專利名稱：一種大線能量焊接用鋼板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)鋼，特別是涉及大線能量焊接用結(jié)構(gòu)鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
低合金高強(qiáng)鋼是工程應(yīng)用領(lǐng)域使用量最大的結(jié)構(gòu)材料之一，廣泛應(yīng)用于石油天然氣管線、造船、橋梁、高層建筑、壓力容器，石油儲(chǔ)罐等行業(yè)。為了提高生產(chǎn)效率，上述行業(yè)對(duì)鋼板的焊接性，尤其是大線能量焊接性的要求越來(lái)越高，但大線能量焊接極易造成焊縫及其周圍的焊接熱影響區(qū)(HAZ)的韌性嚴(yán)重惡化，使得焊接接頭容易發(fā)生脆斷。對(duì)于傳統(tǒng)的鋼板如微合金鋼而言，其實(shí)際焊接時(shí)的線能量一般不超過(guò)50kJ/cm，多數(shù)在30kJ/cm以下。在此情況下，HAZ韌性惡化問(wèn)題并未完全表現(xiàn)出來(lái)，而當(dāng)焊接線能量達(dá)到一定水平，如 100kJ/cm以上甚至更高時(shí)，傳統(tǒng)的低合金鋼就很難滿足焊接要求了，這就需要解決大線能量焊接HAZ脆化問(wèn)題。從焊接熱循環(huán)角度看，在大線能量焊接過(guò)程中，HAZ附近的溫度可達(dá)1400°C甚至更高，高溫停留時(shí)間以及t8/5(溫度從800°C冷卻到500°C所需時(shí)間)冷卻時(shí)間大大延長(zhǎng)，這就造成奧氏體晶粒顯著長(zhǎng)大，在隨后的緩慢冷卻過(guò)程中形成粗大的對(duì)韌性不利的組織，如晶界處粗大的晶界鐵素體、側(cè)板條鐵素體、魏氏組織、M-A(馬氏體-奧氏體)島等。解決大線能量焊接HAZ脆化問(wèn)題可采用不同的方法。早在上世紀(jì)70年代，US3904447就采用TiN釘扎奧氏體晶粒技術(shù)，較好地解決了大線能量焊接HAZ韌性惡化問(wèn)題。但隨著線能量的增大，傳統(tǒng)的TiN技術(shù)難以滿足用戶要求。近年來(lái)，US4629505開發(fā)的氧化物冶金技術(shù)可滿足更大線能量焊接要求。CN101050504A公開了一種大線能量焊接非調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板及其制造方法，C 0. 01-0. 25%,Si 0. 05-0. 5%,Mn 0. 5-1. 8,P<0.015%,S
<O. 015%, Als 0. 001-0. 06%, N :0. 002-0. 012%, Ti :0. 01-0. 08%, B :0. 0001-0. 003%,Nb 0. 01-0. 08%。雖然記載大線能量焊接后HAZ低溫韌性優(yōu)良，但并未給出焊接熱模擬或焊接工藝條件。CN1946862A公開了大線能量焊接的焊接熱影響區(qū)的低溫韌性優(yōu)異的厚高強(qiáng)度鋼板，并記載可以達(dá)到200-1000kJ/cm的焊接線能量，其采用的是氧化物冶金工藝，與本發(fā)明所采用的工藝明顯不同。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的是提供一種大線能量焊接用鋼板。本發(fā)明通過(guò)對(duì)鋼的化學(xué)成分進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，采用傳統(tǒng)的熱機(jī)械控制軋制工藝生產(chǎn)出一種具有優(yōu)異的大線能量焊接低溫韌性的厚鋼板。根據(jù)本發(fā)明，在傳統(tǒng)的Ti微合金鋼的成分基礎(chǔ)上，只加入合金元素B，即可實(shí)現(xiàn)低成本制造出大線能量焊接用鋼板。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的大線能量焊接用鋼板，重量百分比化學(xué)成分為C 0. 06-0. 10 %, Si 0. 05-0. 15 %, Mn 1. 0-1. 8 %, P ^ O. 01 %, S ^ O. 005 %, Al O. 02-0. 10%, N 0. 006-0. 02%, Ti 0. 005-0. 015%, B 0. 001-0. 0025%，其余為 Fe 以及其
它不可避免的雜質(zhì)。
優(yōu)選地，C0. 06-0. 08%。優(yōu)選地，Si:0.08-0. 12%，還優(yōu)選 O. 13-0. 15%。優(yōu)選地，Mn:1.4-1. 7%，還優(yōu)選為 I. 5-1. 8%。優(yōu)選地，Al0. 02-0. 08%。優(yōu)選地，Ti0. 006-0. 015 %，更優(yōu)選 Ti 0. 007-0. 013 %,最優(yōu)選 Ti :O. 008-0. 012%。優(yōu)選地，B:0. 001-0. 0020 %,更優(yōu)選 B :0. 0011-0. 0019 %，還優(yōu)選O. 0012-0. 0020%。 優(yōu)選地，P彡 O. 01%，S 彡 O. 005%。優(yōu)選地，O彡 O. 0030%。本文中，在未另有指明時(shí)，含量均為重量百分?jǐn)?shù)。本發(fā)明的大線能量焊接用鋼板可采用傳統(tǒng)的熱機(jī)械控制軋制工藝生產(chǎn)。具體地，包括轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉一真空爐二次精煉一鑄還(錠)一鋼還(錠)再加熱一TMCP (熱機(jī)械控制軋制)+快速冷卻工藝一鋼板。本發(fā)明的大線能量焊接用鋼板中各個(gè)元素的控制理由如下碳是鋼中最基本的元素，對(duì)提高鋼的強(qiáng)度起到非常重要的作用，對(duì)鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等影響最大，但對(duì)鋼的焊接性不利。通常，鋼中碳含量(或碳當(dāng)量)越高，鋼在焊接后的焊接熱影響區(qū)(HAZ)韌性越差，特別是在大線能量焊接時(shí)尤其如此。因此，為了提高鋼板的大線能量焊接HAZ低溫韌性，鋼中碳含量應(yīng)盡量控制在較低的水平上。碳含量降低可有效地減少馬氏體-奧氏體組元的數(shù)量，而馬氏體-奧氏體組元對(duì)鋼的大線能量HAZ有著極為不利的作用。但為了提高鋼板的強(qiáng)度，同時(shí)又保證鋼板具有良好的大線能量焊接HAZ低溫韌性，需要對(duì)兩方面進(jìn)行綜合考慮，使二者達(dá)到很好的平衡。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)研究，本發(fā)明的鋼中碳含量控制在O. 06-0. 10%的范圍內(nèi)可保證強(qiáng)度和大線能量焊接HAZ韌性的良好匹配；優(yōu)選地，碳含量為O. 06-0. 08%。硅是鋼中最基本的元素之一，對(duì)提高鋼的強(qiáng)度、凈化鐵素體起著有利作用。在鋼的冷卻過(guò)程中，硅能夠延遲滲碳體析出。硅對(duì)鋼的大線能量焊接性通常是不利的。為了提高鋼板HAZ的大線能量焊接低溫韌性，鋼中硅的含量也應(yīng)該控制較低的水平上。當(dāng)硅的含量適當(dāng)時(shí)可使鋼具有良好的綜合性能，故本發(fā)明將鋼中硅的含量控制在O. 05-0. 15%，優(yōu)選范圍在O. 08-0. 12%之間。錳是擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素，可以降低鋼的臨界冷卻速度，穩(wěn)定奧氏體，推遲奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變。在低含量范圍內(nèi)，對(duì)鋼具有很大的強(qiáng)化作用，同時(shí)錳還可以細(xì)化鐵素體晶粒從而改善鋼板的低溫韌性。在不添加其他合金元素(如Cu、Ni、Cr、Mo、W等)的情況下，錳的含量一般應(yīng)控制在I. 5%以上以保證鋼板的強(qiáng)度；而在添加上述合金元素的情況下，錳的含量可以降低至I. O % ;但另一方面，鋼中錳的含量不宜過(guò)高，如超過(guò)1.8%時(shí)容易在連鑄坯中形成偏析，同時(shí)與鋼中的硫結(jié)合形成比較粗大的MnS夾雜，在后續(xù)的軋制過(guò)程中，粗大的具有一定韌性的MnS將沿著軋向延伸，嚴(yán)重惡化母材鋼板的性能，尤其是鋼板的Z向抗層狀撕裂性能。錳對(duì)鋼板的大線能量焊接HAZ韌性的影響比較復(fù)雜，錳含量和焊接條件不同，HAZ的韌性也表現(xiàn)出不同的效果。本發(fā)明鋼中錳的含量控制在I. 0-1. 8%之間可得到性能優(yōu)異的鋼板，優(yōu)選的范圍為I. 4-1. 7%之間。
鋼中磷的含量較高(> O. 1% )時(shí)，形成Fe2P在晶粒周圍析出，降低鋼的塑性和韌性，故其含量越低越好，本發(fā)明鋼中P含量控制在O. 01%以內(nèi)較好；優(yōu)選地，P < O. 008%。在鋼中硫含量較高時(shí)以FeS-Fe共晶體的形式存在于鋼的晶粒周圍，降低鋼的力學(xué)性能，其含量與磷類似，也是越低越好，本發(fā)明鋼在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)通常控制在O. 005%以內(nèi)；優(yōu)選地，S < O. 003%。鋁在鋼中的作用主要是在煉鋼過(guò)程中進(jìn)行脫氧。除此之外，鋁還可與鋼中的氮結(jié)合形成A1N，在焊接熱循環(huán)過(guò)程中，由于TiN粒子部分或全部溶解所釋放出來(lái)的氮原子可以在冷卻的過(guò)程中與鋼中的部分鋁相結(jié)合，從而起到固氮的效果。因此，本發(fā)明鋼中鋁的含量要控制在一定范圍內(nèi)，通?？刂圃贠. 02-0. 10 %即可；優(yōu)選地，O. 02-0. 08 %。鈦的加入量是與鋼中氮的加入量相對(duì)應(yīng)。對(duì)于大線能量焊接用鋼板，Ti/N控制 在TiN的化學(xué)計(jì)量比3. 42以下為宜。若Ti/N大于3. 42，則鋼中將形成比較粗大的TiN粒 子，且數(shù)量較少，不僅起不到在焊接過(guò)程中釘扎原奧氏體晶粒的作用，而且對(duì)HAZ的沖擊韌性造成非常不利的后果，粗大的TiN粒子可成為斷裂的裂紋源。此外，在焊接熱循環(huán)過(guò)程中，TiN粒子在高溫階段還將發(fā)生粗化，進(jìn)一步加劇這種不利作用。因此，鋼中鈦的含量要控制在合適的較低的水平，本發(fā)明中鈦的加入量控制在O. 005-0. 02%之間，優(yōu)選范圍控制在 O. 008-0. 012%。通常情況下，煉鋼原材料中都不同程度地含有一定量的氮，其范圍在O. 002-0. 004%之間。在Ti含量一定的情況下，增加N含量可以使焊接過(guò)程中TiN的固溶溫度從原來(lái)的1400°C以下提高到1450°C以上。TiN固溶溫度的提高能夠極大地抑制焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒的高溫長(zhǎng)大，從而提高HAZ的強(qiáng)度和韌性。在Ti含量固定，N含量較低的情況下，TiN的固溶溫度會(huì)降低到1400°C以下。在焊接的過(guò)程中，TiN粒子會(huì)固溶到奧氏體中從而導(dǎo)致奧氏體晶粒的粗大化，就起不到“釘扎”細(xì)化奧氏體晶粒的作用，焊接后的韌性自然就很差。但N的含量也不宜過(guò)高，否則在焊接過(guò)程中，由于鋼中出現(xiàn)多余的“自由氮”，這將大大降低鋼的大線能量焊接HAZ韌性。因此，本發(fā)明中氮的加入量可控制在N O. 006-0. 02%。硼是本發(fā)明的關(guān)鍵元素之一。硼元素為內(nèi)表面活性元素，有富集于晶界的強(qiáng)烈傾向。由于B在奧氏體晶界的富集可使晶界處的能量大為降低，使先共析鐵素體(以及珠光體)在晶界的形核非常困難，從而大大降低了珠光體轉(zhuǎn)變速度。加入B元素的另外一個(gè)重要作用是與鋼中的“自由氮”相結(jié)合，形成BN，從而有利于針狀鐵素體這種韌性優(yōu)良的組織形成。由于B的固氮能力比AlS強(qiáng)，故加入適量的B可以彌補(bǔ)AlS固氮能力的不足。B的含量低于IOppm時(shí)，起不到應(yīng)有的效果；若B的含量高于25ppm，則容易在晶界處偏析，對(duì)鋼的性能不利，故本發(fā)明鋼中硼元素的含量控制在10-25ppm范圍內(nèi)，優(yōu)選范圍在12-20ppm;此夕卜，B還兼有提高鋼的淬透性作用，對(duì)提高鋼板的強(qiáng)度有利。氧是煉鋼過(guò)程中不可避免的元素，對(duì)本發(fā)明而言，鋼中氧的含量通過(guò)鋁脫氧之后一般都可以達(dá)到30ppm以下，對(duì)鋼板的性能不會(huì)造成明顯不利影響。因此，將鋼中的氧含量控制在30ppm以內(nèi)即可。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供大線能量焊接用鋼板的制造方法。本發(fā)明的大線能量焊接用鋼板可采用傳統(tǒng)的熱機(jī)械控制軋制工藝生產(chǎn)。優(yōu)選如下
坯(錠)加熱溫度:1100-1200°C，保溫時(shí)間1~2小時(shí)，開軋溫度:1000-1070 °C,在未再結(jié)晶溫度(Tnr)以上多道次大壓下率且累計(jì)變形量彡80%，主要目的是細(xì)化奧氏體晶粒；隨后中間坯待溫至800-850°C，然后進(jìn)行最后2-3個(gè)道次軋制以獲得變形的奧氏體晶粒；在接近鐵素體析出開始溫度之上以8-10°C/s的冷速冷卻至520°C以下以獲得細(xì)小的鐵素體晶粒組織。鋼坯的加熱溫度若低于1100°C以及保溫時(shí)間過(guò)短，則不利于合金元素的均勻化；而當(dāng)溫度高于1200°C時(shí)，已經(jīng)析出的TiN等析出相可能會(huì)發(fā)生粗化，單位體積內(nèi)的粒子數(shù)密度降低，同時(shí)，原始奧氏體晶粒的尺寸也會(huì)長(zhǎng)大，不僅提高了制造成本，而且使得鋼坯的加熱質(zhì)量有所下降。因此，鋼坯的加熱溫度一般控制在1100-1200°C比較合適。類似地，保溫時(shí)間也需要控制在一定范圍內(nèi)。保溫時(shí)間過(guò)短，溶質(zhì)原子擴(kuò)散不夠充分，一些溶質(zhì)原子如B的偏析不能充分消除，同時(shí)一些碳化物和氮化物的析出也不充分，鋼坯的加熱質(zhì)量得不到保證；而保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則使得奧氏體晶粒粗大以及提高了制造成本， 故保溫時(shí)間應(yīng)控制在1-2小時(shí)之間。加熱溫度越高，相應(yīng)的保溫時(shí)間可適當(dāng)縮短。有益效果本發(fā)明所提供的技術(shù)可用于制造屈服強(qiáng)度彡400MPa，抗拉強(qiáng)度彡550MPa，且厚度在40mm以內(nèi)，適合焊接線能量在100-200kJ/cm范圍內(nèi)的高強(qiáng)度高韌性鋼板，鋼板HAZ具有優(yōu)異的低溫韌性和優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，由此帶來(lái)以下幾個(gè)方面的有益效果鋼板的大線能量焊接HAZ低溫韌性優(yōu)異。采用本發(fā)明生產(chǎn)的厚鋼板，在200和186kJ/cm的大線能量焊接條件下，鋼板的HAZ在_20°C下的平均沖擊功仍可達(dá)150J以上，且各處性能均勻，表明采用本發(fā)明專利生產(chǎn)的鋼板具有非常優(yōu)異的大線能量焊接低溫韌性；鋼板的生產(chǎn)成本大幅降低，而鋼板大線能量焊接低溫韌性卻大幅提高。本發(fā)明與傳統(tǒng)的微合金鋼相比，沒有添加貴重金屬Nb、V、Cu、Ni等合金元素(Nb鐵和V鐵的市場(chǎng)價(jià)格分別約為25萬(wàn)人民幣/噸和10萬(wàn)人民幣/噸，Ni的市場(chǎng)價(jià)在> 20萬(wàn)元人民幣/噸)。因此，可使生產(chǎn)成本大幅度降低，而鋼板的大線能量焊接HAZ低溫韌性仍可保持在很高的水平上；從工藝實(shí)現(xiàn)的角度看，采用目前鋼廠普遍使用的熱機(jī)械控制軋制(TMCP)技術(shù)即可制造出本發(fā)明鋼板。因此，不需要對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)線進(jìn)行升級(jí)改造，節(jié)省了成本，工藝簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)。


圖I是低成本大線能量焊接用厚鋼板生產(chǎn)工藝。圖2是本發(fā)明實(shí)施例中所采用的焊接熱模擬時(shí)間-溫度曲線，焊接線能量200kJ/cm，加熱速度500°C /s，峰值溫度1400°C，峰值溫度停留時(shí)間3s，t8/5冷卻時(shí)間255s。
具體實(shí)施例方式通過(guò)以下實(shí)施例的說(shuō)明，將更清楚本發(fā)明的熱點(diǎn)和有益效果，但不僅僅限于這些實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以有更多變化或改進(jìn)的其他實(shí)施例，而這些變化和改進(jìn)都應(yīng)屬于本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明實(shí)施例的化學(xué)成分見表I。表I

權(quán)利要求
1.大線能量焊接用鋼板，其重量百分比化學(xué)成分為c0. 06-0. 10 %, Si O. 05-0. 15 %, Mn 1. 0-1. 8 %, P ^ O. 01 %, S ^ O. 005 %, Al 0. 02-0. 10 %, N O. 006-0. 02%,Ti 0. 005-0. 015%,B :0. 001-0. 0025%,O ^ O. 0030%，其余為 Fe 以及其它不可避免的雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求I所述的大線能量焊接用鋼板，其特征在于，C:0. 06-0. 08%。
3.如權(quán)利要求I或2所述的大線能量焊接用鋼板，其特征在于，Si:0.08-0. 12%，或.0.13-0. 15%。
4.如權(quán)利要求1-3任一所述的大線能量焊接用鋼板，其特征在于，Mn:1. 4-1.7%，或.1.5-1. 8%。
5.如權(quán)利要求1-4任一所述的大線能量焊接用鋼板，其特征在于，Al:0. 02-0. 08%。
6.如權(quán)利要求1-5任一所述的大線能量焊接用鋼板，其特征在于，Ti0. 006-0.015%,優(yōu)選 Ti 0. 007-0. 013%，更優(yōu)選 Ti 0. 008-0. 012% 0
7.如權(quán)利要求1-6任一所述的大線能量焊接用鋼板，其特征在于，B:0. 001-0. 0020%,優(yōu)選 B 0. 0011-0. 0019%，或 O. 0012-0. 0020%。
8.如權(quán)利要求1-7任一所述的大線能量焊接用鋼板，其特征在于，S< O. 003%。
9.如權(quán)利要求1-8任一所述的大線能量焊接用鋼板，其特征在于，屈服強(qiáng)度>400MPa，抗拉強(qiáng)度> 550MPa,且厚度在40mm以內(nèi)，適合焊接線能量在100-200kJ/cm范圍內(nèi)的高強(qiáng)度高韌性鋼板，在200和186kJ/cm的大線能量焊接條件下，鋼板的HAZ在_20°C下的平均沖擊功在150J以上。
10.如權(quán)利要求1-9任一所述的大線能量焊接用鋼板的制造方法，包括 TMCP熱機(jī)械控制軋制和快速冷卻工藝。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在TMCP中，坯(錠)加熱溫度1100-1200°C，保溫時(shí)間1_2小時(shí)，開軋溫度1000-1070°C，在未再結(jié)晶溫度(Tnr)以上多道次大壓下率且累計(jì)變形量> 80% ； 隨后中間坯待溫至800-850°C，然后進(jìn)行最后2-3個(gè)道次軋制以獲得變形的奧氏體晶粒。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，快速冷卻工藝為在接近鐵素體析出開始溫度之上以8-10°C /s的冷速冷卻至520°C以下以獲得細(xì)小的鐵素體晶粒組織。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大線能量焊接用鋼板，其重量百分比化學(xué)成分為C0.06-0.10％，Si0.05-0.15％，Mn1.0-1.8％，P≤0.01％，S≤0.005％，Al0.02-0.10％，N0.006-0.02％，Ti0.005-0.015％，B0.001-0.0025％，O≤0.0030％，其余為Fe以及其它不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明的大線能量焊接用鋼板采用TMCP熱機(jī)械控制軋制和快速冷卻工藝生產(chǎn)。其屈服強(qiáng)度≥400MPa，抗拉強(qiáng)度≥550MPa，且厚度在40mm以內(nèi)，適合焊接線能量在100-200kJ/cm范圍內(nèi)的高強(qiáng)度高韌性鋼板，在200和186kJ/cm的大線能量焊接條件下，鋼板的HAZ在-20℃下的平均沖擊功在150J以上。
文檔編號(hào)C22C33/04GK102839320SQ20111017266
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者王巍, 王煥榮, 白巖, 曹能, 劉剛 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司