專利名稱：：一種適應(yīng)大線能量焊接的鋼板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及鋼鐵材料領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種在大線能量焊接條件下具有高焊接熱影響區(qū)韌性的鋼板及其制造方法。
背景技術(shù)：
：高強(qiáng)度低合金鋼厚板是一種重要的工程材料，廣泛應(yīng)用于造船、海洋平臺(tái)、油氣管線、大橋、高層建筑、壓力容器以及機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域，其性能指標(biāo)中既有力學(xué)性能要求，也有焊接性能要求，其中焊接性能特別是焊接熱影響區(qū)(HAZ)的韌性成為關(guān)系構(gòu)件使用安全的一個(gè)重要指標(biāo)。但經(jīng)歷焊接熱循環(huán)以后，HAZ晶粒粗化將導(dǎo)致鋼材局部的低韌性，由于韌性反映了材料抵抗裂紋萌生和擴(kuò)展的能力，低韌性意味著材料的使用安全存在風(fēng)險(xiǎn)，因此使焊接接頭部位和母材獲得相近的韌性(即等韌)一直是人們努力的目標(biāo)。國外很早就注意到結(jié)構(gòu)鋼厚板HAZ的低韌性，如德國標(biāo)準(zhǔn)DIN17102—81除了對鋼板的力學(xué)性能提出要求之外，還規(guī)范了HAZ的夏比沖擊性能，一2(TC夏比沖擊功大于27J(橫向)或者47J(縱向)。與此相適應(yīng)，在工藝技術(shù)方面，發(fā)展了結(jié)構(gòu)鋼厚板的純凈化冶煉特別是降低鋼中的硫含量和對鋼水進(jìn)行鈣處理，以及通過控軋控冷降低碳當(dāng)量等技術(shù)，這些措施對于提高鋼的低溫沖擊性能有很好的效果。為保證焊接接頭的性能，還對焊接工藝和材料作了嚴(yán)格的規(guī)范，對于一些重要的構(gòu)件如油氣管線，往往控制焊接的線能量輸入。但近年來，為了提高焊接效率，特別是隨著鋼板厚度和強(qiáng)度級(jí)別的提高，為保證一次成型以及焊縫質(zhì)量，焊接時(shí)需要更大的熱量輸入，從較大線能量的埋弧自動(dòng)焊(30—50kJ/cm〉到大線能量的氣電焊、電渣焊，大線能量焊接工藝得到了較多的應(yīng)用，特別是用于船板的焊接，單道次焊接線能量達(dá)到100kJ/cm甚至400kJ/cm以上，在焊接線能量輸入不斷提高的條件下，保證鋼板的焊接性能特別是HAZ的低溫韌性引起了特別的關(guān)注。在大線能量焊接條件下由材料自身原因所引起的接頭的低韌性可能源于以下因素1、大的熱量輸入導(dǎo)致HAZ奧氏體晶粒的粗化，并將進(jìn)一步得到粗大的常溫組織，顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。2、因HAZ溫度梯度的升高和冷卻速度的降低，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變后形成較多脆性組織如晶界鐵素體、MA組元等。3、粗大的或者硬脆性的夾雜物，這些夾雜物既包括鋼板中原有的較大顆粒夾雜物(如硅酸鈣、氧化鋁)，也包括鋼板中原有顆粒較小但在焊接過程中明顯粗化的夾雜物或者析出物(如TiN，A1203)，還包括某些硬脆性夾雜物如Ab03或者鋁鎂尖晶石(MgOA1203)等。研究表明，對于Al203夾雜物，即使5微米大小就有可能在其與基體界面形成應(yīng)力集中引發(fā)脆斷。所以，為提高鋼板焊接接頭韌性，需要同時(shí)控制接頭得到細(xì)小的組織和減少出現(xiàn)粗大或者脆性的夾雜物，在大線能量焊接條件下，對此要求更為苛刻?，F(xiàn)有大多數(shù)專利文獻(xiàn)涉及的大線能量焊接鋼板主要通過TMCP控制軋制技術(shù)從而提高鋼板抗大線能量焊接性能。控制軋制過程之所以能夠得到非常細(xì)小的晶粒，是因?yàn)樵诳刂栖堉七^程中形成的數(shù)十納米大小的析出物顆粒如碳化物、氮化物或者碳氮化物能夠釘扎位錯(cuò)線的移動(dòng)從而阻止晶界的遷移和晶粒的長大。但是，由于這些細(xì)小析出物的固溶溫度均較低，即使固溶溫度較高的TiN，在140(TC左右其數(shù)量也將明顯減少并粗化，因此，它們對位錯(cuò)線的釘扎作用大為減弱。而在大線能量焊接條件下，熔合線的溫度可以達(dá)到1500°C，因缺乏析出物對位錯(cuò)線的釘扎效果將導(dǎo)致奧氏體晶粒明顯粗化，導(dǎo)致鋼材的低韌性。很多高熔點(diǎn)的氧化物在1500。C甚至更高溫度下是穩(wěn)定的，一些特定的氧化物還因?yàn)樘厥獾慕缑嫣匦钥梢杂绊懞附永鋮s過程中過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變，從而可用于對HAZ的微觀組織進(jìn)行控制。如美國專利文獻(xiàn)5，985，053提出采用含Ti和Mg的氧化物，粒度控制在5微米以下，這些夾雜物在500-80(TC溫度區(qū)間能夠作為核心誘發(fā)針狀鐵素體組織，經(jīng)焊接熱模擬(峰值溫度140(TC，500-80(TC時(shí)間27秒)一20。C夏比沖擊功150J以上。但該焊接熱模擬工藝對應(yīng)的線能量輸入僅40,000-60,00J/cm，還算不上大線能量，且該文獻(xiàn)未提供實(shí)物焊接的數(shù)據(jù)，無法評(píng)價(jià)鋼材在大線能量悍接條件下的接頭韌性。CN200510023216.0涉及一種可大線能量焊接的厚鋼板及制造方法，提出添加稀土元素，通過形成稀土氧化物來獲得提高鋼的抗大線能量焊接特性，但稀土元素為活潑元素，且在澆鋼過程中容易導(dǎo)致水口堵塞，因此在實(shí)際應(yīng)用中有很多限制。美國專利124759和CN200710052132.9提供了一種大線能量焊接高強(qiáng)度船板鋼，它們均使用硼，利用其中的BN來釘扎奧氏體晶粒的長大，但這種方法對鋼中的硼含量(5-15ppm)和氮含量要求苛刻，生產(chǎn)上的難度比較大。如上所述，在大線能量焊接條件下夾雜物的形態(tài)控制是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，這既包括尋找能夠在高溫下穩(wěn)定性好的夾雜物或者析出物來釘扎位錯(cuò)防止奧氏體晶粒長大，也包括在鋼中形成微細(xì)化的夾雜物。對于后者，必須考慮鋼的成分設(shè)計(jì)特別是硫含量及Mn/S、鈣處理、脫氧工藝以及連鑄二冷工藝等因素。針對以上問題，本發(fā)明者進(jìn)行了化學(xué)成分配比的研究，且通過對鋼坯中夾雜物的形態(tài)控制，設(shè)計(jì)出了一種適應(yīng)大線能量焊接的鋼板，從而完成了本發(fā)明。本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種適應(yīng)大線能量焊接的鋼板。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供這種鋼板的制造方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的第一個(gè)方面提供一種適應(yīng)大線能量焊接的鋼板，該鋼板的化學(xué)成分包含C:0.05-0.12wt%、Mn:1.2-1.6wt%、Si:0.12-0.35wt%、P《0.015wt%、S《0.006wt%、Al《0.015wto/o、Ti:0.005-0.02wt%、Nb:0.008-0.05wt%、N:0.0001-0.006wt%、Ca-0.001-0.004wt^,余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，且所述鋼板中的碳當(dāng)量為0.32-0.43。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中所述鋼板的化學(xué)成分中還包括Ni《0.5wt%、Mo《0.5wt%。碳當(dāng)量可根據(jù)下式確定碳當(dāng)量C^q=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14。下面，對所述適應(yīng)大線能量焊接的鋼板的一些化學(xué)成分的作用作詳細(xì)敘述。C是決定鋼材強(qiáng)度和焊接性能的主要元素，當(dāng)碳含量過低，難以滿足所需要的強(qiáng)度，而且鋼板厚度規(guī)格過大時(shí)，板厚中心低溫沖擊性能達(dá)不到要求，但過高的碳含量會(huì)給鋼的可焊性及連鑄的可澆性帶來不利。Si是作為脫氧元素而添加的，硅含量較低的話，鋼水氧化性比較高，煉鋼過程成分控制難度增大，但硅含量過高，鋼中組織容易脆化，焊接時(shí)出現(xiàn)裂紋的可能性將大大增強(qiáng)。Mn是主要的強(qiáng)化元素，為保證鋼板強(qiáng)度，應(yīng)加入一定量的錳，但添加量過高的話，會(huì)導(dǎo)致碳當(dāng)量增高，從而使得鋼板的焊接性能變差。P是雜質(zhì)元素，理論上要求盡可能低，但對于煉鋼過程來說，過低的P含量要求會(huì)大大增加生產(chǎn)成本，而對性能的增益則有限。S也是一種有害元素，高的硫含量會(huì)提高鋼板的脆性轉(zhuǎn)變溫度，降低鋼的可焊接性能，但過度要求低的硫含量也會(huì)明顯增加煉鋼成本，降低其可制造性，綜合考慮，一般控制在0.006wty。以下為宜。Nb能提高軋制過程的再結(jié)晶溫度，促進(jìn)晶粒細(xì)化，還能與Ti形成復(fù)合氮化物，降低鈦氮比，改善熱影響區(qū)性能，但含量過低時(shí)，強(qiáng)化效果小，鋼的強(qiáng)度常常達(dá)不到要求，但過高的鈮含量會(huì)導(dǎo)致鋼的焊接性能變差，主要表現(xiàn)在焊接以后出現(xiàn)比較多的晶界鐵素體和馬氏體一殘余奧氏體組元，鋼板抗大線能量焊接的能力降低。N是保障大線能量焊接接頭性能的重要元素。N有兩種存在形式，其一為固溶，即以自由氮的形式存在，對鋼的性能尤其是接頭的低溫沖擊性能不利，其二是以彌散分布的氮化物形式存在，對接頭韌性有利，主要的氮化物如TiN、AlN和NbCN等。根據(jù)鋼板所要求的強(qiáng)度不同，可以少量加入Mo、Ni等元素，但這些元素均會(huì)提高鋼板碳當(dāng)量，降低焊接性能，因此，對于強(qiáng)度級(jí)別不高(如屈服強(qiáng)度低于490Mpa)，或者在實(shí)際使用中表層有涂覆處理的鋼板(如船板)，可以少加或者不加這些合金元素。本發(fā)明的第二個(gè)方面提供一種適應(yīng)大線能量焊接的鋼板的制造方法，該制造方法包括冶煉、連鑄、熱軋、冷卻工序，其中在所述冶煉和連鑄工序中對鋼坯中夾雜物進(jìn)行形態(tài)控制，在所述冶煉工序中，在轉(zhuǎn)爐出鋼階段對鋼包頂渣進(jìn)行還原，在精煉階段加入脫氧劑分步進(jìn)行脫氧，對應(yīng)的鋼水氧位控制在0.0020-0.0150wt^;在所述連鑄過程中，采用連鑄二冷工藝對連鑄坯進(jìn)行強(qiáng)冷。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中所述夾雜物包括氧化物和包裹于其上的MnS，其中所述氧化物為Zr、Ti和Mg中的至少一種元素的氧化物，所述氧化物的粒徑為0.1-5.0微米，密度為50-2000個(gè)/mm2。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中在所述冶煉工序中，采用Ti作為第一次和最后一次的脫氧劑。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中在所述連鑄工序中，連鑄坯的二冷比水量為1.3-1.9噸水/噸鋼。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中在所述熱軋工序前進(jìn)行加熱，加熱溫度為1080-1200°C。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中在所述熱軋工序中，再結(jié)晶階段軋制溫度高于960°C，道次變形量15-35%;未再結(jié)晶階段軋制溫度660-85(TC，累積變形量》45%，終軋溫度為760-780°C，軋后待溫至680-760°C。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中在所述冷卻工序中，以10-3(TC/s水冷至400-57(TC，然后空冷。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明的鋼板低溫韌性好，尤其是大線能量焊接以后具有優(yōu)良的接頭韌性，比如在單道次焊線能量輸入高于100，000-400，OOOJ/cm的條件下仍可獲得高的接頭韌性，且焊前不需預(yù)熱，焊后不需熱處理。本發(fā)明鋼板的力學(xué)性能滿足以下要求<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>具體實(shí)施例方式以下用實(shí)施例對本發(fā)明作更詳細(xì)的描述。這些實(shí)施例僅僅是對本發(fā)明最佳實(shí)施方式的描述，并不對本發(fā)明的范圍有任何限制。實(shí)施例1按表1所示的化學(xué)成分冶煉鋼水，在轉(zhuǎn)爐出鋼階段對鋼包頂渣進(jìn)行還原，精煉階段控制氧位，按順序加入不同的脫氧劑分步進(jìn)行脫氧，在完成脫氧操作以后對鋼水進(jìn)行鈣處理，再在連鑄過程中將對連鑄坯實(shí)施強(qiáng)冷，其冶煉及連鑄工藝條件見表2。熱軋前鋼坯加熱到1120°C,再結(jié)晶階段軋制溫度高于960'C,道次變形量15-35%，未再結(jié)晶階段軋制溫度80(TC，累積變形量》45%，終軋溫度76(TC，軋后待溫至75(TC，之后以26。C/s水冷至55(TC，然后空冷。實(shí)施例2除了熱軋前鋼坯加熱到115(TC，未再結(jié)晶階段軋制溫度78(TC，終軋溫度770'C，軋后待溫至760。C，之后以18。C/s水冷至45(TC，其余實(shí)施方式同實(shí)施例1。實(shí)施例3除了熱軋前鋼坯加熱到U0(TC，未再結(jié)晶階段軋制溫度82(TC,終軋溫度76(TC，軋后待溫至76(TC，之后以30。C/s水冷至4卯。C，其余實(shí)施方式同實(shí)施例1。實(shí)施例4除了熱軋前鋼坯加熱到118(TC,未再結(jié)晶階段軋制溫度76(TC，終軋溫度78(TC，軋后待溫至76(TC，之后以13tVs水冷至50(TC，其余實(shí)施方式同實(shí)施例l。比較例1除了熱軋前鋼坯加熱到U2(TC，未再結(jié)晶階段軋制溫度750'C，終軋溫度740'C,軋后待溫至730'C，之后以16'C/s水冷至43(TC，其余實(shí)施方式同實(shí)施例。表1本發(fā)明實(shí)施例1-4及比較例1鋼板的化學(xué)成分(wt%)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>試驗(yàn)例對本發(fā)明實(shí)施例1-4及比較例1的鋼板進(jìn)行焊接性能測試，測試結(jié)果見表3(全部數(shù)據(jù)為鋼板厚度中心位置測試得到)。表3本發(fā)明實(shí)施例1-4及比較例1鋼板的焊接性能<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>*數(shù)據(jù)僅限氣電立焊測權(quán)利要求1、一種適應(yīng)大線能量焊接的鋼板，其特征在于，所述鋼板的化學(xué)成分包含C0.05-0.12wt％、Mn1.2-1.6wt％、Si0.12-0.35wt％、P≤0.015wt％、S≤0.006wt％、Al≤0.015wt％、Ti0.005-0.02wt％、Nb0.008-0.05wt％、N0.0001-0.006wt％、Ca0.001-0.004wt％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，且所述鋼板中的碳當(dāng)量為0.32-0.43。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼板，其特征在于，所述鋼板的化學(xué)成分中還包括Ni《0.5wt%、Mo《0.5wt%。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋼板，其特征在于，所述鋼板中的碳當(dāng)量根據(jù)下式確定碳當(dāng)量C^q=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14。4、權(quán)利要求l所述的適應(yīng)大線能量焊接的鋼板的制造方法，包括冶煉、連鑄、熱軋、冷卻工序，其特征在于，在所述冶煉和連鑄工序中對鋼坯中夾雜物進(jìn)行形態(tài)控制，其中在所述冶煉工序中，在轉(zhuǎn)爐出鋼階段對鋼包頂渣進(jìn)行還原，在精煉階段加入脫氧劑分步進(jìn)行脫氧，對應(yīng)的鋼水氧位控制在0.0020-0.0150wt^;在所述連鑄過程中，采用連鑄二冷工藝對連鑄坯進(jìn)行強(qiáng)冷。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述夾雜物包括氧化物和包裹于其上的MnS，其中所述氧化物為Zr、Ti和Mg中的至少一種元素的氧化物，所述氧化物的粒徑為0.1-5.0微米，密度為50-2000個(gè)/mm2。6、根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造方法，其特征在于，在所述冶煉工序中，采用Ti作為第一次和最后一次的脫氧劑。7、根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造方法，其特征在于，在所述連鑄工序中，連鑄坯的二冷比水量為1.3-1.9噸水/噸鋼。8、根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造方法，其特征在于，在所述熱軋工序前進(jìn)行加熱，加熱溫度為1080-1200°C。9、根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造方法，其特征在于，在所述熱軋工序中，再結(jié)晶階段軋制溫度高于96(TC，道次變形量15-35%;未再結(jié)晶階段軋制溫度660-85(TC，累積變形量》45%，終軋溫度為760-78CTC，軋后待溫至680-760°C。10、根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造方法，其特征在于，在所述冷卻工序中，以10-3(TC/s水冷至400-570。C，然后空冷。全文摘要本發(fā)明提供了一種適應(yīng)大線能量焊接的鋼板及其制造方法。該鋼板的化學(xué)成分包含C0.05-0.12wt％、Mn1.2-1.6wt％、Si0.12-0.35wt％、P≤0.015wt％、S≤0.006wt％、Al≤0.015wt％、Ti0.005-0.02wt％、Nb0.008-0.05wt％、N0.0001-0.006wt％、Ni≤0.5wt％、Mo≤0.5wt％、Ca0.001-0.004wt％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，其碳當(dāng)量為0.32-0.43。本發(fā)明通過對鋼坯中夾雜物進(jìn)行形態(tài)控制，并采用控軋控冷的軋制工藝，制得一種適應(yīng)大線能量焊接的鋼板。該鋼板低溫韌性良好，尤其是大線能量焊接以后具有優(yōu)良的接頭韌性。文檔編號(hào)C21D8/02GK101684534SQ200810200239公開日2010年3月31日申請日期2008年9月23日優(yōu)先權(quán)日2008年9月23日發(fā)明者劉自立,吳扣根,能曹,沈建國,胡會(huì)軍,慶鄭,馬志剛申請人:寶山鋼鐵股份有限公司