专利名称：一种大线能量焊接厚钢板及其制造方法
技术领域：
本发明属于钢铁冶金和钢铁材料领域，特别涉及一种大线能量焊接厚钢板及其制造方法。
背景技术：
对于造船、建筑、压力容器、石油天然气管线及海洋平台等领域，提高厚钢板的大线能量焊接性能，可以提高焊接效率、缩短制造工时，降低制造成本，因此改善厚钢板的焊接热影响区韧性已成为越来越迫切的要求。经大线能量焊接后，焊接热影响区钢材的组织结构遭到破坏，奥氏体晶粒明显长大，形成粗晶区。在粗晶区导致脆化的组织是冷却过程中形成的侧板条铁素体、上贝氏体， 粗大的晶界铁素体以及在晶界铁素体近傍形成的珠光体、在侧板条铁素体的板条间形成的碳化物岛状马氏体-奥氏体组元等。随着焊接线能量的增加，原奥氏体晶粒粒径变大，侧板条铁素体和上贝氏体组织更加发达，晶界铁素体的尺寸也相应增大，焊接热影响区的夏比冲击功将显著降低，这降低了焊接热影响区的韧性。日本专利JP5116890(金沢正午、中島明、岡本健太郎、金谷研大入熱溶接用高張力鋼材製品製造方法，JP5116890，1976. 5. 28。)中揭示了在钢材的成分设计中，添加一定量的Ti、N，利用TiN粒子可以抑制焊接热影响区韧性的劣化，焊接线能量可以提高到 50kJ/cm。但是当船板钢所要求的焊接线能量达到400kJ/cm，建筑用钢的焊接线能量达到 800-1000kJ/cm的条件下，在焊接过程中，焊接热影响区的温度将高达1400°C，TiN粒子将部分发生固溶或者长大，其抑制焊接热影响区晶粒长大的作用将部分消失，这时其阻止焊接热影响区韧性劣化的效果将降低。日本专利JP517300(小池允、本間弘之、松田昭一、今軍倍正名、平居正纯、山口福吉，溶接継手熱影響部靭性O t C Λ亡鋼材O製造法，JP517300，1993. 3. 8)中揭示了利用钛的氧化物提高钢材大线能量焊接性能的方法。钛的氧化物在高温下稳定，不易发生固溶。 同时钛的氧化物可以作为铁素体的形核核心发挥作用，细化铁素体晶粒，并且形成相互间具有大倾角晶粒的针状铁素体组织，有利于改善焊接热影响区的韧性。但是在焊接线能量大于200kJ/cm的大线能量焊接过程中，单靠钛的氧化物仍然不足以改善焊接热影响区的韧性。日本专利JP3378433(児島明彦、渡边義之、千々岩力雄溶接熱影響部靭性^優札t鋼板Q製造方法，JP3378433，1996. 4. 12。)介绍了利用钢中的MgO微粒改善厚钢板焊接热影响区韧性的方法，指出随着钢中Mg含量的提高，MgO粒子的数量大幅度增加，在焊接过程中高达1400°C加热时，奥氏体晶粒的长大受到明显的抑制，焊接热影响区的韧性得到大幅度地改善。
发明内容
本发明的目的是提供一种大线能量焊接厚钢板及其制造方法，通过在炼钢的脱氧过程中，对脱氧剂的种类、添加顺序、添加时的氧位、添加量和添加方法的控制，优化合金元素的成分设计，并选择生成合适成分的夹杂物，来抑制焊接热影响区奥氏体晶粒的长大并促进晶内铁素体的生长，从而提高厚钢板的大线能量焊接性能。为达到上述目的，本发明的技术方案是一种大线能量焊接厚钢板，其化学成分重量百分比为C O. 05 O. 09%，Si
O.10 O. 30%, Mn L 3 L 7%, Ti O. 005 O. 03%, Nb O. 003 O. 025%, S 0. 001
0.01 %, P ^ O. 015 %, N ^ O. 006 %, Al O. 0005 O. 02 %, Ca O. 0005 O. 004 %,
RE ^ 0.01% ;其余为Fe和不可避免杂质；其中，钢中粒径大于或等于I. Ομπι的夹杂物中，(Ca+RE)/Al重量百分比含量的比值大于或等于O. 3，Ti/Al重量百分比含量的比值大于或等于O. 15，(Ca+RE)/Mn重量百分比含量的比值为O. 25 2. 5。进一步，钢的化学成分还含有Cu ( O. 3%, Ni ( O. 4%、或B彡O. 002%中一种以
上元素，以重量百分比计。又，钢中Ti/Nb的重量百分比比值大于或等于I. I。本发明的大线能量焊接厚钢板的制造方法，包括如下步骤I)冶炼、精炼和连铸钢的化学成分重量百分比为C O. 05 O. 09%，Si O. 10 O. 30%，Mn I. 3
1.7 %, Ti O. 005 O. 03 %，Nb O. 003 O. 025 %，S 0. 001 O. 01 %，P 彡 O. 015 %, N 彡 O. 006%, Al O. 0005 O. 02%, Ca O. 0005 O. 004%, RE ^ O. 01% ;其余为 Fe 和不
可避免杂质；其中，在钢液脱氧过程中加入脱氧剂，脱氧剂种类和添加顺序是Mn、 Si — Al — Ti ;通过添加SiCa合金和/或稀土硅铁的方式加入Ca和/或RE脱氧剂；通过添加Fe2O3粉来控制Ca和/或RE脱氧时的初始氧位，Fe2O3粉的添加量是使钢液中的氧含量重量百分比为O. 001 O. 01% ;钢中粒径大于或等于I. Ομπι的夹杂物中，(Ca+RE)/Al重量百分比含量的比值大于或等于0.3，Ti/Al重量百分比含量的比值大于或等于O. 15，(Ca+RE)/Mn重量百分比含量的比值为O. 25 2. 5 ;2)轧制将铸坯加热到1050 1250°C，初轧温度高于930°C，累计压下率大于30% ;精轧温度小于930°C，累计压下率大于30% ；3)冷却以2 30°C /s的冷却速率水冷至终冷温度300 550°C。进一步，钢的化学成分还含有Cu彡O. 3%、Ni彡O. 4%、或B彡O. 002%中一种以
上元素，以重量百分比计。又，钢中Ti/Nb的重量百分比比值大于或等于I. I。在本发明钢的成分设计中C，是增加钢材强度的元素，为了保证厚钢板母材所必要的强度，C含量的下限为
O.05%。但是过量地添加C，将导致母材和焊接热影响区的韧性降低，C上限为O. 09%。
Si，是炼钢预脱氧过程中所需要的元素，Si含量过高超过O. 3%时，会降低母材的韧性，同时在大线能量焊接过程中，将促进岛状马氏体-奥氏体组元的生成，显著降低焊接热影响区韧性。Si含量为O. 10 O. 30%。Mn，可以通过固溶强化提高母材的强度，又可以作为预脱氧元素发挥作用。同时 MnS的析出可以促进晶内铁素体的生成，Mn的下限值为1.3%。但是过高的Mn将导致板坯的中心偏析，同时降低焊接热影响区的韧性，所以Mn含量为I. 3 I. 7%。Ti，通过形成Ti2O3粒子，可以促进晶内铁素体的生成。同时Ti与N结合生成TiN 粒子可以钉扎奥氏体晶粒的长大。所以作为有益元素，Ti含量的下限为O. 005%。但是 Ti含量过高时，将促使TiC的生成，降低母材和焊接热影响区的韧性，所以Ti含量上限为
O.03%。Nb，可以细化钢材的组织，提高强度和韧性，其下限是O. 003%。但是含量过高将降低焊接热影响区的韧性，其上限是O. 025%。本发明还发现，通过提高Ti/Nb的比值可以有效地促进TiN粒子的析出，抑制NbN 粒子的析出。在利用Ca和/或RE进行脱氧脱硫的过程中，Ca和/或RE的氧化物和硫化物粒子的表面容易析出TiN粒子，这样的TiN粒子在焊接热循环过程中，可以抑制奥氏体晶粒的长大，促进晶内铁素体的生长。本发明进一步提出Ti/Nb比值大于或等于I. I。S，在Ca和/或RE的添加过程中，与Ca和/或RE形成硫化物，还可以促进MnS在Ca 和/或RE硫化物粒子上的进一步析出，从而促进晶内铁素体的形成，其下限为O. 001 %。但是，其含量过高，将导致板坯的中心偏析，降低母材和焊接热影响区的韧性，上限为O. 01 %。P，是钢中的杂质元素，应尽量降低。其含量过高，将导致中心偏析，降低焊接热影响区的韧性，P的上限为O. 015%。N，含量超过O. 006%，将导致N的固溶，降低母材和焊接热影响区的韧性。Cu，可以提高母材的强度和韧性，但是Cu含量过高，将导致热态脆性，Cu的上限为
O.3%。Ni，可以提高母材的强度和韧性，但是由于其价格昂贵，鉴于成本的限制，其上限为 O. 4%。B，通过提高钢材的淬透性，可以提高钢材的强度。但是含量过高时将导致淬透性显著上升，降低母材的韧性，其上限是O. 002%。在本发明制造方法中，本发明采用Mn、Si — Al — Ti — Ca和/或RE的添加顺序进行脱氧。首先使用Si、Mn进行脱氧，可以降低钢液中的自由氧含量。由于Si、Mn脱氧形成的氧化物熔点低，同时易于相互结合形成更低熔点的复合夹杂物聚集长大，这样的夹杂物容易上浮去除，有利于提高钢液的洁净度。然后进一步使用Al对氧位进行调节后，再进行Ti脱氧。部分自由氧与Ti结合，形成Ti的氧化物，残留在钢液中。经Si、Mn、Al脱氧之后，自由氧含量已经大大降低，所以，部分Ti将溶解于钢液中。钢中的Al含量宜控制在O. 0005 O. 02%。Al含量大于O. 02%时，容易生成簇状氧化招夹杂，不利于微细弥散分布夹杂物的生成。最后通过添加SiCa合金和/或稀土娃铁合金的方式加入Ca和RE脱氧剂。这里的RE指La、Ce等稀土元素，RE添加量是指它们的总和。Ca的添加可以改善硫化物的形态，同时Ca的氧化物和硫化物还可以促进晶内铁素体的生长，钢中的Ca含量以O. 0005 O. 004%为宜。当Ca含量小于O. 0005%时，生成的微细夹杂物的数量和夹杂物中的Ca含量将显著减少，不能满足夹杂物中(Ca+RE)/Al的重量百分比含量的比值大于或等于O. 3的要求，这样将减弱微细夹杂物促进晶内铁素体生长的作用。如果Ca含量大于O. 004%,Ca的作用已经饱和，同时增加了 Ca的蒸发损失和氧化损失。RE的添加也可以改善硫化物的形态，同时RE氧化物和硫化物可以抑制焊接热循环过程中奥氏体晶粒的长大。但是，当RE的含量大于O. 01 %，将生成部分粒径大于5 μ m的夹杂物，降低母材和焊接热影响区的冲击韧性。通过分析发现，当钢液中的氧含量小于O. 001%时，将导致微细CaO和/或REO夹杂的数量不足，不能很好地发挥促进晶内铁素体生长、钉扎奥氏体晶粒长大的作用。当钢液中的氧含量大于O. 01 %时，将生成部分粒径大于5 μ m的CaO和/或REO夹杂物，这些较大的夹杂物在冲击试验过程中将作为裂纹的起点，降低母材和焊接热影响区的冲击韧性。因此需要将Ca和/或RE添加时的初始氧含量精确控制为O. 001 % -O. 01 %。本发明提供了精确控制Ca和/或RE添加时初始氧位的方法。在添加SiCa和/ 或稀土硅铁合金的同时，通过添加微量的Fe2O3粉，可以实现Ca和/或RE添加时初始氧含量的精确控制。本发明确定了夹杂物的合适成分。夹杂物的成分利用SEM-EDS进行测量，对于样品进行研磨和镜面抛光之后，利用SEM对于夹杂物进行观察与分析，每个样品夹杂物的成份是对于10个任意选取夹杂物分析结果的平均值。对于钢材中粒径大于或等于I. O μ m的夹杂物，(Ca+RE)/Al的重量百分比含量的比值大于或等于O. 3时，这样的夹杂物可以防止以Al为主要成分的簇状夹杂物的形成，有利于夹杂物的微细化。当夹杂物中Ti/Al的重量百分比含量的比值大于或等于O. 15时，这种以Ti为主要成分的夹杂物形成，有利于在夹杂物的表面促进MnS粒子的析出，从而促进晶内铁素体的生长，改善厚钢板的大线能量焊接性能。因为Ca和/或RE的一部分与钢液中的S结合，形成的硫化物可以促进MnS在其表面析出，这样的MnS粒子可以有效地促进了焊接热影响区晶内铁素体的生长。本发明发现钢材夹杂物中的(Ca+RE)/Mn含量的比值还应当为O. 25-2. 5。当小于O. 25时，生成Ca和 RE硫化物的数量不够，不能有效地作为形核核心，促进MnS在Ca和RE夹杂物的表面析出。 当大于2. 5时，与Mn结合的S含量将显著降低，同样MnS的析出将受到抑制。本发明在轧制和冷却工艺中，轧制前的加热温度小于1050°C时，Nb的碳氮化物不能完全固溶。当加热温度大于 1250 V时，将导致奥氏体晶粒的长大。初轧温度高于930°C，累计压下率大于30%，是因为在此温度以上，发生再结晶， 可以细化奥氏体晶粒。当累计压下率小于30%时，加热过程中所形成的粗大奥氏体晶粒还会残存，降低了母材的韧性。精轧温度小于930°C，累计压下率大于30%，是因为在这样的温度下，奥氏体不发生再结晶，轧制过程中所形成的位错，可以作为铁素体形核的核心起作用。当累计压下率小于30%时，所形成的位错较少，不足以诱发针状铁素体的形核。精轧之后以2 30°C /s的冷却速率水冷至终冷温度300 550°C是因为，当冷却速率小于2V /s时，母材强度不能满足要求。当冷却速率大于30°C /s时，将降低母材的韧性。当终冷温度大于550°C时，母材的强度不能满足要求。当终冷温度小于300°C时，将降低母材的韧性。本发明的有益效果本发明采取合适的成分设计，并在精炼过程中，采取合适的脱氧剂添加顺序，控制脱氧剂的添加量，并通过添加Fe2O3粉的方式，精确控制Ca和/或RE脱氧时的初始氧位，这样可以控制形成微细弥散分布的Ca和/或RE的氧化物和硫化物夹杂，并对于夹杂物中的 (Ca+RE)/Al、Ti/Al、(Ca+RE)/Mn比值进行合理控制。这样可以在凝固和相变过程中在这些夹杂物表面诱导形成MnS析出物，从而促进晶内铁素体的生长，改善厚钢板的大线能量焊接性能。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明做进一步说明。在本发明实施例中，在精炼过程中调整钢液中的合金成分。并且按照Si、Mn、Al、 Ti的顺序添加相应元素的合金进行脱氧。在保证合金成分的同时，最后添加Fe2O3粉，以及 CaSi合金和/或稀土硅铁。CaSi合金含Ca 30%，余量为Si，粒度为O. I 5mm。稀土硅铁含 RE 30. 6%, Si 47. 4%，余量为 Fe，粒度为 O. I 5mm。然后将铸坯加热到1250°C，初轧温度为1000 1150°C，累计压下率为50% ;精轧温度为700 850°C，累计压下率为67% ;精轧之后以2 30°C /s的冷却速率水冷至终冷温度300 550°C。焊接热模拟试验利用Gleeble3800热模拟试验机进行，峰值温度为1400°C，停留时间为3s。t8/5时间为383s，对应于50mm规格的厚钢板，焊接线能量为400kJ/cm。表I列出了实施例和对比例的化学成分、Ti/Nb比值、夹杂物中的(Ca+RE)/Al,Ti/ Al和(Ca+RE)/Mn比值的对比。实施例中控制Al含量小于或等于O. 02%，钢材中Ti/Nb的重量百分比比值大于或等于I. 1，对于钢材中粒径大于或等于Ι.Ομπι的夹杂物，(Ca+RE)/ Al的重量百分比含量的比值大于或等于O. 3，Ti/Al的重量百分比含量的比值大于或等于
O.15，(Ca+RE) /Mn重量百分比含量的比值为O. 25-2. 5。 对比例中的Al含量为O. 026 %和O. 028 %，钢材中Ti/Nb比值，夹杂物中的 (Ca+RE)/Al，Ti/Al，(Ca+RE)/Mn的重量百分比含量的比值中一项或者多项不能满足本发明的要求。表2列出了实施例和对比例中母材的拉伸性能和冲击韧性，以及焊接热影响区的冲击韧性的对比。母材的屈服强度、抗拉强度和断面收缩率为两个测试数据的平均值，母材_40°C夏比冲击功和焊接热影响区_20°C夏比冲击功是三个测试数据的平均值。从表中数据可以看出，实施例和对比例的母材力学性能没有明显的差异。在焊接线能量为400kJ/cm的条件下，对于焊接热影响区_20°C夏比冲击功进行了测试，实施例1_7 的值分别是 184J、199J、204J、162J、181J、187J、181J，对比例 1、2 的值是 27J、36J。实施例焊接热影响区的冲击韧性大幅度改善，可以满足400kJ/cm大线能量焊接性能的要求。本发明采取合适的成分设计，确定了钢材中合适的Ti/Nb比值。并在炼钢过程中， 采取合适的脱氧剂添加顺序和脱氧剂的添加量，并通过利用添加Fe2O3粉的方式，精确控制Ca和/或RE脱氧时的初始氧位。这样可以控制形成微细弥散分布的Ca和/或RE的氧化物和硫化物夹杂，并对于夹杂物中的(Ca+RE) /Al、Ti/Al、(Ca+RE) /Mn重量百分比比值进行合理控制。这样的夹杂物可以在凝固和相变过程中诱导形成MnS析出物，从而促进晶内铁素体的生成，改善厚钢板的大线能量焊接性能。该技术可用于船板、建筑等厚钢板的制造过程中，用于改善厚钢板的大线能量焊接性能。
权利要求
1.一种大线能量焊接厚钢板，其化学成分重量百分比为c O. 05 O. 09%，Si O. 10 .O.30%, Mn I. 3 I. 7%，Ti O. 005 O. 03%, Nb O. 003 O. 025%, S 0. 001 O. 01%， P 彡 O. 015%, N 彡 O. 006%, Al O. 0005 O. 02%, CaO. 0005 O. 004%, RE ( O. 01% ;其余为Fe和不可避免杂质；其中，钢中粒径大于或等于I. Ομπι的夹杂物中，(Ca+RE)/Al重量百分比含量的比值大于或等于O. 3，Ti/Al重量百分比含量的比值大于或等于O. 15，(Ca+RE)/Mn重量百分比含量的比值为O. 25 2. 5。
2.如权利要求I所述的大线能量焊接厚钢板，其特征是，钢的化学成分还含有 Cu ( O. 3%,Ni ( O. 4%、或B彡O. 002%中一种以上元素，以重量百分比计。
3.如权利要求I或2所述的大线能量焊接厚钢板，其特征是，钢中Ti/Nb的重量百分比比值大于或等于1.1。
4.一种大线能量焊接厚钢板的制造方法，包括如下步骤.1)冶炼、精炼和连铸钢的化学成分重量百分比为C O. 05 O. 09%，Si O. 10 O. 30%，Mn I. 3 1.7%， Ti O. 005 O. 03%，Nb O. 003 O. 025%，S :0. 001 O. 01 %，P ≤ O. 015%，N ≤ O. 006%， Al O. 0005 O. 02%, Ca O. 0005 O. 004%, RE ^ O. 01% ;其余为 Fe 和不可避免杂质；其中，在钢液脱氧过程中加入脱氧剂，脱氧剂种类和添加顺序是:Mn、Si — Al — Ti ；以添加SiCa合金和/或稀土硅铁的方式加入Ca和/或RE脱氧剂；并通过添加Fe2O3粉来控制Ca和/或RE脱氧时的初始氧位，Fe2O3粉的添加量是使钢液中的氧含量重量百分比为O. 001 O. 01% ;钢中粒径大于或等于I. Ομπι的夹杂物中，(Ca+RE)/Al重量百分比含量的比值大于或等于0.3，Ti/Al重量百分比含量的比值大于或等于O. 15，(Ca+RE)/Mn重量百分比含量的比值为O. 25 2. 5 ;.2)轧制将铸坯加热到1050 1250°C，初轧温度高于930°C，累计压下率大于30% ;精轧温度小于930°C，累计压下率大于30% ；.3)冷却以2 30°C /s的冷却速率水冷至终冷温度300 550°C。
5.如权利要求4所述的大线能量焊接厚钢板的制造方法，其特征是，钢的化学成分还含有Cu ( O. 3%, Ni ( O. 4%、或B彡O. 002%中一种以上元素，以重量百分比计。
6.如权利要求4或5所述的大线能量焊接厚钢板的制造方法，其特征是，钢中Ti/Nb的重量百分比比值大于或等于1.1。
全文摘要
一种大线能量焊接厚钢板及其制造方法，包括如下步骤1)冶炼、精炼和连铸，钢的成分重量百分比为C 0.05～0.09％，Si 0.10～0.30％，Mn1.3～1.7％，Ti 0.005～0.03％，Nb 0.003～0.025％，S0.001～0.01％，P≤0.015％，N≤0.006％，Al 0.0005～0.02％，Ca 0.0005～0.004％，RE≤0.01％；其余为Fe和不可避免杂质；在钢液脱氧过程中加入脱氧剂，添加顺序Mn、Si→Al→Ti；最后加入Ca和/或RE脱氧剂，并通过添加Fe2O3粉来精确控制钢液中Ca和/或RE脱氧时的初始氧位；2)轧制；3)冷却。本发明可以形成微细弥散分布的Ca和/或RE的氧化物和硫化物夹杂，并对于夹杂物中的(Ca+RE)/Al、Ti/Al、(Ca+RE)/Mn比值进行合理控制，促进焊接热影响区晶内铁素体的生长，大幅度提高厚钢板的大线能量焊接性能。
文档编号C22C33/04GK102605248SQ20121006269
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
发明者杨健, 王睿之, 祝凯, 马志刚 申请人:宝山钢铁股份有限公司