焊接部韌性優良的高韌性復合鋼板的母材及該復合鋼板的制造方法

焊接部韌性優良的高韌性復合鋼板的母材及該復合鋼板的制造方法
【專利摘要】本發明提供復合鋼板的母材及該復合鋼板的制造方法。一種復合鋼板的母材，以質量％計含有C：0.030～0.10％、Si：0.10～0.30％、Mn：1.30～1.80％、P：0.015％以下、S：0.003％以下、Mo：0.05～0.50％、V：低于0.010％、Nb：0.010～0.060％、Ti：0.005～0.020％、Al：0.040％以下、Ca：0.0010～0.0040％、N：0.0030～0.0060％，余量由Fe和不可避免的雜質構成，具有在-20℃DWTT試驗中塑性斷口率為85％以上的特性。
【專利說明】焊接部韌性優良的高韌性復合鋼板的母材及該復合鋼板的 制造方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及高韌性復合鋼板的母材、具有該母材的復合鋼板以及復合鋼板的制造 方法。

【背景技術】
[0002] 近年來，由于能源問題，對于以往不可能開采的被稱為難開采環境的區域也在進 行能源開發。這樣的環境是特別嚴酷的腐蝕環境，應用耐腐蝕性更優良的高合金復合鋼的 要求提高。此外，作為在難開采環境下對產業設備和結構物的需求，志在實現耐久性、長壽 命化以及免維修化，以All 〇y625、825為代表的Ni基合金或Ni合金作為符合這些需求的材 料而受到關注。
[0003] 另一方面，作為Ni合金的主要原料的Ni以及以Mo、Cr為代表的合金元素的價格 有時會高漲或發生較大變動。因此，相較于以整體材料（無垢材）（是指在整個厚度中均達 到復層材料的金屬組成的情況）的形式使用，能夠更經濟地利用高合金鋼的優良防銹性能 的復合鋼近來受到關注。
[0004] 高合金復合鋼是將作為復層材料的Ni基合金或Ni合金鋼與作為母材的普通鋼材 這兩種性質不同的金屬疊合而得到的鋼材。復合鋼通過將不同種金屬進行金屬學接合而得 至IJ，與鍍覆不同，不必擔心剝離。能夠使復合鋼具有憑借單一金屬和合金無法得到的新特 性。
[0005] 對于復合鋼而言，通過選擇具有符合各使用環境的目的的功能的復層材料，能夠 發揮與整體材料同等的功能。此外，復合鋼的母材可以應用耐腐蝕性以外的高韌性、高強度 這樣的、適合于嚴酷環境的碳鋼、低合金鋼。
[0006] 可見，復合鋼與整體材料相比合金元素的使用量少，并且能夠確保與整體材料同 等的防腐蝕性，而且還能夠確保與碳鋼、低合金鋼同等的強度和韌性，因此，具有能夠兼顧 經濟性和功能性的優點。
[0007] 根據以上內容，使用高合金的復層材料的復合鋼被認為是非常有益的功能性鋼 材，近年來，其需求在各種產業領域中日益提高。
[0008] 復合鋼的用途根據復層材料而異，制造方法也不同。復合鋼板的母材有時使用微 量添加有Nb、V或Ti、B等合金成分的低碳低合金鋼。這樣的低碳低合金鋼通過預定的淬火 回火（以下，有時也稱為"調質"）或熱軋時的控制軋制（TMCP)等來制造。
[0009] 而且，在對復合鋼進行制管而制成復合鋼管的情況下，對鋼板進行成形而制成管 形，從管的內外表面分別實施單道次的高效率焊接。
[0010] 一般而言，在多層堆焊中，被焊接鋼板（在焊接術語中稱為"母材"，但在需要與復 合鋼板的母材進行區分的情況下，在下文中記載為"被焊接鋼板"或"母材（B.M.)"）與焊 接金屬的邊界、母材（B.M.)熱影響部（以下稱為"HAZ"）由于下一道次的熱影響而細粒化， 但在單道焊中則會形成母材（B.M.)與焊接金屬的邊界（以下稱為"熔合線部"）、HAZ的晶 粒粗大化的狀態，導致韌性的降低。
[0011] 因此，例如，在管線的作業緊急停止時，管的各部位被置于-40°C的低溫環境下，因 此，母材（B.M.)和HAZ在-40°C下的夏比沖擊吸收能量（vE-40°C )達到35(J)以上的特 性。而且，對于母材（B. M.)而言，也要求在用于確認脆性斷裂停止溫度的DWTT試驗：Drop Weight Tear Test (落錘撕裂試驗）中在-20°C的試驗中確保85%以上的塑性斷口率（85% SATT)等特性。因此，公開了改善上述韌性的各種方法，在專利文獻1和2公開的方法中，通 過對Ti和N的添加量進行優化，實現了焊接部韌性的提高。
[0012] 另外，在非專利文獻1中公開了基于專利文獻1和2進行制造的例子。另外，在專 利文獻3中公開了如下技術：在C、Si、Mn、Al中添加Ti、N、Nb、V、B，使微細的TiN在鋼中析 出，由此，減小HAZ的奧氏體晶粒而提高韌性。
[0013] 現有技術文獻
[0014] 專利文獻
[0015] 專利文獻1 :日本特開2004-149821號公報
[0016] 專利文獻2 :日本特開2006-328460號公報
[0017] 專利文獻3 :日本特公昭55-26164號公報
[0018] 非專利文獻
[0019]非專利文獻1 :日本製鋼所技報（日本制鋼所技報）、No. 55 (2004)、pp. 77-78


【發明內容】

[0020] 發明所要解決的問題
[0021] 但是，專利文獻1和2公開的方法中，在生成的TiN不固溶而殘留的情況下，在加 熱至高溫的區域可以觀察到組織的粗大化被抑制的釘扎效應。但是，在通常的復合鋼制造 時的加熱中，TiN保持粗大的狀態，釘扎效應小，存在無法充分抑制該區域的組織的粗大化 的問題。
[0022] 非專利文獻1中，沒有關于無法充分得到TiN的釘扎效應的區域的記載。
[0023] 專利文獻3中公開的方法需要進行再加熱至1150°C以下的溫度這樣的追加工序， 因此，導致制造成本的增加，在工業實施方面存在問題。
[0024] 本發明的目的在于通過解決上述問題的合金元素的復合添加來提供高韌性復合 鋼板的母材和該復合鋼板的制造方法。
[0025] 用于解決問題的方法
[0026] 鑒于上述情況，發明人注意到在復合鋼板的母材中僅憑TiN無法實現韌性的提 高，并且明確了：通過弄清析出物的特性，能夠提高復合鋼的母材韌性。
[0027] 具體而言，確認了現有技術中認為為了調節強度而必須添加的V在約900°C下在 鋼中發生固溶，淬透性顯著增高，由于硬化而導致HAZ韌性的劣化，因而決定在設計復合鋼 的母材的成分時不添加該V。進而，為了抑制加熱至1000°C附近的溫度范圍的復合鋼的母 材的韌性的降低，對TiN和NbC的析出量及形態進行了優化，從而能夠抑制加熱時的Y粒 徑的粗大化。
[0028] 發現由此能夠得到具有優良的低溫韌性的復合鋼板的母材。該母材優選厚度為 50mm以下。本發明中，通過合金元素的復合添加和調質處理，能夠提供確保了母材的低溫韌 性的高韌性復合鋼板的母材。
[0029] 發明人在上述新見解的基礎上反復進行了各種研究，從而發明了以下的最佳成分 組成。
[0030] S卩，為了解決上述問題，本發明的高韌性復合鋼板的母材的發明如下所述。
[0031] [1] 一種復合鋼板的母材，以質量％計含有C :0? 030?0.10 %、Si :0? 10? 0? 30%、Mn :1. 30 ?L 80%、P :0? 015% 以下、S :0? 003% 以下、Mo :0? 05 ?0? 50%、V :低 于 0.010%、Nb :0? 010 ?0.060%、Ti :0? 005 ?0.020%、Al :0? 040% 以下、Ca :0? 0010 ? 0. 0040%、N :0. 0030?0. 0060%，余量由Fe和不可避免的雜質構成，具有在-20°C DWTT試 驗中塑性斷口率為85%以上的特性。
[0032] [2]如上述[1]所述的復合鋼板的母材，其中，以質量％計還含有選自Ni :0. 10? 0? 50%、Cr :0? 01 ?0? 50%、Cu :0? 005 ?0? 050%中的一種以上。
[0033] [3]如上述[1]或[2]所述的復合鋼板的母材，其中，Ti與N的質量％比即Ti/N 在2. 0?3. 5的范圍內。
[0034] [4]如上述[1]至[3]中任一項所述的復合鋼板的母材，其中，Nb與C的質量％比 即Nb/C在0. 2?2. 0的范圍內。
[0035] [5] -種復合鋼板，其具有上述[1]至[4]中任一項所述的母材。
[0036] [6] -種復合鋼板的制造方法，在使用上述[1]至[4]中任一項所述的母材和復層 材料進行復合軋制后，加熱至900?IKKTC來進行固溶處理，然后，在低于550°C的溫度下 進行回火處理，所述復合鋼板的母材具有在_20°C DWTT試驗中塑性斷口率為85%以上的特 性。
[0037] 發明效果
[0038] 根據本發明，通過盡量減少導致HAZ韌性劣化的V含量并添加適當量的Nb、Al、Ti、 N等而使復合鋼的母材的晶粒超微細化，能夠在母材和單道焊所產生的熱影響部抑制晶粒 度的粗大化而得到優良的低溫韌性。

【具體實施方式】
[0039] 以下，對本發明的各構成要素的限定理由進行說明。
[0040] 1.關于成分組成
[0041] 首先，對規定本發明的鋼的成分組成的理由進行說明。另外，成分％全部是指質 量％。
[0042] C :0? 030 ?0? 10%
[0043] C是使鋼的強度提高的有效成分，低于0.030%時，得不到作為通常焊接用途的強 度，因此設定為0.030%以上。另一方面，含量超過0. 10%時，使鋼材的焊接性、HAZ韌性等 顯著劣化，因此，C量設定為0. 030?0. 10%的范圍。優選為0. 04?0. 08%的范圍。
[0044] Si :0? 10 ?0? 30%
[0045] Si是對于確保母材的強度、脫氧等而言必要的成分，為了得到該效果，需要含有至 少0. 10%以上。另一方面，含量超過0.30%時，會由于HAZ的硬化而使韌性降低，因此，Si 量設定為〇. 10?0.30%的范圍。另外，從HAZ韌性的觀點出發，優選為0. 13?0.20%的 范圍。
[0046] Mn:I. 30 ?I. 80%
[0047] Mn作為對于確保母材的強度和韌性有效的成分而需要含有I. 30%以上，但考慮 到焊接部的韌性、裂紋，將上限值設定為1. 80%。因此，Mn量設定為1. 30?1. 80%的范圍。 另外，從母材韌性以及HAZ韌性的觀點出發，優選為1.40?1.55%的范圍。
[0048] P:0.015%以下
[0049] P的含量越少越優選，但為了在工業上降低，成本高，因而P量設定為0. 015%以 下。
[0050] S:0.003%以下
[0051] S的含量越少越優選，過多時，使韌性顯著降低，因此S量設定為0. 003%以下。
[0052] Mo :0? 05 ?0? 50%
[0053] Mo是使固溶化熱處理后的母材的強度和韌性穩定地提高的元素，但低于0. 05% 時，得不到該效果，因此含有〇. 05%以上。另外，含量超過0. 50%時，損害HAZ部的韌性，因 此，Mo量設定為0. 05?0. 50%的范圍。另外，從母材強度和HAZ韌性的觀點出發，優選為 0? 08?0? 20%的范圍。
[0054] V :低于 0.010%
[0055]V在本發明中是最應當受到關注的元素，需要盡量少。以往，為了利用VC、VN等微 細析出物進行析出強化，一直積極地添加V，但是，在本發明的復合鋼的制造過程中包括加 熱至900°C以上來實施淬火的工序的情況下，VC、VN等微細析出物在加熱時離解而在鋼中 固溶。產生該現象的原因在于，在本發明的C含量范圍內，這些微細析出物在900°C以上的 加熱時發生固溶。因此，所添加的V在該加熱時難以以微細析出物的形式存在而發生離解， 因此，作為淬透性元素發揮作用，在母材、HAZ中的任一區域內均由于淬火而顯著硬化，從而 導致韌性劣化。該韌性劣化在含有0.010%以上的V時變得顯著。因此，V量設定為低于 0. 010%。優選低于0. 004%，更優選以工業上能達到的級別不含有V。
[0056] Nb :0? 010 ?0? 060%
[0057]Nb具有通過生成NbC而在將鋼加熱至固溶溫度時防止奧氏體晶粒的粗大化的效 果，并同時具有細粒化的效果，具有在母材中微細地均勻分散Nb碳化物等而使高溫強度等 升高的作用，該效果在含有0.010%以上時得以發揮。但是，超過0.060%時，不僅觀察不到 效果，而且容易使鋼錠產生表面缺陷，因此，Nb量設定為0. 010?0. 060%的范圍。另外，基 于同樣的理由，優選為〇. 025?0. 05 %的范圍。
[0058] Ti :0? 005 ?0? 020%
[0059] Ti與Nb同樣，與N結合而抑制晶粒度的粗大化，具有使固溶化處理后的組織微細 化而改善韌性的效果。其添加量低于0.005%時，效果小，因此含有0.005%以上。另外， Ti含量超過0. 020%時，由于切口效應而使焊接熱影響部韌性大幅劣化，因此，Ti量設定為 0? 005?0? 020%的范圍。優選為0? 010?0? 016%的范圍。
[0060] Al:0.040% 以下
[0061]Al是作為脫氧劑有效的元素，另外，以AlN的形式防止固溶處理時的奧氏體晶粒 度的粗大化，但含量超過〇. 040%時，細粒化效果降低，使韌性劣化。另外，超過0. 040%時， 過量生成A1N，也會導致鋼錠產生表面缺陷，因此，Al量設定為0. 040%以下。基于同樣的 理由，優選為0. 035%以下。
[0062] Ca :0? 0010 ?0? 0040%
[0063] Ca控制硫化物類夾雜物的形態而改善焊接熱影響部韌性，并且，隨之對控制MnS 的形態有效，使沖擊值提高。另外，可改善抗氫致裂紋敏感性。發揮該效果的Ca的含量 為0. 0010%以上。但是，超過0. 0040%時，效果飽和，反而會使潔凈度降低，使焊接熱影響 部韌性劣化，抗氫致裂紋敏感性劣化，此外，容易使鋼錠產生表面缺陷，因此，Ca量設定為 0? 0010?0? 0040%的范圍。優選為0? 0020?0? 0030%的范圍。
[0064] N :0? 0030 ?0? 0060%
[0065] N通過以TiN的形式析出而對提高HAZ韌性有效，但N含量低于0.0030時，效果小， 因此，將下限設定為0. 0030%。但是，超過0. 0060%時，固溶N增大，引起HAZ韌性的降低。 與Ti的添加量相對應，考慮利用TiN的微細析出來提高HAZ韌性時，N量設定為0. 0030? 0? 0060%的范圍。優選為0? 0030?0? 0040%的范圍。
[0066] 以上為本發明的基本成分，除了上述成分之外，可以在以下的范圍內選擇性地含 有Ni、Cr及Cu中的一種以上。
[0067] Ni :0? 10 ?0? 50%
[0068] Ni對提高母材的強度和韌性有效，優選添加0. 10%以上。但是，添加量超過 0. 50%時，效果飽和，Ni的含有會使制造成本上升，因此，在添加Ni的情況下，Ni量優選設 定為0. 10?0. 50%的范圍。進一步優選為0. 20?0. 40%的范圍。
[0069] Cr :0? 01 ?0? 50%
[0070] Cr對提高母材的強度和韌性有效，優選添加0.01 %以上。但是，添加量超過 0. 50%時，使HAZ部韌性降低，因此，在添加Cr的情況下，Cr量優選設定為0. 01?0. 50% 的范圍。進一步優選為0.01?0.30%的范圍。
[0071] Cu :0? 005 ?0? 050%
[0072] Cu對韌性的改善和強度的上升有效，優選添加0.005%以上。另一方面，過量添加 時，有時會提高焊接時的裂紋敏感性。因此，在添加Cu的情況下，Cu量優選設定為0. 005? 0. 050%的范圍。進一步優選為0. 01?0. 025%的范圍。
[0073] Ti/N :2. 0 ?3. 5
[0074] Ti和N如上所述對于生成TiN而改善HAZ的韌性而言是重要的元素，為了充分發 揮該效果，兩元素的含量的相關關系也很重要。即，Ti/N低于2.0時，晶粒粗大化，韌性值 有時會大幅降低。另外，Ti/N超過3.5時，基于同樣的理由，韌性值有時會降低。因此，優 選將Ti/N設定為2. 0?3. 5的范圍。進一步優選為2. 5?3. 5的范圍。
[0075] Nb/C :0? 2 ?2. 0
[0076] Nb、C通過生成NbC而對晶粒的細粒化有效，在像本發明這樣進行淬火回火處理時 有助于提高韌性。但是，該效果在Nb/C為0.2以上時得以發揮，Nb/C超過2.0時，觀察不 到效果。因此，優選將Nb/C設定為0.2?2.0的范圍。進一步優選為0.3?1.8的范圍。
[0077] 2?關于韌性
[0078] DWTT試驗：-20°C下的塑性斷口率為85%以上
[0079] 從防止脆性斷裂的觀點出發，優選管線管在API-5L中規定的DWTT試驗中的塑性 斷口率（SA(% ))的值高。因此，將-20°C下的塑性斷口率設定為85%以上（85% SATT)。 由此，能夠提高安全性，在產業上有用。
[0080] 3.關于制造方法
[0081] 將本發明的復合鋼的母材原材調節至上述的成分范圍，可以通過常規方法等進行 熔煉。對于該母材原材，根據用途等選擇復層材料的材質，通過復合軋制制成復合鋼板。
[0082] 另外，在用于天然氣等的管線的用途中，例如，可以使用Alloy625、825等高合金 作為復層材料。另外，復合鋼的母材原材的厚度優選為50mm以下。另外，在該母材原材的 板厚為25mm以上的情況下，可以將復層材料與母材原材重疊而作為1組進行軋制，在板厚 小于25_的情況下，可以將2組重疊而進行軋制。另外，在本發明中，復合軋制時的條件沒 有特別限定，可以通過常規方法進行。
[0083] 為了進行固溶處理，將通過上述得到的復合鋼板加熱至900?IKKTC的范圍。在 低于900°c的溫度下進行固溶處理時，無法確保充分的母材強度，超過Iiocrc時，母材的韌 性劣化。因此，為了進行固溶處理而加熱至900?Iiocrc的范圍。進一步優選為900? 980°C。固溶處理的時間根據復合鋼板的板厚而不同，但優選設定為10?30分鐘。但是， 根據復層材料的種類，高溫長時間的保持有時會在復層材料中生成析出物，因此，可以設定 為比10分鐘短的時間。在固溶處理后，通過水冷、油冷（例如，冷卻速度為2°C /s以上）等 方法進行急冷。
[0084] 接著，加熱至低于550°C的溫度，進行回火處理。在550°C以上時，DWTT特性劣化， 因此設定為低于550°C。另外，回火處理溫度優選為420?500°C的范圍。作為回火時的加 熱時間，可以例示5?35分鐘。通過上述一系列調質處理，能夠使復合鋼板的母材微細化。
[0085] 復合鋼板可以直接以板狀的形式使用，也可以成形為鋼管而作為復合鋼管使用。 對于上述復合鋼板而言，在焊接時可以對內外表面分別以單道次進行焊接，即使通過該單 道焊也能夠維持HAZ部的微細組織，從而確保良好的韌性。
[0086] 實施例
[0087] 以下，在與比較例進行對比的同時，對本發明的實施例進行說明。
[0088] 關于母材的韌性，裁取基于API-5L的DWTT試驗片，通過-20°C下的DWTT試驗（落 錘特性）進行試驗。在本發明中，將_20°C下的DWTT試驗中塑性斷口率為85%以上作為母 材的韌性優良。另外，將拉伸強度為590MPa以上作為本發明所需的強度。
[0089] 使用具有表1所示的化學成分的母材和Alloy625,制造復合鋼板。關于制造條件， 將母材與復層材料重疊而作為一組，利用加熱爐加熱至1150°C后，通過熱軋制成母材厚度 為30mm、復層材料厚度為3mm的復合鋼板，乳制結束后，加熱至910°C來實施固溶處理，然 后，加熱至500°C來進行回火處理。作為比較例,使回火溫度為600°C來制造復合鋼板。
[0090] 對一系列熱處理后的復合鋼板進行冷成形，制造外徑為500mm的復合鋼管，對母 材部和母材的焊接熱影響部考察各特性。將結果示于表2中。
[0091] 表2中，作為母材的化學成分均滿足本發明的權利要求的發明例的No. 1?No. 12 中，母材部的DWTT特性滿足目標特性。另一方面，作為比較例的No. 13、17中V的值在發明 的范圍之外，No. 14、18中Mn的值在發明的范圍之外，No. 15、19、20中Ti/N的值在發明的范 圍之外，No. 16、No. 21中Nb/C的值在發明的范圍之外，因此，母材的DWTT特性、拉伸強度不 滿足目標值。另外，No. 22、23中，回火溫度為600°C，達到高溫，因此，母材的DWTT特性不滿 足目標值。
[0092]

【權利要求】
1. 一種復合鋼板的母材，以質量％計含有C :0· 030?0· 10%、Si :0· 10?0· 30%、Mn : L 30 ?L 80%、P :0· 015% 以下、S :0· 003% 以下、M。：0· 05 ?0· 50%、V :低于 0· 010%、 Nb :0· 010 ?0· 060%、Ti :0· 005 ?0· 020%、A1 :0· 040% 以下、Ca :0· 0010 ?0· 0040%、N : 0. 0030?0. 0060%，余量由Fe和不可避免的雜質構成，具有在-20°C DWTT試驗中塑性斷口 率為85%以上的特性。
2. 如權利要求1所述的復合鋼板的母材，其中，以質量％計還含有選自Ni :0. 10? 0· 50%、Cr :0· 01 ?0· 50%、Cu :0· 005 ?0· 050%中的一種以上。
3. 如權利要求1或2所述的復合鋼板的母材，其中，Ti與N的質量％比即Ti/N在2. 0? 3. 5的范圍內。
4. 如權利要求1至3中任一項所述的復合鋼板的母材，其中，Nb與C的質量％比即Nb/ C在0. 2?2. 0的范圍內。
5. -種復合鋼板，其具有權利要求1至4中任一項所述的母材。
6. -種復合鋼板的制造方法，在使用權利要求1至4中任一項所述的母材和復層材料 進行復合軋制后，加熱至900?IKKTC來進行固溶處理，然后，在低于550°C的溫度下進行 回火處理，所述復合鋼板的母材具有在-20°C DWTT試驗中塑性斷口率為85%以上的特性。
【文檔編號】C22C38/58GK104321455SQ201380026749
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2013年5月22日 優先權日:2012年5月23日
【發明者】岸慶一郎, 矢澤好弘, 橘俊一, 黑沼洋太, 星野俊幸, 西村公宏 申請人:杰富意鋼鐵株式會社