一種可大線能量焊接的極地船用鋼板及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可大線能量焊接的極地船用鋼板，該鋼板的化學成分按質量百分比計為C0.03～0.07%，Si0.15～0.30%，Mn1.10～1.50%，P≤0.0070%，S≤0.0030%，Ti0.008～0.020%，N0.0030～0.0060%，Cu0.10～0.30%，Ni0.10～0.40%，Nb0.010～0.040%，Al0.020～0.050%，余量為Fe，鋼板基體組織為鐵素體+珠光體，其中珠光體彌散分布于鐵素體晶粒之間，鐵素體晶粒尺寸為4～8um。鋼材具有優(yōu)異的?60℃、?80℃低溫沖擊韌性、抗低溫應變時效性能，經(jīng)最大線能量200KJ/cm高效焊接后，焊接性能優(yōu)異。
【專利說明】
一種可大線能量焊接的極地船用鋼板及其制備方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于鋼鐵冶金領域，具體涉及一種極地船用鋼板，低溫沖擊韌性、應變時效 性能優(yōu)異，且可大線能量焊接。
【背景技術】
[0002] 建造用于極地的船舶，因為應用在寒冷海域，要求其結構材料不僅具有高的強度、 良好的塑性而且還要求在極低溫度下(_60°C、-80°C)具有高的沖擊韌性。通常，要求極地 船用鋼具備屈服強度彡355MPa、抗拉強度彡490MPa的高強度，-60°C、-80 °C低溫沖擊韌性優(yōu) 異。此外，因海洋環(huán)境復雜多變，極地船舶常要承受臺風(颶風）、波浪、潮汐、海流、冰凌等的 強烈作用，因而，要求極地船用鋼還具有良好的極低溫應變時效性能。
[0003] 另外，船舶海工市場形勢嚴峻，船舶海工企業(yè)為了降低成本，不斷進行技術提升， 通過提高大線能量焊接技術來提高焊接效率，縮短工期，提高經(jīng)濟效益。為了滿足船舶海工 行業(yè)以及其它基礎設施行業(yè)如鍋爐壓力容器、橋梁、建筑等的大線能量焊接用鋼的共性要 求，鋼鐵企業(yè)也相應地配套開發(fā)大線能量焊接用鋼。
[0004] 目前，主要通過兩種技術途徑來獲得大線能量焊接用鋼，一種是采用氧化物冶金 技術方法，中國專利申請0附04411849六、0附0510265(^、0附01918607六等，將鋼板的焊接熱 輸入量提高至400-600KJ/cm。但氧化物冶金技術冶煉難度大，冶煉過程中合金添加方式、鋼 液溫度、氧勢的波動等因素造成冶煉工藝窗口窄、難于控制，極容易形成大尺寸夾雜物，影 響鋼坯品質，難以實現(xiàn)大批量穩(wěn)定生產(chǎn)。另一種是通過Ti加入技術來提高鋼板抗大線能量 焊接，中國專利申請CN103114241A，通過高N含量，低Ti/N比例的成分設計，以及Ni和Cu的 復合添加，得到了大量彌散分布的TiN的粒子，從而將鋼板的大線能量提高至600KJ/ cm。
[0005] 現(xiàn)有技術中的可大線能量焊接的鋼還沒有涉及極地低溫韌性和極低溫應變時效 性能。
[0006] 綜上所述，現(xiàn)有技術還不能完全滿足極地船需要的既要有良好的極低溫度下（_ 60° C、_80°C)良好的沖擊韌性、極低溫應變時效性能、可大線能量焊接的綜合要求。開發(fā)極 地低溫韌性、抗低溫應變時效性能優(yōu)異的可大線能量焊接鋼是本領域技術人員探索的方 向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明目的是提供一種可大線能量焊接的極地船用鋼及其制備方法，該鋼板在常 規(guī)力學性能滿足彡355MPa、抗拉強度彡490MPa的基礎上，具有優(yōu)異的-60°C、_80°C低溫沖擊 韌性、抗低溫應變時效性能，經(jīng)最大線能量200KJ/cm高效焊接后，焊接性能優(yōu)異。
[0008] 本發(fā)明解決上述問題所采用的技術方案為：一種可大線能量焊接的極地船用鋼 板，該鋼板的化學成分按質量百分比計為C: 0.03~0.07%，Si :0.15~0.30%，Mn :1.10~ 1.50%，P:<0.0070%，S:<0.0030%，Ti:0.008~0.020%，N :0.0030~0.0060%，Cu:0.10~ 0.30%，附：0.10~0.40%，恥：0.010~0.040%41:0.020~0.050%，余量為？6及不可避免的 雜質元素，鋼板基體組織為鐵素體+珠光體，其中珠光體彌散分布于鐵素體晶粒之間，鐵素 體晶粒尺寸為4~8um。
[0009] 優(yōu)選地，鋼板的化學成分按質量百分比計為C:0.05%，Si :0.20%，Mn: 1.20%，P:彡 0.005%,S：^O.002%,Ti：0.015%,N：0.0050%,Cu:0.18%,Nb:0.038%,Al :0.035%, Ni :0.29%, 余量為Fe及不可避免的雜質元素。
[0010] 本發(fā)明中鋼成分的限定理由闡述如下： C:降低鋼板中的碳含量可以提高鋼的極低溫沖擊性能、低溫應變時效性能的，改善鋼 板的焊接冷裂紋敏感性，當加入碳含量低于0.07%，在線能量焊接時（多l(xiāng)OOKJ/cm)，可有效 降低熱影響區(qū)的M-A組元的生成，達到改善焊接熱影響區(qū)（HAZ)的極低溫沖擊韌性的目的。 但是碳含量過低，鋼的淬透性減弱，不利于中厚板生產(chǎn)鋼的強度提高。因此，碳含量控制為 0.03~0.07%。
[0011] Si:主要用于脫氧，雖要依據(jù)不同的冶煉方式來確定其加入量，但要獲得良好的鋼 板性能，以及滿足船級社規(guī)范要求必須在〇. 15%以上，但Si過多會嚴重損害鋼板的大線能量 焊接性能，增加 HAZ區(qū)的MA組元，影響熱影響區(qū)的沖擊韌性，若超過0.30%以上又會造成心部 偏析以及破壞焊接性能，所以規(guī)定其上限為0.30%。
[0012] Mn:在所述鋼中具有推遲奧氏體向鐵素體轉變的作用，對細化鐵素體，提高強度和 韌性有利。當錳的含量較低，上述作用不顯著，鋼板強度和韌性偏低等。過高則又會引起連 鑄坯偏析、韌性差和可焊性降低等，故本發(fā)明中考慮到合金的綜合加入，規(guī)定錳含量加入量 介于1.10~1.50%的范圍內(nèi)。
[0013] P:雖能提高耐蝕性，但會降低低溫韌性和妨礙可焊性，對結構鋼是不適當?shù)?，本發(fā) 明規(guī)定其控制在〇. 0070%以下。
[0014] S:形成MnS夾雜物，也會導致中心偏析，對耐蝕性也有不良影響，本發(fā)明規(guī)定在其 控制在0.0030%以下。
[0015] Ti:通過形成Ti2O3粒子，可以促進晶內(nèi)鐵素體的生成，同時也用來固定鋼中的氮元 素，在適當條件下，鈦、氮形成氮化鈦，阻止鋼坯在加熱、乳制、特別是焊接達1350Γ的高溫 過程中奧氏體晶粒粗化，改善母材和焊接熱影響區(qū)的極低溫韌性，提高焊接性能。鈦低于 0.008%時，效果差，超過0.020%時，過剩的鈦會與其它元素復合析出，使鋼的韌性惡化。
[0016] N:是本發(fā)明中的重要元素，不同于以往以有害元素來控制，而是要保證鋼板中氮 含量一定，當鋼中的Ti、N原子之比為1:1時，此時相于Ti、N重量之比為3.42，TiN粒子最為細 小且分布彌散，對高溫奧氏體晶粒的細化作用最強，不僅可獲得優(yōu)良的韌性，根據(jù)Ti的加入 量以及鋼中氧含量、以及其它固氮元素，本發(fā)明中N含量控制為0.0030~0.0060%。
[0017] Cu:是提高鋼淬透性的元素。此外，可有效減小δ相區(qū)，有利于鋼材冶煉，減小連鑄 過程中的熱收縮。在焊接過程中，也減小TiN在δ相區(qū)固溶，增加 TiN高溫釘乳效果，減小奧氏 體晶粒粗化。Cu含量小于0.10%時，效果不明顯。但是含量過高，容易引起Cu偏聚，形成鋼板 表面質量差，同時兼顧船級社規(guī)范要求以及經(jīng)濟性，本發(fā)明Cu含量控制在0.10~0.30%。
[0018] Ni:與Cu-樣是提高鋼淬透性及減小δ相區(qū)的元素，也是有效提高鋼的低溫韌性的 最常用元素。此外，與鋼中Cu、P復合作用，將有助于提高鋼的耐腐蝕性，但是加入量過高，將 會顯著提高鋼的成本。故在本明中，規(guī)定鎳含量介于0.10~0.40%。
[0019] Nb:Nb起到溶質拖曳作用和Nb(C，N)對奧氏體晶界的釘扎作用，均抑制形變奧氏體 的再結晶，擴大奧氏體非再結晶區(qū)間，減少特厚板生產(chǎn)待溫時間。并在冷卻或回火時形成析 出物，從而使強度和韌性均得到提高，還可以提高鋼的耐蝕性能。添加量小于0.010%時效果 不明顯，大于0.040%時韌性降低，導致連鑄坯產(chǎn)生表面裂紋，成本增加。因此，本發(fā)明規(guī)定鈮 含量應介于0.010~0.040%的范圍內(nèi)。
[0020] Al:是鋼的優(yōu)良脫氧劑，是有效的細化晶粒兀素，提尚鋼的強度和初性。添加量大 于0.050%時容易形成大形復合型氧化物夾雜物，且易在結晶器水口結瘤。因此，本發(fā)明規(guī)定 鈮含量應介于〇. 020~0.050%的范圍內(nèi)。
[0021] 本發(fā)明另提供上述可大線能量焊接的極地船用鋼板的制備方法，具體工藝如下， 冶煉連鑄:采用鐵水預處理，KR深脫硫，硫含量低于0.0020%，轉爐冶煉，轉爐終點CS 0.02%，出鋼過程進行15~20min底吹氬氣、氮氣，進行LF、RH精煉，合金加入順序為AUSi、 皿11、附、他、〇1、1^、0&，最后進行喂1^線與0&線是為了提高11工 &收得率，防止11在過高溫度 形成析出，避免大型鈦氧化物夾雜的形成，板坯連鑄。
[0022] 乳制工藝:連鑄坯與成品厚度的壓縮比彡4,采用控乳控冷工藝，連鑄坯再加熱溫 度1150~1200°C，加熱時間1.0~1.5min/mm，采用粗乳和精乳兩階段控制乳制，粗乳單道次 壓下率為12~20%，粗乳終乳溫度1000~1080 °C，粗乳后所得中間坯的厚度為2.0~3.5倍于 成品厚度;精乳開乳溫度為830~900°C，總乳制道次為12~16道次，乳后采用加速冷卻，終 冷溫度620~720 °C，冷卻速率3~8 °C/s，隨后空冷。
[0023] 本發(fā)明在滿足船級社規(guī)范中船用鋼板和低溫韌性鋼彡355MPa、抗拉強度彡490MPa 鋼級的成分范圍的基礎上，通過較低的碳含量，Mn-Ni-Cu-Nb的添加這些有益于鋼板強韌性 元素，并通過連鑄坯的壓縮比的控制，在TMCP乳制過程中，增加道次壓下量，控制道次總數(shù) 量，獲得了一種由鐵素體珠光體基體組織，其中珠光體彌散分布于鐵素體晶粒之間，鐵素體 晶粒細小、均勻，平均晶粒尺寸為4-8μηι。
[0024] 通過微合金Ti的添加，形成Ti2O3粒子和TiN粒子來促進晶內(nèi)鐵素體的生成以及阻 止奧氏體晶粒粗化，改善母材和焊接熱影響區(qū)的極低溫韌性。同時輔助添加 Cu、Ni等合金元 素減小δ相區(qū)，避免T i N在δ相區(qū)的溶解。在冶煉過程中按照AI、S i、Mn、Nb、Cu、T i、Ca進行添 加，充分發(fā)揮大線能量焊接有益元素的作用。
[0025] 本發(fā)明獲得的特厚板在滿足船級社規(guī)范中船用鋼板和低溫韌性鋼多355MPa、抗拉 強度多490MPa鋼級的性能要求外，還具有優(yōu)異的極低溫沖擊韌性、抗低溫應變時效性能、以 及抗大線能量焊接性等。具體性能為：屈服強度橫向拉伸性能介于370~420MPa，抗拉強度 介于530~560 MPa，屈強比介于0.85~0.90，相對高的屈強比保證了細晶粒，具備良好的 低溫韌性，抗脆斷能力，延伸率多25%。-60 °C、-80 °C縱向沖擊韌性值多200 J，應變時效后，-60°C、_80°C沖擊韌性值沒有明顯降低，具有優(yōu)異的抗低溫時效性能。經(jīng)線能量達200KJ/cm 焊接后，焊接焊縫處、熱影響區(qū)性能沒有惡化，_60°C沖擊性能仍滿足船級社規(guī)范要求，焊接 接頭強度介于540-600MPa，拉伸試驗后，試樣斷母材。完全滿足極地船用鋼高強度、優(yōu)異的 極低溫沖擊韌性、耐應變時效性、抗大線能量焊接等綜合性能要求。具有生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，易 于批量化生產(chǎn)。
[0026] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于： 1、采用傳統(tǒng)Ti加入技術配合低C，Mn-Ni-Cu-Nb等鋼鐵中的常用元素作為合金添加劑， 提高抗大線能量焊接，提高鋼板的極低溫韌性，同時避免了氧化物冶金所涉及的Mg、B、Ca、 甚至稀土等難以控制的活潑元素的添加，減降了冶煉難度，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，易于批量 化冶煉連鑄控制。
[0027] 2、本發(fā)明鋼中的Ni含量僅介于0.10~0.40%，其韌性可與船用鎳系低溫鋼如1.5Ni 的性能媲美。因此同等性能條件下，本發(fā)明鋼成本以及焊接性能優(yōu)勢顯著。
[0028] 3、采用TMCP生產(chǎn)方式利用低碳含量控制，添加淬透性元素 Ni、Mn、Cu等保證特厚鋼 板適當?shù)拇阃感?，保證強度及極地船極低溫韌性要求，同時，加入Nb、Ti等等微合金元素，有 效的保證組織的細化，還提高鋼板抗大線能量的焊接性。
[0029] 4、本發(fā)明通過合理的合金及微合金加入順序，增加微合金元素如Ti、Nb的收得率， 結合N含量的控制，增加第二相粒子的析出幾率，阻礙奧低體在高溫條件下迅速長大，同時 也有效的防止Ti在冶煉中過早高溫析出，防止大型夾雜物的析出。
[0030] 5、本發(fā)明TMCP工藝窗口大，其中冷卻溫度可達620-700°C，操作窗口大，適合薄厚 規(guī)格鋼板工藝通用。本發(fā)明可以推廣應用至其它如極寒地區(qū)的近海設施、用于存儲液化氣 體的低溫設備的鋼鐵材料制備上。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明實施例1中鋼板典型組織。
【具體實施方式】
[0032]以下結合實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0033] 各實施例所對應的可大線能量焊接低溫韌性鋼的化學成分見表1，表中數(shù)據(jù)為各 元素的質量百分比含量，剩余為Fe及不可避免的雜質元素。
[0034] 表 1
鋼板的生產(chǎn)工藝如下： 冶煉連鑄工藝:采用鐵水預處理，KR深脫硫，硫含量低于0.0020%，轉爐冶煉，爐外精煉， 板坯連鑄等工序，其中轉爐終點CS0.02%，出鋼過程進行15~20min底吹氬氣，氮氣，進行 1^、冊精煉，合金加入順序為41、3^11、附、恥、〇1、1^、0 &，最后進行喂1^線與0&線是為了提 高Ti、Ca收得率，防止Ti在過高溫度形成析出，避免大型鈦氧化物夾雜的形成。
[0035]乳制工藝:連鑄坯與成品厚度的壓縮比彡4,采用控乳控冷TMCP工藝，連鑄坯再加 熱溫度1150°C~1200°C，加熱時間為1.0~1.5min/mn，采用粗乳和精乳兩階段控制乳制， 粗乳單道次壓下率為12~20%，粗乳終乳溫度1000~1080°C，粗乳后所得中間坯的厚度為 2.0~3.5倍于成品厚度;精乳開乳溫度為830~900°C，乳后采用加速冷卻，鋼板終冷溫度 620~720 °C，冷卻速率3~8°C/s，隨后空冷;各實施例的具體乳制工藝如表2所示，冷卻工藝 如表3所示。
[0036]表2
按照上述谷買施例的治爍、乳制、水冷工藝制得的鋼板，其力學性能見表4。從買施例拉 伸性能來看，鋼板屈服強度橫向拉伸性能介于370~420MPa，抗拉強度介于520~560 MPa， 屈強比介于0.85~0.90，延伸率優(yōu)良彡25%。-60°(：、-80°(：極低溫縱向沖擊韌性值彡200 J。
[0037] 表 4
將實施例進行5%塑性變形，250 °C時效1小時，-60°C、-80 °C時效沖擊韌性值沒有明顯降 低，具有優(yōu)異的抗低溫時效性能，具體見表5。
[0038] 表5
將實施例在200 ± 5KJ/cm的線能量下進行可焊性試驗，焊接前不預熱，焊接后不進行熱 處理，焊接坡口為單邊V型，其焊接接頭熱影響區(qū)-60°C的沖擊功不低于70J。其焊接接頭拉 伸沖擊性能如表6所示。
[0039]表 6
除上述實施例外，本發(fā)明還包括有其他實施方式，凡采用等同變換或者等效替換方式 形成的技術方案，均應落入本發(fā)明權利要求的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1. 一種可大線能量焊接的極地船用鋼板，其特征在于：該鋼板的化學成分按質量百分 比計為 C:0.03 ~0.07%，Si:0.15~0.30%，Mn:1.10~1.50%，P:<0.0070%，S :<0.0030%，Ti: 0.008~0.020%，N:0.0030~0.0060%，Cu:0.10~0.30%，Ni :0.10~0.40%，Nb:0.010~ 0.040%，A1:0.020~0.050%，余量為Fe及不可避免的雜質元素，鋼板基體組織為鐵素體+珠 光體，其中珠光體彌散分布于鐵素體晶粒之間，鐵素體晶粒尺寸為4~Sum。2. 根據(jù)權利要求1所述的可大線能量焊接的極地船用鋼板，其特征在于:鋼板的化學成 分按質量百分比計為C: 0 · 05%，Si : 0 · 20%，Mn: 1 · 20%，P:彡0 · 005%，S:彡0 · 002%，Ti : 0 · 015%， N:0.0050%，Cu:0.18%，Nb:0.038%，Al:0.035%，Ni:0.29%，余量為Fe 及不可避免的雜質元 素。3. 根據(jù)權利要求1所述的可大線能量焊接的極地船用鋼板，其特征在于：鋼板性能滿 足：屈服強度橫向拉伸性能介于370~420MPa，抗拉強度介于530~560 MPa，屈強比介于 0.85~0.90，延伸率彡25%。 4 · -60 °C、-80 °C縱向沖擊韌性值彡200 J，應變時效后，-60 °C、-80 °C沖擊韌性值沒有明 顯降低，經(jīng)線能量200KJ/cm焊接后，焊接焊縫處、熱影響區(qū)性能沒有惡化，-60°C沖擊性能仍 滿足船級社規(guī)范要求，焊接接頭強度介于540-600MPa，拉伸試驗后，試樣斷母材。5.-種制備權利要求1或2所述可大線能量焊接的極地船用鋼板的方法，其特征在于： 冶煉連鑄:采用鐵水預處理，KR深脫硫，硫含量低于0.0020%，轉爐冶煉，轉爐終點 0.02%，出鋼過程進行15~20min底吹氬氣、氮氣，進行LF、RH精煉，合金加入順序為Al、Si、 皿11、附、他、(：11、11、〇3，最后進行喂11線與〇3線，板坯連鑄 ； 乳制工藝：連鑄坯與成品厚度的壓縮比多4,采用控乳控冷工藝，連鑄坯再加熱溫度 1150~1200°C，加熱時間1.0~1.5min/mm，采用粗乳和精乳兩階段控制乳制，粗乳單道次壓 下率為12~20%，粗乳終乳溫度1000~1080 °C，粗乳后所得中間坯的厚度為2.0~3.5倍于成 品厚度;精乳開乳溫度為830~900°C，總乳制道次為12~16道次，乳后采用加速冷卻，終冷 溫度620~720 °C，冷卻速率3~8 °C/s，隨后空冷。
【文檔編號】C21D8/02GK106086650SQ201610587965
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月25日 公開號201610587965.4, CN 106086650 A, CN 106086650A, CN 201610587965, CN-A-106086650, CN106086650 A, CN106086650A, CN201610587965, CN201610587965.4
【發(fā)明人】劉朝霞, 阮小江, 趙孚, 吳小林, 寧康康, 方壽玉, 廖書全, 蘆莎, 周海燕
【申請人】江陰興澄特種鋼鐵有限公司