專利名稱：具有優異的大線能量焊接低溫韌性厚鋼板及其生產工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種低合金高強度鋼及其生產工藝，尤其涉及一種具有優異的大線能量焊接低溫韌性厚鋼板及其生產工藝。
背景技術：
目前全球鋼鐵產能已經過剩，而中國的鋼鐵產能過剩問題尤其嚴重。與此形成對比的是，許多高端產品還需要大量進口，而且各個鋼鐵公司之間的產品同質化現象也越來越嚴重，這勢必造成惡性競爭，壓低鋼材價格，加之08年爆發的經濟危機使得鋼鐵公司的經營面臨巨大壓力，直至今日，國內許多鋼鐵公司仍處于經營虧損的局面。另一方面，以力拓、必和必拓和淡水河谷為首的礦山公司對全球鐵礦石資源的高度壟斷，導致鐵礦石價格持續上漲，進一步加重了企業的經營負擔。在這種情況下，從產品開發的角度看，鋼鐵公司必須從工藝、裝備等方面進行持續創新和改進，積極開發差異化、低成本的產品才能提高公司的經營能力。低合金鋼(包括微合金鋼)是工程應用領域使用量最大的結構材料之一，廣泛應用于石油天然氣管線、造船、橋梁、高層建筑、壓力容器，石油儲罐等行業。為了提高生產效率，上述行業對鋼板的焊接性，尤其是大線能量焊接性的要求越來越高，但大線能量焊接容易帶來一個比較嚴重的問題，即焊縫周圍焊接熱影響區(Heat Affected hne以下簡稱為HAZ)的韌性嚴重惡化，極易發生脆斷。對于傳統的鋼板如微合金鋼而言，其焊接線能量一般不超過50kJ/cm，在這種情況下，HAZ韌性惡化問題并未完全凸現出來，而當焊接線能量達到一定水平，如200kJ/cm以上甚至更高時，傳統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脆化問題。從焊接熱循環角度看，在大線能量焊接過程中， HAZ附近的溫度可達1400°C甚至更高，高溫停留時間以及t8/5(溫度從800°C冷卻到500°C 所需時間)冷卻時間大大延長，這就造成奧氏體晶粒顯著長大，在隨后的緩慢冷卻過程中形成粗大的對韌性不利的組織，如晶界處粗大的晶界鐵素體、側板條鐵素體、魏氏組織、 M-A (Martensite-Austenite constituent-)帛·。現有的大線能量焊接用鋼板中都含有合金元素Nb，其主要目的是提高母材鋼板的強度；實際上，Nb的添加對鋼的大線能量焊接韌性是不利的。在現有的大線能量焊接用鋼板中只有少數專利如中國專利CN200580012110. 9和CN200410017255. 5添加有合金元素Cr。中國專利CN200580012110.9添加Cr的目的是提高鋼的耐蝕性，中國專利 CN200410017255. 5添加Cr的目的是提高鋼的強度和韌性，且認為Cr的添加對焊接性不利； 在使用合金元素Cr的上述兩項專利中，都不同程度地添加其他貴重金屬如Nb，V，Mo等，這些貴重金屬大大提高了生產成本；在焊接線能量方面，中國專利CN200410017255. 5焊接線能量較低，在50-150kJ/cm之間，且焊接熱模擬峰值溫度較低(通常在1350°C )，焊接熱模擬t8/5冷卻時間比較短，小于200s。中國專利CN200580012110. 9雖然可以達到200_1000kJ/ cm的焊接線能量，但從合金設計的角度看，添加的合金元素太多，如貴重金屬Ni的添加量至少0. 8%，此外還不同程度的添加貴重金屬Nb，V，Mo等，而且該專利采用的是氧化物冶金工藝，其關鍵技術在于煉鋼過程，這也使得生產成本大大提高。
發明內容
本發明的目的在于提供一種具有優異的大線能量焊接低溫韌性厚鋼板及其生產工藝，該厚鋼板是在傳統Ti微合金鋼中加入低成本的微合金化元素代替傳統大線能量焊接用鋼板中成本較高的貴金屬元素，結合TMCP (熱機械控制加工)工藝以及軋后快速冷卻， 即可使該厚鋼板焊縫HAZ具有非常優異的低溫韌性，且成本低。一種具有優異的大線能量焊接低溫韌性厚鋼板，以下均按重量百分比計，含有 C 0. 02-0. 06 Si 0. 05-0. 15 Mn 1. 00-1. 80 %, P ^ 0. 01 %, S ^ 0. 005 %, Al 0. 02-0. 04 N 0. 002—0. 005 %、Ti :0. 005—0. 015 %、Cr :0. 05-0. 30 B 0. 001-0. 0025%，其余量為狗和不可避免的雜質，同時上述化學成分滿足Ti/N彡3. 42 ； 所述厚鋼板屈服強度可達到350MP以上，抗拉強度450MP以上，該厚鋼板適合焊接線能量在 200-400kJ/cm,厚鋼板的HAZ在_20°C條件下的平均沖擊功均高達300J以上。按重量百分比計，進一步含有Cu:彡0.5%、Ni 彡0.5%。所述厚鋼板的生產工藝為具有優異的大線能量焊接低溫韌性厚鋼板，其生產工藝為轉爐或電爐冶煉一真空爐二次精煉一鑄坯或鋼錠一鋼坯或鋼錠再加熱一TMCP+快速冷卻工藝一厚鋼板；鋼坯或鋼錠再加熱及其后的工序工藝參數為鋼坯或鋼錠再加熱溫度1100 1200°C，保溫時間1 2小時，開軋溫度1000 1070°C，在未再結晶溫度以上多道次大壓下且累計變形量> 80%，在850°C左右中間坯待溫，然后進行最后2-3個道次軋制；終軋溫度800-850°C，最后快速冷卻。本發明成分選擇依據(1)碳是鋼中最基本的元素，對提高鋼的強度起到非常重要的作用，對鋼的屈服強度、抗拉強度等影響最大，但對鋼的焊接性不利。通常，鋼中碳含量(或碳當量)越高，鋼在焊接后的焊接HAZ韌性越差，特別是在大線能量焊接時尤其如此。因此，為了提高鋼板的大線能量焊接HAZ低溫韌性，鋼中碳的含量應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-奧氏體組元的數量，而馬氏體-奧氏體組元對鋼的大線能量HAZ有著極為不利的作用。根據鋼板強度級別不同，可以對碳含量進行相應的調整，但碳含量不宜超過 0. 06%。因此，將鋼中碳的添加量控制在0. 02-0. 06%的范圍內。(2)硅是鋼中最基本的元素之一，對提高鋼的強度、凈化鐵素體起有利作用。在鋼的冷卻過程中，硅能夠延遲滲碳體析出。硅對鋼的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，鋼中硅的含量也應該控制較低的水平上。當硅的含量適當時可使鋼具有良好的綜合性能，故將鋼中硅的含量控制在0. 05-0. 15%。(3)錳是擴大奧氏體相區的元素，可以降低鋼的臨界冷卻速度，穩定奧氏體，推遲奧氏體向珠光體的轉變。在低含量范圍內，對鋼具有很大的強化作用，同時錳還可以細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，錳的含量一般應控制在1.5%以上以保證鋼板的強度；而在添加上述合金元素的情況下，錳的含量可以降低至1.0%左右；但另一方面，鋼中錳的含量不宜過高，如超過1.8% 時容易在連鑄坯中形成偏析，同時與鋼中的硫結合形成比較粗大的MnS夾雜，在后續的軋制過程中，粗大的具有一定韌性的MnS將沿著軋向延伸，嚴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。錳對鋼板的大線能量焊接HAZ韌性的影響比較復雜，錳含量和焊接條件不同，HAZ的韌性也表現出不同的效果。因此，鋼中錳的含量控制在1. 0-1. 8之間可得到性能優異的鋼板。(4)鋼中磷的含量較高(> 0. )時，形成!^e2P在晶粒周圍析出，降低鋼的塑性和韌性，故其含量越低越好，實際生產時控制在0.01%以內較好。(5)在鋼中硫含量較高時以FeS-Fe共晶體的形式存在于鋼的晶粒周圍，降低鋼的力學性能，其含量與磷類似，也是越低越好，實際生產時通常控制在0. 005%以內。(6)鋁在鋼中的作用主要是在煉鋼過程中進行脫氧。除此之外，鋁還可與鋼中的氮結合形成A1N，在焊接熱循環過程中，由于TiN粒子部分或全部溶解所釋放出來的氮原子可以在冷卻的過程中與鋼中的部分鋁相結合，從而起到固氮的效果。因此，鋼中鋁的含量要控制在一定范圍內，控制在0. 02-0. 04%即可。(7)鈦的加入量是與鋼中氮的加入量相對應。對于大線能量焊接用鋼板，Ti/N控制在打州的化學計量比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，且數量較少，不僅起不到在焊接過程中釘扎原奧氏體晶粒的作用，而且對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，在焊接熱循環過程中，TiN粒子在高溫階段還將發生粗化，進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，通常鈦的加入量控制在0. 005-0. 02%之間；氮的加入量可根據 Ti/N的要求進行確定，已知鋼中的自由氮會在位錯或晶界處偏析，對鋼板的性能極為不利， 而且在焊接過程中，TiN部分或全部溶解所釋放出的氮原子會進一步加劇這種不利作用。因此，鋼中氮的含量要嚴格控制，將氮含量控制在0. 002-0. 005%。(8)銅和鎳通常是一起加入到鋼中，銅具有促進鋼中低碳貝氏體形成的作用，而鎳的加入可以大大提高鋼的低溫沖擊韌性。銅和鎳二者之間可以無限互溶，固溶在鋼中可以提高鋼的固溶強度效果，提高鋼板的強度；同時，銅和鎳對提高鋼板的大線能量焊接HAZ韌性也起到進一步強化的作用，但由于銅和鎳都是比較貴重的合金元素，因此，從生產成本的角度考慮，銅和鎳的添加量都不宜過高。同樣，根據用戶對鋼板性能的不同要求，鋼中可加入適量的銅和鎳進行調整。為節約生產成本，將銅和鎳的含量都控制在0.5%以內。(9)硼元素的添加是本發明中一個最重要的關鍵元素之一。硼元素為內表面活性元素，有富集于晶界(形成I^e2B)的強烈傾向。由于!^e2B與奧氏體可形成較好的共格界面， 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變速度。但B的加入不易過高，因為這樣會使得在晶界的B可能較為容易與其它微合金元素形成B化物析出，如BN、TiB2等。這些在晶界的析出物對產品的性能，尤其是沖擊性能影響較大。B的含量低于0. 001%時，起不到應有的效果；若B的含量大于0. 0025%，則容易在晶界處偏析，故鋼中硼元素的含量一般控制在 0. 001-0. 0025%范圍內。(10)鉻元素的添加也是本發明中一個最重要的關鍵元素之一。由于硼元素并不能完全抑制晶界鐵素體的形成，鉻溶入奧氏體之后，在奧氏體向鐵素體轉變的過程中對鐵素體/奧氏體界面的移動起到溶質拖曳作用，進一步抑制晶界鐵素體的形成；同時，由于鉻是鐵素體形成元素，容易富集在鐵素體中，而在奧氏體中的奧氏體/鐵素體相界面處貧鉻，降低奧氏體向鐵素體轉變的驅動力，可以有效降低鐵素體的晶粒尺寸，從而大大提高基體的沖擊韌性。當鉻的含量大于0.3%，鉻所起的溶質拖曳作用下降，而且還提高了生產成本； 另一方面，鉻的加入量太低起不到應有的效果，故鋼中鉻的含量要控制在合適的范圍內，本發明以0. 05-0. 3%為最佳。(11)氧是煉鋼過程中不可避免的雜質元素，對本發明而言，鋼中氧的含量通過鋁脫氧之后一般都可以達到0. 003%左右，對鋼板的性能不會造成明顯不利影響。因此，將鋼中的氧含量控制在0. 003 %以內即可。(12)本發明中不含有合金元素Nb。現有的大線能量焊接用鋼板專利中都含有合金元素Nb，其主要目的是提高母材鋼板的強度；實際上，Nb的添加對鋼的大線能量焊接韌性是不利的，只是在焊接線能量較小時(< lOOkJ/cm)，這種不利作用表現不明顯而已，因此本發明中不含有合金元素Nb。從工藝上考慮，鋼坯或鋼錠的加熱溫度若低于1100°C以及保溫時間過短，則不利于合金元素的均勻化；而當溫度高于1200°C時，已經析出的TiN等析出相可能會發生粗化，單位體積內的粒子數密度降低，同時，原始奧氏體晶粒的尺寸也會長大，不僅提高了制造成本，而且使得鋼坯的加熱質量有所下降。因此，鋼坯或鋼錠的加熱溫度控制在1100 1200°C。在實際軋制過程中保溫時間是一個關鍵工藝參數，保溫時間過短，合金元素擴散不夠充分，如B的偏析不能充分消除，同時一些碳化物和氮化物的析出也不充分，鋼坯的加熱質量得不到保證；而保溫時間過長則使得奧氏體晶粒粗大以及提高了制造成本，故保溫時間應控制在1 2小時之間。加熱溫度越高，相應的保溫時間可適當縮短。本發明具有以下有益效果厚鋼板屈服強度可達到350MP以上，抗拉強度450MP以上，且厚度在50mm以內，該厚鋼板適合焊接線能量在200-400kJ/cm范圍內的高強度高韌性鋼板，有益效果包括以下3個方面(1)厚鋼板的大線能量焊接HAZ低溫韌性優異。厚鋼板在焊接線能量為400kJ/cm， 厚鋼板的HAZ在-20°C條件下的平均沖擊功均高達300J以上，這表明采用本發明生產的厚鋼板具有非常優異的大線能量焊接低溫韌性。(2)厚鋼板的生產成本大幅降低，這也是本發明的特點之一。本發明是在傳統的 Ti微合金鋼的成分基礎上，通過加入合金元素Cr和B，沒有向微合金鋼中添加貴重金屬Nb， V,Mo等合金元素，實現低成本制造出可大線能量焊接且具有優異HAZ低溫韌性的鋼板。本發明中除了 Cu，Ni等貴重金屬外，沒有向微合金鋼中添加貴重金屬，而且Cu和Ni元素并不是必須添加的元素，可根據用戶的不同需求進行生產。若用戶的要求不高，上述兩種合金元素可以不進行添加，因此，可使生產成本大幅度降低，而鋼板的大線能量焊接低溫韌性仍可保持在非常高的水平上。(3)從工藝實現的角度看，生產工藝簡單且易實現。
圖1為本發明具有優異的大線能量焊接低溫韌性厚鋼板的軋制工藝示意圖；圖2為本發明實施例中所采用的焊接熱循環曲線；圖3為本發明實施例中5#厚鋼板1/4厚度大線能量焊接HAZ的顯微組織；圖4為本發明實施例中5#厚鋼板1/2厚度大線能量焊接HAZ的顯微組織。
權利要求
1.一種具有優異的大線能量焊接低溫韌性厚鋼板，其特征是以下均按重量百分比計，包有 C 0. 02-0. 06 Si 0. 05-0. 15 Mn :1. 00-1. 80 %, P ^ 0. 01 %, S 彡 0. 005%,Al 0. 02-0. 04%,N 0. 002-0. 005%,Ti :0. 005-0. 015%,Cr :0. 05-0. 30%,B 0. 001-0. 0025%，其余量為！^和不可避免的雜質，同時上述化學成分滿足Ti/N ^ 3. 42 ；所述厚鋼板屈服強度可達到350MP以上，抗拉強度450MP以上，該厚鋼板適合焊接線能量在200-400kJ/cm，所述厚鋼板的HAZ在_20°C條件下的平均沖擊功均高達300J以上。
2.根據權利要求1所述的具有優異的大線能量焊接低溫韌性厚鋼板，其特征是按重量百分比計，進一步含有Cu ^ 0. 5%,Ni ^ 0. 5%。
3.根據權利要求1或2所述的具有優異的大線能量焊接低溫韌性厚鋼板，其特征是 所述厚鋼板的生產工藝為轉爐或電爐冶煉-真空爐二次精煉-鑄坯或鋼錠-鋼坯或鋼錠再加熱-TMCP+快速冷卻工藝-厚鋼板；鋼坯或鋼錠再加熱及其后的工序工藝參數為鋼坯或鋼錠再加熱溫度1100 1200°C，保溫時間1 2小時，開軋溫度1000 1070°C，在未再結晶溫度以上多道次大壓下且累計變形量> 80%，在850°C左右中間坯待溫，然后進行最后2-3個道次軋制；終軋溫度800-850°C，最后快速冷卻。
全文摘要
一種具有優異的大線能量焊接低溫韌性厚鋼板，按重量百分比計，含有C0.02-0.06％、Si0.05-0.15％、Mn1.00-1.80％、P≤0.01％、S≤0.005％、Al0.02-0.04％、N0.002-0.005％、Ti0.005-0.015％、Cr0.05-0.30％、B0.001-0.0025％，其余量為Fe和不可避免的雜質，同時Ti/N≤3.42。厚鋼板的生產工藝為轉爐或電爐冶煉-真空爐二次精煉-鑄坯或鋼錠-鋼坯或鋼錠再加熱-TMCP+快速冷卻工藝-厚鋼板。本發明是在Ti微合金鋼的基礎上加入Cr和B，實現低成本制造出具有優異的大線能量焊接低溫韌性厚鋼板。
文檔編號C21D8/02GK102191434SQ201010116829
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月3日 優先權日2010年3月3日
發明者曹能, 王巍, 王煥榮, 白巖 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司