一种低应变时效敏感性焊接结构用钢及其生产方法

专利名称：一种低应变时效敏感性焊接结构用钢及其生产方法
技术领域：
本发明涉及焊接结构工程用钢及其制造方法，具体属于屈强比小于O. 8的低应变时效敏感性焊接结构用钢及其生产方法。
背景技术：
本发明前，专利号为200680010439. 6的中国发明专利公开了一种热轧钢板及其制造方法和热轧钢板成形体，该发明钢C O. 01 O. 2 %，Si彡O. 2 %，Mn彡3.0%， P ^ O. 1%, S ^ O. 02%, Al ^ O. 1%, O. 02%，其P、S杂质元素含量高，且组织以马氏体为主相，要求第二相铁素体面积百分比在I. O 30%之间，钢板强度级别较高，与本发明钢具有本质区别。另有专利号为200610124380. 5的中国发明专利公开了一种改善钢板的低温韧性和应变时效低温韧性的方法，该发明钢CS0. 10%, P、S杂质元素含量高，钢板强度级别低，且没有对屈强比予以考虑，钢材抗震性能差。还有专利号为201110282948. 7 的中国发明专利公开了一种具有_40°C应变时效高韧性钢板及其生产方法，其C O. 09 O. 13%, Si O. 20 O. 50%, Mn I. 00 I. 50%, P 彡 O. 010%, S 彡 O. 003%, N O. 002 O. 005 %, Al O. 020 O. 060 %, Nb O. 03 O. 05 %，Ti O. 007 O. 020 %, Ni O. 20 O. 45%,Cu O. 15 O. 30%，该钢含有较多的Cu、Ni元素，合金成本高，且钢板必须进行正火处理，增加了工艺生产成本，钢板强度级别也较低。专利号为200780043094. 9的中国发明专利公开了一种具有优良的抗应变时效性的低屈服比双相钢管线钢，其主要成分C O. 05 O. 12%，Nb O. 005 O. 03%,Ti O. 005 O. 02%, N O. 001% O. 01%, Mn O. 5 2. 0%，Si O. 01 O. 5%，还含有 Cu、Cr、Mo、Ni 等贵重合金元素，但该钢含有较多的Mo、Cr、Cu、Ni，合金成本高；钢板组织为铁素体和珠光体、马氏体、下贝氏体、粒状贝氏体、上贝氏体、碳化物等多种组成，组织较复杂，对工艺要求极其严格，在大生产中难以控制；且屈强比也较高，钢材抗震性能差。还有中国专利 200780018634. 8公开了一种抗应变时效性优异的高强度管线管用钢管和高强度管线管用钢板以及它们的制造方法，其CO. 03 O. 07%,Si ( O. 6%,Mn I. 7 2. 5%,O. 015%, S ^ O. 003 %, Al ^ O. I %, Mo ^ O. 15 %, Ti O. 005 O. 03 %，N O. 001 O. 006 %，B O. 0006 O. 0025%，还含有Ni ^ I. 5%,Cu ^ I. 0%,Cr ^ I. 0%中的一种或两种以上，该发明钢的不足之处在于Mn、Mo、Cr、Cu、Ni等贵重合金含量高，另加入了淬透性元素B，冷却速度快，因此其组织以贝氏体和马氏体为主控组织，强度较高，且没有对屈强比予以考虑， 与本发明钢不同。专利号为201010251848. 3的中国发明专利公开了一种高钢级大应变管线钢和钢管的制造方法，其 C O. 04 O. 08%,Mn I. 50 I. 90%,Si O. 15 O. 30%,P ( O. 010%,
S≤O. 003%, Al O. 005 O. 03%, Ca O. 002 O. 005%,O. 005%，还含有 Nb O. 01 O. 06%, Ti O. 015 O. 03%, V O. 01 O. 05%, Mo O. 15 O. 30%, Ni O. 15 O. 30%, Cu O. 15 O. 30%, Cr O. 15 O. 30%, B O. 001 O. 005%, Re O. 03 O. 05%，但该钢 Mo、 Cu、Cr、Ni含量高，合金成本高，须回火处理，且应变时效敏感性系数仅要求不大于40 %，钢板强度和屈强比也较高，综上所述，该发明钢与本发明钢有本质不同。还有中国发明专利 200910128934. 2公开了一种应变时效特性优异的高强度厚壁钢板及其制造方法，其成分C O. 10 O. 16%, Si O. 15 O. 30%, Mn I. 30 I. 60%, Al O. 015 O. 050%, Cu O. 15
O.35%,Ni O. 10 O. 30%,Mo O. 10 O. 25%,V O. 030 O. 050%,Nb O. 005 O. 015%, Ca O. 0005 O. 005%,N O. 002 O. 008%，该发明Mo、Cu、Cr、Ni含量高，并且有2个结晶的方位差为15°以上的大角晶界围住的晶粒的平均当量圆直径D为35 μ m以下，且根据结晶方位分布差测定的随机晶界分率R为50面积％以上，后续还必须进行回火处理，因此，该发明钢不仅合金和工艺成本高，而且生产难度极大，综合考虑其化学成分、生产工艺以及强度级别均与本发明钢不同。近年来，随着国内经济的高速发展和科学技术的进步，在超高层建筑、大型桥梁、 厂矿及体育场馆等重大钢结构工程中大量使用高性能抗震钢材，在降低钢材消耗的同时， 还十分重视钢材的安全系数和使用寿命。目前，国内广泛使用的高性能钢材仍属C-Mn钢，这类钢材在实施冷加工变形后， 经过一定时间，将发生自然时效，造成钢材强度和屈强比提高，韧性下降。也就是说，当钢材发生应变时效后，钢材的抗震性能下降，韧脆转变温度提高。在寒冷地带，如果此时发生强烈地震，钢材容易发生冷脆断裂，造成建筑物倒塌。而我国在抗震结构钢的选用过程中，主要以钢的静强度为设计依据，对钢材时效后强韧性的变化考虑较少。为了避免钢结构发生骤然或意外脆性破坏，所选用的钢材在使用条件下必须具有足够的韧性储备，因此，从钢结构工程的安全和使用寿命方面考虑，应将钢材的应变时效敏感性纳入结构钢的抗震性能指标。从上述所引用的现有技术可以看出，虽然发明钢都具有一定的应变时效特性，但均没有对钢材的屈强比(抗震性能)予以考虑，导致发明钢在兼顾应变时效时无法满足钢材的抗震性能要求，且以一定温度下的冲击值表示时，其值在100J以上，但并不能说明具有良好的低温应变时效敏感性，因为与母材相比，其下降幅度较大，敏感性系数较高，即应变时效特性差，即使以敏感性系数表示，也仅要求不大于40%，此值不能满足要求严格的钢结构技术要求，同时合金和工艺成本较高。为了改善应变时效特性，现有技术均对N含量有所限定，但对O、H含量没有限定，而O、H对钢材的性能有很大影响，钢中O可以形成大量的氧化物夹杂物，恶化钢材的低温冲击韧性，同时，这些氧化物可成为碳化物、氮化物等的形核核心，影响它们的分布和大小，进一步影响钢材性能；钢中H降低钢的塑性，主要表现在延伸和断面收缩，钢含H易导致氢脆，属于应变时效型脆性，即在应力作用下突然发生脆断，主要沿晶界断裂；钢中自由N的增加，严重恶化焊接区的低温韧性，提高钢的低温应变时效敏感脆性。因此，综合考虑本发明钢的特性，除了对N、0、H的含量进行限定外，还必须对其总量进行限定，以进一步改善钢的低温应变时效敏感性，结合特定成分与工艺的紧密结合，生产出一种低成本高强度低应变时效敏感性焊接结构用钢，以满足现代大型桥梁、建筑、船舶、厂矿等重大钢结构工程的需求。

发明内容
本发明在于解决现有技术中存在的不足，提供一种低温应变时效敏感性系数由现有的40%降到20%及以下，抗震性能即屈强比ReL/Rm彡O. 80，并具有优异的低温韧性和焊接性能，且工序简单，生产成本低，还易于大规模生产的高强度低应变时效敏感性焊接结构用钢及其生产方法。实现上述目的的措施一种低应变时效敏感性焊接结构用钢，其组分及重量百分比为C 0. 08
O.16%, Si 0. 15 O. 50%, Mn 1. 02 I. 80%, P ( O. 010%, S 彡 O. 005%, Nb 0. 012
O.045%, Ti 0. 005 O. 032%, Als 0. 015 O. 060%, Ca 0. 0015 O. 008%, [N] 10 40X 10^4%, [O] ( 20X 10^4%, [H] ( I. 5X10_4%，其余为 Fe 及不可避免的杂质；并满足公式1.95% ( 6. OC+Mn 彡 2. 3 %, [N] +
+ [H] ( 50Χ1(Γ4 %, P+S ( O. 010%。其特征在于还添加有如下组分及重量百分比的Cr彡O. 15%或Mo彡O. 15%或 Cu ( O. 12%或其复合，并满足 Cr+Mo+Cu < O. 15%。其特征在于当C的重量百分比含量在O. 14%^ C ( O. 16%时，添加重量百分比为 O. 12 O. 25%的 Ni。生产一种低应变时效敏感性焊接结构用钢的方法，其步骤I)冶炼及脱硫，并控制钢水中的S < O. 002*%，潘层厚度< 50晕米；2)在钢包进行处理，控制钢包炉渣氧化铁含量彡2% ；3)进行真空处理，钢水中夹杂物上浮率至少控制在93% ；4)进行连铸，并采用Ar封全程保护浇注；5)按照常规对铸坯加热及高压除鳞；6)进行粗轧，并控制其终轧温度在1030 1080°C，总压下率在60 75%，轧制后的钢板料厚度按(h+60)毫米控制，式中h表示以毫米为单位的钢板产品厚度值；7)进行精轧，控制其开轧温度控制在(980-h) ±5°C，式中h表示以毫米为单位的钢板产品厚度值；8)进行层流冷却，在层流冷却前，先将钢板搁置6 15秒；冷却后，再将钢板搁置 10 20秒，并控制其搁置后钢板的表面温度在600 780°C，钢板表面温差彡15°C ；9)自然冷却至室温。以下详述本发明中化学成分限定量的理由本发明的C含量选择在O. 08 O. 16%，C是提高强度的主要元素，对降低钢的屈强比有利，但高的碳含量会恶化钢的塑性、韧性、焊接性能以及增加碳偏析的倾向，影响钢的冷热加工性能；而当C含量低于O. 08%时，除了导致钢材强度不足外，还引起屈强比的提高。因此，考虑钢的综合性能水平，将碳含量特限定为O. 08 O. 16%。本发明的Si含量选择在O. 15 O. 50%, Si在钢中的主要作用是固溶强化和脱氧。但Si含量过高，会显著降低钢的低温韧性和焊接性能。综合平衡钢的强度和韧性，本发明中Si含量上限定为O. 50%。本发明的Mn含量选择在I. 02 I. 80% ,Mn是确保钢材强度和韧性不可或缺的元素。但Mn含量过高，则会形成较多的MnS夹杂物，降低钢的低温断裂韧性，加大纵横向性能差异。综合考虑C和Mn在钢中的作用，尤其是C和Mn对钢材各项性能指标的不利影响， 同时为了确保满足本发明钢要求的综合机械性能水平，特限定I. 95%^6. OC+Mn≤2. 3%。
本发明的P彡O. 010%、S彡O. 005%，P、S是钢中的有害杂质元素。高P易导致偏析，影响钢的组织均匀性，降低钢的韧性；s与Mn易形成MnS夹杂，对低温韧性十分不利， 并造成性能的各向异性，同时严重影响钢的应变时效。为了确保钢中硫化物夹杂含量不大于100X 10_4%，进一步净化钢质和提高钢的综合机械性能水平，特限定钢中P、S的总量不超过 O. 010%。本发明的Nb含量选择在O. 012 O. 045%, Nb是一种强碳化物形成元素，具有强烈的细化晶粒作用，能显著提高奥氏体再结晶温度，扩大轧制工艺范围，有效避免混晶组织的出现，确保钢材具有良好的的强韧性匹配。Nb在钢中形成的碳氮化物颗粒，可有效抑制奥氏体晶粒的长大，提高强度和韧性，同时减少了钢中游离C、N的含量，降低钢的应变时效敏感性。本发明的Ti选择在O. 005 O. 032%, Ti也是一种强碳氮化物形成元素，通过固碳和固氮，降低应变时效的影响。Ti的第二相质点TiN、Ti (CN)颗粒可有效阻止加热和焊接过程中奥氏体晶粒长大，使晶粒细化，提高钢的低温韧性。Ti与Nb同时加入，会进一步提高钢奥氏体再结晶温度，扩大轧制工艺范围。但Ti过高将降低母材的低温韧性，因此，特限定Ti的上限为O. 032%。本发明的Als含量选择在O. 015 O. 060%,Als常常作为脱氧元素加入钢中。Als 与钢中N结合形成AlN颗粒，减少钢中游离N的浓度，降低钢的应变时效敏感性，并通过晶粒细化作用提高钢的强度和低温韧性。Als超过O. 060%时，易引起钢中Al的夹杂物增多， 降低钢的纯净度，恶化钢的低温韧性。因此，考虑钢的综合性能指标，特将Als含量限定在
O.015 O. 060%。本发明N含量选择在10 40X 1(Γ4%，Ν与钢中Nb、Ti、Al、C等元素形成氮化物或碳氮化物，是使钢材母材组织和焊接组织晶粒细化的重要元素。为充分发挥N的有益效果， N含量不得低于IOX 10_4%。但当N含量过量时，将导致钢中自由N的增加，特别是严重恶化焊接区的低温韧性，提高钢的低温应变时效敏感脆性，因此，N的含量需要在40Χ 10_4% 以下。O与H属于钢中的有害气体，为确保钢质纯净度和钢中氧化物夹杂的总量，改善钢的低温应变时效敏感性，需将O和H含量严格限制在较低水平。本发明钢中过量的N、O、H都会对钢材产生不利的影响，尤其是过量的N将严重影响钢材的低温应变时效韧性，而0、Η对钢材的性能有很大影响，钢中O可以形成大量的氧化物夹杂物，恶化钢材的低温冲击韧性，同时，这些氧化物可成为碳化物、氮化物等的形核核心，影响它们的分布和大小，进一步影响钢材性能；钢中H降低钢的塑性，主要表现在延伸和断面收缩，钢含H易导致白点和氢脆的出现，后者属于应变时效型脆性，即在应力作用下突然发生脆断，主要沿晶界断裂。上述3种元素均影响钢材的低温冲击韧性，进而影响钢材的低温应变时效特性。另外，本发明人通过大量试验反复论证发现，在综合考虑本发明钢的基本性能外，要想获得本发明要求的具有优异抗震性能和低温应变时效特性的焊接结构高强度钢材，除了对钢中N、O、H的含量进行限定外，还必须对其总量进行限定，因此，本发明钢特限定[Ν] +
+ [Η] ( 50X10-、。本发明的Ca含量选择在O. 0015 O. 008%，Ca是脱氧元素，也是氧化物形成元素。钢中添加适量的Ca将夹杂物球化，使夹杂物细化，有利于提高钢的低温韧性和HAZ韧性。但Ca含量低于O. 0015%时，起不到应有的有益效果；而Ca含量超过O. 008%时，则会形成许多大型的Ca的氧化物和硫化物夹杂，恶化钢的综合性能水平。本发明当C的重量百分比含量在O. 14%^ C ^ O. 16%时,还添加重量百分比为
O.12 O. 25%的Ni。由于Ni能有效提高钢材的低温韧性，显著降低低温应变时效倾向，提高钢的应变时效低温冲击韧性。当钢中O. 14%^ C彡O. 16%时，不但恶化钢材的塑性、韧性和焊接性能，还会增加碳偏析的倾向，提高应变时效敏感性，为了改善钢中C与钢中位错交互作用而引起的应变时效现象，因此添加O. 12 O. 25%的Ni，以确保钢材具有优异的低温韧性、焊接性能和应变时效特性。本发明的Cr、Mo、Cu由于均具有强烈的固溶强化作用，为了平衡钢的综合性能和合金成本，特限定Cr+Mo+Cu < O. 15%。但总量过高时，则不仅会恶化钢的低温韧性，还增加钢的生产成本。对于生产工艺中参数的控制原因首先控制S含量不大于O. 002%及控制渣层厚度不大于50mm，以免带入转炉，在氧
化气氛下造成硫含量回升。在粗轧阶段，并控制其终轧温度在1030 1080°C，总压下率在60 75%，轧制后的钢板料厚度按(h+60)毫米控制，式中h表示以毫米为单位的钢板产品厚度值；在精轧，控制其开轧温度控制在(980-h) ±5°C，式中h表示以毫米为单位的钢板产品厚度值； 在层流冷却阶段，在层流冷却前，先将钢板搁置6 15秒；冷却后，再将钢板搁置10 20 秒，并控制其搁置后钢板的表面温度在600 780°C，钢板表面温差< 15°C。本方明钢对于轧制工艺各参数的限定理由粗轧采用高温大压下，总压下率控制为60 75%，终轧温度为1030 1080°C，目的是为了确保道次压下量以及奥氏体晶粒的再次充分细化，确保钢材的低温韧性；粗轧后的钢板料厚度按(h+60)毫米控制，结合精轧开轧温度(980-h) ±5°C， 目的是为了确保精轧阶段具有高的总下压率以及铁素体晶粒充分细化，进一步提高钢板强度和低温韧性，以使钢板具有优异的强韧性匹配和冷加工性能，从而有效改善低温应变时效特性；根据精轧开轧温度(980-h) ±5°C的限定，本发明钢不需要限定精轧终轧温度，大大提高轧制效率，充分发挥了轧机的产能潜力。钢板在层流冷却前等待6 15秒，目的主要是使铁素体充分析出，而铁素体属软相组织，在铁素体和珠光体为主控组织的钢中，屈强比随铁素体含量的增加而降低，因此，钢中必须有足够的铁素体软相组织，否则，快速冷却导致晶粒的细化将提高钢的屈强比，从而导致钢板的屈强比大于O. 80，恶化钢的抗震性能，为了确保屈强比不大于O. 80，特限定钢板在层流冷却前等待6 15秒，同时也使钢板温度充分均匀化，使冷却后钢板内外温度更加均匀，进一步改善钢板的低温韧性和应变时效特性； 层流均匀冷却终止后等待10 20秒，控制钢板此时表面温度为600 780°C，温差不大于 15°C，目的是限定层流冷却时水管的上下水量比例分配，确保钢板快速均匀冷却，从而使自然冷却更加均匀，更进一步确保钢材的综合性能。另外，为使铸坯充分奥氏体化，须将上述铸坯加热至1250°C以上，需要特别指出的是钢坯的加热速率为7 15min/cm，优选9 12min/cm，以提高钢坯的加热效率，又不至于因加热速率过快使钢坯出现裂纹甚至断裂事故。为了确保钢坯内外温度充分均匀，钢坯必须在1160 1230°C温度范围内保温，保温时间不得低于30min，但保温时间过长将会造成奥氏体粗大，从而造成成品组织粗化，影响钢材的综合机械性能，因此保温时间不得大于50min。为尽可能除尽钢坯表面氧化铁皮，将钢坯出炉温度控制为1140 1180°C，同时进行 I 2次高压水除鳞，高压水压力为20 25MPa。经本发明人反复试验论证发现，严格采用上述限定成分和工艺参数生产的钢板具有良好的强韧性匹配、优异的焊接性能、抗震性能以及冷加工性能，特别是具有优异的低温应变时效特性，因此，得到的本发明钢无需再进行任何复杂的热处理工序，工艺流程更为简单有效，生产成本低，在各冶金企业均可实施。本发明与现有技术相比，低温应变时效敏感性由现有的40%降到20%及以下甚至10%以下，抗震性能即屈强比ReVRm ( O. 80，具有优异的低温应变时效特性、抗震性能、 低温韧性和焊接性能，且工序简单，生产成本低，还易于大规模生产。
具体实施例方式下面对本发明予以详细描述各实施例的试验条件各实施及对比例的化学成分及重量百分比含量见表I ;各实施及对比例的主要工艺参数见表2，且按照以下步骤生产I)冶炼及脱硫，并控制钢水中的S彡O. 002%，渣层厚度彡50毫米；2)进行钢包处理，控制钢包炉渣氧化铁含量彡2% ；3)进行真空处理，钢水中夹杂物上浮率至少控制在93% ；4)进行连铸，并采用Ar封全程保护浇注；5)按照常规对铸坯加热及高压除鳞6)进行粗轧，并控制其终轧温度在1030 1080°C，总压下率在60 75%，轧制后的钢板料厚度按(h+60)毫米控制，式中h表示以毫米为单位的钢板产品厚度值；7)进行精轧，控制其开轧温度控制在(980-h) ±5°C，式中h表示以毫米为单位的钢板产品厚度值；8)进行层流冷却，在层流冷却前，先将钢板搁置6 15秒；冷却后，再将钢板搁置 10 20秒，并控制其搁置后钢板的表面温度在600 780°C，钢板表面温差< 15°C ；9)自然冷却至室温。各实施及对比例的试验检测结果见表3。表I各实施及对比例的化学成分及重量百分比含量列表
权利要求
1.一种低应变时效敏感性焊接结构用钢，其组分及重量百分比为c 0. 08 O. 16%， Si 0. 15 O. 50%,Mn 1. 02 I. 80%,P ( O. 010%,S ^ O. 005%,Nb 0. 012 O. 045%, Ti 0. 005 O. 032%,Als 0. 015 O. 060%,Ca 0. 0015 O. 008%, [N] :10 40X 10_4%，[O]( 20X 10^4%, [H] ( I. 5X 10_4%，其余为Fe及不可避免的杂质；并满足公式1. 95%^ 6. OC+Mn ^ 2. 3%, [N] +
+ [H] ( 50X10_4%,P+S ( O. 010%。
2.如权利要求I所述的一种低应变时效敏感性焊接结构用钢，其特征在于还添加有如下组分及重量百分比=Cr彡O. 15 %或Mo彡O. 15 %或Cu彡O. 12 %或其复合，并满足 Cr+Mo+Cu 彡 O. 15%。
3.如权利要求I所述的一种低应变时效敏感性焊接结构用钢，其特征在于当C的重量百分比含量在O. 14%^ O. 16%时，添加重量百分比为O. 12 O. 25%的Ni。
4.生产上述权利要求I至3所述的一种低应变时效敏感性焊接结构用钢的方法，其步骤1)冶炼及脱硫，并控制钢水中的S彡O.002%，渣层厚度彡50毫米；2)在钢包进行处理，控制钢包炉渣氧化铁含量<2% ；3)进行真空处理，钢水中夹杂物上浮率至少控制在93%；4)进行连铸，并采用Ar封全流程保护浇注；5)按照常规对铸坯加热及高压水除鳞；6)进行粗轧，并控制其终轧温度在1030 1080°C，总压下率在60 75%，轧制后的钢板料厚度按(h+60)毫米控制，式中h表示以毫米为单位的钢板产品厚度值；7)进行精轧，控制其开轧温度控制在(980-h)±5°C，式中h表示以毫米为单位的钢板产品厚度值；8)进行层流冷却，在层流冷却前，先将钢板搁置6 15秒；冷却后，再将钢板搁置10 20秒，并控制其搁置后钢板的表面温度在600 780°C，钢板表面温差< 15°C ；9)自然冷却至室温。
全文摘要
本发明涉及屈强比小于0.8的低应变时效敏感性焊接结构用钢及生产方法。其组分及重量百分比为C0.08～0.16％，Si0.15～0.50％，Mn1.02～1.80％，P≤0.010％，S≤0.005％，Nb0.012～0.045％，Ti0.005～0.032％，Als0.015～0.060％，Ca0.0015～0.008％，[N]10～40×10-4％，[O]≤20×10-4％，[H]≤1.5×10-4％，并满足公式1.95％≤6.0C+Mn≤2.3％，[N]+[O]+[H]≤50×10-4％，P+S≤0.010％。其步骤冶炼及脱硫；在钢包处理；真空处理；连铸；对铸坯加热及高压除鳞；粗轧；精轧；层流冷却；自然冷却至室温。本发明可使低温应变时效敏感性由现有的40％降到20％及以下甚至10％以下，抗震性能即屈强比ReL/Rm≤0.80。
文档编号C22C38/14GK102605246SQ20121006097
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月9日 优先权日2012年3月9日
发明者刘文斌, 张开广, 童明伟, 董中波, 邹德辉, 郭斌, 陈颜堂, 骆海贺 申请人:武汉钢铁(集团)公司