一种厚规格的正火工艺抗疲劳风电用钢板及其制备方法与流程

1.本发明属于钢铁冶金的技术领域，具体涉及到一种厚规格的正火工艺抗疲劳风电用钢板及其制备方法。


背景技术：

2.随着现代社会的发展，能源大量消耗致使短缺，地球环境各类污染问题频频出现，类似的焦点问题越来越受到人们的关注，因此人们需要大力发展其它可再生、无污染的绿色环保能源，风能便是这样的能源。风能量是丰富、近乎无尽、广泛分布、干净与缓和温室效应。我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kw，对于缺少燃料和交通不便的草原山区和高原地带，因地制宜的利用风力发电是大有发展潜力的，对于国家的环境治理和经济发展也大有益处。
3.风电行业的快速发展也带动着风电用钢需求的大量增加，风电用钢的主要是用于国内北方区域和沿海地区，因此工作环境比较严酷，不仅对材料的强度，韧性有要求，更要保证风电用钢具有良好的焊接性能和更加优异的疲劳性能，对于风电塔筒用钢来说，疲劳性能更是其一个重要的性能指标，以此保障日常生活生产需求。
4.专利文献cn112522631a中提供的“一种风电用钢及其制备方法”中的含钼量和含铬量较多，尤其我国铬资源较少，钼资源也是国家重要战略物资，我们应该减少成本，节约合理使用；专利文献cn102605243a中提供了一种“风电用h型钢及其生产方法”，其采用轧制快冷的方法获得钢板抗拉强度较低，而此方案轧制后再进行正火热处理，将细化组织晶粒，可进一步增强钢板强度；专利文献cn103741024a中提供了一种“低合金高性能风电用钢板及其生产方法”，制造出来的钢板具有良好的焊接性能，疲劳强度均在300mpa以上，风电用钢的疲劳性能对于未来风电用钢的使用需求远远不够，尤其是风电塔筒用钢的疲劳性能的要求要更优异。所以需要一种改善疲劳性能风电用钢板及其制备方法，并且要使用合金成分要考虑搭配合理性和节约性。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是现有技术中风电用钢制备成本高，厚度、高强度、-40℃下钢板心部冲击功不可兼得，难以满足市场需求，为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
6.本发明提供一种厚规格的正火工艺抗疲劳风电用钢板，其钢板按重量百分比包括以下组分：c：0.13～0.17％，si：0.35～0.45％，mn：1.45～1.60％，nb：0.025～0.040％，al；0.025～0.045％，ti：0.01～0.02％，ni：0.30～0.50％，cr：0.10～0.20％，v：0.05～0.07％，cu≤0.10％，n≤0.01％，mo≤0.001％，p≤0.012％，s≤0.005％，其余为fe和不可避免的杂质。
7.本发明风电用钢的化学成分的作用如下：
8.c是增加钢淬透性和淬硬性的元素，可以显著增加钢的强度和硬度，并且相对较厚
的钢板，为尽量保证钢板厚度强度，碳含量不宜过低，但碳含量超过0.17％，降低钢的塑性，脆性增加，不利于切削加工，降低钢材的焊接性能，因此本发明的碳含量控制在0.13～0.17％。
9.si以固溶强化的作用可以增加钢的强度和硬度，改善钢局部的腐蚀能力，具有良好的脱氧作用，为达到以上目标，硅含量要在0.35％以上；但硅含量超过0.45％，就会大大降低钢的塑性和韧性，增加钢的回火脆性，降低钢的可焊性，因此本发明的硅含量控制在0.35～0.45％。
10.mn是钢中良好的脱氧化剂和脱硫剂，减少夹杂物含量，细化铁素体晶粒，强化铁素体和珠光体，但锰含量超过1.60％，降低钢的抗氧化性能，会造成钢板成分偏析，使材料在焊接时容易出现裂纹，恶化钢材的焊接性能，因此本发明的锰含量控制在1.45～1.60％。
11.nb可以细化晶粒，提高晶粒粗化温度，提高钢的强度和冲击韧性，改善其焊接性能，但铌含量超过0.040％，会降低钢的韧性，降低可焊性能，因此本发明的铌含量控制在0.025～0.040％。
12.al与钢中的氧和氮有很强的亲和力，可以用来脱氧定氮，提高钢的纯净度和疲劳强度，同时改善其耐磨性能，但铝含量超过0.045％，致使钢中铝的氧化物夹杂含量增加，钢材易产生裂纹，降低其疲劳寿命，也会对焊接性能和切削性能产生不利影响。因此本发明中的铝含量控制在0.025～0.045％。
13.ti主要是与钢中的氮元素结合，形成氮化钛，氮化钛微粒有阻止钢晶粒长大粗化的作用，有利于改善钢材的焊接性能，但钛含量超过0.02％，钢的韧性降低，因此本发明的钛含量控制在0.01～0.02％。
14.ni降低临界转变温度，可以提高钢的淬透性，强化铁素体并细化增多珠光体，提高钢的强度，提高钢的疲劳抗力，降低钢对缺口的敏感性，若镍含量超过0.50％，在焊接时易产生裂纹，降低焊接性能。因此本发明的镍含量控制在0.30～0.50％。
15.cr提高钢的淬透性，提高钢的强度和硬度，提高钢的耐磨性和抗氧化性能，铬也会促使钢材表面形成钝化膜，显著提高钢的耐腐蚀性能，但铬含量超过0.20％，会降低钢的韧性，而且铬的成本较高，因此本发明的铬含量控制在0.10～0.20％。
16.v可以使晶粒细化，改善钢的塑性、韧性和强度，钒可以形成稳定难熔的碳化物，大大降低钢的过热敏感性，改善钢的焊接性能，但钒含量超过0.07％，vc在晶内析出会降低钢的韧性，因此本发明的钒含量控制在0.05～0.07％。
17.cu提高钢的淬透性，提高钢的疲劳强度和冲击韧性，也改善钢的抗腐蚀性能，并且固溶强化的作用与镍相似，可以用来代替一部分的镍，降低成本，但若含量超过0.10％，容易在热加工时造成开裂现象，因此本发明的铜含量控制在0.10％以下。
18.n有固溶强化的作用，可发生应变时效的作用与钢中的v、ti、nb等元素结合形成稳定的氮化物，从而提高钢的强度和硬度，改善疲劳性能等，氮含量超过0.01％，会造成氮的夹杂物的数量和尺寸增加，会导致宏观组织疏松和出现气孔，韧性下降，脆性增加，损害钢材的性能，因此本发明氮含量控制在0.01％以下。
19.mo提高钢的淬透性，对铁素体有固溶强化的作用，提高碳化物稳定性，从而提高钢的强度，改善钢的韧性，提高钢的抗蚀性能，但也会提高钢热加工时的变形抗力，并且注意使用合理性和节约性，因此本发明钼含量控制在0.01％以下。
20.p、s是钢中不可避免地有害杂质元素，磷可以提高钢的强度，改善钢的抗蚀性和切削加工性，但磷也会造成偏析，降低焊接性：硫可以用来改善钢的切削加工性，但也容易形成硫化物夹杂，降低钢的韧性，尤其是冲击韧性，硫化铁等低熔点化合物增大钢在轧制时过热和过烧倾向，已造成钢材开裂现象。因此本发明的磷含量控制在0.012％以下，硫含量控制在0.005％以下。
21.作为优选，所述风电用钢板的厚度大于90mm，夹杂物《0.5％，最大夹杂物尺寸《15μm，显微组织为铁素体 珠光体，晶粒平均尺寸为15-20μm。
22.本发明获得厚度大于90mm的风电用钢板，其屈服强度≥400mpa，抗拉强度≥520mpa，抗疲劳强度≥400mpa，板坯心部-40℃冲击功≥100j，满足风电用钢未来发展的高性能要求。
23.为了保证钢板正火后强度不显著下降，所以碳当量不宜过小，但碳当量过大，也会降低钢材的焊接性能，所以将碳当量控制在0.3～0.5％，其计算公式为
24.cev/ceq(％)＝c mn/6 (cr mo v)/5 (ni cu)/15
25.本发明风电用钢板的生产步骤主要包括钢坯加热、轧制、快速冷却和正火热处理等。其中轧制是二阶段轧制工艺，分为粗轧工序和精轧工序。
26.加热工序中，钢坯加热温度控制在1200～1250℃，保温时间控制在320～340min。以此保证钢材完全奥氏体化和合金元素综合作用阻止晶粒过于粗大。
27.粗轧工序中，粗轧开轧温度控制在1190～1220℃，粗轧终轧温度控制在1000℃以上。以此保证将钢坯扩展到所需宽度并进行大压缩延伸，并且粗轧在奥氏体再结晶区轧制，通过反复变形和再结晶来细化奥氏体晶粒。
28.精轧工序中，精轧开轧温度控制在820～860℃，精轧终轧温度控制在800～830℃。精轧温度控制在奥氏体相的未再结晶区变形，可以得到大量变形带的奥氏体未再结晶晶粒，相变后可得到细小的铁素体晶粒。
29.轧制工序中，粗轧工序阶段道次的累积压下率不小于50％，精轧工序阶段道次的累计压下率不小于30％。
30.钢板轧制后加速冷却阶段，冷却温度为535～750℃，冷却速率控制在5～7℃/s。快速冷却可以抑制铁素体长大，提高强度和冲击韧性。
31.钢板正火热处理阶段，正火温度控制在860～880℃，保温时间在100～230min。正火热处理可以改善轧制时产生的带状组织，细化晶粒，大大改善钢材的综合力学性能。
32.与现有技术相比，本发明的优势在于：
33.本发明严格控制p、s等，减少夹杂从而提高钢板疲劳强度。另外通过调整c、si、mn、ni、cr、ti、v、nb、n、al、mo等元素的比例搭配，也考虑到化学成分使用合理性和资源的节约型，对mo、cr等成本较高的元素加以限制，以及采取在奥氏体未在结晶区的轧制工艺和正火热处理工艺，得到晶粒细化的组织，以此获得一种高强度、高韧性、成材率高，疲劳强度在大于400mpa的厚规格风电用钢，以此来满足未来风电用钢发展对疲劳寿命的高要求。
附图说明
34.图1为本发明实施例风电用钢板的s-n曲线；
35.图2为本发明实施例风电用钢板的金相组织。
具体实施方式
36.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
37.生产的风电用钢一般要具备高强度，高韧性，良好焊接性能和疲劳性能，为此提供了一种风电用钢的制备方法，来达到生产要求。该风电用钢板的制备方法步骤主要包括钢坯加热、轧制、快速冷却和正火热处理等。
38.实施例1
39.一种厚规格的正火态工艺抗疲劳风电用钢板，厚度95mm，化学成分(wt.％)为c：0.15％，si：0.4％，mn：1.57％，nb：0.034％，al：0.04％，ti：0.018％，ni：0.4％，v：0.054％，cr：0.19％，n：0.0046％，mo：0.001％，p：0.011，s：0.003％，cev＝0.49，ceq＝0.49，其余为fe和不可避免的杂质。
40.该风能钢板轧制工艺为：钢坯加热温度1207℃，保温329min。粗轧开轧温度为1201℃，粗轧总变形量50％，其中精轧开轧温度为849℃，压下率35％，随后冷却阶段，冷却速率6℃/s。
41.正火热处理工艺温度控制在870℃，保温时间128min，之后空冷。
42.如图2所示，该风电用钢板的平均晶粒尺寸为15μm，由晶粒细小的铁素体和珠光体组成，夹杂物体积分数为0.4％，最大夹杂物尺寸为12μm，屈服强度400mpa，抗拉强度566mpa，延伸率26％，-40℃冲击功为164j；如图1所示，抗疲劳强度为402mpa。
43.实施例2
44.一种厚规格的正火态工艺抗疲劳风电用钢板，厚度93mm，化学成分(wt.％)为c：0.13％，si：0.38％，mn：1.55％，nb：0.035％，al：0.04％，ti：0.018％，ni：0.5％，v：0.058％，cr：0.19％，n：0.0046％，mo：0.001％，p：0.01，s：0.004％，cev＝0.49，ceq＝0.49，其余为fe和不可避免的杂质。
45.该风能钢板轧制工艺为：钢坯加热温度1208℃，保温330min。粗轧开轧温度为1200℃，粗轧总变形量50％，其中精轧开轧温度为850℃，压下率35％，随后冷却阶段，冷却速率6℃/s。
46.正火热处理工艺温度控制在870℃，保温时间130min，之后空冷。
47.如图2所示，该风电用钢板的平均晶粒尺寸为15μm，由晶粒细小的铁素体和珠光体组成，夹杂物体积分数为0.4％，最大夹杂物尺寸为13μm，屈服强度405mpa，抗拉强度567mpa，延伸率26％，-40℃冲击功为164j；抗疲劳强度约为404mpa。
48.实施例3
49.一种厚规格的正火态工艺抗疲劳风电用钢板，厚度93mm，化学成分(wt.％)为c：0.14％，si：0.4％，mn：1.45％，nb：0.035％，al：0.04％，ti：0.018％，ni：0.5％，v：0.06％，cr：0.2％，n：0.0046％，mo：0.001％，p：0.01，s：0.004％，cev＝0.49，ceq＝0.49，其余为fe和不可避免的杂质。
50.该风能钢板轧制工艺为：钢坯加热温度1208℃，保温330min。粗轧开轧温度为1200℃，粗轧总变形量50％，其中精轧开轧温度为850℃，压下率35％，随后冷却阶段，冷却速率6℃/s。
51.正火热处理工艺温度控制在870℃，保温时间130min，之后空冷。
52.如图2所示，该风电用钢的平均晶粒尺寸为16μm，由晶粒细小的铁素体和珠光体组
成，夹杂物体积分数为0.4％，最大夹杂物尺寸为12μm，屈服强度408mpa，抗拉强度567mpa，延伸率26％，-40℃冲击功为164j；抗疲劳强度约为405mpa。
53.本发明的风电用钢板的厚度大，成材率高，强度高，韧性好，疲劳性能得到很大提升，抗疲劳强度在400mpa以上，适用于对疲劳性能有高要求的风电用钢和风电塔筒，有利于国家风电行业的快速发展。
54.本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
55.最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。