一种可大热输入量焊接的耐候钢板及其生产方法
【专利摘要】本发明公开了一种可大热输入量焊接的耐候钢及其生产方法，以重量百分比计该钢的化学组成为：C0.02～0.06%、Si<0.10%、Mn0.40～0.80%、Ni0.35～0.85%、Cr0.35～0.85%、Cu0.35～0.85%、Ti0.005～0.02%、Al<0.01%、N0.0015～0.0060%、P≤0.009%、S≤0.005%，Ca0.003～0.010%、B0.0005～0.005%，余量为Fe及不可避免杂质；本发明通过采用转炉或者电炉炼钢，采用热机械控制轧制+控制冷却工艺制成成品钢板；可获得综合性能优良，具备高强度、优良低温韧性及优良焊接性能的耐候钢板，在焊接热输入在200～600kJ/cm的条件下，焊接热影响区-20℃夏比冲击功≥47J，可广泛用于建筑、桥梁和压力容器等领域。
【专利说明】一种可大热输入量焊接的耐候钢板及其生产方法
【技术领域】
[0001]本发明属于耐候钢制造领域，特别涉及一种可大热输入量焊接的屈服强度≥420MPa，热输入量高达200~600kJ/cm条件下仍可确保热影响区的低温冲击韧性的耐候钢板及其生产方法。
【背景技术】
[0002]由于建筑、桥梁等大型钢结构的许多部件常年暴露在室外，大气腐蚀严重，造成结构的寿命短，材料浪费严重；耐候钢能够提高抵抗大气腐蚀能力一倍以上，从而能够延长钢结构的寿命，也节约了材料，经济效益显著。目前，建筑和桥梁等行业已广泛采用耐候钢用于关键部位的建造。
[0003]耐候钢按Cr含量的高低可大致分为两类:
[0004]一种是Cr含量≥2.5%的高Cr型耐候钢；高Cr型耐候钢通常还含有0.2~0.5%的Cu和0.2~1.0%的Ni以满足高强度和低温冲击韧性的平衡要求；而且Cr对焊接性能存在不利影响，高Cr型耐候钢的可承受的焊接热输入量区间比较窄，在15~30kJ/cm之间，否则焊接热影响区的冲击韧性恶化，影响整个结构的安全性。在工业实践中，还需要执行严格的焊前预热和焊后热处理制度以确保焊接接头的质量，其预热温度根据公式计算，显著降低了焊接施工效率。
[0005]一种是Cr含量0.3~1.0%之间的低Cr型耐候钢，低Cr型耐候钢通常含有≥0.8%的Mn，≥0.2%的Cu，≥0.2%的Ni，以及适量的Mo。与高Cr型耐候钢相比较，由于Cr含量大幅度降低，以及低碳或者超低碳成分设计，使得低Cr型耐候钢的焊接性能有所提高，具体表现在:碳当量降低，使得焊接冷敏感性降低，使得预热温度降低，碳当量降低也减少了淬硬性指数，使得钢板可承受的焊接热输入量增加到50kJ/cm左右，仍然存在热输入量较低的问题。据测算，对于厚度40mm钢板的对接接头，采用热输入量为20和50kJ/cm埋弧焊接约需24和13道次；而热输入量372kJ/cm时可单道次完成焊接，效率可提高5倍以上。
[0006]但截至目前，现有的耐候钢技术还不能满足大热输入量焊接(> 100kJ/cm)的要求。
【发明内容】
[0007]针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可适应大热输入量焊接要求的耐候钢，并能确保焊接热影响区的冲击性能；本发明钢种采用低碳低硅低锰成分设计、控制氧含量后喂钙线冶炼工艺，以及热机械控制轧制和控制冷却(省去直接淬火、缓冷等制造工序)工艺，即可制得目标成品钢板；成品钢板的屈服强度≥420MPa，抗拉强度≥550MPa, -40°C夏比冲击功≥183J，在焊接热输入量200~600kJ/cm条件下钢板的焊接热影响区的_20°C夏比冲击功> 47J。成品钢板在保持优异的力学性能和耐候性能基础上，还具备适应大热输入量焊接的要求，综合性能优异。
[0008]为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案:[0009]一种可大热输入量焊接的耐候钢板，其特征在于，该钢板的化学成分以重量百分比计为:C0.02 ~0.06%、Si<0.10%、Mn0.40 ~0.80%、Ni0.35 ~0.85%、Cr0.35 ~
0.85%、Cu0.35 ~0.85%、Ti0.005 ~0.02%、AK0.01%、N0.0015 ~0.0060%、P ≤ 0.009%、S^0.005%、Ca0.003 ~0.010%、B0.0005 ~0.005%，余量为 Fe 及不可避免杂质； [0010]同时还应满足:Ti≥ 3.42N, Mn+Ni ≤ 1.2，1.0 ≤ Cr+Ni+Cu ≤ 2.0[0011 ] 该钢种的焊接冷裂纹敏感性系数
[0012]Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B ^ 0.16 ；
[0013]该耐候钢的生产方法包括以下步骤:
[0014]在冶炼工序中，采用转炉、电炉或者真空感应炉冶炼、合金添加完毕，且氧含量满足30~IOOppm后加入钙线，每吨钢水加入钙线0.2~0.3kg，然后出钢、浇铸成板坯；在加热、轧制工序中，板坯经加热保温后、进行热机械控制轧制，其中再结晶区的轧制温度在1050~1150°C之间，非再结晶区的轧制温度在820~920°C之间，轧制阶段总轧制压下率^ 70% ;在冷却工序中，轧制完成后直接进入冷却水设备，冷却到450~600°C之间出水空冷至室温，即可制得成品钢板；
[0015]所述的加热工序中，板坯加热温度控制在1150~1200°C，保温2~2.5小时；
[0016]所述的轧制工序中，非再结晶区单道次压下率≥15% ；
[0017]所述的冷却工序中，冷却速度为10~30°C /S。
[0018]以下对本发明中所含组分的作用及用量选择作具体说明:
[0019]C:直接影响钢板的强度、低温韧性以及焊接性能，同时C含量的减少也会提高钢板的低温冲击韧性；但是C含量过低(〈0.02%)会造成钢板强度的降低；而高于0.08%母材韧性和HAZ韧性会降低。因此C含量在0.02~0.06%。
[0020]S1:通常在冶炼过程中起到脱氧的作用，并在成品钢板中能够提高钢板的强度，其含量常>0.20%;但同时Si会严重损害钢板的低温韧性及焊接性能，在焊接线能量>50kJ/cm的条件下，Si会促进M-A组元的形成、损坏钢板焊接热影响区的低温韧性。在本发明钢种中，Si作为有害元素，其含量控制在0.10%以下。
[0021]Mn: —方面可有效提高钢的淬透性，并起到固溶强化和细化铁素体晶粒的作用，因此其含量> 0.40% ;但另一方面Mn含量过高则会对钢的连铸操作带来困难，并会形成大尺寸的MnS夹杂，从而恶化中心偏析，给钢板的心部组织和性能带来危害，其含量应该(1.70%。考虑到钢种中已添加较多可确保钢种耐候性能的合金元素，为进一步降低Pcm来提高焊接性能，Mn含量为0.40~0.80%。
[0022]Cr:在本发明中的最重要的作用是提高钢种的耐候性能，由于其可在钢板表面形成致密的氧化物，从而可以提高耐大气腐蚀能力；但同时含量过高会对钢板的焊接性能产生不利影响。因此，Cr含量为0.35~0.85%。
[0023]Cu:是提高钢板耐候性能的最廉价元素，对于提高抵抗工业大气或者海洋大气的腐蚀效果明显。当Cu含量过高时，一方面会使连铸坯产生脆性裂纹，影响钢板质量；另一方面增加焊接冷裂纹敏感性，从而降低钢板的可焊接性。Cr和Cu复合添加时，抵抗大气腐蚀效果更明显。因此，Cu含量为0.35~0.85%。
[0024]N1:是提高钢板耐候性能的有效元素之一，其加入量小于0.10%时起不到耐腐蚀
作用，但是含量过高会导致钢板氧化皮难以去除，一方面会影响钢板表面质量，另一方面由于是贵重元素，含量过高会大幅增加成本。同时，Ni还能够有效抑制由于Cu加入而引入的连铸坯的表面裂纹问题。因此，Ni含量为0.35~0.85%。
[0025]T 1:与N结合生成高温稳定性较高的T i N粒子，这样会抑制奥氏体的长大(温度< 1350°C)，从而改善钢板及其HAZ区的低温韧性，从而提高焊接性能，因此其含量要≥0.005%;但当含量超过0.02%时，会引起HAZ区韧性的降低，因此Ti含量为0.005~
0.02%，且 Ti ≥ 3.42 X No
[0026]Al:作为杂质元素引入，首次将Al (酸溶态)的含量限制在0.01%以下，从而减少了钢种中氧化铝夹杂物的数量，并能一定程度上增加氧化物夹杂中的含钛量，从而达到对氧化铝夹杂改性的作用，可间接促进晶内铁素体形核，提高焊接性能；此外酸溶铝的减少，也减少了晶界侧板条铁素体的产生，也利于低温韧性的提高。
[0027]P:作为杂质元素会给母材的韧性和HAZ的韧性带来不利的影响，所以其含量应尽可能地少，其含量控制在≤0.009%。
[0028]S:是形成MnS从而使延性降低的元素。为保证厚板的Z向性能，其含量控制在(0.005%。
[0029]Ca:本发明中的重要元素，一方面可以净化钢液，可有效减少氧化铝类夹杂；另一方面可在钢液中形成一定量钙的氧硫化物，此类夹杂物在相转变过程中可充当奥氏体晶内铁素体形核的异质形核剂，从而对低温冲击韧性有利。本发明钢种在经历焊接热循环过程中，该类夹杂物可诱导促发晶内铁素体形核，从而减少晶界铁素体或者上贝氏体板条的形成，从而可提高焊接热影响区的低温冲击韧性。其含量控制在0.003~0.010%。
[0030]B:可有效提高淬透性，从而可细化钢板组织、并提高强度。但在本发明中，主要采用Ca和B的复合添加来控制钢板在焊接热循环过程中的相转变行为，既抑制境界魏氏体铁素体、侧板条铁素体以及贝氏体板条的产生，从而为钙的氧硫化物发挥促进晶内铁素体形核创造先决条件。其含量控制在0.0005~0.005%。
[0031]N:为了保证连铸坯的表面质量(表面裂纹)，要控制在0.0060%以下。同时，低的N含量也会减少HAZ中的固溶N脆化带来的韧性问题。本发明中也添加了微量的Ti，目的之一是形成TiN颗粒，能够阻滞连铸坯在加热炉加热过程中(~1200°C保温2小时)奥氏体的长大，从而达到细化铁素体晶粒尺寸，进而提高强度的目的。因此N的优选含量为0.0015~
0.0060%，且 Ti ≥ 3.42N。
[0032]同现有技术相比，本发明有益效果至少在于:
[0033](I)本发明钢板通过成分、冶炼和轧制工艺重新设计，得到了具备高强度、优异低温冲击韧性、耐候性能和优异焊接性能的耐候钢板；与现有钢种比较，本发明钢板的焊接性能优异，在可免除焊前预热和焊后热处理的基础上，把普通钢板可承受的焊接热输入量从现有50kJ/cm水平提升到200~600kJ/cm ；
[0034](2)能够实现气电立焊单道次或者多丝埋弧焊单道次完成40mm厚度钢板的焊接任务，比采用传统钢板可使焊接效率提高5倍以上，经济效益显著，特别适用于船舶、海洋平台等大型焊接结构领域；
[0035](3)钢板屈服强度≥420MPa,抗拉强度≥550MPa,延伸率≥22%, -40 V冲击功≥183J，在焊接热输入量200~600kJ/cm条件下热影响区的-20°C冲击功3 47J，可满足大热输入量的高效焊接要求。【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1为本发明钢实施例1的母材显微组织；
[0037]图2为本发明钢实施例2在焊接热输入535kJ/cm下的热影响区显微组织。
【具体实施方式】
[0038]以下结合附图及【具体实施方式】对本发明的技术方案作进一步说明。
[0039]实施例1:
[0040]采用真空感应炉冶炼、各合金元素添加完毕后，待氧含量满足30-IOOppm后，每吨钢水加入0.2-0.3kg的钙线，然后浇铸成钢锭、锻打成厚度为220mm的钢坯。该钢坯含有(重量百分比):C0.03、Si0.08、Mn0.77、P0.007、S0.004、Cr0.45、Cu0.35、Ni0.35、Ti0.013、N0.0035、B0.004、Ca0.003、A10.007，余量为Fe及不可避免的杂质。该钢种冷裂纹敏感性系数Pcm=0.137 ;耐候指数1=6.10。
[0041]将板坯加热到1200°C并保温2小时，然后开始热机械控制轧制和冷却，再结晶轧制温度在1100-1150°C之间，轧制道次依次为220 — 200 — 180 — 150 — 120 — IOOmm ;未再结晶区轧制温度为860-900°C，轧制道次依次为100 — 80 — 64 — 50 — 40mm ;轧后直接进入到水箱冷却，出水温度为550°C，冷却速度为18°C /s，然后空冷至室温，即制得厚度为40mm的成品钢板。
[0042]钢板的屈服强度为460MPa，抗拉强度为585MPa，延伸率为25%，_40°C冲击功实测值为285/300/295J，平均值为293J。钢板组织由针状铁素体和少量贝氏体构成，见图1 ;钢板耐候性能见表I。
[0043]对40mm厚钢板进行电渣焊接试验，焊接电流320A，电压50V，焊接速度0.43mm/s,电极摆动速度4.8mm/s，热输入量372kJ/cm。钢板热影响区的组织和冲击性能见图2和表2。
[0044]实施例2:
[0045]采用真空感应炉冶炼、各合金元素添加完毕后,待氧含量满足30-IOOppm后，每吨钢水加入0.2-0.3kg的钙线，然后浇铸成钢锭，然后锻打成钢坯。该板坯含有(重量百分比):C0.04、Si0.06、Mn0.72、P0.008、S0.004、Cr0.40、Cu0.35、Ni0.35、Ti0.016、N0.0032、B0.003、Ca0.0045、A10.008，余量为Fe及不可避免的杂质。该钢种冷裂纹敏感性系数Pcm=0.136 ;耐候指数 1=6.11。
[0046]将板坯加热到1200°C并保温2小时，然后开始热机械控制轧制和冷却，再结晶轧制温度在1100-1150°C之间，轧制道次依次为240 — 200 — 170 — 150 — 120mm ;未再结晶区轧制温度为860-900°C，轧制道次依次为120 — 102 — 85 — 71 — 60mm — 50mm ;轧后直接进入到水箱冷却，出水温度为550°C，冷却速度为18°C /s，然后空冷至室温，即制得厚度为50mm的成品钢板。
[0047]钢板的屈服强度为455MPa，抗拉强度为564MPa，延伸率为26%，_40°C冲击功实测值为304/312/324J，平均值为313J。钢板组织由针状铁素体和少量贝氏体构成；钢板腐蚀性能见表I。
[0048]对50mm厚钢板进行 电渣焊接试验，焊接电流340A，电压52V，焊接速度0.33mm/s,电极摆动速度4.8mm/s，热输入量535kJ/cm。钢板热影响区的冲击性能见表2。
[0049]由此可见，本发明耐候钢板在保持普通级别耐候钢板的强度、低温韧性和耐候性能的基础上，焊接性能得到了显著提升；可免除焊前预热和焊后热处理，并能够适应焊接热输入量高达200-600kJ/cm的焊接要求、并能够确保热影响区的_20°C夏比冲击功> 47J。本发明可大热输入量焊接的耐候钢板可应用于建筑、桥梁、海洋平台等领域。
[0050]表I实施例钢板的耐候性能
[0051]
【权利要求】
1.一种可大热输入量焊接的耐候钢板，其特征在于，该钢板的化学成分以重量百分比计为:C0.02 ~0.06%、Si<0.10%、Mn0.40 ~0.80%、Ni0.35 ~0.85%、Cr0.35 ~0.85%、Cu0.35 ~0.85%、Ti0.005 ~0.02%、AK0.01%、N0.0015 ~0.0060%、P ≤ 0.009%、S≤0.005%、Ca0.003 ~0.010%、B0.0005 ~0.005%，余量为 Fe 及不可避免杂质；
同时还应满足:Ti ≥ 3.42N, Mn+Ni≤ 1.2，1.0 ≤ Cr+Ni+Cu ≤ 2.0
该钢种的焊接冷裂纹敏感性系数
Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B ≤ 0.16 ； 该耐候钢的生产方法包括以下步骤: 在冶炼工序中，采用转炉、电炉或者真空感应炉冶炼、合金添加完毕，且氧含量满足30~IOOppm后加入钙线，每吨钢水加入钙线0.2~0.3kg，然后出钢、浇铸成板坯；在加热、轧制工序中，板坯经加热保温后、进行热机械控制轧制，其中再结晶区的轧制温度在1050~1150°C之间，非再结晶区的轧制温度在820~920°C之间，轧制阶段总轧制压下率^ 70% ;在冷却工序中，轧制完成后直接进入冷却水设备，冷却到450~600°C之间出水空冷至室温，即可制得成品钢板； 所述的加热工序中，板坯加热温度控制在1150~1200°C，保温2~2.5小时； 所述的轧制工序中，非再结晶区单道次压下率≥15% ； 所述的冷却工序中，冷却速度为10~30°C /s。
2.根据权利要求1所述的可大热输入量焊接的耐候钢板，其特征在于:钢板屈服强度≥420MPa，抗拉强度≥550MPa, -40°C夏比冲击功≥183J。
3.根据权利要求1所述的可大热输入量焊接的耐候钢板，其特征在于:钢板在热输入量200~600kJ/cm焊接条件下，热影响区的_20°C夏比冲击功≥47J。
【文档编号】C22C33/04GK103451561SQ201310358510
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2013年8月16日
【发明者】张宇, 王纳, 李小宝 申请人:江苏省沙钢钢铁研究院有限公司