可焊接的結構鋼組件及其製造方法
2023-06-14 15:49:26
專利名稱：可焊接的結構鋼組件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及可焊接的結構鋼組件及其製造方法。
結構鋼必須具有規定程度的機械特性，以適用於其生產需要，並且尤其必須具有高硬度。為此，使用能淬火的鋼，即這種鋼在足夠迅速和有效的冷卻下，可獲得馬氏體或貝氏體結構。因此定義臨界貝氏速度作為所得冷卻速率的函數，在該臨界貝氏速度之上可得到貝氏體、馬氏體或馬氏體-貝氏體結構。
結構鋼對淬火的適合程度取決於其中淬火元素的含量。一般來說，淬火元素存在的含量越高，臨界貝氏速度越低。
除機械性能外，結構鋼還應具有良好的可焊接性。當焊接鋼組件時，焊接區(也稱作熱影響區(Heat-Affected Zone)或HAZ)在短時間內處於很高的溫度，然後突然冷卻，這使得該區域具有高硬度，從而導致裂紋並由此限制鋼的可焊接性。
依照傳統方法，可通過計算鋼的「碳當量」來評價其可焊接性，「碳當量」的公式如下Ceq＝(％C+％Mn/6+(％Cr+(％Mo+％W/2)+％V)/5+％Ni/15)可近似認為，碳當量越低，鋼越容易被焊接。由此認為，通過增大淬火元素含量來改善鋼的可淬火性會對其可焊接性造成損害。
為了在不降低可焊接性的情況下改善結構鋼的可淬火性，利用奧氏化溫度升高時元素的淬火效率下降這一事實，開發了含硼微合金的鋼的級別。與不加入硼而具有相同淬火過程的同一級別的鋼相比，HAZ的淬火變少，由此可降低HAZ的硬度。
然而由於硼在鋼材未焊接部分的淬火效果在有效含量為30-50ppm時已趨於飽和，因此只有通過加入那些淬火效率不依賴於奧氏化溫度的元素，才能使鋼的可淬火性進一步得到改善，但是，這樣會隨之對鋼材的可焊接性產生副作用。同樣的，通過減少淬火元素的含量改善可焊接性，可淬火性也會隨之減小。
本發明的目的是在不降低鋼的可焊接性的前提下提供具有改善的可淬火性的結構鋼，從而克服上述缺點。
為此目的，本發明的第一主題是可焊接的結構鋼組件，其化學組成包括以重量計的0.40％≤C≤0.50％；0.50％≤Si≤1.50％；0％≤Mn≤3％；0％≤Ni≤5％；0％≤Cr≤4％；0％≤Cu≤1％；0％≤Mo+W/2≤1.5％；0.0005％≤B≤0.010％；N≤0.025％；Al≤0.9％；
Si+Al≤2.0％；以及任選存在的至少一種選自V、Nb、Ta、S和Ca的元素，其含量＜0.3％，和/或任選存在的至少一種選自Ti和Zr的元素，其含量≤0.5％，剩餘物為鐵和生產操作中產生的雜質；上述組成中鋁、硼、鈦和氮的含量以「‰」表示，還滿足下述關係B≥1/3×K+0.5 (1)其中K＝Min(I*；J*)I*＝Max(0；I)且J*＝Max(0；J)I＝Min(N；N-0.29(Ti-5))J=min(N;0.5(N-0.52Al+(N-0.52Al)2+283))]]>所述鋼組件為貝氏體、馬氏體或馬氏體-貝氏體結構，還包括3％-20％，優選為5％-20％的殘餘奧氏體。
在優選的實施例中，根據本發明，鋼組件的化學組成還滿足下述關係1.1％Mn+0.7％Ni+0.6％Cr+1.5(％Mo+％W/2)≥1，優選≥2 (2)。
在另一優選的實施例中，根據本發明，鋼組件的化學組成還滿足下述關係％Cr+3(％Mo+％W/2)≥1.8，優選≥2.0。
本發明的第二主題是本發明所述的可焊接鋼組件的製造方法，特徵在於-在Ac3-1000℃，優選為Ac3-950℃的溫度範圍內加熱所述鋼組件，使其奧氏化，然後將該組件冷卻至≤200℃的溫度，冷卻過程中組件的型芯從800℃至500℃的冷卻速率大於或等於臨界貝氏速度，-任選地，在低於或等於Ac1的溫度下進行回火。
由約500℃降溫至環境溫度，尤其是由500℃降溫至≤200℃時，任選可以降低冷卻速率，由此可以促進自動回火現象發生並保留含3％-20％的殘餘奧氏體。優選由500℃降至≤200℃的冷卻速率為0.07℃/s-5℃/s，更優選0.15℃/s-2.5℃/s。
在一優選的實施例中，在降溫至≤200℃的冷卻操作過程後期進行回火，回火溫度低於300℃，回火時間小於10小時。
在另一優選的實施例中，在降溫至≤200℃的冷卻操作的後期，根據本發明所述的方法不包括回火操作。
在另一優選的實施例中，根據本發明所述方法所制的組件為厚度為3-150mm的鋼板。
本發明的第三主題是本發明所述的厚度為3-150mm可焊接鋼板的製造方法，所述方法特徵在於對鋼板進行淬火，其型芯在800℃至500℃時的冷卻速率VR(以℃/h表示)與鋼組成有如下關係1.1％Mn+0.7％Ni+0.6％Cr+1.5(％Mo+％W/2)+logVR≥5.5，優選≥6(log是以10為底的對數)。
本發明基於一新發現，即以上述含量加入矽，可使硼的淬火效果增加30％-50％。這種協同作用在不增加硼的加入量下出現，但如果沒有硼的存在，矽不具有明顯的淬火效果。
另一方面，矽的加入不會影響硼的特性，硼的可淬火性不會降低，沒有出現如在HAZ中的奧氏溫度升高的情況。
因此認為在硼存在的情況下加入矽，可以進一步增大組件的可淬火性，同時不會使可焊接性受到不利的影響。
另外，本發明還發現，由於所述鋼可淬火性的改善，以及保證了生成碳化物的元素，如鉻、鉬和鎢的最小含量，生產所述鋼時可以只在低溫下回火，甚至取消回火工序。
可淬火性的改善使組件可以更緩慢地冷卻，並同時確保了組件基本上是貝氏體、馬氏體或貝氏體-馬氏體結構。這種更緩慢的冷卻加上生成碳化物的元素的含量充足，使細小的鉻、鉬和/或鎢的碳化物通過所謂的自動回火現象沉澱下來。另外，在低於500℃時，冷卻速度的緩慢可大大促進自動回火現象，同樣的，冷卻速度緩慢也促使奧氏體保留下來，且優選保留在分數為3％-20％。上述生產方法得以簡化，而且不會出現常規操作中由於高溫下回火而使鋼軟化的問題。由此改善了鋼的機械性能。在通常溫度下，即溫度≤Ac1時仍有進行回火的可能。
下面將更具體地描述本發明，但是該描述不限制本發明的範圍。
本發明所述的結構鋼組件包含，以重量計-碳含量＞0.40％，以獲得優良的機械性能，但＜0.5％，以獲得良好的可焊接性、切削加工性、對彎曲的適合性以及滿意的韌性。
-矽含量＞0.5％，優選＞0.75％，更優選＞0.85％，以獲得與硼的協同作用，但＜1.50％以免使鋼脆化。
-硼含量＞0.0005％，優選＞0.001％，以調節可淬火性，但＜0.010％，以免過高含量的氮化硼損害鋼的機械性能。
-氮含量＜0.025％，優選＜0.015％，該所獲含量與用以生產所述鋼的方法相關。
-錳含量為0-3％，優選0.3-1.8％，鎳含量為0-5％，優選0-2％，鉻含量為0-4％，銅含量為0-1％，鉬含量和鎢含量的一半的和＜1.50％，以獲得主要為貝氏體、馬氏體或貝氏體-馬氏體的結構，另外，如上所述鉻、鉬和鎢具有可形成有益於機械強度和耐磨性的碳化物的優點；另外，％Cr+3(％Mo+％W/2)的總量優選＞1.8％，更優選＞2.0％，從而任選地限制在300℃回火，或者甚至取消回火。
-鋁含量＜0.9％，超過該含量將損害可鑄性(夾渣使澆鑄管堵塞)。鋁和矽的累積含量必須＜2.0％以降低軋制過程中斷裂的危險。
-任選存在的至少一種選自V、Nb、Ta、S和Ca的元素，其含量＜0.3％，和/或任選存在的至少一種選自Ti和Zr的元素，其含量≤0.5％。V、Nb、Ta、Ti和Zr的加入使沉澱硬化對可焊接性沒有過多的不利影響。鈦、鋯和鋁可用來固定存在於鋼中的氮，起到保護硼的作用，用兩倍重量的Zr可代替全部或部分的Ti。硫和鈣可改善該級別鋼的加工性。
-鋁、硼、鈦和氮的含量以「‰」表示，其組成還滿足以下關係B≥1/3×K+0.5 (1)其中K＝Min(I*；J*)I*＝Max(0；I)且J*＝Max(0；J)I＝Min(N；N-0.29(Ti-5))
J=Min(N;0.5(N-0.52Al+(N-0.52l)2+283))]]>-其餘物質為鐵和生產操作中產生的雜質。
為了生產可焊接組件，根據本發明，鋼首先以半成品形式生產鑄塑，然後所述半成品在高溫時通過塑性形變，如軋制或鍛造，變成成品。按上述方法所得到的組件在溫度＞Ac3，但＜1000℃，優選＜950℃下加熱形成奧氏體，然後冷卻該組件至環境溫度，其中組件的型芯從800℃至500℃的降溫速率大於臨界貝氏速率。奧氏化溫度的上限是1000℃，因為超過該溫度，硼的淬火效果變得十分微弱。
然而，通過在成形操作的加熱中(不包括重奧氏化)的直接冷卻也可得到上述組件，這種情況下，即使成形前加熱溫度超過了1000℃，但只要小於1300℃，硼就會保持其淬火效果。
為使組件由奧氏化溫度冷卻至環境溫度，可以採用任何已知的淬火方法(空氣、油、水)，只要保持冷卻速率高於臨界貝氏速度。
組件在≤Ac1的溫度下任選進行常規回火，但優選溫度限制在300℃，或者甚至取消回火步驟。回火步驟的預設可通過自動回火現象得到補償。特別地，低溫時(即低於約500℃)，優選冷卻速率0.07-5℃/S，更優選0.15-2.5℃/S，可促進上述自動回火現象。
為此目的，可採用任一已知的淬火方法，只需在必要情況下對其加以控制。例如，組件的溫度降至500℃以下時，如果減慢冷卻速度，可以採用在水中淬火的方法，特別地，可將組件從水中取出，以繼續在空氣中淬火，完成整個淬火操作。
由此，獲得可焊接組件和可焊接的鋼板，其由具有貝氏體、馬氏體、馬氏體-貝氏體型芯結構的鋼組成，所述鋼中包含3％-20％的殘餘奧氏體。
殘餘奧氏體的存在對鋼的焊接行為十分有益。為了降低焊接中產生裂紋的可能性，除上述降低HAZ淬火性的方法外，HAZ附近鹼性金屬中殘餘奧氏體的存在可以固定溶解的氫的一部分，這些氫可能通過焊接操作被引入，如果不以上述方式固定氫，會增加產生裂紋的可能性。
根據本發明製備鋼條1和2並根據現有技術製備鋼條A和B，其組成(不包括鐵)以重量‰表示，如下表所示
通過膨脹計測定法來評價四個鋼條在鍛造後的可淬火性。以馬氏體可淬火性和在900℃經奧式化15min後臨界馬氏速度V1為重點舉例說明。
所述速度V1常用來推導鋼板可獲得的最大厚度，且在保持鋼板型芯基本為馬氏體結構，且所述馬氏體結構包含至少3％的殘餘奧氏體的情況下，在空氣萃冷(A)，油淬(H)和水淬(E)的情況下確定該厚度。
最後，根據下式計算「碳當量％」，來評價按上述兩種鋼的可焊接性Ceq＝(％C+％Mn/6+(％Cr+(％Mo+％W/2)+％V)/5+％Ni/15)根據本發明所制鋼條L1和L2，以及根據現有技術所制鋼條LA和LB的性能通過對比給出如下
由表中數據可以看出，根據本發明製造的組件的臨界馬氏速率遠低於根據現有技術製造的鋼組件，這意味著，在可焊接性不變的情況下，本發明大大改善了鋼組件的可淬火性。
淬火性能的改善使具有型芯淬火(core-quenched)結構的組件能在比現有技術更溫和的冷卻條件下製造，和/或有更大的最大厚度。
權利要求
1.可焊接的結構鋼組件，特徵在於其化學組成包括以重量計的0.40％≤C≤0.50％；0.50％≤Si≤1.50％；0％≤Mn≤3％；0％≤Ni≤5％；0％≤Cr≤4％；0％≤Cu≤1％；0％≤Mo+W/2≤1.5％；0.0005％≤B≤0.010％；N≤0.025％；Al≤0.9％；Si+Al≤2.0％；以及任選存在的至少一種選自V、Nb、Ta、S和Ca的元素，其含量＜0.3％，和/或任選存在的至少一種選自Ti和Zr的元素，其含量≤0.5％，剩餘物為鐵和生產操作中產生的雜質；上述組成中鋁、硼、鈦和氮的含量以「‰」表示，還滿足下述關係B≥1/3×K+0.5(1)其中K＝Min(I*；J*)I*＝Max(0；I)且J*＝Max(0；J)I＝Min(N；N-0.29(Ti-5))J=Min(N;0.5(N-0.52Al+(N-0.52Al)2+283))]]>所述鋼組件的結構為貝氏體、馬氏體或馬氏體-貝氏體結構，還包括3％-20％的殘餘奧氏體。
2.如權利要求1的鋼組件，特徵在於其化學組成還滿足下述關係1.1％Mn+0.7％Ni+0.6％Cr+1.5(％Mo+％W/2)≥1(2)。
3.如權利要求2的鋼組件，特徵在於其化學組成還滿足下述關係1.1％Mn+0.7％Ni+0.6％Cr+1.5(％Mo+％W/2)≥2(2)。
4.如權利要求1-3任一項的鋼組件，特徵在於其化學組成還滿足下述關係％Cr+3(％Mo+％W/2)≥1.8。
5.如權利要求4的鋼組件，特徵在於其化學組成還滿足下述關係％Cr+3(％Mo+％W/2)≥2.0。
6.如權利要求1-5任一項的可焊接鋼組件的製造方法，特徵在於-在Ac3-1000℃的溫度範圍內加熱該組件，使其奧氏化，然後將該組件冷卻至小於或等於200℃的溫度，其中在組件的型芯從800℃至500℃的冷卻速率大於或等於臨界貝氏速度，-任選地，在小於或等於Ac1的溫度下進行回火。
7.如權利要求6的方法，特徵在於由500℃降溫至低於或等於200℃時組件的型芯的冷卻速率為0.07℃/S-5℃/S。
8.如權利要求6或7的方法，特徵在於在降溫至低於或等於200℃的冷卻操作過程的後期進行回火，回火溫度低於300℃，回火時間小於10小時。
9.如權利要求6或7的方法，特徵在於在降溫至低於或等於200℃的冷卻操作過程的後期不進行回火。
10.如權利要求1-5的任一項的可焊接鋼板的製造方法，所述鋼板厚度為3-150mm，特徵在於對所述鋼板進行淬火，在組件的型芯從800℃至500℃的冷卻速率VR與鋼組成有如下關係1.1％Mn+0.7％Ni+0.6％Cr+1.5(％Mo+％W/2)+logVR≥5.5。
11.如權利要求10的可焊接鋼板的製造方法，所述鋼板厚度為3-150mm，另外，特徵在於對所述鋼板進行淬火，在組件的型芯從800℃至500℃的冷卻速率VR與鋼組成有如下關係1.1％Mn+0.7％Ni+0.6％Cr+1.5(％Mo+％W/2)+logVR≥6。
全文摘要
本發明涉及建築鋼組件，其化學組成包括以重量計0.40％≤C≤0.50％，0.50％≤Si≤1.50％，0％≤Mn≤3％，0％≤Ni≤5％，0％≤Cr≤4％，0％≤Cu≤1％，0％≤Mo+W/2≤1.5％，0.0005％≤B≤0.010％，N≤0.025％，Al≤0.9％，Si+Al≤2.0％，任選存在的至少一種選自V、Nb、Ta、S和Ca的元素，其含量<0.3％，和任選存在的至少一種選自Ti和Zr的元素，其含量≤0.5％，其餘為鐵和製備所述組件時產生的雜質，所述組成中鋁、硼、鈦和氮的含量以「‰」表示，滿足下述關係B≥1/3×K+0.5，(1)，其中K=Min(I
文檔編號C21D1/18GK1714165SQ200380103640
公開日2005年12月28日 申請日期2003年11月13日 優先權日2002年11月19日
發明者讓·貝吉諾, 讓-喬治·布裡松 申請人:工業鋼克魯梭公司