大線能量低焊接裂紋敏感性系列鋼及其生產方法

2023-06-04 15:44:01 1

專利名稱：大線能量低焊接裂紋敏感性系列鋼及其生產方法
技術領域：
本發明涉及一種60kg及70kg級大線能量低焊接裂紋敏感性系列高強鋼，屬低合金鋼製造領域。
背景技術：
在本發明以前，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)貝氏體組織的用於造船、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鋼」、(JP2704810、JP06049586)「通過Al完全脫氧形成MnS化合物粒子製造大線能量焊接高強鋼的方法」。上述三者不足之處在於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用於製造鋼結構如橋梁、庫房及建築物的超高強度鋼」。其不足之處在於，鋼中添加了高達0.30～0.80％的Cr，增加了生產成本，且高Cr會導致回火裂紋，降低鋼的韌性。此外，由於鋼中B含量甚少，不利於鋼板淬透，因而鋼板強度水平不高，其抗拉強度下限值僅為570MPa，達不到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獲得優異焊接裂紋敏感性的高強鋼的製造方法」，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，與本發明鋼的成分設計思路不同，且該專利沒有示出鋼板具體強度級別。

發明內容本發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方法，鋼板強度分別達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異性能。提供的生產方法簡單，適合大生產操作。
本發明為了達到上述目的，設計了一種大線能量低焊接裂紋敏感性系列鋼，其特徵在於鋼的化學成分(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，餘量為Fe及不可避免的夾雜。
本發明一種大線能量低焊接裂紋敏感性系列鋼，鋼板的強度分別為60kg級及70kg級兩種，其特徵在於60kg級鋼的化學成分還必須滿足(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，鋼的抗拉強度和屈服極限會提高而延伸率缺口衝擊韌性下降。碳含量每增加0.1％抗拉強度大約提高90MPa，屈服極限大約提高40-50MPa。在焊接C含量較高的鋼材時，在焊接熱影響區還會出現淬硬現象，這將加劇焊接時產生冷裂的傾向。C是影響Pcm的主要因素，要控制鋼Pcm值應分別不大於0.21％及0.23％，使其具有低的焊接裂紋敏感性，鋼中C含量應不大於0.11％，在此範圍內，既提高鋼的強度又適合生產操作，提高其在大生產中的適用性和可行性。
本發明的Si含量選擇在0.10％～0.60％，Si主要以同溶強化形式提高鋼的強度，但不可含量過高，以免降低鋼的韌性。
本發明的Mn含量選擇在0.60％～1.80％，當C含量在較低範圍時，鋼中的固溶強化就顯得尤為重要，Mn是提高鋼的抗拉強度和屈服極限的元素，它並不惡化鋼的變形能力，含1％的Mn約可提高抗拉強度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，在低碳高強度鋼中，普遍提高Mn的含量，最高可達2.0％。
本發明的P≤0.020％、S≤0.010％，這是由於鋼中的P、S含量必須控制在較低的範圍，只有冶煉純淨鋼，才能保證本發明鋼的性能。
本發明的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％，它溶入奧氏體後僅微弱地增大淬透性。所以認為Al對焊接氫致裂紋基本沒有影響，當鋼中加入的Al在0.050％以下時，對焊接氫致裂紋不會產生不利影響，當Al含量過高時，容易引起鋼中夾雜增多，不利於鋼的韌性。
本發明的Ti含量選擇在0.005％～0.025％，Ti是一種強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度和高溫強度，由於Ti能起細化晶粒的作用，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形成的第二相質點TiN、Ti(CN)等阻止大線能量焊接過程中熱影響區中粗晶區的晶粒長大，使晶粒細化，提高鋼的低溫韌性。
本發明的N含量選擇在0.0020％～0.0060％，N本身對鋼的強韌性不利，N在適量範圍內通過與其他元素(如Ti、Nb、Al、V等)形成的第二相質點在鋼中起到重要的有利作用，但其含量不可過高。
本發明的B含量選擇在0.0005％～0.0020％，B是強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，由於B在奧氏體晶界上的非平衡偏析，強烈抑制γ-α相變，促使奧氏體在淬火時形成細小低碳的馬氏體，從而提高鋼的屈服強度和抗拉強度，此外，B與N的交互作用，能明顯提高試驗鋼的低溫韌性。但鋼中B含量過高會使消除應力處理(SR處理)後「B相」呈網狀析出，產生SR裂紋。B易形成碳化物和氮化物，並易集聚在原奧氏體晶界，促使附近地區位錯密度增高，可以作為氫在局部地區的陷阱，因而促使此處發生晶界開裂。
Nb的作用與Ti相似，但比Ti強烈得多。Nb也是一種細化晶粒的元素，含極微量的Nb(0.03％)就能顯著細化鋼材晶粒並提高鋼的常溫抗拉強度，但Nb也易與Fe、C等元素形成低熔點共晶物，從而增加焊縫金屬產生熱裂紋的傾向，因而其含量控制在0.040％以下。
本發明中還含有Ni、Nb、V、Cu、Mo、Zr、RE中的兩種或兩種以上。
Ni具有一定的強化作用，加入1％的Ni可提高鋼材強度約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是一種相當強烈的碳化物形成元素。它通過細化晶粒與碳化物的形成可提高鋼材的常溫和高溫強度，當V與Cr、Mo同時存在時，則會在回火過程中形成複雜的碳化物而降低焊接接頭的塑韌性。特別強調的是Cr、Mo、V鋼厚壁容器的焊接接頭在焊後進行消應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力避免裂紋產生都必須嚴格控制V量(限制在0.10％以下)。
Cu在鋼中主要起沉澱強化作用，此外還有利於獲得良好的低溫韌性，增加鋼的抗疲勞裂紋擴展能力。含量過高時，鋼板焊接熱影響區韌性降低，且在鋼板軋制過程中產生網裂，故其上限控制在0.65％。
Mo元素能提高鋼材強度特別是高溫強度較之Mn、Cr更高，同時它也是增強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，均有助於改善鋼板抗大線能量焊接性能。
本發明屬低合金鋼製造領域，低合金鋼系Fe基鋼，本發明除含有上述化學成分外，餘量為Fe及不可避免的夾雜。
本發明60kg及70kg級大線能量低焊接裂紋敏感性系列高強鋼的生產方法，採用鐵水脫硫技術，轉爐頂底吹煉，真空深處理及成分微調，按通常超純淨鋼工藝進行軋制、熱處理，其特徵在於鋼的化學成分(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，餘量為Fe及不可避免的夾雜，鋼的開軋溫度≥1180℃，控軋末三道累計壓下率≥40％，終軋溫度≤870℃；採用調質熱處理工藝生產，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。
本發明的鋼具有如下優點1.該鋼具備低焊接裂紋敏感性，焊接性能優異，可簡化焊接工藝，降低了成本，適應大生產要求。
2.該鋼可承受大線能量焊接，從而大幅度提高了產品的焊接效率和施工進度。
3.在大線能量(50-100kJ/cm)焊接條件下，HAZ具有優良的強韌性，從而保證了產品的安全可靠性。
具體實施方式
實施例1按照本發明鋼成分要求，在真空感應電爐冶煉了本發明的鋼，將鋼錠加熱到1280℃出爐軋制，開軋溫度分別為1180℃、1200℃、1220℃，最後三道次累計壓下率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，隨後對各種鋼板進行了力學性能試驗，測試了-40℃鋼板衝擊韌性和60kJ/cm大線能量焊接後-40℃HAZ的衝擊韌性，並與相應的比較鋼做了對比，數據見表1和表2。
本發明鋼和對比鋼焊接熱模擬試驗前-40℃的衝擊韌性與對比鋼處於同一水平，但經60kJ/cm大線能量焊接後，本發明鋼-40℃的HAZ衝擊韌性遠遠高於對比鋼。
從表1和表2可見，本發明的鋼在成分設計上採用Ti-Nb-B的複合氮氧化物獲得抗大線能量(≥50kJ/cm)焊接性能，通過降低碳，採用特殊微合金化，同時提高鋼的純淨度，從而確保該鋼具有優良的低溫韌性。本發明鋼在各冶金企業均可實施，可大大提高大型鋼結構的焊接效率，降低製造成本。表1本發明鋼(60kg級)與對比鋼的化學成分和HAZ衝擊韌性對比
表2本發明鋼(70kg級)與對比鋼的化學成分和HAZ衝擊韌性對比
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℃時鋼板的衝擊韌性，HAZ韌性為60kJ/cm大線能量焊接後-40℃時HAZ的衝擊韌性。
本發明鋼可廣泛用於石化、化工、冶金、城建、能源、交通、機械、水電及船舶等行業，具有極廣闊的應用前景。
權利要求
1.一種大線能量低焊接裂紋敏感性系列高強鋼，其特徵在於鋼的化學成分(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，餘量為Fe及不可避免的夾雜。
2.根據權利要求1所述的大線能量低焊接裂紋敏感性系列高強鋼，其特徵在於60kg級鋼的化學成分還必須滿足(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鋼的生產方法，採用鐵水脫硫技術，轉爐頂底吹煉，真空深處理及成分微調，按通常超純淨鋼工藝進行軋制、熱處理，其特徵在於鋼的化學成分(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，餘量為Fe及不可避免的夾雜，鋼的開軋溫度≥1180℃，控軋末三道累計壓下率≥40％，終軋溫度≤870℃；採用調質熱處理工藝生產，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鋼及其生產方法，屬低合金鋼製造領域。本發明鋼採用低碳、Ti－Nb－B複合加入及Ni－V－Cu－Mo－Zr－RE中的兩種或兩種以上複合加入，分別控制Pcm≤0.21％和Pcm≤0.23％。採用調質熱處理得到高強韌性回火索氏體組織，利用Ti、Nb和O、N形成高熔點第二相質點及複合析出相抑制焊接粗晶區的長大。本發明鋼經軋制及調質熱處理，具有極優的綜合性能、冷熱加工性、抗50～150kJ/cm大線能量焊接性能。採用手弧焊、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度，大幅度地提高焊接效率，本發明鋼適用於石化、化工、冶金、城建、能源、交通、機械、水電及船舶等行業。
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 優先權日2002年5月22日
發明者陳曉, 卜勇, 董漢雄, 童明偉 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司