專利名稱：一種低成本大線能量焊接高強度高韌性鋼板的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種低合金高強度鋼，尤其涉及一種低成本大線能量焊接高強度高韌性鋼板。
背景技術：
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 Zone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不同程度的添加有Ni，Mo, Nb, V等貴金屬元素， 如中國專利CN200410017255. 5和中國專利CN200580012110. 9在合金鋼中添加了大量的 Ni，Mo，Nb，V等貴金屬元素，這些貴金屬元素雖然在一定程度上能夠提高大線能量焊接用鋼板的焊接性能，但是這些貴重金屬大大提高了生產成本；在焊接線能量方面，現有的大線能量焊接用鋼板中焊接線能量都較低，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低成本大線能量焊接高強度高韌性鋼板，該鋼板化學成分簡單，屈服強度和抗拉強度高，在200-400kJ/cm大線能量焊接的條件下，鋼板HAZ 的-20°C平均沖擊功達到200J以上。—種低成本大線能量焊接高強度高韌性鋼板，以下均按重量百分比計，含有 0. 06% < C 彡 0. 15%、0. 05% < Si 彡 0. 25%、1. 30% 彡 Mn < 1. 80%、P < 0. 01%、S < 0. 005%、 0. 02% < Al 彡 0. 10%,0. 006% 彡 N 彡 0. 02%,0. 005% < Ti 彡 0. 02%,其余量為 Fe 和不可避免的雜質，同時上述化學成分滿足Ti/N ^ 3. 42 ；
所述鋼板厚度為20-40mm，屈服強度達到400MPa以上，抗拉強度500MPa以上，適合焊接線能量在200-400kJ/cm范圍內的高強度高韌性鋼板，鋼板HAZ的_20°C平均沖擊功在200J 以上。本發明一種低成本大線能量焊接高強度高韌性鋼板的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 (熱機械控制加工)+水中加速冷卻一鋼板。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. 15%， 因此將鋼中碳的添加量控制在0. 06% < C^ 0. 15%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% < Si ^ 0. 25%。(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. 3%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. 3% ^ Mn < 1.8%之間可得到焊接性能優異的鋼板。(4)鋼中磷的含量較高(》0. 1%)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P < 0.01%。(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S < 0. 005%。(6)鋁是本發明中的關鍵元素之一，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，鋼中鋁的添加量與氮的含量有一定的相關性。通常鋼中氮的含量越高，鋁的含量尤其是酸溶鋁的含量也應該相應地提高，故鋁的添加量比傳統的微合金鋼要略高一些，鋼中鋁的含量要控制在一定范圍內，控制在0. 02% < Al ^ 0. 10%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，鈦的加入量控制在0. 005% < Ti ^ 0. 02%。(8)氮是本發明中的關鍵元素之一。通常情況下，煉鋼原材料中都不同程度地含有一定量的氮，其范圍在0.002-0. 004%之間。在Ti含量一定的情況下，增加N含量可以使焊接過程中TiN的固溶溫度從原來的1400°C以下提高到1450°C以上。TiN固溶溫度的提高能夠極大的抑制焊接熱影響區奧氏體晶粒的高溫長大，從而提高HAZ的強度和韌性。在Ti 含量固定，N含量較低的情況下，TiN的固溶溫度會降低到1400°C以下。在焊接的過程中， TiN粒子會固溶到奧氏體中從而導致奧氏體晶粒的粗大化，就起不到“釘扎”細化奧氏體晶粒的作用，焊接后的韌性自然就很差。但N的含量也不宜過高，否則在焊接過程中，由于鋼中出現多余的“自由氮”，這將大大降低鋼的大線能量焊接HAZ韌性。因此，氮的加入量可控制在 0. 006% ^ N ^ 0. 02%。(9)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%，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。本發明具有以下有益效果鋼板屈服強度達到400MPa以上，抗拉強度500MPa以上，且厚度在40mm以內，該鋼板適合線能量在200-400kJ/cm范圍內的大線能量焊接，有益效果包括以下3個方面
(1)鋼板的大線能量焊接HAZ低溫韌性優異。鋼板在焊接線能量為400kJ/cm，峰值溫度1400°C，高溫停留時間3s，且t8/5冷卻時間為383s的焊接熱模擬條件下，鋼板的HAZ 在_20°C條件下的平均沖擊功高達200J以上，這表明采用本發明生產的鋼板具有非常優異的大線能量焊接低溫韌性。(2)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，通過提高鋼中氮的含量，大大提高了鋼板的大線能量焊接熱影響區低溫韌性，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。


圖1為本發明實施例中所采用的軋制工藝流程； 圖2為本發明實施例中所采用的焊接熱循環曲線。
具體實施例方式
表1列出本發明實施例中1 Γ6#鋼坯鋼(錠)的化學成分，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 ( 3. 42。本發明一種低成本大線能量焊接高強度高韌性鋼板的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 (熱機械控制加工)+水中加速冷卻一鋼板。鋼坯或鋼錠再加熱溫度和軋制工藝參數為鋼坯或鋼錠再加熱溫度110(T1200°C，保溫時間廣2小時，開軋溫度 90(Tl070°C，在未再結晶溫度(Non-recrystallization temperature 簡稱為 Tnr)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，最后在水中加速冷卻，具體軋制工藝路線參見圖1。在實施例中依據表2 的軋制工藝參數加工，最終制得厚度在20-40mm的鋼板，鋼板的力學性能見表2。
Hi 坯(■) + ·學成分
權利要求
1. 一種低成本大線能量焊接高強度高韌性鋼板，其特征是以下均按重量百分比計，含有0· 06% < C ≤ 0. 15%、0· 05% < Si ≤ 0. 25%、1. 30% ≤ Mn < 1. 80%、P < 0. 01%、S < 0. 005%、0. 02% < Al ≤ 0. 10%、0. 006% ≤ N ≤ 0. 02%、0. 005% < Ti ≤ 0. 02%,其余量為 Fe 和不可避免的雜質，同時上述化學成分滿足Ti/N ^ 3. 42 ；所述鋼板厚度為20-40mm，屈服強度達到400MPa以上，抗拉強度500MPa以上，適合焊接線能量在200-400kJ/cm范圍內的高強度高韌性鋼板，鋼板HAZ的_20°C平均沖擊功達到 200J以上。
全文摘要
一種低成本大線能量焊接高強度高韌性鋼板，按重量百分比計，含有0.06%＜C≤0.15%、0.05%＜Si≤0.25%、1.30%≤Mn＜1.80%、P＜0.01%、S＜0.005%、0.02%＜Al≤0.10%、0.006%≤N≤0.02%、0.005%＜Ti≤0.02%，同時成分滿足Ti/N≤3.42；鋼板厚度為20-40mm，屈服強度達到400MPa以上，抗拉強度500MPa以上，適合焊接線能量在200-400kJ/cm范圍內的高強度高韌性鋼板，鋼板HAZ的-20oC平均沖擊功在200J以上。本發明通過提高鋼中氮的含量，大大提高了鋼板的大線能量焊接熱影響區低溫韌性。
文檔編號C22C38/14GK102251173SQ20101017310
公開日2011年11月23日 申請日期2010年5月17日 優先權日2010年5月17日
發明者張國民, 張所全, 王巍, 王煥榮 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司