制，從而保證了大厚度鋼板整體強(qiáng)韌性的均勻化。

42、(5)采用上述方法制造的51kg級(jí)ctod型止裂鋼板厚度為50～100mm，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、抗斷裂、止裂性和可焊接性，滿足船規(guī)相應(yīng)鋼級(jí)的51kg強(qiáng)度指標(biāo)、-40℃低溫沖擊功≥150j、母材ctod(-10℃)：0.8～1.65mm、焊接接頭ctod(-10℃)：0.5～1.28mm，止裂韌性-10℃下kca≥6300n/mm3/2且時(shí)效沖擊功≥130j，滿足了超大型箱船的艙口圍、上甲板等關(guān)鍵部位對(duì)于高抗斷性的的嚴(yán)苛要求。