CN108677088B - 一种大线能量焊接用低碳贝氏体钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种大线能量焊接用低碳贝氏体钢板及其制造方法，钢的组分按重量百分比为C=0.04~0.09，Si≤0.10，Mn=1.00~1.80，P≤0.012，S≤0.002，Als=0.006~0.020，Ni≥0.80，Cu=0.10~0.30，Nb=0.008~0.015，Ti≤0.003，B=0.0060~0.0160，N=0.0080~0.0200，O≤0.0015%，余量为Fe和不可避免的杂质，上述元素含量同时满足Mn+10×C≤2.20，Ni当量≤5.0，(B‑0.77×N+Ti/5+Nb/50+Al/50)=0.0010~0.0020，其中，Ni当量=Ni+30×C+30×N+0.5×Mn+0.25×Cu。本发明钢板特别适用于热输入100~300kJ/cm的大线能量焊接，其焊后拉伸强度≥510MPa，‑40℃冲击韧性≥120J。本发明方法解决了低碳贝氏体钢大线能量焊接HAZ粗晶区韧性和软化区强度的矛盾。

Description

一种大线能量焊接用低碳贝氏体钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于低合金钢技术领域，特别涉及一种适用于焊接线能量100~300kJ/cm的低碳贝氏体钢板及其制造方法。

背景技术

低碳贝氏体钢采用低碳、同时添加Mn、Mo、Cr、Ni、Cu、B等淬透性合金元素，其具有极佳的强韧性匹配和优良的焊接性能，广泛应用于船舶、海工、桥梁、高建、管线、工程机械等领域。为提高低碳贝氏体钢的焊接施工效率，降低成本，采用气电立焊、电渣焊等大线能量焊接方法，日益受到关注。然而，传统的低碳贝氏体钢在线能量大于100kJ/cm情况下高效焊接时，由于焊接热影响区组织的过度粗化，以及容易形成粗大的侧板条铁素体、魏氏体、上贝氏体、M/A岛等异常组织，焊接接头的韧性将严重下降。

目前，国内外对大线能量焊接的组织脆化问题已进行了大量机理研究，提出了一些提高热影响区（HAZ）韧性的方法。如日本专利特公昭55-026164、中国专利CN101153370B等，其机理是以TiN抑制热影响区奥氏体晶粒的长大，但是钢水中较多的Ti和N，将形成大尺寸的液析TiN，不仅失去了抑制晶粒长大的作用，反而可能成为裂纹萌生的起源点；当加入的Ti和N过少，在大线能量焊接的热影响高温区，未溶解的TiN粒子数量不足甚至已完全固溶，同样也失去了作用。通常利用TiN改善热影响区的韧性，线能量最大只能达到150kJ/cm的水平。为此，开发Ti-B复合添加技术，利用BN促进晶内针状铁素体的形核以及晶界上偏析的B能够抑制侧板条铁素体、魏氏体组织的形成，如日本专利特公昭59-2733、中国专利CN1302144C等。也有辅以MnS、CaS、VN的处理技术，如日本专利特开平03-264614、中国专利CN105296855B等。而日本专利特开昭61-079745、特开平06-293937、美国专利US4629505、中国专利CN102191429A、CN103215507B等，采用氧化物冶金技术，利用细小的Ti、Ca、Mg等氧化物钉扎奥氏体晶界和促进晶内针状铁素体生成的作用，使大线能量焊接热输入能达到500kJ/cm甚至更高。但是工业化的冶炼过程，氧化物难以稳定控制，一旦形成大颗粒夹杂物，反而会使母材和热影响区韧性下降。

此外，大线能量焊接时，由于热影响区的高温停留时间变长，温度连续变化梯度变小，所以在低碳贝氏体钢的热影响区域中，除靠近熔合线的粗晶区更为严重之外，靠近母材的相当于进行了正火处理的软化区将扩大，从而引起低碳贝氏体钢大线能量焊接接头的软化问题。为保证焊接接头强度，若采用提高母材强度的方式，将进一步导致粗晶区的韧性下降。因此，低碳贝氏体钢的大线能量焊接应兼顾热影响区的韧性和强度。

发明内容

本发明皆在提供一种大线能量焊接用低碳贝氏体钢板及其制造方法，实现热输入100~300kJ/cm的大线能量焊接，其焊后拉伸强度≥510MPa，-40℃冲击韧性≥120J。

本发明的技术方案是：

一种大线能量焊接用低碳贝氏体钢板，钢的组分按重量百分比为C=0.04~0.09%，Si≤0.10%，Mn=1.00~1.80%，P≤0.012%，S≤0.002%，Als=0.006~0.020%，Ni≥0.80%，Cu=0.10~0.30%，Nb=0.008~0.015%，Ti≤0.003%，B=0.0060~0.0160%，N=0.0080~0.0200%，O≤0.0015%，余量为Fe和不可避免的杂质，且上述元素含量必须同时满足：Mn+10×C≤2.20%，Ni当量≤5.0%，(B-0.77×N+Ti/5+Nb/50+Al/50)=0.0010~0.0020%，其中，Ni当量=Ni+30×C+30×N+0.5×Mn+0.25×Cu。

一种大线能量焊接用低碳贝氏体钢板的制造方法，工艺流程包括KR铁水预处理脱硫→转炉冶炼→RH轻处理→LF精炼→连铸→坯料表面修磨→坯料加热→轧制→冷却，关键工艺步骤及其参数为：转炉终点[O]≤400ppm，终点温度≥1620℃，挡渣出钢；RH轻处理真空压力控制在6~8KPa，处理时间10~20min，处理结束前5~8min加入富氮锰铁，RH出站前测氮、测氧，控制[O]≤150ppm，然后喂铝线脱氧，并保证软吹时间≥5min；LF精炼后期加入硼铁，出站前软吹时间≥15min；连铸全程保护，过热度5~20℃，动态轻压下率2~5%，矫直温度控制在900~950℃；坯料加热温度≥1220℃，优选1250±10℃；粗轧结束温度≥1000℃，精轧开轧温度≤900℃，终轧温度720~760℃，精轧阶段累计压下率≥60%；轧后进行超快冷，冷却速度≥20℃/s，返红温度300~550℃，然后空冷至室温。

发明原理：本发明采用低C低Si、高N高B、控制奥氏体形成元素含量、以及微Nb、少量Cu合金化的成分设计；通过减少钢中的氧化物和硫化物，改善成分的中心偏析，以及采用低温大压下和超快冷工艺以获得缺陷较多的非平衡组织；并利用大线能量焊接HAZ粗晶区和软化区不同的相变过程，通过减少HAZ粗晶区的M/A岛，同时促进HAZ软化区的M/A岛，成功解决了大线能量焊接HAZ粗晶区韧性和软化区强度的矛盾。

具体说明如下：

在本发明钢板成分体系设计中：

C：碳对贝氏体的形貌影响颇大，对低碳贝氏体，有利于抑制侧板条铁素体、魏氏体、上贝氏体的形成。从改善低碳贝氏体钢的低温韧性和焊接性的角度，应控制较低的碳含量，但是过低的碳含量（<0.04%），不仅生产上难以稳定控制，而且会有损失强度、以及由于加快位错运动和晶界迁移而容易发生异常晶粒长大、对晶粒细化和获得非平衡缺陷组织不利等影响；当碳含量>0.09%时，除M/A岛等异常组织增加导致低温韧性和焊接性恶化之外，大线能量焊接时熔合线处δ铁素体量增加，包晶反应较多，对熔合线的强韧性不利。因此，控制碳含量在0.04~0.09%之间。

Si：硅虽然有固溶强化作用，但是硅是非碳化物形成元素，有强烈阻止过饱和铁素体脱溶的作用，能够滞缓贝氏体转变，促进M/A的形成，尤其在大线能量焊接条件下，形成的M/A岛尺寸大、分布不均匀，严重损害热影响区的韧性，因此采用极少量的硅含量，控制在0.10%以下。

Mn：锰起固溶强化作用，又有细化铁素体晶粒而改善韧性的作用，然而锰在钢水凝固过程中容易发生偏析，也能够促进贝氏体和M/A的转变，所以过高的Mn含量，当焊接线能量较小时，易形成硬脆组织M/A岛；当焊接线能量较大时，易形成粗大的上贝氏体。因此，控制Mn含量在1.00~1.80%之间，并且控制Mn+10×C≤2.20%，使碳含量较高时，控制锰含量偏下限；碳含量较低时，可以适当提高锰含量。

P和S：磷和硫是钢中的杂质元素，损害母材和热影响区的韧性，理论上要求越低越好，但考虑炼钢的可操作性和经济性，对本发明的大线能量焊接用低碳贝氏体钢，磷和硫含量分别控制在0.012%和0.002%以下。

Als和O：铝是强脱氧元素，为减少氧化物夹杂，控制氧含量≤0.0015%，为此需要足够的酸溶铝含量（≥0.006%），但是过多的铝会导致AlN的析出，因此，控制酸溶铝含量在0.006~0.020%之间。

Ni：镍是本发明中非常重要的元素，需要添加至少0.80%。镍能够韧化α-Fe，随着钢中镍含量的增加，韧脆转变温度降低，钢的低温韧性明显提高，但是镍是奥氏体形成元素，提高过冷奥氏体的稳定性，为控制大线能量焊接HAZ粗晶区和软化区的M/A岛数量，设置Ni当量的上限，Ni当量=Ni+30×C+30×N+0.5×Mn+0.25×Cu≤5.0%。

Cu：加入少量的铜，是通过ε-Cu在α-Fe中的沉淀析出，提高大线能量焊接HAZ软化区的强度，但过多的铜会促进M/A岛的生成，降低HAZ粗晶区的韧性，因此，控制铜含量在0.10~0.30%之间。

Nb：加入少量的铌，是有效发挥未再结晶的控轧效果，获得细小的带有形变带的奥氏体组织，但是铌添加量超过0.015%时，大线能量焊接条件下易诱发粗大的M/A岛，严重损害大线能量焊接HAZ粗晶区的韧性，因此，控制铌含量在0.008~0.015%之间。

Ti：钛与氮结合形成TiN，在高氮条件下，为避免TiN在钢水中液析，以及能形成更多的BN，本发明不添加Ti，只保留残存的Ti，并控制Ti含量在0.003%以下。

B和N：硼是氮化物强形成元素，假如钢中B含量与Ti、Nb、Al含量都相同时，在奥氏体中（≤1470℃），从热力学上，BN将优先析出，TiN次之，NbN和AlN再次之；并且高温下，奥氏体中B的扩散能力远大于Ti、Nb、Al等元素，从动力学上，BN在焊接热循环冷却过程中能更快析出。通常钢中硼含量比钛含量低一个数量级，表现为TiN比BN优先析出，而本发明采用高N高B，不添加Ti的成分设计，将获得大量的BN析出粒子（由于BN相对质量小，同样重量分数的B和Ti，BN的体积分数将多4~5倍），并且在熔合线附近的高温区，仍将有一定的BN粒子未溶解（0.008%的B和0.01%的N，全固溶温度将接近于钢的熔点温度），能够起到钉扎奥氏体晶界的作用。此外，由于BN粒子与铁素体具有低能位向关系，BN粒子能够成为针状铁素体形核的有效位置，促进针状铁素体在奥氏体晶内形核，从而进一步细化HAZ组织。因此，本发明设计B含量在0.006~0.016%之间，N含量在0.008~0.020%之间。进一步地，硼是淬硬性元素，0.001%左右的固溶B，在奥氏体晶界偏聚时，即能强烈抑制铁素体在晶界上形核，从而改善大线能量焊接HAZ的韧性；而且钢中存在自由氮时，尤其在大线能量焊接条件下，将严重损害HAZ的韧性，因此，对B和N的关系要求为(B-0.77×N+Ti/5+Nb/50+Al/50)=0.001~0.002%，使N完全析出后，能剩余0.001~0.002%左右的固溶B。

本发明的低碳贝氏体钢大线能量焊接时能够兼顾HAZ韧性和强度的机理：（1）低C、低Si、高Ni的成分设计，以及减少钢中的氧化物和硫化物，改善成分的中心偏析等对提高HAZ的韧性有利；（2）BN粒子能够起到钉扎奥氏体晶界、促进针状铁素体在奥氏体晶内形核的作用，以及奥氏体晶界上偏聚的B有抑制异常组织形成的作用，从而尤其对提高HAZ粗晶区的韧性有利；（3）缺陷较多的非平衡组织在大线能量焊接快速加热情况下，有利于奥氏体化晶粒的细化，甚至由于出现组织遗传现象而形成非等轴的奥氏体组织，也有利于改善HAZ粗晶区的韧性；（4）通过控制奥氏体形成能力以及对M/A生成有较大影响的Si含量，结合大线能量焊接HAZ粗晶区和软化区不同的热履历和CCT曲线，如图1所示，粗晶区相比于软化区，冷却速度较快，CCT曲线右移，使粗晶区主要发生贝氏体相变，而软化区先发生扩散型铁素体相变，然后更多碳和合金元素扩散至剩余的奥氏体晶粒内，促进硬化相M/A岛的生成，从而提高软化区的强度；（5）超快冷抑制了部分ε-Cu的正常沉淀析出，使其在大线能量焊接后的冷却过程沉淀析出，也能提高软化区的强度。

本发明的有益效果是：

（1）本发明所述的大线能量焊接用低碳贝氏体钢板，特别适用于热输入100~300kJ/cm的大线能量焊接，其焊后拉伸强度≥510MPa，-40℃冲击韧性≥120J。成功解决了低碳贝氏体钢大线能量焊接HAZ粗晶区韧性和软化区强度的矛盾；

（2）相比于要获得足够数量且足够细小的氧化物、硫化物、或TiN粒子，本发明采用的BN粒子更容易被稳定控制，而且Ti、Ca、Mg等元素加入至钢水中时，会发生剧烈反应，造成钢水的喷溅和二次氧化；

（3）本发明采用较高的N含量，所以在炼钢过程中，可以用底吹氮气替代底吹氩气来搅拌钢液，均匀温度和成分、加速渣-钢反应、去除夹杂物，从而降低炼钢成本。

附图说明

图1为本发明低碳贝氏体钢大线能量焊接时HAZ粗晶区和软化区的相变过程示意图。

图2为实施例1钢在热输入为250kJ/cm时HAZ粗晶区的金相组织照片。

图3为实施例1钢在热输入为250kJ/cm时HAZ软化区的金相组织照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种大线能量焊接用低碳贝氏体钢板及其制造方法，钢的组分重量百分比为C=0.05%，Si=0.06%，Mn=1.56%，P=0.009%，S=0.0015%，Als=0.012%，Ni=0.90%，Cu=0.20%，Nb=0.010%，Ti=0.002%，B=0.0082%，N=0.0105%，O=0.0010%，余量为Fe和不可避免的杂质。其中，Mn+10×C=2.06%，Ni当量=Ni+30×C+30×N+0.5×Mn+0.25×Cu=3.5%，(B-0.77×N+Ti/5+Nb/50+Al/50)=0.0014%。

工艺流程包括KR铁水预处理脱硫→转炉冶炼→RH轻处理→LF精炼→连铸→坯料表面修磨→坯料加热→轧制→冷却；关键工艺参数为：转炉终点[O]=350ppm，终点温度1632℃，挡渣出钢；RH轻处理真空压力7.2KPa，处理时间14min，处理至8min时加入100kg富氮锰铁，RH出站前测氮、测氧，[O]=115ppm，[N]=0.0094%，然后喂60m铝线脱氧，之后进行软吹，软吹时间7min；LF精炼后期加入80kg硼铁，出站前软吹时间18min；连铸全程保护，过热度10~12℃，动态轻压下率4%，矫直温度控制在930℃±10℃；坯料加热温度1255℃；粗轧结束温度1090℃，精轧开轧温度830℃，终轧温度740℃，精轧阶段累计压下率70%；轧后进行超快冷，冷却速度28.5℃/s，返红温度350~400℃，然后空冷至室温。

对本实施例钢板进行热输入250kJ/cm的气电立焊，焊后拉伸强度为534MPa，热影响区靠熔合线2mm处-40℃冲击功平均值为135J，靠熔合线10mm处-40℃冲击功平均值为212J。对HAZ粗晶区和软化区的微观组织进行观察，分别如图2和图3所示，粗晶区金相组织由贝氏体+少量铁素体和M/A岛组成，软化区金相组织由铁素体基体+贝氏体+弥散分布的M/A岛组成。

实施例2

一种大线能量焊接用低碳贝氏体钢板及其制造方法，钢的组分重量百分比为：C=0.06%，Si=0.07%，Mn=1.36%，P=0.010%，S=0.0012%，Als=0.018%，Ni=1.20%，Cu=0.12%，Nb=0.009%，Ti=0.002%，B=0.0098%，N=0.0120%，O=0.0008%，余量为Fe和不可避免的杂质。其中，Mn+10×C=1.96%，Ni当量=Ni+30×C+30×N+0.5×Mn+0.25×Cu=4.1%，(B-0.77×N+Ti/5+Nb/50+Al/50)=0.0017%。

工艺流程包括KR铁水预处理脱硫→转炉冶炼→RH轻处理→LF精炼→连铸→坯料表面修磨→坯料加热→轧制→冷却；关键工艺参数为：转炉终点[O]=332ppm，终点温度1639℃，挡渣出钢；RH轻处理真空压力6.9KPa，处理时间12min，处理至6min时加入120kg富氮锰铁，RH出站前测氮、测氧，[O]=106ppm，[N]=0.0111%，然后喂80m铝线脱氧，之后进行软吹，软吹时间8min；LF精炼后期加入100kg硼铁，出站前软吹时间16min；连铸全程保护，过热度9~12℃，动态轻压下率4%，矫直温度控制在925℃±10℃；坯料加热温度1250℃；粗轧结束温度1105℃，精轧开轧温度830℃，终轧温度745℃，精轧阶段累计压下率70%；轧后进行超快冷，冷却速度30℃/s，返红温度380~420℃，然后空冷至室温。

对本实施例钢板进行热输入300kJ/cm的气电立焊，焊后拉伸强度为521MPa，热影响区靠熔合线2mm处-40℃冲击功平均值为138J，靠熔合线10mm处-40℃冲击功平均值为197J。

Claims (3)

1.一种大线能量焊接用低碳贝氏体钢板，其特征在于，钢的组分重量百分比为C=0.04~0.09%，Si≤0.10%，Mn=1.00~1.80%，P≤0.012%，S≤0.002%，Als=0.006~0.020%，Ni≥0.80%，Cu=0.10~0.30%，Nb=0.008~0.015%，Ti≤0.003%，B=0.0060~0.0160%，N=0.0080~0.0200%，O≤0.0015%，余量为Fe和不可避免的杂质，且Mn+10×C≤2.20%，Ni当量≤5.0%，(B-0.77×N+Ti/5+Nb/50+ Al/50)=0.0010~0.0020%，其中，Ni当量=Ni+30×C+30×N +0.5×Mn+0.25×Cu；关键工艺步骤及其参数为：转炉终点[O]≤400ppm，终点温度≥1620℃，挡渣出钢；RH轻处理真空压力控制在6~8kPa，处理时间10~20min，处理结束前5~8min加入富氮锰铁，RH出站前测氮、测氧，控制[O]≤150ppm，然后喂铝线脱氧，并保证软吹时间≥5min；LF精炼后期加入硼铁，出站前软吹时间≥15min；连铸全程保护，过热度5~20℃，动态轻压下率2~5%，矫直温度控制在900~950℃；坯料加热温度≥1220℃；粗轧结束温度≥1000℃，精轧开轧温度≤900℃，终轧温度720~760℃，精轧阶段累计压下率≥60%；轧后进行超快冷，冷却速度≥20℃/s，返红温度300~550℃，然后空冷至室温。

2.根据权利要求1所述的大线能量焊接用低碳贝氏体钢板的制造方法，工艺流程包括KR铁水预处理脱硫→转炉冶炼→RH轻处理→LF精炼→连铸→坯料表面修磨→坯料加热→轧制→冷却，其特征在于关键工艺步骤及其参数为：转炉终点[O]≤400ppm，终点温度≥1620℃，挡渣出钢；RH轻处理真空压力控制在6~8kPa，处理时间10~20min，处理结束前5~8min加入富氮锰铁，RH出站前测氮、测氧，控制[O]≤150ppm，然后喂铝线脱氧，并保证软吹时间≥5min；LF精炼后期加入硼铁，出站前软吹时间≥15min；连铸全程保护，过热度5~20℃，动态轻压下率2~5%，矫直温度控制在900~950℃；坯料加热温度≥1220℃；粗轧结束温度≥1000℃，精轧开轧温度≤900℃，终轧温度720~760℃，精轧阶段累计压下率≥60%；轧后进行超快冷，冷却速度≥20℃/s，返红温度300~550℃，然后空冷至室温。

3.根据权利要求2所述的大线能量焊接用低碳贝氏体钢板的制造方法，其特征在于：坯料加热温度为1250±10℃。

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