一種可以採用高熱輸入焊接的硼氮複合微合金鋼及製造方法

2023-12-02 02:35:31 1

專利名稱：一種可以採用高熱輸入焊接的硼氮複合微合金鋼及製造方法
技術領域：
本發明屬於微合金鋼技術領域，特別是提供了一種可以採用高熱輸入焊接的硼氮 複合微合金鋼及製造方法。
背景技術：
增氮鋼一般是指氮含量在0. 01wt%以上的低碳釩氮微合金鋼。在這類鋼中增氮， 結合第三代TMCP技術，可以優化V-N粒子在奧氏體和鐵素體中的析出，顯著細化鐵素體晶 粒，提高沉澱強化增量，從而同時提高鋼的強度和韌性。另外，在保持一定強度水平的前提 下，在增氮的同時還可以適當降低鋼中的碳含量，使鋼在焊前不預熱或經較低的溫度預熱 即可避免焊接近縫區產生冷裂紋。目前，釩氮微合金技術在可焊接高強度鋼筋、型材、板材、 熱軋帶鋼等產品中已得到了廣泛應用。但是，試驗研究表明，當上述增氮鋼以彡45kj/cm的熱輸入(對應的t8/5彡30s) 進行焊接時，由於在鋼的近縫區(對應的峰值溫度在1350°C附近)，V-N粒子促進大量粗大 晶界鐵素體轉變，且後續轉變形成的M-A島硬度較高、尺寸較大、彌散度較低。由它們構成 的多相組織在承受衝擊載荷時，傾向於使微裂紋直接以微解理方式在軟硬相界面處形核， 且微裂紋很容易在粗大鐵素體晶粒中擴展，最終形成以準解理或解理為主要特徵的斷口形 貌，本質上屬於脆性斷裂，-40°C衝擊功一般均低於27J。如何抑制增氮鋼在高熱輸入焊接條件下近縫區的脆化傾向，這是目前釩氮微合金 化技術面臨的重要問題。一種可能的途徑是突破該類鋼傳統的微合金化思路，在增氮鋼中 加入微量的硼，通過合理控制硼含量與氮含量的範圍和配比，在鋼中形成有利的硼和氮的 分布。其中，使一部分硼以固溶的形式存在，在焊後連續冷卻時，固溶硼非平衡偏聚在近縫 區奧氏體晶界，以抑制粗大晶界鐵素體的形成；部分硼與部分氮結合，形成氮化硼粒子，另 一部分氮與釩結合，形成VN粒子，兩種粒子均促進晶內鐵素體的形成，限止粒狀貝氏體的 粗化。即通過硼氮複合微合金化技術，以控制近縫區的連續冷卻組織轉變，獲得細化的晶內 鐵素體和粒狀貝氏體，抑制M-A島硬相的脆化傾向，最終使這種硼氮複合微合金增氮鋼在 以較高的熱輸入焊接時，也能在近縫區獲得良好的衝擊韌性。目前，從國內外公開的文獻和專利中，也可見在鋼中同時含有一定量硼和氮的 實例。 如 R. J. Glodowski 在 「N Strain aging in ferritic steels，，(Wire J. Int.， 28(2005) 1 70) 一文和袁輝等人在「低碳含硼鋼的開發歷史及發展現狀」(首鋼科技，2005，21-23) 一文中介紹，電爐鋼中的氮含量較高，一般最高含量可接近0.01wt%，若電爐 生產線材中的氮以自由氮的形式存在，則會產生應變時效脆化，降低拉拔加工性能。如在鋼 中加入適量硼，使硼與氮結合，以固定鋼中的自由氮，則可以提高線材的加工性能。但這與 本申請涉及的微合金化方法和所要達到的目的均有不同。 又如法國克魯梭公司在中國申請的專利「可焊接的結構鋼組件及其製造方法」(申 請號200380103645. 8)，提出將鋼中的硼和氮分別控制在5 IOOppm和< 250ppm範圍內，且對硼含量和氮含量(PPm)的限定還符合B彡1/3XN+0.5。但是，該專利技術的目的是為 了提高鋼的淬透性以獲得馬氏體-貝氏體組織，因此要求儘可能高的硼與氮的配比。又如美國埃克森美孚上遊研究公司在中國申請的專利「具有優異低溫韌性的超高 強度三相鋼」(申請號99814735. 4)，提出將鋼中的硼和氮分別控制在4 20ppm和< 20 50ppm。該專利技術涉及的鋼如要經過焊接，其不足之處是N含量偏低，形成的VN和BN粒 子的數量偏少，不能顯著促進近縫區晶內鐵素體的形成而限止貝氏體鐵素體的長大。又如日本專利「特開昭62-190016」提出採用TiN和BN使近縫區鐵素體細化的方 法。該專利技術的不足之處是硼與氮的配比偏低，當採用高熱輸入焊接時，在近縫區奧氏體 晶界處產生足夠的固溶硼偏聚，仍不能有效抑制粗大晶界鐵素體的形成，還是會引起粗晶 脆化現象。又如日本專利「特開昭59-159968」提出利用晶界固溶硼防止網狀粗大晶界鐵素體 而改善近縫區韌性的方法。該方法的不足之處是硼與氮的配比偏高，當以較高的熱輸入進 行焊接時，還是會促進粗大粒狀貝氏體的形成而不能抑制M-A島引起的局部脆化現象。又如中國專利「一種強韌鋼熱軋板卷生產方法」(申請號200710035787. 5)提出將 鋼中的硼和氮分別控制在0. 0015 0. 0060%和0. 010 0. 018%。但該鋼如要經過焊接， 其不足之處是沒有對硼含量與氮含量的配比提出限定要求，還是有可能使二者之間的配比 偏高或者偏低，從而使高熱輸入焊接近縫區形成粗大的晶界鐵素體或粗大的粒狀貝氏體、 或粗大晶界鐵素體與粗大粒狀貝氏體共存的組織，導致衝擊韌性顯著不足。綜上所述，現有相關專利和文獻所涉及的技術，要麼鋼中的氮含量偏低、不屬於增 氮鋼，要麼硼與氮的配比失當，要麼沒有對硼與氮的配比加以限定，與本申請提出的通過合 理控制硼含量與氮含量的範圍和配比、以改善增氮鋼高熱輸入焊接近縫區衝擊韌性的方法 相比，均有不同。

發明內容
本發明的目的在於提供一種可以採用高熱輸入焊接的硼氮複合微合金鋼及製造 方法，解決了要麼鋼中的氮含量偏低、不屬於增氮鋼，要麼硼與氮的配比失當，要麼沒有對 硼與氮的配比加以限定等問題。本發明的高熱輸入焊接的硼氮複合微合金鋼的化學成分為(wt%) :C:0.04 0. 09，Mn 1. 00 1. 80，Si 0. 10 0. 50，S 彡 0. 010，P 彡 0. 015，Mo 0. 10 0. 30，V 0. 03 0. 10, Ti 0. 005 0. 030,N 0. 010 0. 025,B 0. 0005 0. 0025, Al 彡 0. 015，餘
量為Fe及不可避免的雜質。對其中硼含量(wt% )和氮含量(wt% )的關係加以限定，使它們之間的配比同時 符合 0. 010 彡 2N-15B 彡 0. 018 與 Ti+V+ΙΟΒ 彡 4. 525N-0. 002 的要求。本發明的製造方法，按照電爐或轉爐冶煉、爐外精煉、連鑄、軋制和回火處理的工 藝路線來完成製造過程。在工藝中控制如下技術參數鋼的冶煉和連鑄方法在轉爐出鋼過程中向鋼包內加複合脫氧劑並底吹氬氣進行 預脫氧；在CAS工位，由浸漬罩內向鋼包中先加入鋁進行深脫氧，且控制鋼水中酸溶鋁含量 為 45kj/cm的高熱輸入焊接時，近縫區中粗大晶界鐵素體數量趨 於增加，也需要限制過高的氮含量。因此，除了需要將氮含量控制在0. 010 0. 025%以外， 還需要鋼中Ti、V、B禾口 N的含量(wt% )符合Ti+V+ΙΟΒ彡4. 525N-0. 002。10、硼在所述鋼中也是一種關鍵的微合金化元素，微量硼在鋼中以固溶硼的形式 在奧氏體晶界處偏聚，可推遲奧氏體向鐵素體轉變，抑制粗大晶界鐵素體的形成，促進貝氏 體轉變。硼在所述鋼高熱輸入焊接近縫區也有類似作用。但過低的硼不利於發揮上述作 用，因此，其含量不宜低於0. 0005%。但過高的硼含量，會在> 45kj/cm的高熱輸入焊接 近縫區促進粗大粒狀貝氏體的形成，使M-A島引起的局部脆化傾向增加，其含量不宜超過 0.0025%。因此，合適的硼含量應控制在0.0005 0.0025%。另一方面，硼的加入量還必 須與增氮水平相適應，即必須控制合理的硼含量與氮含量的配比，才能揚長避短，使硼發揮 上述有利作用。原因在於在高熱輸入焊接近縫區，當硼與氮的配比偏低時，硼對粗大晶界 鐵素體形成的抑制作用偏弱，而氮對粗大晶界鐵素體形成的促進作用偏強，還是會引起粗 晶脆化現象；當硼與氮的配比偏高時，硼對粗大粒狀貝氏體形成的促進作用偏強，而氮通過 VN粒子誘導晶內鐵素體而限制貝氏體鐵素體長大的作用偏弱，還是會產生數量較多的粗大 粒狀貝氏體，而不能抑制M-A島引起的局部脆化現象。因此，除了應將所述可高熱輸入焊接 的增氮鋼中的硼含量與氮含量控制在上述範圍以外，還必須將其中硼含量與氮含量的配比 控制在0. 010 ^ 2N-15B彡0. 018的範圍內。本發明具有如下優點1、本發明所述的可高熱輸入焊接的硼氮複合微合金鋼，在熱輸入為45 SOKj/ cm、對應的t8/5為30 IOOs的條件下經過焊接後，近縫區的顯微組織主要由晶內鐵素體、 粒狀貝氏體和晶界鐵素體M-A島構成，其中晶內鐵素體的百分含量>30%;近縫區的-40°C 卻貝衝擊功>47 J。2、本發明所述的可高熱輸入焊接的硼氮複合微合金鋼，顯微組織含有準多邊形鐵 素體和貝氏體，其中貝氏體的體積分數彡40% ；屈服強度彡550MPa、抗拉強度彡670MPa、延 伸率彡18%、-40°C卻貝衝擊功彡IOOJ03、本發明所述的可高熱輸入焊接的硼氮複合微合金鋼的製造方法，生產工藝簡 便，特別適用於要求採用高熱輸入焊接的中厚鋼板的生產。


圖1為本發明所述的可高熱輸入焊接的硼氮複合微合金鋼的金相組織是由準多 邊形鐵素體和貝氏體構成的混合組織。圖2為本發明所述的可高熱輸入焊接的硼氮複合微合金鋼在焊接熱輸入為30Kj/ cm(對應的t8/5為15s)時，近縫區形成由晶內鐵素體(針狀或塊狀)、晶界鐵素體和粒狀貝 氏體構成的混合組織。圖3為當所述的可高熱輸入焊接的硼氮複合微合金鋼在焊接熱輸入由30Kj/cm增 加到45Kj/cm(對應的t8/5為30s)時，近縫區組織形態幾乎不變，晶內鐵素體仍佔多數，晶 界鐵素體和粒狀貝氏體的數量略有增多。
圖4為本發明所述的可高熱輸入焊接的硼氮複合微合金鋼在焊接熱輸入由45Kj/ cm進一步增加到60Kj/cm(對應的t8/5為60s)時，近縫區中組織構成不變，晶界鐵素體和粒 狀貝氏體的數量增多、尺寸增大，但晶內鐵素體仍佔有相當大的比例。圖5為比較鋼1(單獨增氮、未加硼)在焊接熱輸入為60Kj/cm時，近縫區形成由 大量粗大晶界鐵素體、少量粒狀貝氏體和晶內鐵素體構成的混合組織。圖6為比較鋼2 (單獨加硼、未增氮)在焊接熱輸入為60Kj/cm時，近縫區形成由 大量粗大粒狀貝氏體和少量晶內鐵素體構成的混合組織。圖7為本發明所述可高熱輸入焊接的增氮鋼(圖7a)、比較鋼1 (圖7b，單獨增氮、 未加硼)和比較鋼2(圖7c，單獨加硼、未增氮)在焊接熱輸入為60Kj/cm時，近縫區採用著 色腐蝕顯示的M-A島形貌，說明本發明在鋼中複合添加硼和氮，與單獨加硼相比，可以使高 熱輸入焊接近縫區M-A島的數量減少、密度降低；與單獨增氮相比，可以使高熱輸入焊接近 縫區M-A島的數量減少、尺寸減小、分布更加均勻。圖8為本發明所述可高熱輸入焊接的硼氮複合微合金鋼和比較鋼近縫區-40°C卻 貝衝擊功隨熱輸入的變化趨勢，說明本發明鋼的焊接近縫區具有相對更優的低溫韌性，即 使在焊接熱輸入增加到80Kj/cm時，近縫區-40°C衝擊功仍高於47J，而比較鋼在焊接熱輸 入彡45Kj/cm時，近縫區_40°C衝擊功低於47J。
具體實施例方式以下結合具體實施例對本發明涉及的一種可高熱輸入焊接的硼氮複合微合金鋼 及製造方法作進一步的詳細描述。按本發明所述一種可高熱輸入焊接的硼氮複合微合金鋼及製造方法，試製了 3種 不同硼含量和氮含量的試驗鋼，作為實施例。試驗鋼採用150噸轉爐冶煉。冶煉和連鑄試 制時遵循以下工藝要點1、在轉爐出鋼過程中向鋼包內加複合脫氧劑並底吹氬氣進行預脫氧；2、在CAS工位，由浸漬罩內向鋼包中先加入鋁進行深脫氧，且控制鋼水中酸溶鋁 含量為< 0.015%，再加入釩氮合金，使水中的釩含量和氮含量接近目標值，並同時吹氬處 理，以提高脫氧效果和成分均勻性；3、在LF工位，先造白渣，進行深脫硫和目標成分調整，後依次餵入鈣線、鈦線和硼 線，並同時吹氬處理，使成分均勻，經取樣分析確認鋼水中各元素成分達到目標值要求後出 鋼，再送連鑄臺；4、連鑄過程採取全程保護澆注。連鑄坯的厚度規格為220mm，在3. 5米軋機上進一步將每一種試驗鋼坯軋製成 20mm和30mm兩種厚度規格的板材。軋制時遵循以下工藝要點1、鋼坯加熱溫度為1180士20°C，加熱時間為5小時；2、開軋溫度為1100 1150°C，終軋溫度為850 900°C，三種不同厚度規格試驗 鋼板總的壓下率分別為90%、86%和82%;3、經終軋後的鋼板，在ACC段的開冷溫度為770 820°C、冷卻速度為15°C /s、返 熱溫度為480 550°C ；4、鋼板出ACC後停留30S後進行熱矯。
軋後對鋼板進行一道回火處理，回火溫度為560士 10°C，三種不同厚度規格鋼板回 火時間分別為50,60和70min。3種試驗鋼的化學成分見表1。另選用兩種商業熱軋板作為比較，其化學成分也列 於表1。表1 鋼的化學成分(wt % )
權利要求
一種可以採用高熱輸入焊接的硼氮複合微合金鋼，其特徵在於，化學成分重量百分數為C0.04～0.09，Mn1.00～1.80，Si0.10～0.50，S≤0.010，P≤0.015，Mo0.10～0.30，V0.03～0.10，Ti0.005～0.030，N0.010～0.025，B0.0005～0.0025，Al≤0.015，餘量為Fe及不可避免的雜質。
2.根據權利要求1所述的硼氮複合微合金鋼，其特徵是硼含量和氮含量之間的配比 同時符合 0. 010 彡 2N-15B 彡 0. 018 與 Ti+V+ΙΟΒ 彡 4. 525N-0. 002 的要求。
3.—種權利要求1或2所述的硼氮複合微合金鋼的製造方法，其特徵在於，在工藝中控 制如下技術參數鋼的冶煉和連鑄方法在轉爐出鋼過程中向鋼包內加複合脫氧劑並底吹氬氣進行預 脫氧；在CAS工位，由浸漬罩內向鋼包中先加入鋁進行深脫氧，且控制鋼水中酸溶鋁含量為 < 0. 015%，再加入釩氮合金，使水中的釩含量和氮含量接近目標值，並同時吹氬處理，以提 高脫氧效果和成分均勻性；在LF工位，先造白渣，進行深脫硫和目標成分調整，後依次餵入 鈣線、鈦線和硼線，並同時吹氬處理，使成分均勻，經取樣分析確認鋼水中各元素成分達到 目標值要求後出鋼，再送連鑄臺；連鑄過程採取全程保護澆注；鋼的軋制鋼坯在均熱爐內的加熱溫度為1150 1200°C，加熱時間為4 8小時；開 軋溫度為1100 1150°C，終軋溫度為850 900°C，總的壓下率為70% 90% ；經終軋後 的鋼板，在ACC段的開冷溫度為770 820°C、冷卻速度為10 30°C /s、返熱溫度為480 5500C ；鋼板出ACC後停留30S後進行熱矯；對軋態鋼板進行一道回火處理，回火溫度為550 600°C，回火時間為Imin/mmX板厚 (mm)+30mino
全文摘要
一種可以採用高熱輸入焊接的硼氮複合微合金鋼及製造方法，屬於微合金鋼技術領域。鋼的化學成分為C0.04～0.09，Mn1.00～1.80，Si0.10～0.50，S≤0.010，P≤0.015，Mo0.10～0.30，V0.03～0.10，Ti0.005～0.030，N0.010～0.025，B0.0005～0.0025，Al≤0.015，餘量為Fe及不可避免的雜質，鋼中硼含量和氮含量之間的配比同時符合0.010≤2N-15B≤0.018與Ti+V+10B≥4.525N-0.002，採用電爐或轉爐冶煉、爐外精煉、連鑄、軋制和回火處理的工藝路線來組織生產。優點在於，鋼屈服強度≥550MPa、抗拉強度≥670MPa、延伸率≥18％、-40℃卻貝衝擊功≥200J；在焊接熱輸入為45～80kj/cm時，近縫區-40℃卻貝衝擊功≥47J；並且工藝簡便。
文檔編號C22C38/14GK101967604SQ20101053693
公開日2011年2月9日 申請日期2010年11月5日 優先權日2010年11月5日
發明者劉利剛, 楊才福, 柴鋒, 潘濤, 王玉輝, 王青峰, 蘇航, 薛東妹 申請人:鋼鐵研究總院