專利名稱：大線能量低焊接裂紋敏感性系列鋼及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種60kg及70kg級大線能量低焊接裂紋敏感性系列高強(qiáng)鋼，屬低合金鋼制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在本發(fā)明以前，有如日本川崎申請的專利(JP08232043)“通過熱軋、空氣加速冷卻形成鐵素體、珠光體和(或)貝氏體組織的用于造船、橋梁、壓力容器等的大線能量焊接鋼”、日本新日鐵申請的專利(JP04346636)“含C、Mn、P、S、Al、B、N、Ni和(或)Cu的HAZ具有韌性的高錳超高強(qiáng)鋼”、(JP2704810、JP06049586)“通過Al完全脫氧形成MnS化合物粒子制造大線能量焊接高強(qiáng)鋼的方法”。上述三者不足之處在于鋼板雖然都具備大線能量焊接性能，但均不具備低焊接裂紋敏感性。又如日本NKK申請的專利(JP10008193)“含C、Si、Mn、Cu、Ni、Nb、Al、Ti、Cr、B用于制造鋼結(jié)構(gòu)如橋梁、庫房及建筑物的超高強(qiáng)度鋼”。其不足之處在于，鋼中添加了高達(dá)0.30～0.80％的Cr，增加了生產(chǎn)成本，且高Cr會導(dǎo)致回火裂紋，降低鋼的韌性。此外，由于鋼中B含量甚少，不利于鋼板淬透，因而鋼板強(qiáng)度水平不高，其抗拉強(qiáng)度下限值僅為570MPa，達(dá)不到60kg及70kg級水平。
再如NKK申請的專利(JP08209238)“通過加熱含Si、Mn、Mo、Ni、V、Al、Ti、B獲得優(yōu)異焊接裂紋敏感性的高強(qiáng)鋼的制造方法”，該專利中鋼板雖然同時具備低裂紋敏感性和抗大線能量焊接性能，但對鋼中Nb、V含量以公式625Nb+250V+210Ceq＝40+t(t為鋼板厚度mm)來加以限定，與本發(fā)明鋼的成分設(shè)計(jì)思路不同，且該專利沒有示出鋼板具體強(qiáng)度級別。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種大線能量低焊接裂紋敏感性系列鋼及其生產(chǎn)方法，鋼板強(qiáng)度分別達(dá)60kg及70kg級，鋼板同時具備大線能量焊接性和低焊接裂紋敏感性兩種優(yōu)異性能。提供的生產(chǎn)方法簡單，適合大生產(chǎn)操作。
本發(fā)明為了達(dá)到上述目的，設(shè)計(jì)了一種大線能量低焊接裂紋敏感性系列鋼，其特征在于鋼的化學(xué)成分(按重量％)含有C0.02～0.13、Si0.10～0.60、Mn0.60～1.80、P≤0.020、S≤0.010、Al≤0.01、Ti0.005～0.025、N0.0020～0.0060、B0.0005～0.0020，Nb0.008～0.040及Ni≤0.55、V≤0.10、Cu≤0.65、Mo≤0.50、Zr≤0.040、RE≤0.020中的兩種或兩種以上，余量為Fe及不可避免的夾雜。
本發(fā)明一種大線能量低焊接裂紋敏感性系列鋼，鋼板的強(qiáng)度分別為60kg級及70kg級兩種，其特征在于60kg級鋼的化學(xué)成分還必須滿足(1)4.0C+Mn≤2.0(2)0.0020≥N-Ti/3.4-B/0.77≥0(3)Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.2170kg級鋼的化學(xué)成分須滿足(1)4.0C+Mn≤2.1(2)B-0.435×(N-Ti/3.4)≤0.0005(3)Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.23。
本發(fā)明中C、Si、Mn、P、S、Al、Ti、N、B、Ni、Nb、V、Cu、Mo、RE限定量的理由詳述如下本發(fā)明的C含量選擇在0.02～0.13％，C是鋼中不可缺少的提高鋼材強(qiáng)度的元素之一，隨著碳含量的增加，鋼中Fe3C增加，淬硬性也增加，鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服極限會提高而延伸率缺口沖擊韌性下降。碳含量每增加0.1％抗拉強(qiáng)度大約提高90MPa，屈服極限大約提高40-50MPa。在焊接C含量較高的鋼材時，在焊接熱影響區(qū)還會出現(xiàn)淬硬現(xiàn)象，這將加劇焊接時產(chǎn)生冷裂的傾向。C是影響Pcm的主要因素，要控制鋼P(yáng)cm值應(yīng)分別不大于0.21％及0.23％，使其具有低的焊接裂紋敏感性，鋼中C含量應(yīng)不大于0.11％，在此范圍內(nèi)，既提高鋼的強(qiáng)度又適合生產(chǎn)操作，提高其在大生產(chǎn)中的適用性和可行性。
本發(fā)明的Si含量選擇在0.10％～0.60％，Si主要以同溶強(qiáng)化形式提高鋼的強(qiáng)度，但不可含量過高，以免降低鋼的韌性。
本發(fā)明的Mn含量選擇在0.60％～1.80％，當(dāng)C含量在較低范圍時，鋼中的固溶強(qiáng)化就顯得尤為重要，Mn是提高鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服極限的元素，它并不惡化鋼的變形能力，含1％的Mn約可提高抗拉強(qiáng)度100MPa。一般說來，Mn含量在2.0％以下對焊縫金屬的韌性是有利的，因此，在低碳高強(qiáng)度鋼中，普遍提高M(jìn)n的含量，最高可達(dá)2.0％。
本發(fā)明的P≤0.020％、S≤0.010％，這是由于鋼中的P、S含量必須控制在較低的范圍，只有冶煉純凈鋼，才能保證本發(fā)明鋼的性能。
本發(fā)明的Al含量選擇在≤0.010％，Al是鋼中的主要脫氧元素，在純γ鐵中的最大溶解度大約0.6％，它溶入奧氏體后僅微弱地增大淬透性。所以認(rèn)為Al對焊接氫致裂紋基本沒有影響，當(dāng)鋼中加入的Al在0.050％以下時，對焊接氫致裂紋不會產(chǎn)生不利影響，當(dāng)Al含量過高時，容易引起鋼中夾雜增多，不利于鋼的韌性。
本發(fā)明的Ti含量選擇在0.005％～0.025％，Ti是一種強(qiáng)烈的碳化物和氮化物形成元素，它能明顯地提高鋼的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，由于Ti能起細(xì)化晶粒的作用，故也能提高鋼的韌性。適量的Ti能提高焊縫金屬的韌性，但過量的Ti又會使之降低。在低合金高強(qiáng)鋼中從提高焊縫金屬的韌性考慮，加入量不超過0.02％的Ti較為合適。利用Ti形成的第二相質(zhì)點(diǎn)TiN、Ti(CN)等阻止大線能量焊接過程中熱影響區(qū)中粗晶區(qū)的晶粒長大，使晶粒細(xì)化，提高鋼的低溫韌性。
本發(fā)明的N含量選擇在0.0020％～0.0060％，N本身對鋼的強(qiáng)韌性不利，N在適量范圍內(nèi)通過與其他元素(如Ti、Nb、Al、V等)形成的第二相質(zhì)點(diǎn)在鋼中起到重要的有利作用，但其含量不可過高。
本發(fā)明的B含量選擇在0.0005％～0.0020％，B是強(qiáng)烈提高淬透性的元素，B的加入，可有效的抑制先共析鐵素體的形核及生成，由于B在奧氏體晶界上的非平衡偏析，強(qiáng)烈抑制γ-α相變，促使奧氏體在淬火時形成細(xì)小低碳的馬氏體，從而提高鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，此外，B與N的交互作用，能明顯提高試驗(yàn)鋼的低溫韌性。但鋼中B含量過高會使消除應(yīng)力處理(SR處理)后“B相”呈網(wǎng)狀析出，產(chǎn)生SR裂紋。B易形成碳化物和氮化物，并易集聚在原奧氏體晶界，促使附近地區(qū)位錯密度增高，可以作為氫在局部地區(qū)的陷阱，因而促使此處發(fā)生晶界開裂。
Nb的作用與Ti相似，但比Ti強(qiáng)烈得多。Nb也是一種細(xì)化晶粒的元素，含極微量的Nb(0.03％)就能顯著細(xì)化鋼材晶粒并提高鋼的常溫抗拉強(qiáng)度，但Nb也易與Fe、C等元素形成低熔點(diǎn)共晶物，從而增加焊縫金屬產(chǎn)生熱裂紋的傾向，因而其含量控制在0.040％以下。
本發(fā)明中還含有Ni、Nb、V、Cu、Mo、Zr、RE中的兩種或兩種以上。
Ni具有一定的強(qiáng)化作用，加入1％的Ni可提高鋼材強(qiáng)度約20MPa。Ni還能顯著地改善鋼材的韌性，特別是低溫韌性。鋼中加入Ni，無論是基材，還是模擬焊接熱影響區(qū)都明顯地提高了低溫韌性。但含量過高時，造成鋼板氧化鐵皮難以脫落，故上限控制在0.55％。
V是一種相當(dāng)強(qiáng)烈的碳化物形成元素。它通過細(xì)化晶粒與碳化物的形成可提高鋼材的常溫和高溫強(qiáng)度，當(dāng)V與Cr、Mo同時存在時，則會在回火過程中形成復(fù)雜的碳化物而降低焊接接頭的塑韌性。特別強(qiáng)調(diào)的是Cr、Mo、V鋼厚壁容器的焊接接頭在焊后進(jìn)行消應(yīng)力處理時對裂紋的敏感性較高，因此無論為保證塑韌性亦或消應(yīng)力避免裂紋產(chǎn)生都必須嚴(yán)格控制V量(限制在0.10％以下)。
Cu在鋼中主要起沉淀強(qiáng)化作用，此外還有利于獲得良好的低溫韌性，增加鋼的抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力。含量過高時，鋼板焊接熱影響區(qū)韌性降低，且在鋼板軋制過程中產(chǎn)生網(wǎng)裂，故其上限控制在0.65％。
Mo元素能提高鋼材強(qiáng)度特別是高溫強(qiáng)度較之Mn、Cr更高，同時它也是增強(qiáng)鋼材抗氫能力的的主要元素之一。加入0.5％的Mo能使鋼的高溫蠕變強(qiáng)度提高75％，少量的Mo(0.2％左右)還能提高焊縫金屬的韌性，但是加入Mo也會提高鋼的淬硬性，從而提高鋼材對焊接冷裂紋的敏感性，所以Mo的上限控制在0.50％。
Zr含量在0.005％時，RE添加量在約250g/t時，均有助于改善鋼板抗大線能量焊接性能。
本發(fā)明屬低合金鋼制造領(lǐng)域，低合金鋼系Fe基鋼，本發(fā)明除含有上述化學(xué)成分外，余量為Fe及不可避免的夾雜。
本發(fā)明60kg及70kg級大線能量低焊接裂紋敏感性系列高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)方法，采用鐵水脫硫技術(shù)，轉(zhuǎn)爐頂?shù)状禑?，真空深處理及成分微調(diào)，按通常超純凈鋼工藝進(jìn)行軋制、熱處理，其特征在于鋼的化學(xué)成分(按重量％)為C0.02～0.13、Si0.10～0.60、Mn0.60～1.80、P≤0.020、S≤0.010、Al≤0.01、Ti0.005～0.025、N0.0020～0.0060、B0.0005～0.0020，Nb0.008～0.040及Ni≤0.55、V≤0.10、Cu≤0.65、Mo≤0.50、Zr≤0.040、RE≤0.020中的兩種或兩種以上，余量為Fe及不可避免的夾雜，鋼的開軋溫度≥1180℃，控軋末三道累計(jì)壓下率≥40％，終軋溫度≤870℃；采用調(diào)質(zhì)熱處理工藝生產(chǎn)，淬火溫度為910～960℃，保溫時間為30～40分鐘+板厚(mm)×1分鐘/mm；回火溫度600～660℃，保溫時間為40～55分鐘+板厚(mm)×1分鐘/mm。
本發(fā)明的鋼具有如下優(yōu)點(diǎn)1.該鋼具備低焊接裂紋敏感性，焊接性能優(yōu)異，可簡化焊接工藝，降低了成本，適應(yīng)大生產(chǎn)要求。
2.該鋼可承受大線能量焊接，從而大幅度提高了產(chǎn)品的焊接效率和施工進(jìn)度。
3.在大線能量(50-100kJ/cm)焊接條件下，HAZ具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性，從而保證了產(chǎn)品的安全可靠性。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1按照本發(fā)明鋼成分要求，在真空感應(yīng)電爐冶煉了本發(fā)明的鋼，將鋼錠加熱到1280℃出爐軋制，開軋溫度分別為1180℃、1200℃、1220℃，最后三道次累計(jì)壓下率40％～45％，終軋溫度分別為830、850、870℃。軋制鋼板厚度分別16、20、24mm。60kg級鋼淬火溫度分別為910、930、950℃，保溫時間分別為50、54、58分鐘；回火溫度分別為600、630、660℃，回火保溫時間分別為60、64、68分鐘；70kg級鋼淬火溫度和回火溫度同上，但淬火保溫時間分別為52、56、60分鐘，回火保溫時間分別為66、70、74分鐘，隨后對各種鋼板進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，測試了-40℃鋼板沖擊韌性和60kJ/cm大線能量焊接后-40℃HAZ的沖擊韌性，并與相應(yīng)的比較鋼做了對比，數(shù)據(jù)見表1和表2。
本發(fā)明鋼和對比鋼焊接熱模擬試驗(yàn)前-40℃的沖擊韌性與對比鋼處于同一水平，但經(jīng)60kJ/cm大線能量焊接后，本發(fā)明鋼-40℃的HAZ沖擊韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對比鋼。
從表1和表2可見，本發(fā)明的鋼在成分設(shè)計(jì)上采用Ti-Nb-B的復(fù)合氮氧化物獲得抗大線能量(≥50kJ/cm)焊接性能，通過降低碳，采用特殊微合金化，同時提高鋼的純凈度，從而確保該鋼具有優(yōu)良的低溫韌性。本發(fā)明鋼在各冶金企業(yè)均可實(shí)施，可大大提高大型鋼結(jié)構(gòu)的焊接效率，降低制造成本。表1本發(fā)明鋼(60kg級)與對比鋼的化學(xué)成分和HAZ沖擊韌性對比
表2本發(fā)明鋼(70kg級)與對比鋼的化學(xué)成分和HAZ沖擊韌性對比
注表1、表2中的RE(g/t)，表示每噸鋼中加入RE量200克；鋼板韌性為-40℃時鋼板的沖擊韌性，HAZ韌性為60kJ/cm大線能量焊接后-40℃時HAZ的沖擊韌性。
本發(fā)明鋼可廣泛用于石化、化工、冶金、城建、能源、交通、機(jī)械、水電及船舶等行業(yè)，具有極廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種大線能量低焊接裂紋敏感性系列高強(qiáng)鋼，其特征在于鋼的化學(xué)成分(按重量％)為C0.02～0.13、Si0.10～0.60、Mn0.60～1.80、P≤0.020、S≤0.010、Al≤0.01、Ti0.005～0.025、N0.0020～0.0060、B0.0005～0.0020，Nb0.008～0.040及Ni≤0.55、V≤0.10、Cu≤0.65、Mo≤0.50、Zr≤0.040、RE≤0.020中的兩種或兩種以上，余量為Fe及不可避免的夾雜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大線能量低焊接裂紋敏感性系列高強(qiáng)鋼，其特征在于60kg級鋼的化學(xué)成分還必須滿足(1)4.0C+Mn≤2.0(2)0.0020≥N-Ti/3.4-B/0.77≥0(3)Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.2170kg級鋼的化學(xué)成分還必須滿足(1)4.0C+Mn≤2.1(2)B-0.435×(N-Ti/3.4)≤0.0005(3)Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.23。
3.一種大線能量低焊接裂紋敏感性系列高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)方法，采用鐵水脫硫技術(shù)，轉(zhuǎn)爐頂?shù)状禑?，真空深處理及成分微調(diào)，按通常超純凈鋼工藝進(jìn)行軋制、熱處理，其特征在于鋼的化學(xué)成分(按重量％)為C0.02～0.13、Si0.10～0.60、Mn0.60～1.80、P≤0.020、S≤0.010、Al≤0.01、Ti0.005～0.025、N0.0020～0.0060、B0.0005～0.0020，Nb0.008～0.040及Ni≤0.55、V≤0.10、Cu≤0.65、Mo≤0.50、Zr≤0.040、RE≤0.020中的兩種或兩種以上，余量為Fe及不可避免的夾雜，鋼的開軋溫度≥1180℃，控軋末三道累計(jì)壓下率≥40％，終軋溫度≤870℃；采用調(diào)質(zhì)熱處理工藝生產(chǎn)，淬火溫度為910～960℃，保溫時間為30～40分鐘+板厚(mm)×1分鐘/mm；回火溫度600～660℃，保溫時間為40～55分鐘+板厚(mm)×1分鐘/mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種60kg及70kg級大線能量低焊接裂紋敏感性系列高強(qiáng)鋼及其生產(chǎn)方法，屬低合金鋼制造領(lǐng)域。本發(fā)明鋼采用低碳、Ti－Nb－B復(fù)合加入及Ni－V－Cu－Mo－Zr－RE中的兩種或兩種以上復(fù)合加入，分別控制Pcm≤0.21％和Pcm≤0.23％。采用調(diào)質(zhì)熱處理得到高強(qiáng)韌性回火索氏體組織，利用Ti、Nb和O、N形成高熔點(diǎn)第二相質(zhì)點(diǎn)及復(fù)合析出相抑制焊接粗晶區(qū)的長大。本發(fā)明鋼經(jīng)軋制及調(diào)質(zhì)熱處理，具有極優(yōu)的綜合性能、冷熱加工性、抗50～150kJ/cm大線能量焊接性能。采用手弧焊、埋弧焊、氣保焊、電渣焊或氣電焊焊接，能有效地減低焊接施工強(qiáng)度，大幅度地提高焊接效率，本發(fā)明鋼適用于石化、化工、冶金、城建、能源、交通、機(jī)械、水電及船舶等行業(yè)。
文檔編號C22C38/14GK1396294SQ0211587
公開日2003年2月12日 申請日期2002年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月22日
發(fā)明者陳曉, 卜勇, 董漢雄, 童明偉 申請人:武漢鋼鐵(集團(tuán))公司