CN109023037A - 一种具有热影响区韧化特性的耐低温钢板及生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有热影响区韧化特性的耐低温钢板及生产方法，按重量百分比包含如下组分：C：0.04％～0.10％，Si：0.10％～0.35％，Mn：0.8％～1.6％，P：0.005％～0.015％，S≤0.005％，Als：0.02％～0.07％，N：0.007％～0.015％，Cu：0.15％～0.50％，Ni：0.25％～0.40％，V：0.015％～0.04％，Ti：0.005％～0.03％，Ca：0.001％～0.003％，Mg：0.0005％～0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质。优点是：获得高强高韧性组织充分满足极寒环境条件下结构用钢的综合性能。
Description
技术领域
本发明属于钢铁材料领域，尤其涉及一种适宜大热输入焊接的耐低温，用于船舶及海工结构的具有热影响区韧化特性的耐低温钢板及生产方法。
背景技术
随着造船、车辆、石油压力容器、高层建筑、桥梁等领域结构件不断向大型化、高强化和轻量化方向发展，施工成本低、效率高的大线能量焊接越来越广泛地被采用，已成为造船业高效制造的重要手段。大线能量焊接具有焊接速度快、施工道次少、效率高等优点，但伴随焊接线能量的增加，钢板焊接热影响区高温停留时间延长、相变冷却速度减慢，导致热影响区(Heat-affected zone HAZ)奥氏体晶粒急剧长大，并形成大量的侧板条铁素体组织，大大恶化焊接热影响区的韧性。如气电立焊等高效焊接工艺开始应用于结构钢的焊接。高效焊接工艺线能量可以达到500～1000kJ/cm，熔合线附近可以被加热到1400℃或更高，冷却时间相应变长，从而使粗晶热影响区(CGHAZ)晶粒粗化倾向更加显著，粗晶组织导致焊接热影响区强度和韧性急剧降低，所以深入研究大线能量焊接HAZ失效机理并找到改善HAZ韧性的对策，成为目前钢铁研究领域的热点。
多年来，人们在改善钢的焊接性方面开展了大量的研究工作。通常在大线能量焊接技术中采用两种设计思路，即抑制奥氏体晶粒长大和焊接影响区的韧化。TiN技术被首先应用于改善大线能量焊接热影响区的韧性，细小弥散分布的TiN粒子在焊接过程中能钉扎奥氏体晶界，阻止焊接热循环过程奥氏体晶粒的长大。但随着线能量的进一步提高，但是在高温过程中，TiN粒子将会因Oustwald熟化过程发生长大、重熔，从而失去对奥氏体晶粒长大的抑制作用。1990年，日本新日铁研究人员首次提出“氧化物冶金”(Oxide Metallurgy)的技术概念，为大线能量焊接用钢的发展提供了新思路。利用钢液中形成的高熔点氧化物质点，一方面阻止焊接热循环过程奥氏体晶粒长大，另一方面促进晶内针状铁素体的形核，从而有效细化大线能量焊接时热影响区组织，改善了HAZ的韧性。
在现有技术中，公开号为CN101045976A的“可超大线能量焊接低温用厚钢板及其制造方法”，在钢板热轧过程中由高Mn含量产生的组织带状、性能波动等缺陷，需要通过880～940℃，0.8～1.5h的离线正火处理加以消除，增加生产工序并妨碍生产的连续性和船板产能的提高，同时高淬透性元素的存在，不仅增加合金成本，还降低低温条件下修复补焊能力和钢板的可焊性。
陈颜堂，丁庆丰，刘惟忠等的论文“大线能量焊接用钢模拟热影响区的组织与性能”研究了实验室制备的20mm钢板在热模拟试验机上100kj/cm及以下热输入条件下的组织性能。
公开号为WO2009/072753的“一种低温韧性优良的高强度钢板”和公开号为CN101381841A的“一种高强度高韧性-50℃低温钢及其制造方法”，其涉及的最大厚度仅为40mm，无法满足大型船舶及海洋工程用厚规格钢板的材料需求。
公开号为CN101705434A的“具有超高强度和冲击韧性的船板钢及其制备方法”及公开号为CN 101701326A的“一种厚规格高强高韧船板钢及其生产方法”，采用了高Ni、Cr或Mo等合金体系，其Ceq和Pcm无法满足大线能量焊接要求。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种具有热影响区韧化特性的耐低温钢板及生产方法，通过Ca的夹杂物变性处理，Ti-Mg脱氧及对VTiN粒子长大的抑制，VTiN的夹杂物冶金等对热影响区韧化效用，所获得的高强高韧性组织充分满足极寒环境条件下结构用钢的综合力学性能；提供一种适宜高热输入量焊接的高强度、耐低温结构用钢，该钢板钢具有满足极低温条件下高强塑性、低温韧性、抗裂性以及可焊性。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种具有热影响区韧化特性的耐低温钢板，按重量百分比包含如下组分：
C：0.04％～0.10％，Si：0.10％～0.35％，Mn：0.8％～1.6％，P：0.005％～0.015％，S≤0.005％，Als：0.02％～0.07％，N：0.007％～0.015％，Cu：0.15％～0.50％，Ni：0.25％～0.40％，V：0.015％～0.04％，Ti：0.005％～0.03％，Ca：0.001％～0.003％，Mg：0.0005％～0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质。
在本发明耐低温钢中，所采用的组分作用如下：
C：是有效提高钢板强度的廉价元素，但随着碳含量的提高，则显著降低钢板的塑性、低温韧性和抗焊接裂纹敏感性。
Si：在炼钢过程中可以作为脱氧剂和还原剂，有利于钢板强度的提高，当含量超过0.5％时将促进MA岛的形成，损害焊接性和低温韧性。
Mn：适量的锰可以改善钢的强度和韧性，但过高则在铸坯中缠身偏析，进而造成轧制后难以消除的组织带状，降低钢板横向性能和抗层状撕裂性。
Al：作为钢中常用的脱氧剂，适量的铝可以细化晶粒、提高冲击韧性，当铝与N结合时，防止N在钢中固溶而产生应变时效；铝过高则使夹杂物含量增多，降低焊接性。
Cu：为奥氏体稳定化元素，适量的铜可以提高钢板的强度和耐蚀性，改善低温韧性，加入过多则易造成热脆而破坏钢板表面质量。
Ni：是有效改善低温韧性的元素，在含铜钢中加入适量的镍，可以抑制热轧过程中产生的热脆。
V：采用V-N复合添加的微合金化技术，通过利用在VNTi颗粒上形成晶内铁素体的技术，获得了明显的晶粒细化效果，在提高钢的强度同时有效的改善钢的热影响区韧性。
Ti：微量钛与钢中C、N结合，形成细小稳定的C、N化物颗粒，控制Ti/N(重量比)在2～3.5之间，在板坯加热过程中可以有效阻止奥氏体晶粒粗化；同时利用Ti-Mg复合氧化物质点的形成，在焊接过程中可以抑制焊接热影响晶粒粗化，改善基体组织和焊缝热影响区的低温韧性。
Ca：从氧化物的熔点、晶格错配度及临界形核能的观点看，增加Ca的添加量不仅会抑制粗大VTiN粒子的形成，还会促进细VTiN粒子的形成，进而细化奥氏体晶粒并促进晶间铁素体的形成，导致大线能量焊接热影响区的韧性改善。
Mg：与其它脱氧剂不同，镁与氧结合形成非常微细的析出物，这些微细析出物在钢中均匀弥散分布，避免了大颗粒氧化物夹杂物滞留钢中所产生的应力集中，降低对塑、韧性的不利影响。
一种具有热影响区韧化特性的耐低温钢板的生产方法，包括以下步骤：
1)冶炼连铸工序：包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸，其中铁水预处理后S含量小于0.003％，转炉冶炼控制渣碱度，挡渣出钢，钢渣厚度≤100mm，精炼喂硅钙线不少于5m/吨钢；喂入Ti-Mg复合包芯线不少于2m/吨钢，喂丝速度26m/min；中包钢水过热度≤30℃，全程保护浇铸；铸坯下线堆冷≥72h后再进行轧制；
2)热轧工序：板坯加热温度1120～1150℃，均热时间30～50min，板坯出炉后采用高压水除鳞；
实施三阶段控制轧制：第一阶段为再结晶区轧制，一阶段平均道次压下率≥12％，二阶段开展温度≥900℃，得到厚度为1.5～3倍成品厚度的中间坯；第三阶段开轧温度730～780℃，二、三阶段累积变形量≥50％；
3)冷却工序：轧后钢板进入层流冷却，冷却速率8～15℃/s，返红温度350～450℃。
铁水预处理、Ti-Mg脱氧、喂硅钙线实现夹杂物变性，再加入VN合金，形成弥散的VTiN粒子来抑制粗大奥氏体晶粒的形成，并且作为铁素体相变的形核质点。处于VTiN粒子周围的CaO及CaS可以改善热影响区韧性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过合理的成分设计、Ca的夹杂物变性处理、Ti-Mg脱氧及对VTiN粒子长大的抑制、VTiN的夹杂物冶金等对热影响区韧化效用，获得高强高韧性组织充分满足极寒环境条件下结构用钢的综合性能；优点是：
1.在满足船规的成分体系下，突破高熔点夹杂物内生和均匀化的关键生产工艺，实现200kJ/cm以上可大线能量焊接海工钢及配套焊材的工程化应用。
2.采用V-N-Ti复合微合金化技术，通过(Ti,V)(C,N)复合粒子对奥氏体晶粒长大的阻止和对显微组织的调控，对焊接热影响区奥氏体晶粒进行有效钉扎，阻止它们的长大，可以显著改善HAZ的韧性，使厚板可以适应大线能量焊接。
3.添加适量的Ca，不仅实现了硫化物的变性，利用其增加(Ti,V)(C,N)粒子数量及抑制粒子长大，强化了热影响区的韧性。
附图说明
图1是FH40级60mm耐低温钢在焊接线能量为200kJ/cm时的焊接接头的焊缝金相组织图。
图2是FH40级60mm耐低温钢在焊接线能量为200kJ/cm时的焊接接头的熔合线+1mm金相组织图。
图3是FH40级60mm耐低温钢在焊接线能量为200kJ/cm时的焊接接头的熔合线+2mm金相组织图。
图4是FH40级60mm耐低温钢在焊接线能量为200kJ/cm时的焊接接头的熔合线+5mm金相组织图。
图5是FH40级60mm耐低温钢在焊接线能量为200kJ/cm时的焊接接头的熔合线+10mm金相组织图。
图6是FH40级60mm耐低温钢在焊接线能量为200kJ/cm时的焊接接头的熔合线+20mm金相组织图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
一种具有热影响区韧化特性的耐低温钢板，按重量百分比包含如下组分：
C：0.04％～0.10％，Si：0.10％～0.35％，Mn：0.8％～1.6％，P：0.005％～0.015％，S≤0.005％，Als：0.02％～0.07％，N：0.007％～0.015％，Cu：0.15％～0.50％，Ni：0.25％～0.40％，V：0.015％～0.04％，Ti：0.005％～0.03％，Ca：0.001％～0.003％，Mg：0.0005％～0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质。
一种具有热影响区韧化特性的耐低温钢板的生产方法，包括以下步骤：
1)冶炼连铸工序：包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸，其中铁水预处理后S含量小于0.003％，转炉冶炼控制渣碱度，挡渣出钢，钢渣厚度≤100mm，精炼喂硅钙线不少于5m/吨钢；喂入Ti-Mg复合包芯线不少于2m/吨钢，喂丝速度26m/min；中包钢水过热度≤30℃，全程保护浇铸；铸坯下线堆冷≥72h后再进行轧制；
2)热轧工序：板坯加热温度1120～1150℃，总在炉时间为180～210min，均热时间30～50min，板坯出炉后采用高压水除鳞；
实施三阶段控制轧制：第一阶段为再结晶区轧制，一阶段平均道次压下率≥12％，二阶段开展温度≥900℃，得到厚度为1.5～3倍成品厚度的中间坯；第三阶段开轧温度730～780℃，二、三阶段累积变形量≥50％；
3)冷却工序：轧后钢板进入层流冷却，冷却速率8～15℃/s，返红温度350～450℃。
本发明实施例钢的化学成分见表1，制备方法见表2，钢板母材的常规力学性能见表3。
其中，对比1钢和对比2钢为目前生产的较为接近的钢种。
表1本发明实施例钢及对比钢化学成分
表2本发明实施例钢及对比钢制备工艺
表3本发明实施例钢及对比钢母材的常规力学性能
以实施例3和实施例4为例，经200kJ/cm高热输入焊接后钢板在-60℃试验温度下的冲击韧性见表4。
表4高热输入焊接钢板力学性能(-60℃)
Claims (2)
1.一种具有热影响区韧化特性的耐低温钢板，其特征在于，按重量百分比包含如下组分：
C：0.04％～0.10％，Si：0.10％～0.35％，Mn：0.8％～1.6％，P：0.005％～0.015％，S≤0.005％，Als：0.02％～0.07％，N：0.007％～0.015％，Cu：0.15％～0.50％，Ni：0.25％～0.40％，V：0.015％～0.04％，Ti：0.005％～0.03％，Ca：0.001％～0.003％，Mg：0.0005％～0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.一种根据权利要求1所述的具有热影响区韧化特性的耐低温钢板的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)冶炼连铸工序：包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸，其中铁水预处理后S含量小于0.003％，转炉冶炼控制渣碱度，挡渣出钢，钢渣厚度≤100mm，精炼喂硅钙线不少于5m/吨钢；喂入Ti-Mg复合包芯线不少于2m/吨钢，喂丝速度26m/min；中包钢水过热度≤30℃，全程保护浇铸；铸坯下线堆冷≥72h后再进行轧制；
2)热轧工序：板坯加热温度1120～1150℃，均热时间30～50min，板坯出炉后采用高压水除鳞；
实施三阶段控制轧制：第一阶段为再结晶区轧制，一阶段平均道次压下率≥12％，二阶段开展温度≥900℃，得到厚度为1.5～3倍成品厚度的中间坯；第三阶段开轧温度730～780℃，二、三阶段累积变形量≥50％；
3)冷却工序：轧后钢板进入层流冷却，冷却速率8～15℃/s，返红温度350～450℃。
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