本發(fā)明屬于冶金
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種大線能量焊接用高強(qiáng)船板鋼及其制造方法，具體的說是一種60mm厚E40級(jí)別TMCP態(tài)低成本大線能量焊接用高強(qiáng)船板鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
：大線能量焊接用鋼應(yīng)用廣泛，比如，在造船行業(yè)中，使用普通船板的造船效率僅為高熱輸入焊接用船板的四分之一。國內(nèi)無法生產(chǎn)時(shí)只能從國外進(jìn)口，但價(jià)格昂貴。大線能量焊接方法是最為實(shí)用的提高焊接施工效率和降低成本的方式，《2006～2020年中國鋼鐵工業(yè)科學(xué)與技術(shù)發(fā)展指南》提出，高熱輸入焊接用鋼是我國鋼鐵行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的目標(biāo)之一，具有廣闊的市場前景。當(dāng)焊接熱輸入大于50kJ/cm稱為大線能量焊接，傳統(tǒng)鋼板在焊接熱輸入大于50kJ/cm情況下，由于焊接熱影響區(qū)組織的過度粗化，焊接接頭的力學(xué)性能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重下降，甚至低于母材鋼板的標(biāo)準(zhǔn)要求，研究開發(fā)滿足大線能量焊接用鋼是解決大線能量焊接熱影響區(qū)低溫韌性惡化的有效途徑。已有的大線能量焊接用鋼板專利文獻(xiàn)，如CN1946862A、CN1338528A、CN101050502A、CN101050504A都含有合金元素Nb，其主要目的是提高母材鋼板的強(qiáng)度和韌性，成本高。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提出一種TMCP態(tài)低成本大線能量焊接用高強(qiáng)船板鋼及其制造方法，在鋼的化學(xué)成分中不用加Nb，采用V、Ni微合金化元素提高鋼的強(qiáng)度和韌性，產(chǎn)品在保證大線能量焊接的前提下強(qiáng)度達(dá)到510MPa以上，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)節(jié)奏快，具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。本發(fā)明解決以上技術(shù)問題的技術(shù)方案是：一種TMCP態(tài)低成本大線能量焊接用高強(qiáng)船板鋼，其化學(xué)成分重量百分比為：C：0.04～0.12％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.10～1.70％，P：≤0.020％，S：≤0.0030％，V：0.030～0.060％，Alt：0.005～0.060％，Ceq：0.32～0.41％，Ti：0.005～0.030％，Ca：0.0005～0.0040％，Ni：0.05～0.40％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明較為優(yōu)選的化學(xué)成分重量百分比為：C：0.060％，Si：0.24％，Mn：1.52％，P：0.008％，S：0.001％，V：0.030％，Alt：0.022％，Ceq：0.36％，Ti：0.012％，Ca：0.0008％，Ni：0.33％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。化學(xué)成分是影響連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量與鋼板性能的關(guān)鍵因素之一，本發(fā)明為了使所述鋼獲得優(yōu)異的綜合性能，對所述鋼的化學(xué)成分進(jìn)行了限制，原因在于：⑴碳是鋼中最重要的元素，同時(shí)也是最便宜的元素之一。碳是強(qiáng)間隙固溶元素，在鋼中加入碳可對鋼有著顯著的間隙固溶強(qiáng)化作用，從而提高低合金高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度，并且對鋼的強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大。碳與鋼中的微合金元素(Nb、Ti、V等)結(jié)合形成碳化物，尤其是在奧氏體中形成細(xì)小、彌散分布的碳化物夾雜，起到晶粒細(xì)化和沉淀強(qiáng)化的作用，提高鋼的硬度和強(qiáng)度。鋼中含碳量增加時(shí)，屈服和抗拉強(qiáng)度升高，但塑性和沖擊韌性會(huì)降低，其焊接性能也會(huì)受損。為了適應(yīng)大線能量焊接，改善鋼材的韌性，適當(dāng)減少低合金高強(qiáng)度鋼的含碳量，可以提高鋼板的低溫沖擊韌性和焊接性能。用于焊接的低合金結(jié)構(gòu)鋼，含碳量一般不超過0.20％。碳含量降低到0.10％以下，甚至更低，可以有效改善大線能量焊接熱影響區(qū)的韌性，降低鋼的焊接裂紋敏感性。低合金高強(qiáng)度鋼中采用低碳化設(shè)計(jì)，必然會(huì)造成強(qiáng)度損失。為了確保大線能量焊接用鋼在低碳的前提下仍具有高強(qiáng)度，需要采用合理的微合金化處理，通過添加微合金化元素來提高強(qiáng)度。所以本發(fā)明碳含量限定在0.04～0.09％。⑵錳是弱的碳化物形成元素，除少數(shù)溶于滲碳體外，幾乎都溶于鐵素體和奧氏體中，提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強(qiáng)度，通常增加錳含量來彌補(bǔ)因降低碳含量造成的部分強(qiáng)度損失。錳可以明顯降低轉(zhuǎn)變溫度,強(qiáng)烈降低晶界鐵素體開始轉(zhuǎn)變溫度，促進(jìn)針狀鐵素體的形成。錳還是良好的脫氧劑和脫硫劑，常同硅、鈦一起加入進(jìn)行復(fù)合脫氧，形成具有較高硫容量的復(fù)合夾雜，有效誘導(dǎo)晶內(nèi)針狀鐵素體形核。錳與硫形成熔點(diǎn)較高的MnS，可防止形成FeS而產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象。另外錳會(huì)增加鋼晶粒粗化的傾向、回火脆性敏感性和過熱敏感性。⑶硅能溶于鐵素體和奧氏體中從而提高鋼的硬度和強(qiáng)度，彌補(bǔ)降低碳含量造成的部分強(qiáng)度損失。硅在鋼水中有很好的脫氧作用,是良好的脫氧劑。用鋁脫氧時(shí)酌加一定量的硅，能顯著提高鋁的脫氧能力。然而硅含量過高能促進(jìn)仿晶界鐵素體形核，抑制針狀鐵素體形成，增加M-A組元含量，降低鋼的塑性和韌性,使得鋼的焊接性能降低。因此大線能量焊接用鋼的成分應(yīng)低硅化，促使微細(xì)的貝氏體和鐵素體組織形成。⑷鋁作為一種強(qiáng)氧化劑，具有很高的穩(wěn)定性，可生成細(xì)小的氧化物彌散分散在鋼中。這些氧化物能作為夾雜物形核中心，誘導(dǎo)氮化物、碳化物和硫化物的附著析出。同時(shí)，鋁還是一種強(qiáng)的定氮?jiǎng)纬杉{米級(jí)的氮化鋁析出物，提高鋼的熱穩(wěn)定性，抑制鋼在再加熱過程中的奧氏體晶粒粗化。但氮化鋁對奧氏體晶界的釘扎效應(yīng)只局限在1100℃以內(nèi)。在奧氏體分解時(shí)，鋁的復(fù)合夾雜能有效地誘導(dǎo)針狀鐵素體形核，細(xì)化晶粒并且提高韌性。在鋼中添加適量的鋁，熱影響區(qū)中M-A島數(shù)量減少，其平均長度降低，并且M-A中殘余奧氏體數(shù)量增加，從而提高熱影響區(qū)的韌性。當(dāng)鋁含量較高時(shí)，鋁的氧化物夾雜聚集團(tuán)簇，形成粗大的粒子，容易形成裂紋源。同時(shí)，鋁濃度增加能使鋼中形成不利的組織結(jié)構(gòu)，如促使鋼中形成側(cè)板條鐵素體組織,降低鋼的韌性。⑸鈮是典型的析出強(qiáng)化元素，和碳、氮有著強(qiáng)烈的親和力。常溫時(shí)，鋼中的鈮大部分都是以碳化物、氮化物、碳氮化物形式存在。適量的鈮元素可以形成細(xì)小彌散的第二相粒子，在軋制過程中有非常好的細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化效果。這些細(xì)小的第二相粒子還能在焊接過程中釘扎奧氏體晶粒，抑制晶粒粗化。部分鈮能固溶于奧氏體基體中，偏析在奧氏體晶界，通過溶質(zhì)拖曳效應(yīng)抑制奧氏體晶界移動(dòng)來限制晶粒的長大，細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度和韌性。同時(shí)，鈮對熱影響區(qū)的組織和M-A組元的形態(tài)特征有顯著作用。但是鈮會(huì)導(dǎo)致第二相粒子粗大而失去抑制晶粒粗化的作用，還會(huì)抑制鐵素體轉(zhuǎn)變，促進(jìn)粒狀貝氏體的形成,導(dǎo)致韌性嚴(yán)重惡化。所以本發(fā)明不加鈮。⑹釩和碳、氮等元素有極強(qiáng)的親和力，在鋼中主要以碳化物和氮化物的形式存在，可以通過析出強(qiáng)化來提高強(qiáng)度。在奧氏體中析出的VN能夠抑制奧氏體晶粒長大。在鐵素體區(qū)析出的VN，可以增加晶內(nèi)鐵素體的形核核心，兩方面共同促進(jìn)晶粒細(xì)化，顯著地改善低碳低合金鋼的焊接性能。但在大線能量焊接時(shí)，釩的碳氮化物并不能充分析出。⑺鈦和氧、氮、碳都有極強(qiáng)的親和力，是一種良好的脫氧劑和固定氮和碳的有效元素。鈦的氧化物被認(rèn)為是鋼中最有效的形核夾雜，能有效地促進(jìn)針狀鐵素體形核。⑻鎳是提高鋼低溫韌性非常重要的元素。在鋼中為純固溶元素，可強(qiáng)化鐵素體基體，并且具有明顯降低韌脆轉(zhuǎn)化溫度的作用。在液態(tài)或者固態(tài)時(shí),能與鐵任意比例互溶，能抑制粗大的先共析鐵素體形成，細(xì)化鐵素體晶粒,改善鋼的低溫韌性。鎳是擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素，能影響碳與合金元素的擴(kuò)散速度，阻止珠光體形成,提高淬透性，減緩焊接時(shí)的淬硬開裂趨向。⑼硫是鋼中的有害元素，它以熔點(diǎn)較低的FeS的形式存在,容易導(dǎo)致鋼產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象，從而產(chǎn)生裂紋，鋼中的S易和Mn結(jié)合，形成MnS夾雜的層狀偏析，使板厚方向的強(qiáng)度和塑性大幅度降低，產(chǎn)生層狀撕裂,危害鋼的性能。同時(shí)，在特定條件下鋼中的MnS,與VN、TiN一起釘扎奧氏體晶粒長大和誘發(fā)晶內(nèi)鐵素體形核，有效地細(xì)化了晶粒和提高韌性。⑽磷是雜質(zhì)元素，其最大的害處是偏析嚴(yán)重，顯著降低鋼的塑性和韌性，對焊接性也有不良影響。在鋼中與銅一起作用時(shí),能提高鋼的耐大氣腐蝕性能。通過上述分析可知，不同的元素在大線能量焊接用鋼中有著不同的作用。根據(jù)元素的特征，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)型、高強(qiáng)度、高韌性和優(yōu)良焊接性的大線能量焊接用鋼。本發(fā)明的大線能量焊接用鋼成分設(shè)計(jì)的基本思路是不加鈮以保證焊接性，增加錳和微合金化元素含量提高強(qiáng)度，控制磷、硫等雜質(zhì)元素含量，有效地細(xì)化了晶粒和提高韌性，提高鋼的耐大氣腐蝕性能；采用氧化物冶金方法，形成細(xì)小彌散的微細(xì)夾雜，在焊接過程中抑制奧氏體長大和控制組織轉(zhuǎn)變，使得大線能量焊接用鋼粗晶區(qū)韌性保持在一個(gè)較好的水平。本發(fā)明采用V、Ni微合金化元素提高鋼的強(qiáng)度和韌性，不用加Nb，降低了成本。本發(fā)明TMCP態(tài)低成本大線能量焊接用高強(qiáng)船板鋼的生產(chǎn)工藝，包括以下工序：鐵水脫硫預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→RH精煉→連鑄→鑄坯檢驗(yàn)、判定→鑄坯驗(yàn)收→連鑄坯加熱→除鱗→軋制→冷卻→探傷→切割、取樣→噴印標(biāo)識(shí)→入庫；鐵水脫硫預(yù)處理后硫含量控制在S≤0.005％，轉(zhuǎn)爐冶煉控制P含量≤0.013％，LF精煉進(jìn)行夾雜物控制及合金成分調(diào)整，LF爐用Si鐵調(diào)整到適量的氧含量后，嚴(yán)格按照Ti鐵—Al線—Ca線的順序添加，且間隔時(shí)間不超過5min；RH精煉抽真空處理在高真空度≤5.0mbar條件下保持時(shí)間≥30分鐘，連鑄控制中包溫度在液相線8～22℃，連鑄坯堆垛緩冷48小時(shí)以上；連鑄坯加熱溫度為1150℃～1250℃，加熱時(shí)間為300～400min，出爐溫度為1130～1230℃；軋制采用奧氏體再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)兩階段軋制，粗軋采用道次大壓下量破碎奧氏體晶粒，道次壓下量≥30mm，粗軋開軋溫度≥1050℃，粗軋成≥2.0h倍成品厚度的中間坯，粗軋終軋溫度控制在900～1050℃，精軋開軋溫度為780～880℃，每道次壓下率為10～15％；軋后控制冷卻，采用層流冷卻，返紅溫度為600～700℃，隨后空冷。這樣，通過基于氧化物冶金技術(shù)的冶煉工藝，在鋼中形成細(xì)小化、彌散化、復(fù)合化的氧化物粒子，利用這些高溫?zé)岱€(wěn)定的細(xì)小彌散夾雜物粒子釘扎高熱輸入條件下焊接熱影響區(qū)的奧氏體晶界，細(xì)化奧氏體晶粒，同時(shí)利用這些氧化物作為晶內(nèi)針狀鐵素體IAF的形核點(diǎn)，使焊接熱影響區(qū)內(nèi)形成強(qiáng)韌性較好的IAF組織，進(jìn)而提高大線能量焊接熱影響區(qū)的韌性。本發(fā)明成分合理，鋼板綜合力學(xué)性能良好，具體表現(xiàn)為：屈服強(qiáng)度≥400MPa，抗拉強(qiáng)度≥510MPa，適合焊接線能量在150-250kJ/cm范圍內(nèi)的高強(qiáng)船板鋼，在150kJ/cm和250kJ/cm的大線能量焊接條件下，鋼板的HAZ在-40℃下的平均沖擊功在150J以上，無需熱處理，生產(chǎn)成本較低。本發(fā)明的有益效果是：⑴通過合理的采用低碳無鈮成分設(shè)計(jì)，通過基于氧化物冶金技術(shù)的冶煉工藝，在鋼中形成細(xì)小化、彌散化、復(fù)合化的氧化物粒子，利用這些高溫?zé)岱€(wěn)定的細(xì)小彌散夾雜物粒子釘扎高熱輸入條件下焊接熱影響區(qū)的奧氏體晶界，細(xì)化奧氏體晶粒。同時(shí)利用這些氧化物作為晶內(nèi)針狀鐵素體IAF的形核點(diǎn)，使焊接熱影響區(qū)內(nèi)形成強(qiáng)韌性較好的IAF組織，進(jìn)而顯著提高大熱輸入焊接熱影響區(qū)的韌性。⑵本發(fā)明采用TMCP技術(shù)結(jié)合高溫低速大壓下軋制生產(chǎn)高強(qiáng)船板鋼，無需熱處理，降低了成本，生產(chǎn)工序穩(wěn)定。附圖說明圖1為本發(fā)明實(shí)施例60mm厚E40級(jí)別大線能量焊接用高強(qiáng)船板鋼焊接HAZ粗晶區(qū)金相圖片。具體實(shí)施方式實(shí)施例實(shí)施例1-3為60mm厚E40級(jí)別大線能量焊接用高強(qiáng)船板鋼的制造方法，采用低碳無鈮、氧化物冶金工藝，添加微量元素Ni、V，同時(shí)采用控軋控冷技術(shù)。實(shí)施例1-3的主要化學(xué)成分如表1所示：表1本發(fā)明實(shí)施例的主要化學(xué)成分(wt％)實(shí)施例CSiMnPSAltVTiNiCeq實(shí)施例10.080.241.520.0080.00100.0220.0300.0120.330.36實(shí)施例20.100.201.400.0100.00180.0250.0450.0220.250.36實(shí)施例30.050.281.600.0140.00200.0400.0500.0200.280.35各實(shí)施例的軋制冷卻工藝參數(shù)如表2所示：表2軋制冷卻工藝參數(shù)實(shí)施例厚度mm粗軋終軋溫度℃精軋開軋溫度℃終軋溫度℃返紅溫度℃實(shí)施例1601081835826640實(shí)施例2601073848843580實(shí)施例3601053827833600鋼坯采用控軋控冷工藝生產(chǎn)厚度60mm的E40級(jí)別大線能量焊接用高強(qiáng)船板鋼，包括以下工序：鐵水脫硫預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→RH精煉→連鑄→鑄坯檢驗(yàn)、判定→鑄坯驗(yàn)收→連鑄坯加熱→除鱗→軋制→冷卻→探傷→切割、取樣→噴印標(biāo)識(shí)→入庫；主要工藝要點(diǎn)如下：鐵水脫硫預(yù)處理后硫含量控制在S≤0.005％，轉(zhuǎn)爐冶煉控制P含量≤0.013％，LF精煉進(jìn)行夾雜物控制及合金成分調(diào)整，LF爐用Si鐵調(diào)整到適量的氧含量后，嚴(yán)格按照Ti鐵—Al線—Ca線的順序添加，且間隔時(shí)間不超過5min；RH精煉抽真空處理在高真空度≤5.0mbar條件下保持時(shí)間≥30分鐘，連鑄控制中包溫度在液相線8～22℃，連鑄坯堆垛緩冷48小時(shí)以上；連鑄坯加熱溫度為1150℃～1250℃，加熱時(shí)間為300～400min，出爐溫度為1130～1230℃；軋制采用奧氏體再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)兩階段軋制，粗軋采用道次大壓下量破碎奧氏體晶粒，道次壓下量≥30mm，粗軋開軋溫度≥1050℃，粗軋成≥2.0h倍成品厚度的中間坯，粗軋終軋溫度控制在900～1050℃，精軋開軋溫度為780～880℃，每道次壓下率為10～15％；軋后控制冷卻，采用層流冷卻，返紅溫度為600～700℃，隨后空冷。高溫下線緩冷工藝：鋼板熱矯后置于冷床冷卻，下線溫度250～500℃，堆冷時(shí)間48小時(shí)，得到60mm的E40級(jí)別大線能量焊接用高強(qiáng)船板鋼。本實(shí)施例中，加熱溫度為1220℃，保溫時(shí)間為140min，出爐溫度為1200℃；粗軋每道次壓下量35mm，粗軋成2.2成品厚度的中間坯；精軋開軋溫度820～850℃，每道次壓下率＞10％；終冷溫度650～680℃；下線溫度440℃，鋼板下線后采用堆冷，堆冷時(shí)間48小時(shí)。按照本發(fā)明實(shí)施的鋼板力學(xué)性能如表3所示。本發(fā)明實(shí)施例鋼板綜合力學(xué)性能良好，其屈服強(qiáng)度≥400MPa，抗拉強(qiáng)度≥510MPa，適合焊接線能量在150-250kJ/cm范圍內(nèi)的高強(qiáng)船板鋼，在150和250kJ/cm的大線能量焊接條件下，鋼板的HAZ在-40℃下的平均沖擊功在150J以上，無需熱處理，生產(chǎn)成本較低。表3本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)物性能除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3