專利名稱：大線能量焊接用厚鋼板中納米析出物的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大線能量焊接用厚鋼板的冶煉技術(shù)，特別涉及大線能量焊接用厚鋼板中納米析出物的控制方法。
背景技術(shù)：
在造船、建筑、壓力容器、石油天然氣管線以及海洋平臺(tái)等許多領(lǐng)域，提高厚鋼板焊接熱影響區(qū)的韌性已經(jīng)成為越來(lái)越迫切的要求。然而，在傳統(tǒng)厚鋼板的焊接過(guò)程中，焊接熱影響區(qū)的強(qiáng)度和韌性隨著焊接線能量的提高而大幅下降，因此提高厚板的大線能量焊接性能成為引人關(guān)注的課題。提高厚鋼板的大線能量焊接性能，不僅可以提高造船、建筑、管線等行業(yè)的作業(yè)效率，縮短作業(yè)工時(shí)，改善勞動(dòng)條件，降低制造成本，而且有利于環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排。在厚板的大線能量焊接過(guò)程中，防止熱影響區(qū)性能的惡化是開發(fā)大線能量焊接用鋼的關(guān)鍵。一般經(jīng)過(guò)TMCP工藝制造的具有微細(xì)組織結(jié)構(gòu)的厚鋼板經(jīng)過(guò)焊接熱循環(huán)之后，原來(lái)良好的組織結(jié)構(gòu)遭到破壞，奧氏體晶粒明顯長(zhǎng)大，形成粗晶熱影響區(qū)，使大線能量焊接過(guò)程中焊接熱影響區(qū)的韌性降低。在粗晶熱影響區(qū)導(dǎo)致脆化的組織是冷卻過(guò)程中形成的粗大的晶界鐵素體、側(cè)板條鐵素體和上貝氏體，以及在晶界鐵素體近傍形成的珠光體、在側(cè)板條鐵素體的板條間形成的碳化物島狀M-A組元等。隨著舊奧氏體晶粒粒徑的增加，晶界鐵素體和側(cè)板條鐵素體等尺寸也相應(yīng)增大，焊接熱影響區(qū)的夏比沖擊功將顯著降低。提高厚鋼板大線能量焊接性能，一般有兩種有效措施。其一是細(xì)化焊接熱影響區(qū)的奧氏體晶粒。細(xì)化奧氏體晶粒的方法是利用在鋼材中彌散分布的微細(xì)夾雜物，特別是納米析出物作為釘扎粒子，在焊接熱循環(huán)的過(guò)程中，釘扎奧氏體晶界的移動(dòng)，抑制奧氏體晶粒的長(zhǎng)大。這樣就可以減小脆性組織晶界鐵素體和側(cè)板條鐵素體等的尺寸，達(dá)到改善焊接熱影響區(qū)韌性的目的。其二是在焊接冷卻從奧氏體到鐵素體的相變過(guò)程中促進(jìn)晶內(nèi)針狀鐵素體的形成。 這樣一方面可以通過(guò)針狀鐵素體的分割作用減小晶粒大??；另一方面，針狀鐵素體的韌性良好，有利于改善焊接熱影響區(qū)的韌性。對(duì)比促進(jìn)晶內(nèi)針狀鐵素體形成的方法，細(xì)化焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒的方法，其效果更加直接、有效?？梢园l(fā)揮釘扎作用的粒子必須同時(shí)具備在鋼材中的分散性和焊接高溫下的穩(wěn)定性這兩種特性。i^3C、VC、TiC、NbC等碳化物粒子，以及AlN、TiN等氮化物粒子雖然可以在鋼材中微細(xì)分散，但是在焊接熱循環(huán)的融合線附近的溫度超過(guò)1400°C的高溫下， 發(fā)生固溶或者長(zhǎng)大，不能很好地抑制奧氏體晶粒的長(zhǎng)大。Al203、Ti203等氧化物粒子，雖然在焊接熱循環(huán)的高溫下可以穩(wěn)定存在，不發(fā)生固溶，但是這些粒子粒徑較大，也不能很好地抑制奧氏體晶粒的長(zhǎng)大。強(qiáng)脫氧劑Mg、Ca、REM等氧化物和硫化物粒子，尤其是Mg的氧化物粒子，同時(shí)具備在鋼材中的分散性和焊接高溫下的穩(wěn)定性這兩種特性，可以有效地釘扎奧氏體晶界的移動(dòng)，抑制奧氏體晶粒的長(zhǎng)大。
實(shí)際上，能夠有效發(fā)揮釘扎作用，抑制焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的粒子，應(yīng)當(dāng)尺寸較小、數(shù)量較大，特別是大量彌散分布的納米粒子具有良好的釘扎效果。因此，如何在冶煉和凝固過(guò)程中確立生成微細(xì)彌散分布的納米析出物的工藝條件，并對(duì)鋼材中納米析出物的成分、粒徑和數(shù)量進(jìn)行合理的控制，抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大，成為提高厚鋼板大線能量焊接性能的關(guān)鍵。日本專利JP3378433(児島明彥、渡辺義之、千々巖力雄溶接熱影響部靭性^優(yōu) Λ t鋼板Θ製造方法，JP3378433，1996.4. 12。)介紹了利用鋼中的MgO微粒改善厚鋼板焊接熱影響區(qū)韌性的方法，指出隨著鋼中Mg含量的提高，MgO粒子的數(shù)量大幅度增加，在焊接過(guò)程中高達(dá)1400°C加熱時(shí)，奧氏體晶粒的長(zhǎng)大受到明顯的抑制。日本專利JP3476999(児島明彥、渡辺義之溶接熱影響部靭性O(shè)優(yōu)扎&鋼板，JP3476999，1996. 5. 21)將鋼材中的MgO 夾雜分成納米級(jí)夾雜(50-500nm)和微米級(jí)夾雜(0. 5-5 μ m)兩類，這兩類夾雜的數(shù)量隨著鋼中Mg含量的增高而顯著增加，可以顯著降低奧氏體晶粒的粒徑，并減小焊接熱影響區(qū)脆性組織晶界鐵素體和側(cè)板條鐵素體的尺寸，從而改善厚鋼板的大線能量焊接性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種大線能量焊接用厚鋼板中納米析出物的控制方法，形成的納米析出物尺寸小、數(shù)量大，在鋼材中微細(xì)彌散分布，可有效釘扎焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，提高厚板大線能量焊接性能。在本發(fā)明中，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究和分析檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，Mg脫氧鋼可以大幅度地促進(jìn) TiN等納米粒子在凝固過(guò)程和相變過(guò)程中大量彌散析出。這是因?yàn)镸g脫氧所形成的MgO 夾雜物具有尺寸小，微細(xì)彌散分布的特點(diǎn)。這樣在凝固和相變過(guò)程中，這些微細(xì)彌散分布的 MgO粒子可以作為TiN等析出的形核核心發(fā)揮作用，促使納米TiN等粒子的大量析出。另一方面，由于Mg與0的親和力大大強(qiáng)于Al和0的親和力，Mg脫氧鋼可以顯著地降低鋼中0 活度，有效地抑制Ti2O3的形成，促進(jìn)納米TiN粒子的析出。具體地，本發(fā)明的技術(shù)方案是，大線能量焊接用厚鋼板中納米析出物的控制方法，鋼液在冶煉和澆注過(guò)程中添加脫氧劑，所述脫氧劑的種類和添加順序是Mn、Si — Al — Ti — (Ca+Mg) ；Mn、Si、Ti、Ca的添加量分別是，Mn 1. 3 1. 7%, Si :0. 10 0. 30%, Ti :0. 005 0. 02%, Ca ( 0. 004%, Mg含量0. 0005 0. 007%，以占鋼液成分的重量百分比計(jì)；進(jìn)行Mg脫氧的時(shí)候需調(diào)節(jié)鋼液中的氧位，并通過(guò)在澆鑄錠模中添加!^e2O3粉來(lái)精確控制，F(xiàn)e2O3粉的添加量是使鋼液中的氧含量為0. 001% 0. 008% ；鋼中Al含量小于0. 006% ；鋼材中小于500nm析出物的體積密度大于9. OX IO7個(gè)/mm3，平均粒徑小于80nm，小于IOOnm析出物所占的體積密度比例大于 75%。進(jìn)一步，以澆注過(guò)程中在錠模底部添加NiMg合金的形式加入Mg脫氧劑。又，所述錠模采用CaO系、MgO系、Al2O3系、或MgO-Al2O3系的耐材。為了在鋼材中大量形成納米析出物，首先在鋼液的脫氧過(guò)程中應(yīng)選擇合適的脫氧劑、以及添加順序和方法。本發(fā)明采用Mn、Si—Al —Ti — (Ca+Mg)的添加順序進(jìn)行脫氧。 Mn、Si、Ti、Ca 的添加量分別是，Mn :1. 3 1. 7%,Si :0. 10 0. 30%,Ti :0. 005 0. 02%, Ca彡0.004%。首先使用Si、Mn進(jìn)行脫氧，可以降低鋼液中的自由氧含量。由于Si、Mn脫氧形成的氧化物熔點(diǎn)低，同時(shí)易于相互結(jié)合形成更低熔點(diǎn)的復(fù)合夾雜物聚集長(zhǎng)大，這樣的夾雜物容易上浮去除，有利于提高鋼液的潔凈度。然后進(jìn)一步使用Al對(duì)氧位進(jìn)行調(diào)節(jié)后， 再進(jìn)行Ti脫氧。部分自由氧與Ti結(jié)合，形成Ti的氧化物，殘留在鋼液中。經(jīng)Si、Mn、Al脫氧之后，自由氧含量已經(jīng)大大降低，所以，部分Ti將溶解于鋼液中。為了改善鋼材中硫化物的形態(tài)以提高鋼材的橫向沖擊性能，隨后往鋼液中添加Ca 脫氧劑。最后在出鋼過(guò)程中，采取在錠模底部均勻鋪墊MMg合金的方式添加Mg脫氧劑，這種方法可以提高M(jìn)g的收得率。這是因?yàn)镹iMg合金大大降低了 Mg的活度，從而降低了 Mg的蒸發(fā)速度和氧化速度。通過(guò)MMg的合金化，還增加了 Mg添加劑的密度，降低其上浮速度， 延長(zhǎng)了 Mg在鋼液中的溶化時(shí)間。此外通過(guò)澆鑄過(guò)程中鋼液沖擊流的攪拌作用，使Mg在鋼液中的溶解和成分均勻化同時(shí)完成。這樣就可以顯著地提高M(jìn)g的收得率。Ca和Mg的添加順序可交換，也可以兩者同時(shí)添加。鋼材中應(yīng)當(dāng)具有合適的Mg含量。當(dāng)Mg含量小于0.0005%時(shí)，生成的MgO微粒的數(shù)量將減少，誘導(dǎo)形成的納米TiN粒子的數(shù)量將顯著減少，在焊接過(guò)程中，不能很好地釘扎奧氏體晶界的移動(dòng)，抑制奧氏體晶粒的長(zhǎng)大。如果Mg含量大于0.007%，Mg的作用已經(jīng)飽和，同時(shí)增加了 Mg的蒸發(fā)損失和氧化損失，從而增加了制造成本。所以鋼中Mg含量以 0. 0005-0. 007%為宜。在Si、Mn、Al、Ti、Ca脫氧之后，鋼液中的自由氧含量很低。這樣雖然可以提高M(jìn)g 的收得率，但是也阻礙了 MgO微細(xì)夾雜的大量形成。為此，本發(fā)明在澆鑄錠模底部均勻鋪墊 NiMg合金的同時(shí)，添加微量的!^e2O3粉。這樣可以精確地控制Mg添加時(shí)的自由氧含量，促進(jìn)含MgO微細(xì)夾雜物的大量形成。當(dāng)添加!^e2O3粉使鋼液中的氧含量大于0. 008%時(shí)，將生成部分粒徑大于5 μ m的夾雜物，這些較大的夾雜物在沖擊試驗(yàn)過(guò)程中將作為裂紋的起點(diǎn)， 降低鋼材的沖擊韌性。當(dāng)添加I^e2O3粉使鋼液中的氧含量小于0. 001%時(shí)，將導(dǎo)致微細(xì)MgO 夾雜以及納米析出物的數(shù)量不足，不能很好地發(fā)揮釘扎作用。所以本發(fā)明最佳的!^e2O3粉添加量是使鋼液中的氧含量為0. 001% -0. 008%。鋼中的Al含量宜控制在小于0.006%。Al含量大于0.006%時(shí)，容易生成鎂鋁尖
晶石夾雜。通過(guò)以上的控制，有利于納米析出物的大量生成。鋼材中小于500nm析出物的體積密度大于9. OX IO7個(gè)/mm3，析出物的平均粒徑小于80nm，小于IOOnm析出物所占比例大于 75%。本發(fā)明采用的錠模宜用耐火材料制成。由于金屬M(fèi)g和氧的結(jié)合力很強(qiáng)，是非常強(qiáng)的脫氧劑。為了提高M(jìn)g的收得率，還應(yīng)選用合適的耐火材料，以CaO系、MgO系、Al2O3系、 MgO-Al2O3系的耐材為宜。因?yàn)殇撘褐械娜芙釳g和耐火材料中的SiO2反應(yīng)很快，生成MgO 和溶解Si，所以不宜選用含S^2系的耐火材料。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明主要通過(guò)調(diào)節(jié)強(qiáng)脫氧劑Mg的脫氧工藝，進(jìn)行鋼中納米析出物的控制，具有方法簡(jiǎn)單可靠、效果明顯的特點(diǎn)；同時(shí)通過(guò)在錠模底部均勻鋪墊MMg合金的方法提高了鎂的收得率。鋼材中小于500nm析出物的體積密度大于9. OX IO7個(gè)/mm3，析出物的平均粒徑小于80nm，小于IOOnm析出物所占比例大于75%。這些大量形成的納米析出物有利于抑制焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，改善厚鋼板的大線能量焊接性能。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例是在50kg真空感應(yīng)爐中進(jìn)行的。爐襯采用鎂砂添加1. 2%的硼酸干混后燒結(jié)而成，采用高鋁耐材錠模進(jìn)行澆鑄。在感應(yīng)爐中加入40kg純鐵，同時(shí)添加CaO。采用單純添加CaO的方式造渣，保證了渣中較低的氧位。抽真空的同時(shí)升溫，爐料熔清后，真空度可達(dá)301^。往感應(yīng)爐內(nèi)充填A(yù)r氣至0.05MPa后，調(diào)整鋼液中的合金成分。并且按照Si、Mn、 Al,TiXa的順序添加相應(yīng)元素的合金進(jìn)行脫氧。取樣并在線分析合金成分，在保證合金成分的同時(shí)，最后在澆鑄錠模底部添加NiMg合金和!^e2O3粉，NiMg合金含Mg 5_50%，余量為 Ni，粒度為 l_30mm。鋼中微細(xì)析出物分析，首先使用定電量非水電解體系，采用2% TEA非水電解液將實(shí)驗(yàn)電解溶化，然后用0. 05 μ m Nuclepore濾膜過(guò)濾，將微細(xì)析出物和大夾雜分離過(guò)濾于兩張濾膜。對(duì)于微細(xì)析出物選用10000倍或以上的視場(chǎng)進(jìn)行觀察，并采用掃描或探針能譜進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)每一個(gè)析出物進(jìn)行分析，可以確定每一個(gè)析出物的尺寸和化學(xué)組成。最后采用圖像分析的方法，通過(guò)計(jì)算確定析出物的體積密度和粒徑分布。對(duì)比例中其他工藝條件相同，但Al含量較高，不添加Mg合金與!^e2O3粉。表1列出了實(shí)施例和對(duì)比例的化學(xué)成分對(duì)比。實(shí)施例中控制Al含量小于0. 006 %， Mg的添加量為0. 0005-0. 007% ,Fe2O3粉添加量是使鋼液中的氧含量為0. 001% -0. 008%。 在這些條件下，Mg的收得率大于10%。對(duì)比例中的Al含量為0.0 %和0.028%，不添加 Mg合金與!^e2O3粉。表2列出了實(shí)施例和對(duì)比例中納米析出物的對(duì)比。采用探針能譜進(jìn)行分析表明，不論是實(shí)施例還是對(duì)比例，納米析出物的主要成分都是TiN。在實(shí)施例1-5中，小于500nm析出物的體積密度分別是9. 2X107、33.8X 107、 49. IX IO7,20. 5X 107、50. 5X IO7 個(gè) /mm3,平均粒徑分別是 61. 0,68. 4,64. 0,75. 4,42. Inm, 小于 IOOnm 析出物所占的比例為 80. 4%,78. 3%,91. 3%,78. 3%,95. 7%。在對(duì)比例1和2中，析出物的體積密度分別是3. 1 X IO7,4. 5 X IO7個(gè)/mm3,平均粒徑分別是97. 5,104. 6nm，小于IOOnm析出物所占的比例分別為50. 0%,52. 2%0通過(guò)實(shí)施例和對(duì)比例中納米析出物的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)施例中小于500nm析出物的體積密度明顯增加，均大于9. OX IO7個(gè)/mm3 ；平均粒徑明顯降低，均小于80. Onm ；小于 IOOnm析出物所占的比例明顯增加，均大于75 %。實(shí)施例中形成了大量微細(xì)的納米析出物，這有利于釘扎焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒的移動(dòng)，抑制奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，從而改善厚鋼板的大線能量焊接性能。綜上所述，本發(fā)明大線能量焊接用厚鋼板冶煉和澆注過(guò)程中納米析出物的控制方法，可以大幅度提高鋼材中納米析出物的數(shù)量，有利于抑制焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒長(zhǎng)大， 改善厚鋼板的大線能量焊接性能。可用于在鋼包、中間包、或連鑄結(jié)晶器內(nèi)對(duì)鋼水進(jìn)行脫氧控制。
權(quán)利要求
1.大線能量焊接用厚鋼板中納米析出物的控制方法，鋼液在冶煉和澆注過(guò)程中添加脫氧劑，所述脫氧劑的種類和添加順序是Mn、Si — Al — Ti — (Ca+Mg) ；Mn,Si,Ti,Ca的添加量分別是，Mn 1. 3 1. 7%,Si :0. 10 0. 30%,Ti :0. 005 0. 02%,Ca ( 0. 004%,Mg^ 量0. 0005 0. 007%，以占鋼液成分的重量百分比計(jì)；進(jìn)行Mg脫氧的時(shí)候需調(diào)節(jié)鋼液中的氧位，并通過(guò)在澆鑄錠模中添加!^e2O3粉來(lái)精確控制，F(xiàn)e2O3粉的添加量是使鋼液中的氧含量為0. 001% 0. 008% ；鋼中Al含量小于0. 006% ；鋼材中小于500nm析出物的體積密度大于9. 0 X IO7個(gè)/mm3，平均粒徑小于80nm，小于IOOnm析出物所占的體積密度比例大于75 %。
2.如權(quán)利要求1所述的大線能量焊接用厚鋼板中納米析出物的控制方法，其特征是， 在澆注過(guò)程中以錠模底部添加NiMg合金的形式加入Mg脫氧劑。
3.如權(quán)利要求1或2所述的大線能量焊接用厚鋼板中納米析出物的控制方法，其特征是，所述錠模采用CaO系、MgO系、Al2O3系、或MgO-Al2O3系的耐材。
全文摘要
大線能量焊接用厚鋼板中納米析出物的控制方法，鋼液在冶煉和澆注過(guò)程中添加脫氧劑，所述脫氧劑的種類和添加順序是Mn、Si→Al→Ti→(Ca+Mg)；Mg含量為0.0005～0.007％，進(jìn)行Mg脫氧的時(shí)候需調(diào)節(jié)鋼液中的氧位，并通過(guò)在澆鑄錠模中添加Fe2O3粉來(lái)精確控制，F(xiàn)e2O3粉的添加量是使鋼液中的氧含量為0.001％～0.008％。鋼材中小于500nm析出物的體積密度大于9.0×107個(gè)/mm3，平均粒徑小于80.0nm，小于100nm析出物所占的比例大于75％。本發(fā)明方法所形成的納米析出物尺寸小、數(shù)量大，在鋼材中微細(xì)彌散分布，有利于抑制焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒長(zhǎng)大，提高厚板的大線能量焊接性能。
文檔編號(hào)C21C7/06GK102296147SQ201010207119
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2010年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月22日
發(fā)明者張毅, 楊健, 沈建國(guó), 王國(guó)棟, 王睿之, 祝凱 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司