專利名稱：一種適應高熱輸入焊接的船體結(jié)構(gòu)鋼及其冶煉方法
一種適應高熱輸入焊接的船體結(jié)構(gòu)鋼及其冶煉方法技術領域
本發(fā)明屬于低合金鋼制造領域，涉及一種船體結(jié)構(gòu)鋼，尤其是一種適應高熱輸 入焊接的船體結(jié)構(gòu)鋼及其冶煉方法。
背景技術：
在本發(fā)明前，已經(jīng)有一些高熱輸入焊接用鋼的公開報道。如川崎制鐵株式會社 申請的專利“熱量輸入500kJ/cm以上的大熱量輸入焊接用鋼及其制造方法”(申請?zhí)?96105716.8)和武漢鋼鐵公司申報的專利“高熱輸入焊接非調(diào)質(zhì)高韌性低溫鋼及其制造方 法”(申請?zhí)?1128316. 。這些技術的共同特點是加入B，利用BN和Ca或Re的氧化 物抑制焊接熱影響區(qū)晶粒長大，提高熱影響區(qū)性能。但是B的加入經(jīng)常產(chǎn)生副作用，B 很容易在晶界偏聚，造成母材韌性的嚴重下降。目前尚無良好的控制B的措施。
日本神鋼公司申請的專利 “High tensile strength steel product for high heat input welding, having excellent toughness in heat-affected zone” (EP1052303A2, 申請?zhí)?11019810.2)通過優(yōu)化鋼中夾雜物成分，利用Ti的氧化物的高溫穩(wěn)定性阻止奧氏體晶粒長 大，改善熱影響區(qū)韌性。但是，Ti的氧化物形成溫度高于鋼水的凝固溫度，析出的氧化 物粒子生長不受阻礙，大顆粒夾雜不僅起不到抑制晶粒長大的作用，還會破壞母材和熱 影響區(qū)的韌性。因此，這種方法在生產(chǎn)中很難起到良好效果。
韓國浦項公司申請的專利“用于焊接結(jié)構(gòu)的具有TiN+ZrN析出相的鋼板及其制 造方法和使用該鋼板的焊接結(jié)構(gòu)”(申請?zhí)?1804513.8)通過提高N的含量來獲得較多的 TiN以阻止熱影響的晶粒長大，由于N提高后對鋼的連鑄性能影響很壞，鑄坯裂紋很難避 免，不得不增加了一道滲N工序，致使生產(chǎn)工藝及其復雜，生產(chǎn)效率低下。
寶鋼公司申請的專利“可高熱輸入焊接的超高強度鋼板及其制造方法”通過異 步軋制、應變弛豫和直接淬火相結(jié)合來獲得鋼板的高強度和高韌性，對軋機的能力要求 很高。更重要的是，從生產(chǎn)方法到應用實例均不包含高熱輸入焊接的內(nèi)容。發(fā)明內(nèi)容
提供一種適于高熱輸入焊接的低合金高強鋼板的制造方法，目的在于解決第二 相粒子顆粒較大，降低母材韌性、不適應高熱輸入要求問題。
本發(fā)明的技術方案包括
本發(fā)明的化學成分為(質(zhì)量百分比)，含有C 0.06% 0.14%、Si: 0.10% 0.50%, Mn: 0.80% 1.80%、P <0.015%, S <0.008%, Nb: 0.020% 0.050%、 Ti 0.006% 0.030%、N 0.0030% 0.0100%，Al 0.015% 0.045%，V 0.03 0.10%,余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明鋼的成分還包括(質(zhì)量百分比)Μο: 0.08% 0.40%、Ni: 0.15% 0.60%, Cu: 0.10% 0.80% 中的一種或多種。且需滿足 Mo+Ni+CuS 1.2%。
本發(fā)明碳當量為(質(zhì)量百分比)
Ceq = C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 < 0.42 %
為了實現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明的工藝特點是Ti以鋼帶包裹合金粉末形成管狀鋼 絲的方式送入，并且與澆鑄過程同時進行，其鋼絲直徑為Φ2.0ιηιη 6.0mm;其送絲速 度為 10m/min 40m/min。
以下對本發(fā)明進行詳細說明
C是決定鋼材強度的主要元素，也是決定焊接熱影響區(qū)組織的主要元素。當C低 于0.06%時，難以得到所需要的強度；當C高于0.14%時，焊接熱影響區(qū)中易出現(xiàn)的淬 硬組織，使韌性惡化，而且高C時容易產(chǎn)生焊接裂紋。本發(fā)明C控制在0.06% 0.14%。
Si是脫氧元素，同時也是一種強化元素。Si低于0.10%時，脫氧效果差，鋼板 表面易起麻點和紅繡；但當Si大于0.50%時，促進組織粗化，而且焊接冷、熱裂紋敏感 性均增加。本發(fā)明Si控制在0.10% 0.50%。
Mn的原子半徑與Fe相近，容易形成置換固溶體，是應用最多的保證鋼板強度 的元素，也是影響淬硬傾向的重要元素。當Mn含量低于0.80%時，強度降低，而且硫 化物的有害作用增強；當Mn含量高于1.80%時，熱影響區(qū)韌性變壞。本發(fā)明Mn控制 在 0.80% 1.80%。
P是雜質(zhì)元素，增加鋼材的脆性，應盡可能降低。但冶金脫P成本很高，限制 在0.015%以下可以保證性能要求。
S是影響鋼材韌性的主要元素。較高的S含量引起長條狀硫化物夾雜，損失鋼 材韌性。S還嚴重惡化鋼材的Z向性能，在焊接過程中引起層狀撕裂。此外，當S含量 高時，硫化物會依附TiN長大，使TiN粒子尺寸增大，釘扎奧氏體晶界的能力嚴重削弱。 良好的脫硫不僅有助于提高鋼板的塑韌性，還有助于控制TiN的尺寸以抑制熱影響區(qū)晶 粒的長大。因此，為滿足大線能量焊接要求必須良好脫硫。本發(fā)明要求S S 0.008%。
Ti是本發(fā)明著力研究的元素。Ti與N結(jié)合成TiN，阻止奧氏體晶粒長大，Ti 與O結(jié)合成Ti2O3，能夠增加晶內(nèi)鐵素體形核，可以有效地提高熱影響區(qū)的韌性。Ti的 添加，還可以減少N的固溶含量，改善鋼的時效性能。當Ti量低于0.006%時，形成的 有益氮化物數(shù)量少，抑制晶粒長大的作用弱；當Ti量超過0.030%時，鋼中固溶Ti量過 多，剩余Ti以固溶的形式存在于晶內(nèi)，降低了母材和熱影響區(qū)的性能。本發(fā)明Ti控制在 0.006% 0.030%。
N是本發(fā)明另一重要元素。N有兩種存在方式，一種是固溶，對母材性能不利， 另一種是形成彌散分布的細顆粒N化物，對焊接熱影響區(qū)韌性有改善作用。N量低則氮 化物數(shù)量不足，不適合大線能量焊接。N量高則固溶N增多，母材韌性和時效性能不 好，連鑄坯容易產(chǎn)生裂紋。本發(fā)明N控制在0.003% 0.010%。
Nb不僅能提高軋制過程的再結(jié)晶溫度，促進細晶強化效果，還能與Ti形成復合 氮化物，降低Ti/N比，改善熱影響區(qū)性能。在本發(fā)明中，為了通過熱機械軋制提高鋼 板的強度和韌性，必須添加一定含量的Nb。Nb量過低，不易發(fā)揮控軋作用；Nb量過高 時，在焊接過程中促進側(cè)板條鐵素體形成，對韌性也不利。本發(fā)明Nb控制在0.020% 0.050%。
V可以與N結(jié)合生成VN。VN具有促進針狀鐵素體形成的作用，可以改善熱影 響區(qū)組織，顯著提高熱影響區(qū)韌性。當V含量低于0.03%，形成針狀鐵素體的能力弱；當V含量高于0.1%，鋼板的淬硬性增強，鋼板和熱影響區(qū)的韌性均下降。本發(fā)明V控 制在0.03 0.1%之間。
Al是主要脫氧元素。當Al含量低時，脫氧能力不足，Ti被氧化而不能生成有益 的TiN粒子；Al含量過高，容易形成大顆粒夾雜。本發(fā)明Al控制在0.015% 0.050%。
根據(jù)鋼種強度和韌性要求，可以加入Cu、Mo、Ni中的一種或多種。但這 三種元素均顯著提高碳當量，導致淬硬性增加，因此含量必須限制。本發(fā)明要求控 制 Mo 0.08 % 0.40 %、Ni 0.15 % ~ 0.60 Cu 0.10 % 0.80 %。且需滿足 Mo+Ni+CuS 1.2%。
為了獲得理想的焊接熱影響區(qū)性能，應保證焊接熱影響區(qū)組織以鐵素體為主。 碳當量是評價獲得鐵素體能力的重要指標。碳當量低，容易獲得鐵素體。在本發(fā)明中， 除上述合金成分控制外，還應使碳當量滿足Ceq = C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V /14$0.42%。
在適應大線能量焊接的鋼板生產(chǎn)中，Ti的添加起著重要的作用。而Ti添加方式 直接影響著Ti的作用效果。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝中，Ti可以直接添加在鋼包或轉(zhuǎn)爐中，也 可以添加在精煉爐，如LF、RH中。但實質(zhì)都是一樣，都處于鋼水的熔融階段。
在該階段，鋼水的溫度高。Ti加入后，雖然能形成Ti的氮化物TiN。但TiN有 充足的時間生長而不受限制，因此凝固后TiN的顆粒可以長大到1 μ m以上，成為大顆粒 的夾雜物。這種大顆粒夾雜已經(jīng)失去了阻礙晶粒長大的作用。另外，由于鋼水包容量很 大，添加Ti合金相對量很少，Ti合金加入只在一個較小區(qū)域與鋼水混合，生成的TiN不 容易達到均勻、彌散的效果。
為了降低Ti加入時鋼水的溫度和縮短加入后在鋼水中的停留時間，本發(fā)明采用 了在鋼水的澆鑄過程中加入Ti的方式。
具體方法是，首先將要添加的Ti合金制成金屬粉末。粉末的粒度在160目 40 目之間為佳。粉末過細在鋼水中容易上??；粉末過粗則不利于成型。用低碳鋼帶將合 金粉末包裹，并在成型機上卷成圓筒型，形成管狀含Ti合金鋼絲。將合金絲繞制在圓盤 上，將圓盤安裝在送絲機上。
在澆鑄過程中，鋼水均勻流入錠模(模鑄)或結(jié)晶器(連鑄)。同時，起動送 絲機，使包裹著Ti合金的鋼絲均勻送入，在鑄流中與鋼水混合、熔化并通過化學反應生 成TiN。在高溫鋼水中生成的TiN顆粒尺寸在200nm以上，不利于細晶。而在凝固后析 出的 Ν尺寸在IOOrnn以下，控制晶粒長大的作用更強。同時溫度每降低10°C，TiN的 數(shù)量可提高10% 15%。為了盡量縮短高溫停留時間，對鋼水的澆鑄溫度要進行控制。 過熱度控制最好不超過20°C。
為了保證需要的Ti合金加入量，需要根據(jù)鋼水的質(zhì)量調(diào)整合金的加入速度。調(diào) 整的方式有兩種，一種是調(diào)整鋼絲直徑，在Φ 2.0mm 6.0mm之間；另一種是調(diào)整送絲 速度，在10m/min 40m/min，鋼水較少時用慢速，鋼水多時用快速。
由于合金鋼絲按比例與鋼水同時澆鑄，在與鋼水混合后以很快的冷速凝固，TiN 的析出主要在固態(tài)完成，TiN粒子受到周圍固態(tài)金屬的限制而不能自由長大。粒子的尺 寸很小也更彌散化。這些TiN粒子在固態(tài)相變過程中可以起到費自發(fā)形核形核的專用， 降低新相生成的形核功，使形核率大大增加。另一方面，在晶粒長大過程中，分布在晶界的TiN粒子又起到晶界釘扎作用，阻礙晶粒的互相吞并和晶界的擴張。這兩種作用均 隨TiN尺寸的減小而提高。
本發(fā)明的優(yōu)點及效果在于
1.按本發(fā)明生產(chǎn)的鋼板在50kJ/cm以上高熱輸入焊接時，焊接熱影響區(qū)韌性良好。
2.采用澆鑄過程同時添加Ti的方式，使合金化更均勻，生成的TiN質(zhì)點更細小 彌散，阻礙晶粒長大的能力更強。
3.本發(fā)明生產(chǎn)工藝簡便，適合批量生產(chǎn)操作。
具體實施方式
本發(fā)明設計鋼的化學成分為(質(zhì)量百分比)C: 0.06% 0.14%、Si: 0.10% 0.50%, Mn: 0.80% 1.8%、P <0.015%, S <0.008%, Nb: 0.020% 0.050%、 Ti: 0.006% 0.030%、N 0.0030% 0.0100%，Al: 0.015% 0.050%。此外還可以 加入 Mo 0.08% 0.40%、V: 0.02% 0.05%、Cu 0.10% 0.80% 的一種或多種， 且需滿足Mo+Ni+CuS 1.2%，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。碳當量Ceq = C+Mn/6+Si /24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 < 0.42%。
為了降低Ti加入時鋼水的溫度和縮小加入后在鋼水中的停留時間，本發(fā)明采用 了在鋼水的澆鑄過程中加入Ti的方式，并采取將Ti合金粉末包裹在鋼帶中形成的管狀鋼 絲的方式送入，Ti微合金化與澆鑄過程同時進行。
為了保證需要的Ti合金加入量，需要根據(jù)鋼水的質(zhì)量調(diào)整合金的加入速度。 調(diào)整的方式有兩種，一種是鋼絲直徑，另一種是送絲速度。其鋼絲直徑為Φ2.0ιηιη 6.0mm ；其送絲速度為10m/min 40m/min。
下面結(jié)合具體的實施例通過與對比例的比較來描述本發(fā)明。
表1為實施例和比較例中各鋼種的化學成分。
表2為實施例和比較例中各鋼種的冶煉條件。
表3為實施例和比較例中各鋼種的常規(guī)力學性能。
表4為實施例和比較例中各鋼種的焊接性能。
表1，實施例和比較例中各鋼種的化學成分(Wt， % )
權(quán)利要求
1.一種適應高熱輸入焊接的船體結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，化學成分為，質(zhì)量百分比， C 0.06% 0.14%、Si 0.10% 0.50%、Mn 0.80% 1.80%、P <0.015%, S <0.008%, Nb: 0.020% 0.050%、Ti: 0.006% 0.030%、N 0.0030% 0.0100%， Al: 0.015% 0.045%，V 0.03 ~ 0.10%,余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適應高熱輸入焊接的船體結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，其化學 成分還包括，質(zhì)量百分比，Mo: 0.08% 0.40%、Ni: 0.15% 0.60%、Cu: 0.10% 0.80%中的一種或多種，且需滿足Mo+Ni+CuS 1.2%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適應高熱輸入焊接的船體結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，碳當量 為，質(zhì)量百分比Ceq = C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14$0.42%。
4.如權(quán)利要求1-3任一所述的一種適應高熱輸入焊接的船體結(jié)構(gòu)鋼板的冶煉方法，其 特征在于，Ti以鋼帶包裹合金粉末形成鋼絲的方式送入，并且其加入與澆鑄過程同時進 行。
5.如權(quán)利要求4所述的一種適應高熱輸入焊接的船體結(jié)構(gòu)鋼板的冶煉方法，其特征在 于，其鋼絲直徑為Φ 2.0mm Φ 6.0mm ；其送絲速度為10m/min 40m/min。
全文摘要
本發(fā)明公開一種適應高熱輸入焊接的船體結(jié)構(gòu)鋼，化學成分為，質(zhì)量百分比，C0.06％～0.14％、Si0.10％～0.50％、Mn；0.80％～1.80％、P≤0.015％、S≤0.008％、Nb0.020％～0.050％、Ti0.006％～0.030％、N0.0030％～0.0100％，Al0.015％～0.045％，V0.03～0.10％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。它的工藝特點是，Ti以鋼帶包裹合金粉末形成鋼絲的方式送入，并且其加入與澆鑄過程同時進行。使合金化更均勻，生成的TiN質(zhì)點更細小彌散，阻礙晶粒長大的能力更強，其生產(chǎn)工藝簡便，適合批量生產(chǎn)操作。本發(fā)明生產(chǎn)的鋼板在50kJ/cm以上高熱輸入焊接時，焊接熱影響區(qū)韌性良好。
文檔編號C22C38/14GK102021477SQ20091018762
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月23日
發(fā)明者付魁軍, 劉芳芳, 及玉梅, 呂冬, 徐向陽, 敖列哥, 王佳驥, 韓鵬, 馬玉璞 申請人:鞍鋼股份有限公司