CN109321817A - 一种适于超大线能量焊接的钢板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于低合金高强度钢技术领域，特别涉及一种适于超大线能量焊接的钢板及其制造方法。钢板化学成分包括C、Si、Mn、Nb、V、Ti、P、S、Cu、Ni、Cr、Mo、B、N、O、Al、Mg，以及Zr、REM中的一种，余量为Fe；通过对钢板中不同尺寸的夹杂物类型的控制，实现焊接热影响区组织显著细化。在冶炼过程中控制Ti、Zr、REM、Mg、V、N的添加工艺，在钢中形成特殊夹杂物分布，同时结合控轧控冷工艺提高钢板强韧性能。本发明钢板适用于500～1500kJ/cm超大线能量焊接，可满足建筑等领域对超大线能量焊接用钢的需求。
Description
技术领域
本发明属于低合金高强度钢技术领域，特别涉及一种适于超大线能量焊接的钢板及其制造方法。
背景技术
中厚钢板在工程应用中大多涉及焊接工序，为保证焊接接头质量，需对焊接参数进行严格控制。常规的焊接热输入在50kJ/cm以下，增大线能量可提高焊接效率，缩短工程制造周期。特别对于厚钢板，常规焊接方法需多道次焊接成型，并且需要焊前及层间繁琐的辅助工作，而采用大线能量焊接方法可一道次成型，生产效率成数倍或数十倍提高。因此，在各工程领域，大型钢制焊接结构的制造均趋向于采用大线能量焊接方法，以显著降低制造成本提高生产效率。
一般的大线能量焊接用钢可承受的线能量在100～400kJ/cm，但随着建筑、船舶等行业的发展，对更高线能量焊接技术提出了进一步要求，并要求钢材在500～1500kJ/cm超大线能量下仍具有较高的力学性能，以保证工程结构的安全可靠性。但目前我国超大线能量焊接用钢的生产仍存在困难，急需研发出适于500～1500kJ/cm超大线能量焊接的钢板，满足建筑、船舶等领域的迫切需求。
公开号为CN101045976A的发明专利公开了一种可超大线能量焊接低温用厚钢板及其制造方法，其特征是采用低C-高Mn-Nb系低合金钢作为基础，适当提高Als的含量，C/Mn＝0.02～0.05，Ti-B微合金化，Ca或REM处理，Ti/N＝3～3.5，优化TMCP工艺，实现大线能量焊接，但不适于500～1500kJ/cm超大线能量。公开号为CN102080193A的发明专利公开了一种超大热输入焊接用结构钢及其制造方法，其特征是通过精炼阶段控制合金添加方法来对钢中的夹杂物类型、尺寸及数量进行控制，并采用控轧控冷工艺制造，可承受400～1000kJ/cm焊接热输入。公开号为CN105714193A的发明专利公开了一种氧化物增强型可大热输入焊接钢板，其特征是通过合理控制Ti、Al、Mg、O、N元素之间的比例关系，在钢板中形成大量尺寸为0.2～2μm的TiOx-MgAl2O4复合氧化物粒子，可承受400～1000kJ/cm焊接热输入。公开号为CN103805880A的发明专利公开了一种高强度超大线能量焊接船体用钢的生产方法，其特征是钒铁、镍铁、钛铁在炉前随废钢加入，在精炼末期加入铬铁和钼铁，采用低合金元素设计，可承受≥500kJ/cm超大线能量焊接。公开号为CN101818304A的发明专利公开了一种超大线能量焊接高强钢及其生产方法，其特征是通过合理的组份及配比，低合金元素设计，采用Si-Mn脱氧和控制轧制控制冷却，可承受≥500kJ/cm超大线能量焊接。
根据现有技术分析，实现大线能量焊接的技术手段包括：合金成分优化设计，采用低合金和低碳当量设计提高焊接性能；控制各元素的比例关系，利用TiN析出细化晶粒尺寸；控制特殊氧化物的分布，促进组织细化；采用控轧控冷技术，实现高强韧性能。但是在超大线能量焊接条件下，热影响区高温停留时间长，冷却速度缓慢，极易形成尺寸粗大的显微组织，降低冲击韧性。现有技术还不能很好地解决这一问题，因此需要开发出新型技术手段满足对超大线能量焊接用钢的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种适于超大线能量焊接的钢板及其制造方法，解决钢板在超大线能量焊接条件下具有细化的显微组织和保持良好的冲击韧性的问题，所发明钢板能适应500～1500kJ/cm超大线能量焊接。
本发明采取如下技术方案：
一种适于超大线能量焊接的钢板，按质量百分数计，钢板化学成分包括：C 0.06～0.16％，Si 0.1～0.3％，Mn 1.0～2.0％，Nb 0.01～0.05％，V 0.02～0.12％，Ti 0.005～0.025％，P 0.001～0.008％，S 0.001～0.005％，Cu 0.01～0.5％，Ni 0.01～0.5％，Cr0.01～0.5％，Mo 0.01～0.5％，B 0.0001～0.003％，N 0.005～0.01％，O 0.001～0.005％，Al 0.001～0.015％，Mg 0.0005～0.005％，以及Zr 0.001～0.025％、REM 0.001～0.025％中的一种，余量为Fe；钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，Ti-Mg-M-O-Mn-S复合夹杂物数量占10％以上，其中M为Zr、REM中的一种。
所述的适于超大线能量焊接的钢板，钢板中尺寸为0.02～0.5μm的夹杂物中，MgO型夹杂物数量占10％以上。
所述的适于超大线能量焊接的钢板，优选的，钢板中尺寸为0.02～0.5μm的夹杂物中，MgO型夹杂物数量占20～50％。
所述的适于超大线能量焊接的钢板，钢板中30％以上的夹杂物上有V的碳氮化物沉淀析出。
所述的适于超大线能量焊接的钢板，优选的，钢板中40～70％的夹杂物上有V的碳氮化物沉淀析出。
所述的适于超大线能量焊接的钢板，优选的，钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，Ti-Mg-M-O-Mn-S复合夹杂物数量占30～60％。
所述的适于超大线能量焊接的钢板，钢板厚度为50～150mm，屈服强度300～500MPa，在500～1500kJ/cm焊接线能量下，母材和热影响区-20℃冲击韧性≥70J。
所述的适于超大线能量焊接的钢板的制造方法，钢水冶炼过程中采用硅锰铝预脱氧，定氧为20～200ppm时加入Ti和V，在1～10min之内进一步定氧为10～100ppm时加入Zr或REM中的一种，10～60min之后再次定氧为5～50ppm时加入Mg，最后加入0.005～0.01wt％的N；Ti、V、Mg、Zr或REM以合金块或喂线方式加入，N以氮化锰铁、氮化硅铁或氮化钒的形式添加；搅拌钢液使钢中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，Ti-Mg-Zr-O或Ti-Mg-REM-O复合夹杂物数量占10％以上，尺寸为5μm以上的夹杂物数量≤105个/cm3；根据钢板成分要求调整其他合金元素含量，成分合格钢水浇铸成连铸坯或铸锭；连铸坯或铸锭加热至1150～1250℃，保温60～240min，采用奥氏体再结晶区和未再结晶区两阶段控制轧制，轧后钢板浇水冷却，冷却速度≥10℃/s，终冷温度500～700℃。
所述的适于超大线能量焊接的钢板的制造方法，钢板进行正火或调质热处理。
所述的适于超大线能量焊接的钢板的制造方法，优选的，钢板厚度为60～100mm，屈服强度350～450MPa，在500～1500kJ/cm焊接线能量下，母材和热影响区-20℃冲击韧性100～200J。
本发明的设计思想是：
超大线能量焊接条件下，HAZ中极易形成粗大晶界铁素体和侧板条组织，导致冲击韧性降低。为实现超大线能量HAZ韧性的改善，必须同时抑制奥氏体晶粒粗化、减少晶界铁素体形成、抑制侧板条铁素体长大以及促进晶内铁素体转变。然而，现有技术中还不能很好的解决这一问题，不能实现HAZ组织的综合调控。针对这一目标，本发明重点通过冶炼方法和夹杂物的特殊控制，在钢中引入不同类型、尺寸和数量的复合夹杂物和析出物，同时进行合金成分的优化以及轧制冷却工艺的优化，实现特厚钢板的超大线能量焊接。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明通过成分优化设计和关键冶炼生产工艺的控制，在钢中形成特殊类型夹杂物分布；利用含有Ti、Zr或REM的微米级尺寸的复合氧化物促进针状铁素体形核；利用含有MgO的亚微米尺寸的氧化物抑制奥氏体晶粒粗化；通过V的碳氮化物的复合析出显著提高晶内铁素体的形核能力；焊接热影响区显微组织显著细化，超大线能量焊接性能稳定提高。
2、本发明的技术方案原理和工艺明确，可行性强，效果显著，利于推广应用，可满足各领域对超大线能量焊接用钢的需求。
附图说明
图1为实施例2钢中典型的夹杂物形貌及其成分组成图。
具体实施方式
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
实施例1
本实施例中，适于超大线能量焊接的钢板，其化学成分按重量百分比包括：C0.1％，Si 0.2％，Mn 1.1％，Nb 0.015％，V 0.025％，Ti 0.025％，P 0.003％，S 0.003％，Cu 0.02％，Ni 0.1％，Cr 0.1％，Mo 0.05％，B 0.0001％，N 0.005％，O 0.002％，Al0.005％，Mg 0.001％，Zr 0.01％，余量为Fe；钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，Ti-Mg-Zr-O-Mn-S复合夹杂物数量占40％；钢板中尺寸为0.02～0.5μm的夹杂物中，MgO型夹杂物的数量占35％；钢板中35％数量的夹杂物上有V的碳氮化物沉淀析出。
上述钢板的制造方法：钢水冶炼过程中采用硅锰铝预脱氧，定氧为20ppm时加入Ti和V，在1.5min时进一步定氧为10ppm时加入Zr，10min后再次定氧为5ppm时加入Mg，最后加入0.005％的N；Ti、V、Mg、Zr以合金块方式加入，N以氮化锰铁的形式添加；搅拌钢液使钢中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，Ti-Mg-Zr-O复合夹杂物数量占55％，尺寸为5μm以上的夹杂物数量(2～5)×104个/cm3；根据钢板成分要求调整Nb、Cu、Ni、Cr、Mo等其他合金元素含量，成分合格钢水浇铸成连铸坯；连铸坯加热至1150℃，保温240min，采用奥氏体再结晶区和未再结晶区两阶段控制轧制，轧后钢板浇水冷却，冷却速度10℃/s，终冷温度600℃。
钢板厚度为50mm，屈服强度435MPa，在500～1500kJ/cm焊接线能量下，母材和热影响区-20℃冲击韧性100～200J。
实施例2
本实施例中，适于超大线能量焊接的钢板，其化学成分按重量百分比包括：C0.15％，Si 0.1％，Mn 2.0％，Nb 0.05％，V 0.1％，Ti 0.015％，P 0.002％，S 0.005％，Cu0.5％，Ni 0.5％，Cr 0.01％，Mo 0.5％，B 0.002％，N 0.008％，O 0.005％，Al 0.015％，Mg0.0005％，REM(稀土元素)0.01％，余量为Fe；钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，Ti-Mg-REM-O-Mn-S复合夹杂物数量占30％；钢板中尺寸为0.02～0.5μm的夹杂物中，MgO型夹杂物的数量占15％；钢板中50％数量的夹杂物上有V的碳氮化物沉淀析出。
上述钢板的制造方法：钢水冶炼过程中采用硅锰铝预脱氧，定氧为200ppm时加入Ti和V，在8min时进一步定氧为90ppm时加入REM，50min之后再次定氧为50ppm时加入Mg，最后加入0.008％的N；Ti、V、Mg、REM以喂线方式加入，N以氮化硅铁的形式添加；搅拌钢液使钢中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，Ti-Mg-REM-O复合夹杂物数量占45％，尺寸为5μm以上的夹杂物数量(4～6)×104个/cm3；根据钢板成分要求调整Nb、Cu、Ni、Cr、Mo等其他合金元素含量，成分合格钢水浇铸成钢锭；钢锭加热至1250℃，保温100min，采用奥氏体再结晶区和未再结晶区两阶段控制轧制，轧后钢板浇水冷却，冷却速度10℃/s，终冷温度700℃；钢板进行正火热处理，正火加热温度950℃，保温时间30min。
钢板厚度为100mm，屈服强度365MPa，在500～1500kJ/cm焊接线能量下，母材和热影响区-20℃冲击韧性100～200J。
实施例2钢中典型的夹杂物形貌及其成分组成如图1所示，从图1可以看出钢中形成了Ti-Mg-REM-O-Mn-S型复合夹杂物以及V碳氮化物的复合沉淀析出，所示夹杂物有效促进了晶内铁素体形核转变，改善超大线能量焊接热影响区韧性。
实施例结果表明，本发明通过对钢板中不同尺寸的夹杂物类型的控制，实现焊接热影响区组织显著细化。在冶炼过程中控制Ti、Zr、REM、Mg、V、N的添加工艺，在钢中形成特殊夹杂物分布，同时结合控轧控冷工艺提高钢板强韧性能。本发明钢板适用于500～1500kJ/cm超大线能量焊接，可满足建筑等领域对超大线能量焊接用钢的需求。
Claims (10)
1.一种适于超大线能量焊接的钢板，其特征在于，按质量百分数计，钢板化学成分包括：C 0.06～0.16％，Si 0.1～0.3％，Mn 1.0～2.0％，Nb 0.01～0.05％，V 0.02～0.12％，Ti 0.005～0.025％，P 0.001～0.008％，S 0.001～0.005％，Cu 0.01～0.5％，Ni 0.01～0.5％，Cr 0.01～0.5％，Mo 0.01～0.5％，B 0.0001～0.003％，N 0.005～0.01％，O 0.001～0.005％，Al 0.001～0.015％，Mg 0.0005～0.005％，以及Zr 0.001～0.025％、REM0.001～0.025％中的一种，余量为Fe；钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，Ti-Mg-M-O-Mn-S复合夹杂物数量占10％以上，其中M为Zr、REM中的一种。
2.根据权利要求1所述的适于超大线能量焊接的钢板，其特征在于，钢板中尺寸为0.02～0.5μm的夹杂物中，MgO型夹杂物数量占10％以上。
3.根据权利要求2所述的适于超大线能量焊接的钢板，其特征在于，优选的，钢板中尺寸为0.02～0.5μm的夹杂物中，MgO型夹杂物数量占20～50％。
4.根据权利要求1所述的适于超大线能量焊接的钢板，其特征在于，钢板中30％以上的夹杂物上有V的碳氮化物沉淀析出。
5.根据权利要求4所述的适于超大线能量焊接的钢板，其特征在于，优选的，钢板中40～70％的夹杂物上有V的碳氮化物沉淀析出。
6.根据权利要求1所述的适于超大线能量焊接的钢板，其特征在于，优选的，钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，Ti-Mg-M-O-Mn-S复合夹杂物数量占30～60％。
7.根据权利要求1所述的适于超大线能量焊接的钢板，其特征在于，钢板厚度为50～150mm，屈服强度300～500MPa，在500～1500kJ/cm焊接线能量下，母材和热影响区-20℃冲击韧性≥70J。
8.一种如权利要求1所述的适于超大线能量焊接的钢板的制造方法，其特征在于：钢水冶炼过程中采用硅锰铝预脱氧，定氧为20～200ppm时加入Ti和V，在1～10min之内进一步定氧为10～100ppm时加入Zr或REM中的一种，10～60min之后再次定氧为5～50ppm时加入Mg，最后加入0.005～0.01wt％的N；Ti、V、Mg、Zr或REM以合金块或喂线方式加入，N以氮化锰铁、氮化硅铁或氮化钒的形式添加；搅拌钢液使钢中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，Ti-Mg-Zr-O或Ti-Mg-REM-O复合夹杂物数量占10％以上，尺寸为5μm以上的夹杂物数量≤105个/cm3；根据钢板成分要求调整其他合金元素含量，成分合格钢水浇铸成连铸坯或铸锭；连铸坯或铸锭加热至1150～1250℃，保温60～240min，采用奥氏体再结晶区和未再结晶区两阶段控制轧制，轧后钢板浇水冷却，冷却速度≥10℃/s，终冷温度500～700℃。
9.根据权利要求8所述的适于超大线能量焊接的钢板的制造方法，其特征在于，钢板进行正火或调质热处理。
10.根据权利要求8所述的适于超大线能量焊接的钢板的制造方法，其特征在于，优选的，钢板厚度为60～100mm，屈服强度350～450MPa，在500～1500kJ/cm焊接线能量下，母材和热影响区-20℃冲击韧性100～200J。
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