CN110791702B - 一种焊接性能良好的低屈强比海工钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钢铁材料制备领域，尤其涉及一种焊接性能良好的低屈强比海工钢板及其制造方法。按重量百分比计，包括如下组分：C为0.05％～0.09％，Si为0.1％～0.4％，Mn为1.0％～1.5％，P≤0.02％，S≤0.02％，Als为0.005％～0.03％，Ni为0％～0.6％，Cu为0％～0.3％，Nb为0.008％～0.05％，Ti为0.005％～0.03％，N为0.002％～0.01％，V为0.02％～0.08％，Mo为0％～0.3％，其余为Fe和不可避免的杂质，钢板的屈强比≤0.80，碳当量Ceq≤0.41，Pcm≤0.21。本发明加入一定含量的N元素，配合V、Ti元素的第二相弥散析出，提高钢板的大线能量焊接性能和低温冲击韧性。结合化学成分和高终轧温度、低入水高返红温度、低冷却速度工艺，可以获得屈强比小于等于0.8的高服役安全性，在得到易于大线能量焊接的高服役安全性能钢板同时，形成了相应的生产工艺。

Description

一种焊接性能良好的低屈强比海工钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于钢铁材料制备领域，尤其涉及一种焊接性能良好的低屈强比海工钢板及其制造方法。
背景技术
随着海洋工程迅速发展，钢铁作为海洋工程的主要结构，其研发水平和生产能力也在不断提升。海洋工程设备使用环境一般比较恶劣，因此海洋工程用钢应具有较高综合性能，如优异的塑性、低温冲击韧性和大线能量易焊接性。目前，海洋工程用钢已能满足海工领域市场的大部分需求，但部分高级别的特殊钢材仍无法稳定生产，耐低温冲击高效易焊高服役安全性的超高强钢板，其科研问题难度高，生产工艺严格，对设备要求高，开发难度大，尚在起步阶段。为满足海洋工程对高性能超高强钢板的需求，急需开发焊接性能良好的低屈强比高品质海洋工程用超高强钢。
在开发海洋油气资源，建造海洋平台过程中，为减轻平台自重，提高安全性，超高强钢的应用越来越普遍，且强度也越来越高。在自升式平台及半潜式平台建造中，超高强钢的使用量越来越大。普通高强度钢板为了达到海洋工程装备的结构设计，往往增加钢板厚度，这样既增加了焊接工作量，又使海工装备上层建筑结构重量加大重心上移。随着海工设备大型化、海洋平台超深水作业安全性的重视，对海洋平台的轻量化提出了更高要求。最有效的方式是采用更高强度级别海工钢板，设计更加轻薄的受力结构，这样既能降低平台重心提升稳定性，又可以增加重要装备的有效载荷，提高设备效率。目前海洋工程装备仍大量采用40公斤级以下海工钢板，限制超高强度级别钢板发展的主要原因是合金成本较高、低温冲击韧性不稳定、成材率低、焊接性能较差、屈强比过高、内应力大板型控制精度不高。
为降低制造成本、提高施工效率，海工装备企业普遍采用大热输入的焊接方式，这会导致热影响区中组织粗化，严重影响粗晶热影响区的韧性，容易引发焊接冷裂纹等缺陷。日本和韩国几家钢铁企业分别成功开发了适用于大热输入焊接用钢，船板用钢的热输入量可达到350～680kJ/cm，海洋工程用钢的热输入量约为200kJ/cm。
在国际上率先开发大线能量超高强海工钢的企业有杰富意钢铁株式会社、株式会社神户制钢所等。国内的宝钢、南钢、兴澄等钢厂也开展了大线能量超高强海工钢研制和开发，但没有对大线能量焊接、耐低温且低屈强比的超高强海工钢做出特定研究分析。公开号为CN106574316A专利公开的大线能量焊接用钢板碳当量为0.38～0.43，轧制工艺只限制850℃以下累计压下量，该成分工艺不能很好的保证大厚度成品钢板的焊接性能和屈强比性能。公开号为CN104603314A专利公开的焊接热影响部韧性优异的钢板采用氧化物冶金理论设计成分，其缺点在于与现有工艺有较大差别，且对氧化物形状、尺寸、分布有较高要求，生产难度较大。公开号为CN106756543A专利公开的TMCP态低成本大线能量焊接用钢板通过氧化物冶金方式提高钢板焊接性能，其炼钢连铸过程复杂不易实施，钢板中放弃Nb元素的加入会影响热机械轧制过程中细化晶粒的效果。公开号为CN106191659A专利公开的海洋工程用钢没有将N元素与Ti、V等元素充分配合，没有充分利用低温轧制阶段控制钢板组织状态，不能实现低屈强比的效果。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种焊接性能良好的低屈强比海工钢板及其制造方法。采用此生产方法可制备出一种适用于船舶海洋工程领域的易于大线能量焊接的高服役安全性能钢板，其力学性能、大线能量焊接性能及高服役安全性能可以达到船舶及海工服役条件，并形成一套特定的大线能量低屈强比超高强钢成分及相应的生产工艺。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种焊接性能良好的低屈强比海工钢板，按重量百分比计，包括如下组分：
C为0.05％～0.09％，Si为0.1％～0.4％，Mn为1.0％～1.5％，P≤0.02％，S≤0.02％，Als为0.005％～0.03％，Ni为0％～0.6％，Cu为0％～0.3％，Nb为0.008％～0.05％，Ti为0.005％～0.03％，N为0.002％～0.01％，V为0.02％～0.08％，Mo为0％～0.3％，其余为Fe和不可避免的杂质，钢板的屈强比≤0.80，碳当量Ceq≤0.41，Pcm≤0.21。
本发明对钢种化学成分进行了优化设计：
(1)C作为钢中基本的强化元素，在保证强度、硬度的必须组成元素的同时，决定了焊接热影响区的组织。C含量过高将产生大量淬硬组织，造成焊接裂纹，所以应尽量降低C元素在钢中含量。C的含量控制在0.05％～0.09％。
(2)Si可提高钢板的强度，可以有效的稳定铁素体相，同时Si作为脱氧剂可减少O含量，Si含量大于0.4％时会导致组织粗化，本发明Si含量为0.1％～0.4％。
(3)Mn元素与Fe原子半径相似，可大量固溶于Fe基体中，是扩大奥氏体相区元素，提高奥氏体稳定性，Mn含量低于1.0％时强度降低，当Mn元素质量百分含量大于1.5％时，Mn元素的偏析又会使得厚板芯部的低温韧性较差，焊接热影响区性能下降，Mn含量为1.0％～1.5％。
(4)P、S元素对钢板的力学性能和焊接性能没有益处，应控制P≤0.02％，S≤0.02％。
(5)Al是钢中主要的脱氧元素，当Al含量过低时脱氧效果不佳，Ti等微合金元素因被氧化无法起到细化晶粒和提高焊接性能的目的；相反Al元素过高则形成大型夹杂物，Als含量为0.005％～0.03％。
(6)Ni的作用是改善热加工性能，提高韧性。适当加入可以获得较低的韧脆转变温度，Ni含量为0％～0.6％。
(7)Cu的加入可以通过形成析出相在贝氏体中析出，提高钢板强度，Cu的加入也可以提高钢板的淬透性，增加钢板在还原气氛下的耐腐蚀性能。Cu含量为0％～0.3％。
(8)Nb元素可以有效提高轧制过程中钢板的再结晶温度，得到细化晶粒的效果，同时可以配合N、Ti、V改善TMCP钢板的低温韧性，Nb含量0.008％～0.05％。
(9)Ti元素是本发明化学成分的关键因素，Ti与V/N/Nb等元素可以在焊接熔池及热影响区附近析出，形成细小弥散的N化物第二相，可以有效促进晶内铁素体形核长达，有效控制原始奥氏体晶粒长大，进而显著提高钢板焊接热影响区性能。合理设计Ti、V、N含量可以降低固溶于基体中的N含量，提高钢板综合性能，所以Ti/N应控制在2～3.5之间，Ti含量为0.005％～0.03％。
(10)N元素可以与TiV元素配合，形成细小弥散的N化物析出相，可以有效促进晶内铁素体形核长达，有效控制原始奥氏体晶粒长大。N含量增高可使钢中的TiN增多。N含量提高，在高温阶段仍然存在大量未溶解TiN。提高含氮量，可增加焊接高温时钢中TiN的数量，提高材料对焊接过程中奥氏体晶粒粗化倾向的抑制能力。但是当固溶N含量过大时，钢材的热塑性下降，钢板韧性下降。因此，N含量为0.002％～0.01％。
(11)V元素可以在基体中形成V(C,N)粒子，与Ti、N元素共同作用，可显著提高钢板焊接性能和降低屈强比。V含量为0.02％～0.08％。
(12)Mo元素可以在钢坯中起到提高淬透性的作用，扩大奥氏体相区，促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变组织起重要作用，能有效提高材料强度，提高焊接性能；降低相变温度，降低贝氏体转变的临界冷速，有利于在较宽的冷速范围内促进贝氏体转变，可以有效改善钢板厚度方向上强韧性能的稳定性。Mo含量为0％～0.3％。
(13)碳当量Ceq≤0.41，Pcm≤0.21，其中Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。
一种焊接性能良好的低屈强比海工钢板的制造方法，包括钢水冶炼-连铸-铸坯加热-轧制，具体包括如下步骤：
(1)高洁净度及合金化冶炼；将钢水通过转炉及LF炉进行二次精炼，进一步降低P、S和非金属夹杂物含量。
(2)铸坯采用两阶段加热方式加热；将铸坯在炉温600～650℃装入加热炉，在600～650℃低温段保温时间为20～45min，目的是使钢坯在低温阶段保持内外温度一致，为高温段组织均匀做好准备。铸坯在后续升温过程中升温速率控制在4～6℃/min，避免钢坯受热过快导致钢坯内部受热不均。均热温度1150～1200℃，保温30～60min。
(3)轧制工艺；采用三阶段轧制工艺，第一阶段开轧温度控制在1080～1160℃；一阶段轧制目的是改善板坯铸态组织，降低钢坯待温厚度，缩短钢板待温时间。第二阶段开轧温度940～990℃，累计压下率25％～35％，单道次压下率≥8％，通过在临界温度区间对奥氏体进行再结晶轧制和驰豫，可细化奥氏体组织，为最终组织细化做准备；第三阶段开轧温度815～875℃，累计压下率35％-55％，终轧温度755-800℃，终轧阶段尽可能增加未再结晶温度以下的变形量，以增加变形奥氏体的应变累积，增加畸变能，提供更多的形核地点，获得均匀细小的最终组织，保证钢板的低温韧性。且通过适当提高终轧温度可以起到降低屈强比的作用。
(4)控冷浇水工艺：开冷温度650～750℃，返红温度为390～510℃。冷却速度4～10℃/s。采用弛豫+控制冷却的工艺可以获得铁素体+贝氏体双相组织。入水温度的高低直接决定了铁素体体积含量和晶粒大小，随入水温度的降低，铁素体含量增加，晶粒尺寸增大。当铁素体软相体积含量超过40％时，屈强比低于0.8。但是多边形铁素体含量的增加将会降低钢板强度。所以为了达到最佳的性能匹配，入水温度区间是650～750℃。随着冷速增加，组织中硬相比例增加，屈服强度和抗拉强度均增加，屈强比将升高，所以冷速为4～10℃/s。
成品钢板的厚度为6～80mm，适用于焊接热输入量为100～200KJ/cm的大线能量焊接，钢中按体积百分比计，含有铁素体40％～60％，贝氏体40％～60％。
与现有方法相比，本发明的有益效果是：
(1)加入一定含量的N元素，配合V、Ti元素的第二相弥散析出，在焊接熔池及热影响区中有效的组织奥氏体晶粒长大，促进晶内针状铁素体、多边形铁素体形核，提高钢板的大线能量焊接性能，大线能量焊接热输入量为100～200KJ/cm。
(2)结合N/V/Ti微合金化和三阶段轧制工艺，通过在临界温度区间对奥氏体进行再结晶轧制和驰豫，可细化奥氏体组织，为最终组织细化做准备。在低温区间增加变形奥氏体的应变累积，增加畸变能，提供更多的形核地点，获得均匀细小的最终组织，保证钢板-40℃夏比冲击功≥100J的低温冲击韧性。
(3)结合化学成分和高终轧温度、低入水高返红温度、低冷却速度工艺，控制微观组织为铁素体40％～60％，贝氏体40％～60％，可以获得屈强比≤0.8的高服役安全性。
附图说明
图1是本发明实施例1金相组织图。
具体实施方式
本发明公开了一种焊接性能良好的低屈强比海工钢板及其制造方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
【实施例】
本发明实施例(1～12)钢的化学成分见表1；本发明实施例(1～12)钢的轧制制备方法见表2；本发明实施例(1～12)钢的力学性能见表3；本发明实施例(1～12)钢的大线能量焊接性能见表4。
表1本发明实施例钢化学成分wt％
Figure GDA0002296434770000051
Figure GDA0002296434770000061
表2本发明实施例钢轧制制备方法
Figure GDA0002296434770000062
表3本发明实施例钢常规力学性能
Figure GDA0002296434770000063
Figure GDA0002296434770000071
表4本发明实施例钢大线能量焊接性能
实施例 焊接方法 焊接线能量(KJ/cm) Rm(MPa) HAZ-40℃平均冲击功(J)
1 埋弧焊 200 598 152
2 埋弧焊 100 605 149
3 埋弧焊 150 613 165
4 气电立焊 120 619 124
5 气电立焊 155 630 140
6 气电立焊 140 590 131
7 埋弧焊 200 640 121
8 埋弧焊 100 631 113
9 埋弧焊 150 633 143
10 气电立焊 100 669 138
11 气电立焊 120 679 129
12 气电立焊 130 663 122
采用此生产方法可制备出一种适用于船舶海洋工程领域的易于大线能量焊接的高服役安全性能钢板，其力学性能、大线能量焊接性能及高服役安全性能可以达到船舶及海工服役条件，并形成一套特定的大线能量低屈强比超高强钢成分及相应的生产工艺。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种焊接性能良好的低屈强比海工钢板的制造方法，其特征在于，主要包括钢水冶炼-连铸-铸坯加热-轧制；
所述钢板按重量百分比计，包括如下组分：
C为0.051%~0.09%，Si为0.10%~0.39%，Mn为1.01%~1.19%，P≤0.02%，S≤0.02%，Als为0.005%~0.03%，Ni为0.33%~0.60%，Cu为0.05~0.29%，Nb为0.008%~0.029%，Ti为0.011%~0.018%，N为0.0065%~0.01%，V为0.051%~0.08%，Mo为0.07%~0.29%，其余为Fe和不可避免的杂质，钢板的碳当量Ceq≤0.41，Pcm≤0.21，其中Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B；
所述钢板成品的厚度为6～80mm，钢板的屈强比≤0.80；
其制造方法包括如下步骤：
1）经转炉及LF炉进行二次精炼，进一步降低钢水中P、S和非金属夹杂物含量；
2）铸坯采用两阶段加热方式加热，将铸坯在炉温600~650℃时装入加热炉，在600~650℃低温段保温时间为20~45min，铸坯升温速率控制在4~6℃/min，均热温度为1150~1175℃，保温时间为30~60min；
3）采用三阶段轧制和精确控冷浇水工艺，第一阶段开轧温度控制在1120~1160℃；第二阶段开轧温度控制在940~990℃，累计压下率25%~35%，单道次压下率≥8%；第三阶段开轧温度815~848℃，累计压下率35%~55%，终轧温度755~800℃；开冷温度650~750℃，返红温度为390~510℃，冷却速度4~10℃/s。
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