一种超低温用高镍钢板及其制备方法与流程

本申请涉及钢铁冶金材料，具体涉及一种超低温用高镍钢板及其制备方法。

背景技术：

1、目前，在液氢储运装备领域，超低温服役环境对结构材料的低温韧性、强度及组织稳定性提出了极高要求。现有技术中，奥氏体不锈钢虽具有面心立方结构而表现出良好的低温韧性，但其室温屈服强度通常仅为200mpa左右，难以满足大型储罐对高强度的需求，导致壁厚增加、自重上升。为提升强度与低温韧性，传统方案倾向于采用高镍钢体系，并通过添加钼（mo）元素及提高锰（mn）含量来稳定奥氏体组织、抑制马氏体相变。然而，此类合金设计显著增加了原材料成本，且高合金含量使得热加工窗口变窄、组织控制难度加大，生产工艺复杂。此外，部分现有技术虽尝试调整镍含量以改善性能，但往往未能建立成分简化与工艺补偿之间的有效协同机制，导致在降低合金成本的同时难以维持-269℃超低温下的优异冲击韧性与高强度匹配。因此，亟需开发一种在不依赖贵重合金元素的前提下，通过成分与工艺的协同调控实现高强韧、低成本超低温用高镍钢板的技术方案。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的高镍钢合金成本高且强韧性难以兼顾的问题，本申请通过一种超低温用高镍钢板及其制备方法，实现在无钼、极低碳锰的极简成分体系下获得优异的超低温力学性能与组织稳定性。

2、为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

3、一种超低温用高镍钢板及其制备方法，所述超低温用高镍钢板的化学组分及质量百分比为：c≤0.03%，mn：0.05-0.15%，si：0.1-0.3%，p≤0.005%，s≤0.001%，al：0.02-0.04%，ni：10.5-15.5%，余量为fe及不可避免的杂质；所述制备方法依次包括以下工序：加热工序：将钢坯加热至1180-1220℃，总在炉时间为1.0-1.8min/mm；热轧工序：采用两阶段控制轧制，待温坯厚度≥2.0倍成品钢板厚度，精轧阶段的轧制温度为810-900℃；冷却工序：采用水冷形式进行冷却，控制返红温度为540-680℃，所述返红温度为钢板水冷停止后表面温度回升达到的最高温度；热处理工序：进行固溶处理，固溶温度为1040-1080℃，保温时间为30-45min，出炉后快冷至≤300℃，控制冷速≥30℃/s。

4、上述方案通过构建“极简合金化成分+形变-相变协同控制工艺”的一体化技术体系，实现了低成本与高性能的平衡。具体而言，在成分设计上彻底去除昂贵的mo元素并将c、mn控制在极低水平，大幅降低合金成本；为弥补因合金元素削减可能带来的强韧性损失，在制备工艺上采用大压下量两阶段控轧与高冷速固溶处理的组合：大压下量控轧通过累积变形储能促进奥氏体晶粒细化并形成高密度位错亚结构，为后续相变提供充足形核位置；精确控制的返红温度避免了不利析出相的产生并保留了有利的变形织构；高冷速固溶处理则有效抑制了冷却过程中的马氏体相变，将高温稳定的单相奥氏体组织冻结至室温，从而在无mo、低c/mn的条件下依然获得兼具高强度、高延伸率及优异-269℃冲击韧性的综合性能。

5、作为一种实施方式，所述超低温用高镍钢板的化学组分中ni的质量百分比为10.5-11.5%；所述热轧工序中，待温坯厚度≥2.2倍成品钢板厚度，精轧阶段的轧制温度为850-900℃；所述冷却工序中，返红温度为600-680℃。

6、作为一种实施方式，所述超低温用高镍钢板的化学组分中ni的质量百分比为12.5-13.5%；所述热轧工序中，待温坯厚度≥2.2倍成品钢板厚度，精轧阶段的轧制温度为830-880℃；所述冷却工序中，返红温度为570-650℃。

7、作为一种实施方式，所述超低温用高镍钢板的化学组分中ni的质量百分比为14.5-15.5%；所述热轧工序中，待温坯厚度≥2.3倍成品钢板厚度，精轧阶段的轧制温度为810-860℃；所述冷却工序中，返红温度为540-620℃。

8、作为一种实施方式，所述超低温用高镍钢板的厚度≤60mm，且力学性能满足：屈服强度≥450mpa，抗拉强度700-850mpa，延伸率a≥27%，-269℃横向冲击功平均值≥60j。

9、作为一种实施方式，所述超低温用高镍钢板经所述热处理工序后的显微组织为单相奥氏体。

10、作为一种实施方式，所述超低温用高镍钢板的-269℃横向冲击功平均值≥80j。

11、作为一种实施方式，所述超低温用高镍钢板的厚度为6-60mm。

12、作为一种实施方式，所述超低温用高镍钢板用于制造超低温液氢储罐。

13、作为一种实施方式，所述超低温液氢储罐的服役温度为-253℃至-269℃。

14、有益效果

15、本申请提供的超低温用高镍钢板及其制备方法，通过创新的成分设计与全流程工艺协同，取得了以下有益效果：

16、首先，在合金成本方面，本申请彻底摒弃了传统高镍钢中昂贵的mo元素，并将c含量控制在0.03%以下、mn含量控制在0.15%以下，显著降低了原材料成本，同时减少了因高合金含量导致的冶炼偏析风险和热加工难度，提升了生产稳定性和成材率。

17、其次，在性能保障方面，本申请并非简单地进行成分减法，而是建立了与之精准匹配的形变-相变协同控制工艺。通过设定待温坯厚度≥2.0倍成品厚度的大压下量两阶段控轧，在奥氏体未再结晶区积累足够的变形储能，细化原始奥氏体晶粒并引入高密度位错；结合精轧温度810-900℃的精确窗口控制，既避免了高温区晶粒粗化，又防止了过低温度导致的轧制开裂风险；再通过控制返红温度540-680℃，使钢板在水冷停止后的回温过程中避开碳化物及脆性相的析出敏感区间，保留有利于韧性的变形亚结构；最后采用固溶温度1040-1080℃配合冷速≥30℃/s的快速冷却至≤300℃，以足够快的冷却速率越过马氏体转变区，将高温单相奥氏体组织完整冻结至室温，从根本上消除了低温服役时因应变诱导马氏体相变导致的韧性骤降和氢脆敏感性。

18、最终，该技术方案在不依赖贵重合金元素的前提下，使钢板在厚度≤60mm规格范围内实现了屈服强度≥450mpa、抗拉强度700-850mpa、延伸率≥27%以及-269℃横向冲击功平均值≥60j（优选≥80j）的优异综合力学性能，显微组织为稳定的单相奥氏体，完全满足超低温液氢储罐在-253℃至-269℃极端服役环境下的安全使用要求，为液氢供应链的规模化建设提供了高性价比的材料解决方案。

1.一种超低温用高镍钢板及其制备方法，其特征在于，所述超低温用高镍钢板的化学组分及质量百分比为：c≤0.03%，mn：0.05-0.15%，si：0.1-0.3%，p≤0.005%，s≤0.001%，al：0.02-0.04%，ni：10.5-15.5%，余量为fe及不可避免的杂质；

2.根据权利要求1所述的超低温用高镍钢板及其制备方法，其特征在于，所述超低温用高镍钢板的化学组分中ni的质量百分比为10.5-11.5%；

3.根据权利要求1所述的超低温用高镍钢板及其制备方法，其特征在于，所述超低温用高镍钢板的化学组分中ni的质量百分比为12.5-13.5%；

4.根据权利要求1所述的超低温用高镍钢板及其制备方法，其特征在于，所述超低温用高镍钢板的化学组分中ni的质量百分比为14.5-15.5%；

5.根据权利要求1所述的超低温用高镍钢板及其制备方法，其特征在于，所述超低温用高镍钢板的厚度≤60mm，且力学性能满足：屈服强度≥450mpa，抗拉强度700-850mpa，延伸率a≥27%，-269℃横向冲击功平均值≥60j。

6.根据权利要求1所述的超低温用高镍钢板及其制备方法，其特征在于，所述超低温用高镍钢板经所述热处理工序后的显微组织为单相奥氏体。

7.根据权利要求5所述的超低温用高镍钢板及其制备方法，其特征在于，所述超低温用高镍钢板的-269℃横向冲击功平均值≥80j。

8.根据权利要求1所述的超低温用高镍钢板及其制备方法，其特征在于，所述超低温用高镍钢板的厚度为6-60mm。

9.根据权利要求1所述的超低温用高镍钢板及其制备方法，其特征在于，所述超低温用高镍钢板用于制造超低温液氢储罐。

10.根据权利要求9所述的超低温用高镍钢板及其制备方法，其特征在于，所述超低温液氢储罐的服役温度为-253℃至-269℃。