一种低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板、制备方法及其应用

1.本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板、制备方法及其应用。


背景技术：

2.目前，通常使用镍含量约为0.5％～9％的镍系低温钢满足船舶及海洋工程低温部件在-40～-196℃低温、深冷(《-100℃)环境服役的性能要求，其镍含量随使用温度降低而增大，其余元素则是含量均约小于《1.6％的锰、硅以及微合金元素等。镍除了可以提高铁素体基体的低温韧性，还可以在低温钢中形成亚稳奥氏体通过trip(transformation induced plasticity,trip)效应提高其低温韧性。低温钢中的亚稳奥氏体含量随镍含量的增大而增大，因此trip效应在高镍低温钢(5ni钢和9ni钢)中的作用变得至关重要。常见的奥氏体形成元素还有锰，锰资源比镍资源丰富且价格约是镍的二十分之一，锰替代镍不仅有利于降低成本还将简化合金成分、方便材料重复利用。以对标9ni钢的锰全代镍9mn钢为例，9mn钢即使用来替代5ni钢仍可节约大量成本。因此，在不损害低温钢综合性能要求的前提下开发基于trip效应的锰系钢铁材料很可能是未来低温钢的发展趋势。
3.国内外已经开始了节镍型低温钢(以锰部分替代镍或直接减少镍使用量)的相关研究，并取得了与对标低温钢相当的力学性能。例如，南钢和钢研总院联合研究的节镍型低温钢(锰含量约2.0％～2.5％、镍含量约1.8％～2.3％)已经达到了其对标5ni钢相当的性能指标。日本最近开发出含7％镍的节镍型低温钢，获得了和传统9ni钢相当的低温性能水平。韩国则已经开始使用高锰(约20％)twip(twinning induced plasticity)钢建造液化天然气(lng)储罐。这些结果证实以锰替代镍具有理论和实践的可行性，同时也说明节镍型低温钢中的镍含量有进一步被锰替代的空间以及高锰twip钢中的锰含量有进一步降低的空间，而第三代高强钢的发展则为实现锰系低温钢设想提供了可能的解决方案。
4.第三代高强钢以超细晶铁素体等高强度铁素体类组织(体心立方结构)提供高屈服强度，使用碳、锰等作为奥氏体形成元素来获得高体积分数(约》30％)亚稳奥氏体(面心立方结构)以提供高塑性并控制成本，即第三代高强钢是由高强度铁素体类组织和亚稳奥氏体构成的锰系复相trip钢。问世距今约90年的镍系低温钢的组织由回火马氏体和少量奥氏体(约《10％)构成，其室温性能指标和经济性已经远落后于第三代高强钢。因此，有必要基于第三代高强钢的成分、组织设计思想开发锰系低温钢。目前，虽然一些锰部分代镍型热轧中锰钢和微合金化热轧中锰钢的低温夏比冲击吸收能量可与船舶及海洋工程用9ni钢相当，但其成本仍有进一步降低的空间。此外，已报道的锰全代镍型热轧中锰钢的低温夏比冲击吸收能量与9ni钢相比仍有较大差距，主要原因在于热轧中锰钢的板条状显微组织无法充分发挥trip效应，而冷轧中锰钢具有的等轴晶组织可以充分发挥trip效应并使其低温夏比冲击吸收能量与9ni钢相当。因此，如何使低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢尽可能多的获得等轴晶组织是实现其工程化应用的关键。
5.鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决如何基于9ni钢成分的不含微合金元素锰全代镍型中锰钢，采用热轧+热处理工艺制备出含适量等轴晶的非均匀复相(铁素体+奥氏体)组织，使其力学性能与9ni钢力学性能相当的问题，提供了一种低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板、制备方法及其应用。
7.为了实现上述目的，本发明公开了一种低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板，包括质量百分数如下的组分：c元素：≤0.10％，mn元素：8.80％～10.30％，si元素：0.10％～0.35％，p元素：≤0.01％，s元素：≤0.003％。
8.本发明还公开了上述低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板的制备方法，包括以下步骤：
9.s1，设计锰全代镍型中锰钢的化学成分
10.依据9ni钢的标准成分要求，将9ni钢中的镍元素等比例替换为锰元素，但不含微合金元素，得到锰质量百分数为8.8％～10.3％的锰全代镍型中锰钢的化学成分；
11.s2，建立锰全代镍型中锰钢的工艺-组织-拉伸性能关系
12.采用热模拟试验机和热处理炉制备不同工艺条件下的锰全代镍型中锰钢，结合组织表征和室温拉伸性能测试，实现锰全代镍型中锰钢组织、室温拉伸性能的可控制备；
13.s3，制定热轧工艺制备锰全代镍型中锰钢板
14.结合步骤s2的模拟结果，依据实际工业生产能力和建造船舶及海洋工程低温部件需要的板厚，制定热轧工艺并轧制成中厚板或厚板，制定热处理工艺获得锰全代镍型中锰钢板；
15.s4，筛选出符合船舶及海洋工程用低温钢和第三代高强钢性能要求的锰全代镍型中锰钢板
16.开展室温拉伸实验和-196℃冲击实验，依据9ni钢的标准性能要求和第三代高强钢性能要求，筛选出低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板，并确定显微组织中的奥氏体体积分数和等轴晶比例。
17.所述步骤s2中根据热模拟试验机能力确定热模拟的最大加热温度最大应变速率最大升温速率形变前的保温温度小于形变前的保温时间为样品厚度与4min/mm的乘积，热模拟的第一阶段形变温度第二阶段形变温度和都小于对应的应变速率分别为和和都小于对应的应变量分别为和和都小于变形后的最终冷却方式为水冷，使用热模拟试验机或热膨胀仪确定钢在升温速率r下加热时的两相区温度范围为a
c1
～a
c3
，钢在热模拟后的热处理温度满足热处理时间为热处理的升温方式和冷却方式分别为到温入炉和空冷，为保证生产效率，
18.所述步骤s3中轧制方式为热轧，加热方式为到温入炉，轧制完成时的钢板为中厚板或厚板。
19.所述步骤s3的热轧工艺中根据工业炉和轧机能力确定轧制前的保温温度小于轧制前的保温时间为板厚与4min/mm的乘积，轧制钢板时第一阶段的开轧温度和终轧温度第二阶段的开轧温度和终轧温度并且
20.所述步骤s3的热轧工艺中轧制钢板时每阶段的道次应变速率和都在和的范围内，轧制钢板时每阶段的道次应变量和都在和的范围内。
21.所述步骤s3的热轧工艺中根据建造船舶及海洋工程低温部件的实际需求确定板厚w，根据轧制前的钢锭厚度w0和w确定第一阶段总变形量第二阶段总变形量每阶段的变形道次n1和n2需满足5≤n1≤10和5≤n2≤10，即和需满足和轧制钢板结束时的冷却方式为水冷，钢板在热轧后的热处理温度和热处理时间应分别在和范围内，热处理的升温方式和冷却方式分别为到温入炉和空冷。
22.所述步骤s4中9ni钢的标准性能要求为室温拉伸性能需满足r
p0.2
≥490mpa，640≤rm≤830mpa，a≥19％，-196℃夏比冲击吸收能量kv2≥41j/cm2，第三代高强钢的性能要求为室温强塑积rm×
a≥30gpa
·
％，筛选出不低于上述需求的低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板，并最终确定其显微组织中的奥氏体体积分数和等轴晶比例。
23.本发明还公开了上述低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板在船舶及海洋工程装置中的应用。
24.与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明中的低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板的制备方法，可将含约9％(质量百分数)mn的中锰钢经热轧、热处理后获得等轴+板条状复相组织，使其力学性能与9ni钢相当且rm×
a≥30gpa
·
％，通过添加微合金元素还可进一步提高其力学性能，将明显降低船舶及海洋工程用低温钢的成本，有利于船舶及海洋工程装置的大规模建造，由于成分简单还便于钢材的循环利用，绿色环保，值得被推广使用。
附图说明
25.图1为本发明实施例1中热模拟和热处理工艺示意图；
26.图2为本发明实施例1中热轧和热处理工艺示意图；
27.图3为本发明实施例2中选定的热模拟样品示意图；
28.图4为本发明实施例2中使用热模拟试验机在升温速率为20℃/s时测定的热膨胀曲线；
29.图5为本发明实施例2中选定的热模拟样品在压缩和热处理后加工成拉伸试样的示意图；
30.图6为本发明实施例2中热轧和热处理后钢板的典型室温拉伸曲线；
31.图7为本发明实施例2中热轧和热处理后钢板的典型室温强度、低温冲击吸收功；
32.图8为本发明实施例2中热轧和热处理后钢板的典型x射线衍射谱图；
33.图9为本发明实施例2中热轧和热处理后钢板的典型扫描电镜组织照片。
具体实施方式
34.以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
35.实施例1
36.本实施例提供一种技术方案：一种低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板及其制备方法，包括以下步骤：
37.步骤s1的具体过程如下：
38.依据《gb/t 37602-2019船舶及海洋工程用低温韧性钢》中对9ni钢的成分要求，但不含微合金元素，将9ni钢中的镍元素等比例替换为锰元素，得到锰全代镍型中锰钢的化学成分(质量百分数)为c元素：≤0.10％，mn元素：8.80％～10.30％，si元素：0.10％～0.35％，p元素：≤0.01％，s元素：≤0.003％；
39.步骤s2的具体过程如下：
40.根据热模拟试验机能力确定升温速率应小于形变前的保温温度应小于形变前的保温时间为样品厚度与4min/mm的乘积，热模拟的第一阶段形变温度第二阶段形变温度和都小于对应的应变速率分别为和和都小于对应的应变量分别为和和都小于对变形后的钢样进行水冷，使用热模拟试验机或热膨胀仪确定钢在升温速率r下加热时的两相区温度范围a
c1
～a
c3
，对变形后的钢样进行温度为时间为的热处理，热处理的升温方式和冷却方式分别为到温入炉和空冷(图1)，其中对热处理后的钢样进行组织表征和室温拉伸性能测试，筛选出不低于《gb/t 37602-2019船舶及海洋工程用低温韧性钢》中对5ni钢和9ni钢室温力学性能要求(5ni钢的室温拉伸性能需满足r
p0.2
≥390mpa，520≤rm≤710mpa，a≥21％；9ni钢的室温拉伸性能需满足r
p0.2
≥490mpa，640≤rm≤830mpa，a≥19％)的工艺-组织-拉伸性能关系；
41.步骤s3的具体过程如下：
42.考虑到建造船舶及海洋工程低温部件所需钢板为中厚板(4.5～25mm)或厚板(25～100mm)，加热方式为到温入炉，根据工业炉和轧机能力确定轧制前的保温温度应小于轧制前的保温时间为板厚与4min/mm的乘积，轧制钢板时第一阶段的开轧温度和终轧温度第二阶段的开轧温度和终轧温度并且轧制钢板时每阶段的道次应变速率和都应在和的范围内，轧制钢板时每阶段的道次应变量和都应在和的范围内，根据建造船舶及海洋工程低温部件的实际需求确定板厚w，根据轧制前的钢锭厚度w0和w确定第一阶段总变形量第二阶段总变形量每阶段的变形道次n1和n2需满足5≤n1≤10和5≤n2≤10，即和需满足和轧制钢板结束时的冷却方式为水冷，
钢板在热轧后的热处理温度和热处理时间应分别在和范围内，热处理的升温方式和冷却方式分别为到温入炉和空冷(图2)。
43.步骤s4的具体过程如下：
44.依据《gb/t 37602-2019船舶及海洋工程用低温韧性钢》中对5ni钢和9ni钢的室温/低温力学性能要求(5ni钢的室温拉伸性能需满足r
p0.2
≥390mpa，520≤rm≤710mpa，a≥21％，-110℃夏比冲击吸收能量kv2≥41j/cm2；9ni钢的室温拉伸性能需满足r
p0.2
≥490mpa，640≤rm≤830mpa，a≥19％，-196℃夏比冲击吸收能量kv2≥41j/cm2)和第三代高强钢的性能需求(室温强塑积rm×
a≥30gpa
·
％)，筛选出不低于上述需求的锰全代镍型热轧中锰钢板，并最终确定其显微组织中的奥氏体体积分数和等轴晶比例。
45.实施例2
46.本实施例提供一种技术方案：一种低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板及其制备方法，包括以下步骤：
47.步骤s1的具体过程如下：
48.依据《gb/t 37602-2019船舶及海洋工程用低温韧性钢》中对9ni钢的成分要求，但不含微合金元素，将9ni钢中的镍元素等比例替换为锰元素，冶炼实验钢锭，得到锰全代镍型中锰钢的化学成分(质量百分数)为c元素：0.06％，mn元素：8.94％，si元素：0.30％，p元素：0.004％，s元素：0.003％；
49.步骤s2的具体过程如下：
50.根据gleeble3500型热模拟试验机能力确定根据选定样品的尺寸(图3)及热模拟试验机能力确定热模拟的单次最大应变量选择升温速率形变前的保温温度形变前的保温时间为20min，热模拟的第一阶段形变温度第二阶段形变温度第二阶段形变温度应变速率应变量对变形后的钢样进行水冷，使用热模拟试验机确定钢在升温速率20℃/s下加热时的两相区温度范围530～730℃(图4)，对变形后的钢样进行温度为时间为的热处理，热处理的升温方式和冷却方式分别为到温入炉和空冷，对热处理后的钢样进行组织表征和室温拉伸性能测试(图5)，筛选出不低于《gb/t 37602-2019船舶及海洋工程用低温韧性钢》中对5ni钢和9ni钢室温力学性能要求(5ni钢的室温拉伸性能需满足r
p0.2
≥390mpa，520≤rm≤710mpa，a≥21％；9ni钢的室温拉伸性能需满足r
p0.2
≥490mpa，640≤rm≤830mpa，a≥19％)的工艺-组织-拉伸性能关系(表1)；
51.表1典型热模拟工艺下的组织参数和拉伸性能
[0052][0053]
步骤s3的具体过程如下：
[0054]
根据工业炉、轧机能力和s2中的工艺-组织-拉伸性能关系，确定轧制前的保温温度加热方式为到温入炉，根据轧制前的钢锭厚度w0＝30mm，确定轧制前的保温时间轧制钢板时第一阶段的开轧温度和终轧温度第二阶段的开轧温度和终轧温度并且轧制钢板时每阶段的道次应变速率和都取1s-1
，轧制钢板时每阶段的道次应变量和都应≤0.69且》0，根据建造船舶及海洋工程低温部件的实际需求确定板厚w＝7.5mm，根据轧制前的钢锭厚度w0＝30mm和w＝7.5mm确定第一阶段总变形量第二阶段总变形量每阶段的变形道次n1和n2需满足5≤n1≤10和5≤n2≤10，即和需满足和取轧制钢板结束时的冷却方式为水冷，钢板在热轧后的热处理温度和热处理时间热处理的升温方式和冷却方式分别为到温入炉和空冷。
[0055]
步骤s4的具体过程如下：
[0056]
将热处理后的钢板加工成标距段为32
×6×
3mm3的板状拉伸试样和55
×
10
×
5mm3的v型缺口冲击试样，室温拉伸实验和-110℃、-196℃冲击实验各测试3件样品，依据《gb/t 37602-2019船舶及海洋工程用低温韧性钢》中对5ni钢和9ni钢的室温/低温力学性能要求(5ni钢的室温拉伸性能需满足r
p0.2
≥390mpa，520≤rm≤710mpa，a≥21％，-110℃夏比冲击吸收能量kv2≥41j/cm2；9ni钢的室温拉伸性能需满足r
p0.2
≥490mpa，640≤rm≤830mpa，a≥19％，-196℃夏比冲击吸收能量kv2≥41j/cm2)和第三代高强钢的性能需求(室温强塑积rm×
a≥30gpa
·
％)，筛选出不低于上述需求的锰全代镍型热轧中锰钢板(表2、图6)，与典型国内外相关结果比较，其具有成分简单和更好的室温强度-低温韧性匹配的优势(图7)，并最终确定其显微组织中的奥氏体体积分数约为70％和等轴晶比例约为50％(图8和图9)。
[0057]
表2不同轧制工艺下的组织参数和典型力学性能
[0058][0059]
综上所述，上述实施例的低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板的设计制备方法，可使≤0.10％c-8.80％～10.30％mn钢的室温/低温力学性能与5ni钢、9ni钢的对应性能相当，可以在保证力学性能的前提下大幅降低船舶及海洋工程用低温钢的成本，成分简单便于钢材的循环利用，值得被推广使用；另外采用本发明的方法可编写成标准计算软件，进一步提高获取相关信息的效率。
[0060]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板，其特征在于，包括质量百分数如下的组分：c元素：≤0.10％，mn元素：8.80％～10.30％，si元素：0.10％～0.35％，p元素：≤0.01％，s元素：≤0.003％。2.一种如权利要求1所述的低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1，设计锰全代镍型中锰钢的化学成分依据9ni钢的标准成分要求，将9ni钢中的镍元素等比例替换为锰元素且不添加微合金元素，得到锰质量百分数为8.8％～10.3％的锰全代镍型中锰钢的化学成分；s2，建立锰全代镍型中锰钢的工艺-组织-拉伸性能关系采用热模拟试验机和热处理炉制备不同工艺条件下的锰全代镍型中锰钢，结合组织表征和室温拉伸性能测试，实现锰全代镍型中锰钢组织、室温拉伸性能的可控制备；s3，制定热轧工艺制备锰全代镍型中锰钢板结合步骤s2的模拟结果，依据实际工业生产能力和建造船舶及海洋工程低温部件需要的板厚，制定热轧工艺并轧制成中厚板或厚板，制定热处理工艺获得锰全代镍型中锰钢板；s4，筛选出符合船舶及海洋工程用低温钢和第三代高强钢性能要求的锰全代镍型中锰钢板开展室温拉伸实验和-110℃、-196℃冲击实验，依据9ni钢的标准性能要求和第三代高强钢性能要求，筛选出低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板，并确定显微组织中的奥氏体体积分数和等轴晶比例。3.如权利要求2所述的一种低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中根据热模拟试验机能力确定热模拟的最大加热温度最大应变速率最大升温速率形变前的保温温度小于形变前的保温时间为样品厚度与4min/mm的乘积，热模拟的第一阶段形变温度第二阶段形变温度第二阶段形变温度和都小于对应的应变速率分别为和和和都小于对应的应变量分别为和和和都小于变形后的最终冷却方式为水冷，使用热模拟试验机或热膨胀仪确定钢在升温速率r下加热时的两相区温度范围为a
c1
～a
c3
，钢在热模拟后的热处理温度满足热处理时间为热处理的升温方式和冷却方式分别为到温入炉和空冷，为保证生产效率，4.如权利要求2所述的一种低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中轧制方式为热轧，加热方式为到温入炉，轧制完成时的钢板为中厚板或厚板。5.如权利要求2所述的一种低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板的制备方法，其特征在于，所述步骤s3的热轧工艺中根据工业炉和轧机能力确定轧制前的保温温度于，所述步骤s3的热轧工艺中根据工业炉和轧机能力确定轧制前的保温温度小于轧制前的保温时间为板厚与4min/mm的乘积，轧制钢板时第一阶段的开轧温度和终轧温度第二阶段的开轧温度和终轧温度并且6.如权利要求3所述的一种低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板的制备方法，其特征
在于，所述步骤s3的热轧工艺中轧制钢板时每阶段的道次应变速率和都在和的范围内，轧制钢板时每阶段的道次应变量和都在和的范围内。7.如权利要求3所述的一种低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板的制备方法，其特征在于，所述步骤s3的热轧工艺中根据建造船舶及海洋工程低温部件的实际需求确定板厚w，根据轧制前的钢锭厚度w0和w确定第一阶段总变形量第二阶段总变形量每阶段的变形道次n1和n2需满足5≤n1≤10和5≤n2≤10，即和需满足和轧制钢板结束时的冷却方式为水冷，钢板在热轧后的热处理温度和热处理时间应分别在和范围内，热处理的升温方式和冷却方式分别为到温入炉和空冷。8.如权利要求2所述的一种低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中9ni钢的标准性能要求为室温拉伸性能需满足r
p0.2
≥490mpa，640≤r
m
≤830mpa，a≥19％，-196℃夏比冲击吸收能量kv2≥41j/cm2，第三代高强钢的性能要求为室温强塑积r
m
×
a≥30gpa
·
％，筛选出不低于上述需求的低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板，并最终确定其显微组织中的奥氏体体积分数和等轴晶比例。9.一种如权利要求1所述的低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板在船舶及海洋工程装置中的应用。

技术总结
本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种低温环境用锰全代镍型热轧中锰钢板、制备方法及其应用，包括以下步骤：S1：设计锰全代镍型中锰钢的化学成分；S2：建立锰全代镍型中锰钢的工艺-组织-拉伸性能关系；S3：制定热轧工艺制备锰全代镍型中锰钢板；S4：筛选出符合船舶及海洋工程用低温钢和第三代高强钢性能要求的锰全代镍型中锰钢板。本发明将用于建造船舶及海洋工程低温部件的9Ni钢中的贵重镍元素全部替代为低成本的锰元素，可以在保证力学性能的前提下大幅降低建造成本，便于大规模建造船舶及海洋工程装置，由于成分简单还便于钢材的循环利用，绿色环保，值得被推广使用。值得被推广使用。值得被推广使用。


技术研发人员：郑成思 唐阳 甄倩楠 王浩宇 王永强 李娜 程广萍
受保护的技术使用者：安徽工业大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/20