焊接熱影響部ctod特性優(yōu)異的高張力厚鋼及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及船舶、海洋結(jié)構(gòu)物、壓力容器、壓力水管等鋼鐵結(jié)構(gòu)物中使用的高張力 鋼及其制造方法。本發(fā)明尤其涉及屈服應(yīng)力（YS)在420MPa以上、不僅母材的強(qiáng)度、韌性 (toughness)優(yōu)異、而且多層焊接（multilayer weld)部的低溫韌性（CT0D特性）也優(yōu)異的 高張力厚鋼（heavy wall thickness high-strength steel plate)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 船舶、海洋結(jié)構(gòu)物、壓力容器中使用的鋼經(jīng)焊接接合，最終制成所希望形狀的結(jié)構(gòu) 物。因此，對(duì)這些鋼而言，從結(jié)構(gòu)物的安全性的角度考慮，當(dāng)然要求母材的強(qiáng)度高、韌性優(yōu) 異，還要求焊接接頭部（焊接金屬（weld metal)、熱影響部（heat-affected zone))的韌性 優(yōu)異。
[0003] 作為鋼韌性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，一直以來(lái)主要使用通過(guò)夏比沖擊試驗(yàn)得到的吸收能 量。近年來(lái)，為了進(jìn)一步提高評(píng)價(jià)的可靠性，多使用裂紋尖端張開(kāi)位移試驗(yàn)（Crack Tip Opening Displacement Test，后面稱CTOD試驗(yàn)）。在該試驗(yàn)中，將在韌性評(píng)價(jià)部形成有疲 勞預(yù)裂紋（fatigue precrack)的試驗(yàn)片作三點(diǎn)彎曲，測(cè)定臨斷裂前的裂紋的張開(kāi)量（塑性 變形量），由此評(píng)價(jià)脆性斷裂（brittle fracture)的產(chǎn)生阻力。
[0004] 由于在CTOD試驗(yàn)中使用疲勞預(yù)裂紋，因而當(dāng)極微小區(qū)域成為韌性評(píng)價(jià)部、存在局 部脆化區(qū)時(shí)，會(huì)有即使在夏比沖擊試驗(yàn)中得到良好的韌性、仍會(huì)顯示低韌性的情況。
[0005] 局部脆化區(qū)域容易發(fā)生在板厚度較厚的鋼等會(huì)由于多層堆焊而經(jīng)受復(fù)雜熱歷程 的焊接熱影響部（下面也稱HAZ)，接合部（焊接金屬與母材的邊界）或接合部被再加熱成 雙相區(qū)的部分（在第1循環(huán)的焊接中形成粗粒、通過(guò)后續(xù)的焊道焊接而被加熱成鐵素體與 奧氏體的雙相區(qū)的區(qū)域。下面稱雙相區(qū)再加熱部）會(huì)成為局部脆化區(qū)。
[0006] 由于接合部被暴露于略低于熔點(diǎn)的高溫下，因而奧氏體晶粒會(huì)粗大化，并經(jīng) 過(guò)接下來(lái)的冷卻而容易相變成韌性低的上貝氏體組織，這樣，基體（matrix)自身的韌 性低。另外，接合部容易生成魏氏體組織（Widmannstaetten structure)、島狀馬氏體 (martensite-austenite constituent MA)等脆化組織，韌性進(jìn)一步降低。
[0007] 為提高焊接熱影響部的韌性，例如將TiN微細(xì)地分散在鋼中、抑制奧氏體晶粒粗 大化或?qū)iN用作鐵素體相變核之類的技術(shù)已實(shí)用化。然而，接合部有時(shí)會(huì)出現(xiàn)被加熱到 TiN會(huì)溶解的溫度區(qū)域的情況，焊接部的低溫韌性要求越嚴(yán)格，上述作用效果越得不到發(fā) 揮。
[0008] 另一方面，專利文獻(xiàn)1、專利文獻(xiàn)2中公開(kāi)了如下技術(shù)，即通過(guò)與Ti 一起復(fù)合添加 稀土類元素（REM)、使微細(xì)粒子分散在鋼中，抑制奧氏體的晶粒生成，提高焊接部的韌性。
[0009] 此外，還提出了使Ti的氧化物分散（其中）的技術(shù)、將BN的鐵素體核生成能與氧 化物分散進(jìn)行組合的技術(shù)、通過(guò)進(jìn)一步添加 Ca、REM來(lái)控制硫化物的形態(tài)、從而提高韌性的 技術(shù)。
[0010] 但是，這些技術(shù)以強(qiáng)度較低、合金元素量少的鋼材為對(duì)象，當(dāng)為強(qiáng)度更高、合金元 素量多的鋼材時(shí)，HAZ組織會(huì)成為不含鐵素體的組織，因而不能適用。
[0011] 因此，作為容易在焊接熱影響部中生成鐵素體的技術(shù)，專利文獻(xiàn)3中公開(kāi)了一種 主要將Mn的添加量提高至2質(zhì)量％以上的技術(shù)。但是，對(duì)于連鑄材料而言，Mn容易偏析于 鋼坯的中心部，不僅在母材中、即使是在焊接熱影響部中，中心偏析部也會(huì)硬度增加，成為 斷裂的起點(diǎn)，從而引起母材和HAZ的韌性降低。
[0012] 另一方面，在雙相區(qū)再加熱部中，通過(guò)雙相區(qū)再加熱，碳會(huì)富集在逆相變?yōu)閵W氏體 的區(qū)域，冷卻過(guò)程中生成包含島狀馬氏體的脆弱的貝氏體組織，韌性降低。為此，已公開(kāi)有 以下技術(shù)：通過(guò)降低鋼中的C量、Si量而抑制島狀馬氏體的生成，提高韌性，通過(guò)添加 Cu來(lái) 確保母材強(qiáng)度（例如專利文獻(xiàn)4和5)。這些方法是通過(guò)Cu的析出強(qiáng)化來(lái)提高強(qiáng)度的方法。 專利文獻(xiàn)4中采用了使壓延后的冷卻速度在0. 1°C /s以下、在該過(guò)程中析出Cu粒子的方 法。專利文獻(xiàn)4中記載的方法在制造穩(wěn)定性方面存在問(wèn)題。此外，在專利文獻(xiàn)5中，通過(guò)使 N/A1之比為0. 3?3. 0來(lái)抑制AlN的粗大化、由固溶N的不良影響引起的韌性劣化。但是， 利用Ti來(lái)抑制固溶N會(huì)更容易。專利文獻(xiàn)：
[0013] 專利文獻(xiàn)1 :日本特公平03-053367號(hào)公報(bào)
[0014] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開(kāi)昭60-184663號(hào)公報(bào)
[0015] 專利文獻(xiàn)3 :日本專利第3697202號(hào)公報(bào)
[0016] 專利文獻(xiàn)4 :日本專利第3045856號(hào)公報(bào)
[0017] 專利文獻(xiàn)5 :日本專利第4432905號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 近年來(lái)，隨著船舶、海洋結(jié)構(gòu)物、壓力容器、壓力水管等鋼鐵結(jié)構(gòu)物的大型化，要求 這些鋼鐵結(jié)構(gòu)物中使用的鋼材的強(qiáng)度更高。這些鋼鐵結(jié)構(gòu)物中使用的鋼材多為例如板厚在 35mm以上的厚鋼材，因此，為了確保屈服強(qiáng)度420MPa級(jí)或其以上的強(qiáng)度，增加了添加的合 金元素的鋼成分類是有利的。然而，如上述那樣，難以說(shuō)對(duì)以合金元素量多的高強(qiáng)度鋼材為 對(duì)象的接合部、雙相再加熱部的韌性提高進(jìn)行了充分研宄。
[0019] 因此，本發(fā)明旨在提供一種能夠良好地用于船舶、海洋結(jié)構(gòu)物、壓力容器、壓力水 管等鋼鐵結(jié)構(gòu)物的、屈服應(yīng)力（YS)在420MPa以上、多層焊接部的焊接熱影響部的低溫韌性 (CTOD特性）優(yōu)異的高張力鋼板及其制造方法。
[0020] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明者進(jìn)行了深入研宄，根據(jù)以下技術(shù)思想進(jìn)行了具體的 成分設(shè)計(jì)，并由此完成了本發(fā)明。
[0021] 1.由于CTOD特性是用鋼板整個(gè)厚度的試驗(yàn)片來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此，成分富集的中心 偏析部會(huì)成為斷裂的起點(diǎn)。因此，為了提高焊接熱影響部的CTOD特性，將容易作為鋼板的 中心偏析而富集的元素控制至適當(dāng)量，抑制中心偏析部的硬化。在鋼水凝固時(shí)會(huì)成為最終 凝固部的鋼坯（slab)的中心，C、Mn、P、Ni、Nb與其他元素相比，富集度高，因此，使用中心 偏析部硬度作為指標(biāo)，控制這些元素的添加量，由此抑制在中心偏析中的硬度。
[0022] 2.為了提高焊接熱影響部的韌性，有效利用TiN，在焊接接合部附近抑制奧氏體 晶粒的粗大化。通過(guò)將Ti/N控制至適當(dāng)量，能夠使TiN在鋼中均勻地微細(xì)分散。
[0023] 3.將以硫化物的形態(tài)控制為目的而添加的Ca化合物（CaS)的結(jié)晶化用于提高焊 接熱影響部的韌性。CaS與氧化物相比，會(huì)在低溫下結(jié)晶，因而能夠均勻地微細(xì)分散。另外， 通過(guò)將CaS添加量和添加時(shí)的鋼水中的溶存氧量控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，即使CaS結(jié)晶后也能 確保固溶S，因而在CaS表面上會(huì)有MnS析出，形成復(fù)合硫化物。在該MnS的周圍會(huì)形成Mn 的稀薄帶，從而進(jìn)一步促進(jìn)鐵素體相變。
[0024] S卩，本發(fā)明是
[0025] 1.焊接熱影響部CTOD特性優(yōu)異的高張力厚鋼，其特征在于，具有如下成分組成： 以質(zhì)量％計(jì)含有 C :0· 020 ?0· 080%、Si :0· 01 ?0· 35%、Mn :1· 20 ?2· 30%、P :0· 008% 以下、S :0· 0035% 以下、Al :0· 010 ?0· 060%、Cu :0· 70 ?I. 50%、Ni :0· 40 ?2. 00%、Nb : 0· 005 ?0· 040%、Ti :0· 005 ?0· 025%、N :0· 0020 ?0· 0050%、0 :0· 0030% 以下，滿足式 (1)規(guī)定的Ceq :0. 520%以下、Ti/N :1. 50?4. 00,并滿足式（2)，余部由Fe和不可避免的 雜質(zhì)組成，鋼板的中心偏析部硬度滿足式（3)，
[0026] Ceq = [C] + [Mn] /6+ ([Cu] + [Ni]) /15+ ([Cr] + [Mo] + [V]) /5…（1)
[0027] 5. 5 [C]4/3+15 [P] +0· 90 [Μη] +0· 12 [Ni] +7. 9 [Nb] 1/2+0· 53 [Mo]蘭 3. 50…（2)
[0028] 這里，[Μ]為元素 M的含量（質(zhì)量％ )。
[0029] HVmax/HVave彡 1. 35+0. 006/[C] - t/500…（3)
[0030] Hvmax為中心偏析部的維氏硬度最大值，Hvara為除去從表面、背面到板厚的1/4處之 間和中心偏析