CN104884661A - 焊接热影响区韧性优异的高强度奥氏体类钢材及其制备方法 - Google Patents

焊接热影响区韧性优异的高强度奥氏体类钢材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种焊接热影响区韧性优异的高强度奥氏体类钢材及其制备方法。本发明的一实施方式提供一种以重量％计，包含0.8-1.5％C、15～22％Mn、5％以下Cr(0除外)，余量的Fe及其它不可避免的杂质，并且进一步包含下述(a)及(b)中的一种以上，并且焊接热影响区的微细组织以体积分数包含90％以上的奥氏体的焊接热影响区韧性优异的高强度奥氏体类钢材及其制备方法。其中，(a)为0.1～1％Mo及0.001～0.02％B，(b)为0.01～0.3％Ti及0.003～0.1％N。

Description

焊接热影响区韧性优异的高强度奥氏体类钢材及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种焊接热影响区韧性优异的高强度奥氏体类钢材及其制备方法。
背景技术
奥氏体类钢材因其自身具有的加工硬化性、非磁性等性质而可以以多种用途使用。尤其是随着目前主要使用的以铁素体或马氏体为主要组织的碳钢的性能显示出局限性，奥氏体类钢材作为克服它们缺点的替代品的使用呈增加的趋势。
奥氏体类钢材的使用领域有线性电动机车轨道、聚变反应堆等超导应用装置及普通电装置的非磁性结构用材料，矿山产业的采掘，运输等重视钢材的延展性及耐磨性的工业机械领域；扩管用管道用钢材、废弃物管道用钢材、耐酸(sour)钢材等要求延展性、耐磨性及耐氢脆化特性的油及气体产业(Oil and Gas Industries)中的采掘、运输及储存领域等，在这些工业领域中，对奥氏体类钢材的需求正在不断增加。
现有的具代表性的奥氏体类钢材有奥氏体类不锈钢AISI304(18Cr-8Ni类)。但是，上述钢材由于屈服强度低，因此存在不能用作结构材料的问题，并且大量含有价格昂贵的元素Cr、Ni等而具有非经济性，因此，在其用途及使用方面存在局限性。
此外，为了将上述奥氏体类钢材的组织维持为奥氏体，锰含量和碳含量会增加，尤其是为了维持高强度，碳含量高的同时Cr含量会非常高。在这种情况下，沿着奥氏体粒界，在高温下会形成网状的碳化物，从而会降低钢材的物理性质，尤其会使延展性急剧下降。而且，不仅是在基底金属中形成所述碳化物，在通过高温加热后进行冷却的热影响部上的碳化物的形成会更加严重，从而会使焊接部的韧性显著下降。
为了抑制网状的碳化物的析出，公开了在高温下进行熔体化处理或通过在热间加工后急速冷却至常温来制备高锰钢的方法。但是在钢材的厚度厚的情况下，通过急速冷却来抑制碳化物的效果不充分，而且不能防止受到新的累积热的焊接热影响区中的碳化物析出。
发明内容
本发明要解决的技术问题
本发明的目的在于，提供一种不仅能够解决焊接热影响区中产生的韧性降低问题，而且又能提高耐腐性的高强度奥氏体类钢材及其制备方法。
解决技术问题的技术手段
本发明的一实施方式，提供一种焊接热影响区韧性优异的高强度奥氏体类钢材，所述钢材以重量％计，包含0.8～1.5％C、15～22％Mn、5％以下Cr(0除外)，余量的Fe及其它不可避免的杂质，并且进一步包含下述(a)及(b)中的一种以上，并且焊接热影响区的微细组织以体积分数包含90％以上的奥氏体；
其中，(a)为0.1～1％Mo及0.001～0.02％B，
(b)为0.01～0.3％Ti及0.003～0.1％N。
本发明的另一实施方式提供一种焊接热影响区韧性优异的高强度奥氏体类钢材的制备方法，所述焊接热影响区韧性优异的高强度奥氏体类钢材的制备方法包括以下步骤：对以重量％计，包含0.8～1.5％C、15～22％Mn、5％以下Cr(0除外)，余量的Fe及其它不可避免的杂质，并且进一步包含下述(a)及(b)中的一种以上的钢坯在1050～1120℃下进行再加热；对上述进行了再加热的钢坯在950℃以上进行热间收尾轧制，从而获得热轧钢板；以及，以10℃/s以上的速度将所述热轧钢板冷却至500℃以下；
其中，(a)为0.1～1％Mo及0.001～0.02％B，
(b)为0.01～0.3％Ti及0.003～0.1％N。
发明的效果
根据本发明，提供一种焊接热影响区韧性优异的高强度奥氏体类钢材。其是通过有效控制合金成分及组成范围来控制焊接部的奥氏体晶粒尺寸，并提高奥氏体晶界稳定度，从而控制碳化物的析出，使得网状的碳化物形成得到抑制。
此外，通过添加Cr，使得所述奥氏体类钢材的耐腐蚀性得到提高，从而在腐蚀环境下也可以长时间使用。
附图说明
图1为利用药芯焊丝电弧焊(FCAW)来对钢材进行焊接时的热影响(HAZ)部的热循环的模拟图。
图2为使用光学显微镜对本发明实施例的发明例2的焊接热影响区进行观察的照片。
图3为使用光学显微镜对本发明实施例的发明例6的焊接热影响区进行观察的照片。
具体实施方式
本发明的发明人确认了为了使用奥氏体类来控制钢材组织而即使大量添加锰、碳及铬的情况下，为了避免产生因网状碳化物而引起焊接部的韧性的问题，需要适当地控制钢材的成分，从而完成了本发明。
即，为了确保奥氏体组织，添加锰、碳及铬，并为了这时钢材受到焊接等热循环时，能够使由碳引起的碳化物的生成最小化，本发明确认了通过调节根据锰含量而变化的碳含量，可以充分确保包含焊接热影响区的焊接部的韧性。此外，通过进一步添加元素来提高奥氏体晶界的稳定度或控制焊接部的奥氏体晶粒尺寸，能够积极抑制碳化物的形成，从而能够充分确保基底金属及焊接部的韧性，基于这一点而完成了本发明。
下面，对本发明进行说明。首先，对本发明钢材的合金组成进行说明。但需要注意的是，下述％在没有特别提及的情况下，均表示重量％。
碳(C)：0.8～1.5％
碳作为稳定奥氏体的元素，使得在常温下能够获得奥氏体组织。其作为重要的元素，能够增加钢材的屈服强度，尤其是固溶在奥氏体内部，从而增加加工硬化，以能够确保高的抗张强度或用于确保在奥氏体上引起的非磁性。为了确保这样的效果，所述碳的含量优选为0.8％以上。碳的含量不足0.8％时，奥氏体的稳定度会降低，因固溶碳的缺乏而难以获得高强度。与此相反，碳的含量过多时，尤其是难以抑制焊接热影响区上的碳化物的形成，因低的熔点而导致生产率下降，因此碳的含量优选控制在1.5％以下。因此，本发明中的所述碳的含量优选为0.8～1.5％的范围，为了实现高强度，进一步优选为1.0～1.5％的范围。
锰(Mn)：15～22％
锰作为起到稳定奥氏体作用的元素，是添加到如本发明的高锰钢中的最重要的元素。本发明欲获得以奥氏体作为主要组织的钢材，为此，本发明优选以15％以上包含所述锰。所述锰的含量不足15％时，奥氏体的稳定度会降低，从而难以确保充分的低温韧性。此外，锰的含量超过22％时，会有因锰的加入而导致的耐腐蚀性下降、制备工序上的困难，以及制备成本升高等问题，因降低加工硬化而存在抗张强度降低的缺点。
铬(Cr)：5％以下(0除外)
铬为对提高耐腐蚀性和强度有效的元素。本发明中，为了使奥氏体稳定，包含上述范围的锰，通常，锰会降低钢材的耐腐蚀性，尤其是在以上述范围包含锰的情况下，存在于普通钢相比耐腐蚀性差的缺点。为了解决这一问题，本发明以5％以下的含量来添加铬，从而使耐腐蚀性和强度均得到提高。但是，所述铬的含量超过5％时，会带来制备成本的升高，而且，与固溶于材料内的碳一起，沿着粒界会形成碳化物，从而会降低延展性，尤其会降低乳化物应变诱导抗裂性，并且会生成铁素体，从而难以将奥氏体确保为主要组织，因此，优选将所述铬的含量控制在5重量％以下。尤其是为了极大化耐腐蚀性的提升效果，进一步优选以2重量％以上来添加所述铬。由此，通过加入铬来提升耐腐蚀性，从而也能够广泛应用于需要耐腐蚀性的领域。
Mo：0.1～1％及B：0.001～0.02％
钼及硼作为偏析于晶界而提高晶界的低稳定度的元素，通常，起到控制因低的晶界稳定度而引起的在奥氏体晶界上大量析出碳化物的现象。钼的含量不足0.1％时，晶界稳定度不能充分得到提高，因此不能对控制碳化物的析出起到大的作用，在超过1％时，会产生制备成本的上升及根据高强度化的韧性降低，因此，所述钼的含量优选为0.1～1％的范围。与此同时，硼以不足0.001％进行添加时，晶界的稳定度不能充分得到提高，从而不能对控制碳化物的析出起到大的作用，在超过0.02％时，会根据高强度化而发生韧性降低及因BN析出而导致的脆性。因此，所述硼的含量优选为0.01～0.02％范围。
钛(Ti)：0.01～0.3％及氮(N)：0.003～0.1％
钛及氮作为在高温下形成TiN的元素，在奥氏体晶粒生长时，起到防止晶粒移动的作用。通常，Ti：N的比例小于3:1时，会形成粗大的TiN结晶，从而会对晶粒微细化造成恶劣的影响，因此优选将Ti：N的比例在3：1下，向增加N的量的方向添加。以不足0.01％来添加Ti时，由于TiN的量的减少，从而不能对阻碍晶粒生长起到大的作用，因此，优选以0.01％以上来进行添加，超过0.3％时，由于在制钢时产生氧化物，从而会降低生产率，因此，优选将其含量控制在0.3％以下。与此同时，以不足0.003％添加N时，由于TiN的量的减少，从而不能对阻碍晶粒生长起到大的作用，因此，优选以0.003％以上来进行添加，以超过0.1％来进行添加时，虽然强度会提高，但存在基底金属的延展性降低的缺点，因此，优选以0.1％以下来进行添加。
本发明钢材的剩余成分为Fe，可以包含制备工序中不可避免混入的杂质。此外，本发明的钢材由于具有如上所述的合金组成，从而能够确保优异的强度和低温韧性，但为了通过进一步抑制碳化物的形成来进一步提高上述效果，可以进一步包含2％以上的Cu。
铜(Cu)：2％以下
铜由于在碳化物内的固溶度非常低，并且在奥氏体内的扩散慢，从而具有抑制碳化物的效果。但是，以2％以上来进行添加时，会带来制备成本的上升，而且在制备时，会成为发生龟裂的原因(热脆性(hot shortness))，因此，优选将其含量控制在2％以下。
本发明的钢材为基底金属的微细组织由奥氏体构成的钢材，其焊接热影响区是以90％以上的体积分数来包含奥氏体的钢材。在所述焊接热影响区中，以不足90％的分率来形成奥氏体时，会降低耐磨性和耐冲击性。此外，所述奥氏体分率是指将碳化物作为微细组织的一种来包含的意思。即，将碳化物不包含在微细组织含量范围内时，本发明的钢材具有奥氏体单相组织。此外，本发明的钢材不只是单纯地表示钢材自身的材料，还包括以焊接的状态用于最终产品中的钢材。
此外，本发明的钢材中，所述奥氏体晶粒的尺寸优选为100μm以下(排除0)。通过上述方法对奥氏体晶粒尺寸进行微细化，从而能够提供能够析出碳化物的大量的场所，从而能够形成非网状碳化物的分散的碳化物，由此可提高韧性。所述奥氏体晶粒尺寸越细越有利于确保本发明的效果，因此，对下限值没有特别地限定。
此外，本发明提供的钢材中，优选将形成于焊接热影响区的碳化物控制在10体积％以下。所述碳化物的分率超过10体积％时，会引起因碳化物导致的焊接热影响区韧性的降低。
如上所述的本发明提供的钢材在-40℃下的焊接热影响区的沙尔皮冲击值为50J以上，屈服强度为450MPa以上，因此具有优异的焊接热影响区韧性和高强度。
下面，对本发明的奥氏体类钢材的制备方法的一个实施方式进行说明。
首先，对具有上述合金组成的钢坯在1050～1120℃下进行再加热。所述再加热温度超过1120℃时，部分钢材会熔融，不足1050℃时，碳化物不会发生熔解，从而会使冲击韧性下降。
将进行了如上所述再加热的钢坯在950℃下进行热间收尾轧制，从而获得热轧钢板。所述热间收尾轧制温度不足950℃时，会引起部分再结晶，从而会形成非均质的晶粒。此外，本发明的钢材为奥氏体类钢材，即使所述热间收尾轧制在再加热温度范围内实施，对作为目标的组织或物理性质的确保方面也不会有大的问题。因此，对所述热间收尾轧制温度的上限值没有特别地进行限定，最终，所述热间收尾可以在950～1120℃的范围内实施。
之后，将所述热轧钢板以10℃/s以上的速度冷却至500℃以下。所述冷却速度不足10℃/s或超过500℃时，因碳化物的析出会降低冲击韧性。只要所述冷却速度在10℃/s以上时，对本发明的目标组织及物理性质的确保方面不会有大的问题，因此，对其上限值没有特别地进行限定，但是因设备原因很难超过100℃/s。在500℃以下的温度范围内完成冷却停止时，能够容易地确保本发明的目标组织或物理性质，因此，对其下限值没有特别地进行限定，例如，冷却至常温后再停止也无妨。
下面，通过实施例对本发明进行更详细地说明。但是，下述实施例仅是为了更详细地说明本发明，其并不能限定本发明的权利要求保护范围。
(实施例1)
对具有下述表1中记载的化学组成的钢坯在1120℃下进行再加热后，在1100℃下开始实施粗轧，在950℃下实施收尾轧制后，以20℃/s的冷却速度冷却至常温，从而制得热轧钢板。使用图1中所示的条件对由此制得的热轧钢板实施焊接模拟。图1为利用药芯焊丝电弧焊(FCAW)，并以20KJ/cm的热输入量来对厚度为40mm的钢材进行焊接时的粗晶粒(Coarse Grain，CG)热影响(HAZ)部的热循环进行模拟的图。对由此获得的焊接热影响区(HAZ)测定微细组织和机械物理性质等后，将其结果显示在表2中。
表1
表2
从上述表1及表2中可知，满足本发明公开的合金组成的发明例1至5，通过确保焊接热影响区的奥氏体分率为90％以上，从而能够确保在-40℃下具有100J以上的优异的冲击韧性。
图2为使用光学显微镜观察的发明例2的照片，如图2中所示，可以确认发明例2的焊接热影响区包含有90％以上的奥氏体。
但是，不满足本发明公开的合金组成的比较例1及比较例2，可知随着在本发明公开的晶界上析出10％以上的碳化物，因此没有确保适量的奥氏体分率，由此使得冲击韧性降低至不足50J。
(实施例2)
将具有下述表3中记载的化学组成的钢坯在1120℃下进行再加热后，在1100℃下开始实施粗轧，在950℃下实施收尾轧制后，以20℃/s的冷却速度冷却至常温，从而制得热轧钢板。使用图1中所示的条件对由此制得的热轧钢板实施焊接模拟。对由此获得的焊接热影响区(HAZ)测定微细组织和晶粒大小、机械物理性质等后，将其结果显示在表4中。
表3
表4
如上述表3及表4可知，满足本发明公开的合金组成的发明例6至10，通过确保焊接热影响区的奥氏体分率为90％以上，因此具有100μm以下的微细晶粒，从而能够确保在-40℃下具有100J以上的优异的冲击韧性。
图3为使用光学显微镜观察的发明例6的照片，如图3中所示，可以确认发明例1的焊接热影响区包含有90％以上的奥氏体。
但是，不满足本发明公开的合金组成的比较例3及比较例4，可知它们未能确保本发明公开的奥氏体分率，此外，随着奥氏体晶粒超过100μm而生长，在晶界上析出10％以上的碳化物，由此使得冲击韧性降低至不足50J。

Claims (7)

1.一种焊接热影响区韧性优异的高强度奥氏体类钢材，其特征在于，所述高强度钢材以重量％计，包含0.8～1.5％C、15～22％Mn、5％以下Cr(0除外)，余量的Fe及其它不可避免的杂质，并且进一步包含下述(a)及(b)中的一种以上，并且焊接热影响区的微细组织以体积分数包含90％以上的奥氏体；其中，(a)为0.1～1％Mo及0.001～0.02％B，(b)为0.01～0.3％Ti及0.003～0.1％N。
2.根据权利要求1所述的焊接热影响区韧性优异的高强度奥氏体类钢材，其特征在于，所述钢材进一步包含2％以下的Cu。
3.根据权利要求1所述的焊接热影响区韧性优异的高强度奥氏体类钢材，其特征在于，所述奥氏体的晶粒尺寸为100μm以下。
4.根据权利要求1所述的焊接热影响区韧性优异的高强度奥氏体类钢材，其特征在于，所述焊接热影响区为碳化物以10％以下的体积分数形成。
5.根据权利要求1所述的焊接热影响区韧性优异的高强度奥氏体类钢材，其特征在于，所述焊接热影响区在-40℃的沙尔皮冲击值为50J以上。
6.根据权利要求1所述的焊接热影响区韧性优异的高强度奥氏体类钢材，其特征在于，所述钢材的屈服强度为450MPa以上。
7.一种焊接热影响区韧性优异的高强度奥氏体类钢材的制备方法，其特征在于，所述焊接热影响区制备方法包括以下步骤：对以重量％计，包含0.8～1.5％C、15～22％Mn、5％以下Cr(0除外)，余量的Fe及其它不可避免的杂质，并且进一步包含下述(a)及(b)中的一种以上的钢坯在1050～1120℃下进行再加热；对上述进行了再加热的钢坯在950℃以上进行热间收尾轧制，从而获得热轧钢材；以及，以10℃/s以上的速度将所述热轧钢材冷却至500℃以下；其中，(a)为0.1～1％Mo及0.001～0.02％B，(b)为0.01～0.3％Ti及0.003～0.1％N。
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