多层焊接接头ctod特性优良的厚钢板及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及在船舶或海上结构物、管线、压力容器等中使用的钢材，涉及不仅母材 的低温韧性优良，而且小~中线能量的多层焊接接头CT0D特性也优良的厚钢板及其制造方 法。
【背景技术】
[0002] 作为钢的韧性的评价基准，主要采用夏比冲击试验。近年来，作为以更高精度评价 抗断裂性的方法，大多对在结构物中使用的厚钢板使用裂纹尖端张开位移试验(Crack Tip Opening Displacement Test，以下称为CT0D试验）。该试验通过在低温下对在韧性评价部 导入了疲劳预制裂纹的试验片进行弯曲试验，测定临断裂前的裂纹张开量(塑性变形量)来 评价抗脆性断裂产生性。
[0003] 将厚钢板用于结构物时的焊接为多层焊接。已知在多层焊接的焊接热影响部（以 下，称为多层焊接HAZ)中包含如下区域：由在前的焊接道次在焊缝附近形成的粗大组织 (CGHAZ:Coarse Grain Heat Affected Zone，粗晶热影响区）被下一层焊接道次再加热至 铁素体+奥氏体的双相区，从而在粗大的基体组织中混合存在岛状马氏体（Μ A : Martensite - Austenite Constituent)组织，由此韧性显著降低的区域（以下，称为 ICCGHAZ: Inter Critically Coarse Grain Heat Affected Zone，临界粗晶热影响区）。
[0004] 由于接头CTOD试验基本在板的整个厚度上进行，因此在以多层焊接HAZ作为对象 时，导入了疲劳预制裂纹的评价区域包含ICCGHAZ组织。另一方面，通过接头CT0D试验所得 的接头CT0D特性，受评价区域中最脆化区域韧性的影响，因此多层焊接HAZ的接头CT0D特性 不仅反映 CGHAZ组织的韧性，而且还反映了 ICCGHAZ组织的韧性。因此，为了提高多层焊接 HAZ的接头CT0D特性，还必须提高ICCGHAZ组织的韧性。
[0005] -直以来，作为提高焊接热影响部(也称为HAZ)韧性的技术，如下进行:通过TiN的 微细分散抑制CGHAZ的奥氏体晶粒粗大化，或将TiN用于铁素体相变核。
[0006] 此外，还可以采用如下技术:通过添加 REM所生成的REM系氧硫化物的分散来抑制 奥氏体晶粒的晶粒生长、通过添加 Ca所生成的Ca系氧硫化物的分散来抑制奥氏体晶粒的晶 粒生长、组合BN的铁素体成核能力与氧化物分散的技术。
[0007] 例如，专利文献1、专利文献2中提出了利用REM和TiN粒子抑制HAZ的奥氏体组织粗 大化的技术。此外，专利文献3中提出了通过利用CaS来提高HAZ韧性的技术和通过热乳提高 母材韧性的技术。
[0008] 此外，作为ICCGHAZ韧性下降的对策，提出了通过低C、低Si化来抑制MA的生成，并 进一步通过添加 Cu来提高母材强度的技术(例如，专利文献4)。专利文献5中提出了在大线 能量焊接热影响部中利用BN作为铁素体相变核，使HAZ组织微细化，提高HAZ韧性的技术。
[0009] 现有技术文献
[0010] 专利文献
[0011]专利文献1:日本特公平03-053367号公报
[0012] 专利文献2:日本特开昭60 -184663号公报
[0013] 专利文献3:日本特开2012 -184500号公报 [0014] 专利文献4:日本特开平05 -186823号公报 [0015] 专利文献5:日本特开昭61 - 253344号公报
【发明内容】
[0016]发明所要解决的问题
[0017]然而，规定接头CT0D特性的标准(例如，API标准RP-2Z)中的CT0D规定(仕様)温度 通常为一 l〇°C。另一方面，为了确保应对近年来能量需求增加的新资源，正在将海洋结构物 等建造地域转移至目前尚未进行资源开采的寒冷地域。因此，可以应对比API标准所规定的 CT0D规定温度更低温的CT0D规定温度（以下，也称为特别低温CT0D规定）的钢材的需求不断 增加。根据发明人的研究，上述技术无法充分满足近年来所要求的面向低温规定的多层焊 接接头中要求的接头CT0D特性。例如，对于专利文献1、专利文献2中通过REM和TiN粒子来抑 制HAZ的奥氏体组织粗大化的技术而言，由于TiN在焊接时达到高温的熔合线部熔解，因此 无法对抑制奥氏体晶粒的晶粒生长发挥充分的效果。
[0018] 此外，REM系氧硫化物、Ca系氧硫化物对抑制奥氏体晶粒生长是有效的。然而，仅仅 是通过抑制HAZ的奥氏体晶粒粗大化而提高韧性的效果，无法满足在上述的低温规定温度 下的接头CT0D特性。在大线能量焊接中焊接热影响部的冷却速度慢、HAZ为以铁素体为主体 的组织的情况下，利用BN的铁素体成核能力是有效的。然而，在厚钢板的情况下，由于母材 中含有的合金成分量比较高，另一方面多层焊接的线能量比较小，因此HAZ组织以贝氏体为 主体，无法得到该效果。
[0019] 此外，在专利文献3中，满足在通常规定温度（一 10°C)下的接头CT0D特性。然而，对 于上述低温规定温度下的接头CT0D特性未进行研究。
[0020] 对于专利文献4而言，也未对上述低温规定温度下的接头CT0D特性进行研究，可以 认为仅通过母材成分组成的减少来提高ICCGHAZ韧性并不能满足特别低温CT0D规定。此外， 为了提高ICCGHAZ韧性而降低母材成分组成的合金元素含量，有时会损害母材的特性，难以 应用于海洋结构物等中使用的厚钢板。
[0021] 对于专利文献5,在大线能量焊接这样的焊接热影响部的冷却速度慢，HAZ为以铁 素体为主体的组织的情况下是有效的。然而，在厚钢板的情况下，由于母材中含有的合金成 分量比较高，并且多层焊接的线能量比较小，因此HAZ组织以贝氏体为主体，无法得到该效 果。
[0022]由此，在厚钢板的多层焊接热影响部中，很难说确立了提高CGHAZ和ICCGHAZ的韧 性的技术，难以提高切口位置为CGHAZ、ICCGHAZ混合存在的熔合线部的接头CT0D特性。 [0023]因此，本发明目的在于提供一种多层焊接接头CT0D特性优良的厚钢板及其制造方 法。
[0024]用于解决问题的方法
[0025]发明人等为了解决上述问题，关注Ca系复合夹杂物，对多层焊接HAZ中的奥氏体晶 粒粗大化的抑制效果和贝氏体、针状铁素体、铁素体的成核效果以及多层焊接HAZ的韧性提 高进行了深入研究，得到了以下见解。
[0026] (1)当控制钢中的Ca、0和S为以下式所示的原子浓度比（ACR:Atomic Concentration Ratio)为0.2~1.4的范围内时，硫化物的形态成为Μη部分固溶的Ca系硫化 物和A1系氧化物的复合夹杂物。
[0027] ACR=(Ca-(0.18+130XCa) X0)/(1.25XS)
[0028] (2)通过使夹杂物形态成为由含有Ca和Μη的硫化物和含有A1的氧化物构成的复合 夹杂物，则即使在焊缝附近升温至高温的区域中也可以稳定存在，因此可以充分发挥奥氏 体晶粒粗大化效果。进而，由于在复合夹杂物周围形成Μη稀薄层，因此具有贝氏体、针状铁 素体的成核效果。
[0029] (3)ΗΑΖ冷却时的成核位点主要为奥氏体晶界。在本发明中，通过在奥氏体晶粒内 存在具有成核效果的上述复合夹杂物，除了奥氏体晶界以外，在奥氏体晶粒内也开始成核， 最终所得的ΗΑΖ组织变得微细，ΗΑΖ的韧性和接头CT0D特性提高。
[0030] (4)上述复合夹杂物的贝氏体、针状铁素体、铁素体的成核效果在夹杂物尺寸过于 微小时不充分，因此当量圆直径必须为O.Um以上。
[0031] (5)为了充分利用上述复合夹杂物的相变成核效果，在焊接升温时在ΗΑΖ的奥氏体 晶粒内必须存在至少1个以上的夹杂物，由于当线能量为5kJ/mm左右时，焊缝附近的奥氏体 粒径约为200μπι，因此夹杂物的密度必须为25个/mm 2以上。
[0032] (6)另一方面，由于上述复合夹杂物自身的韧性低，因此过量的夹杂物反而会导致 HAZ韧性下降。此外，即使在存在元素偏析、多层焊接HAZ韧性较差的板厚中心部分，也需要 适当的夹杂物个数，通过使夹杂物个数为250个/mm 2以下，可以确保良好的多层焊接接头 CT0D特性。
[0033] (7)通常，由于在钢坯板厚中心的元素偏析部中合金元素富集，因此产生了粗大夹 杂物以低密度分散的问题。然而，通过施加板厚中心温度为950°C以上时的压下率/道次为 5%以上的道次的累积压下率为33%以上这样的每1道次较大的乳制，增加施加到板厚中心 的应变，使粗大夹杂物伸长，并进一步分裂，可以使细小的夹杂物以高密度分散。此外，可以 在确保由夹杂物带来的HAZ韧性提高效果的同时，实现能够应对特别的CT0D规定的良好的 CT0D特性。
[0034]此外，除了通过夹杂物形态控制使多层焊接HAZ微细化以外，为了使对抑制奥氏体 晶粒生长有效的TiN在钢中微细分散，通过设为1.5<11/^<5.0，以及将碳当量(：叫控制为 0.43<Ceq( = [C] + [Mn]/6+([Cu] + [Ni])/15+([Cr] + [Mo] + [V])/5H0.54,将焊接裂纹敏感 性指数Pcm控制为0.18 <Pcm( = [C] + [Si]/30+([Mn] + [Cu] + [Cr])/20+[Ni]/60+[Mo]/15+ [V]/10+5[B]H 0.24,能够提高多层焊接HAZ的基体组织的韧性。
[0035] 进而，本发明人们对规定接头CT0D试验方法的BS标准EN10225(2009)、AP〇^t Recommended Practice 2Z(2005)中要求的、作为焊接时母材的相变区/未相变区的边界的 SC/ICHAZ(Subcritically reheated HAZ，亚临界再热HAZ/Intercritically reheated HAZ，临界再热HAZ)边界也进行了研究，发现由于SC/ICHAZ边界的接头CT0D特性受母材韧性 的主导，因此为了在SC/ICHAZ边界满足试验温度一10°C下的接头CT0D特性，必须使母材显 微组织的有效结晶粒径为20μπι以下，从而通过晶粒微细化提高母材韧性。在本发明中，所谓 的多层焊接接头CT0D特性优良，是指在切口位置CGHAZ(熔合线）以及SC/ICHAZ中，在试验温 度一 10°C下，裂纹尖端张