一种焊接性优良的经济型水电用厚板及其生产方法
【专利摘要】本发明公开一种焊接性优良经济型水电用厚板，?C：0.065%~0.085%；Si：0.16%~0.30%；Mn：1.35%~1.49%；P：≤0.015%；S≤0.005%；Ni：0.10%~0.12%；Cr：0.10%~0.13%；Mo：0.11%~0.145%；Cu：0.20%~0.25%；Nb：0.03%~0.05%；Ti：0.012%~0.019%；V：0.03%~0.05%；Als：0.020%~0.040%；N：0.0040%~0.0059%；同时保证Pcm?=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B；0.165%≤Pcm≤0.190%；Ceq?=C+Mn/6?+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.40%；余量为Fe和不可避免的杂质。
【专利说明】一种焊接性优良的经济型水电用厚板及其生产方法
【技术领域】
[0001]本发明属于低合金钢制造领域，尤其涉及一种焊接性优良经济型水电用厚板及其生产方法。
【背景技术】
[0002]低合金高强度钢是重要工程结构材料之一，广泛应用于石油天然气管线、海洋平台、造船、桥梁结构、锅炉容器、建筑结构、汽车工业、铁路运输及机械制造之中。
[0003]低合金高强度钢性能取决于化学成分及其制造工艺。随着现代工业技术的不断进步，化学成分一定的条件下低合金高强度钢的性能具有相当大的控制范围。正因如此，在继续降低制造成本条件下大幅度提高钢板综合机械性能和使用性能成为可能，从而达到减轻钢结构自身重量、提高钢结构稳定性及安全性的目的。
[0004]近些年来，国内外先后开展了新一代高性能钢铁材料的的研究，力图通过合金组合优化设计和革新工艺技术以获得更好的组织匹配，最终达到更加优良的强韧性匹配。
[0005]CN200510047196.0的专利公布了“高强度低焊接裂纹敏感性钢厚板及其生产方法”，采用连铸坯料生产抗拉强度610MPa最大厚度为75mm的钢板。是通过控制碳当量Ceq ≤ 0.42%、裂纹敏感性系数Pcm ≤ 0.20%实现低焊接裂纹敏感性成分设计，并通过“TMCP+回火”工艺完成成品钢板制造。该专利公布了厚度小于40mm钢板的化学成分，贵金属元素N1、Mo含量设计较高，N1:0.15~0.25%、Mo:0.15~0.25%，Ceq最高控制在0.404%，增加了合金成本。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种焊接性优良的经济型水电用厚板及其生产方法，在保证钢板焊接性指数0.165% ≤ Pcm ≤ 0.190% ；Ceq ≤ 0.40%条件下，优化设计贵金属N1、Cr含量，降低合金成本，采用余热回火工艺进一步降低工艺成本。
[0007]为了达到上述目的，本发明采用如下化学成分(按重量百分比):C:0.0 6 5%~0.085% ；S1:0.16%~0.30% ；Μη:1.35%~1.49% ；Ρ:≤ 0.015% ；S:≤ 0.005% ；Ni:0.10%"0.12% ；Cr:0.10%"0.13% ；Mo:0.11%"0.145% ；Cu:0.20%"0.25% ；Nb:0.03%"0.05% ；Ti:0.012%~0.019% ；V:0.03%"0.05% ；Als:0.020%"0.040% ；N:0.0040%"0.0059% ；同时保证 Pcm = C + Si/30 + (Mn+Cu+Cr) /20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B ；0.165% ^ Pcm ^ 0.190% ；Ceq = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15 ( 0.40%;不含8，余量为Fe和不可避免的杂质。
[0008]本发明中合金元素C、S1、Mn、P、S、Al、N1、Cr、Mo、Cu、V、Nb、Ti限定量的理由详述如下:
[0009]C:C^0.05%时需添加其它提高淬透性元素提高母材及焊接接头强度，使成本升高。C过高焊接热影响区出现较多的淬硬组织，使热影响区韧性变差。为保证钢板优良的焊接性，C的范围设计为0.065~0.085%。
[0010]S1:为使Si在保证母材强度和焊接接头强度中发挥作用，Si应大于0.15%，但Si> 0.40%时，焊接裂纹敏感性和焊接接头韧性变坏。本发明其含量控制在:0.169Π).30%。
[0011]Mn:为使Mn在保证母材强度和焊接接头强度发挥作用，其含量应> 1.40% ;为减轻硫化物的有害作用，Mn > 0.50%。但Mn > 1.70%时使焊接裂纹敏感性变坏，而且由于含量太高带来过大的淬透性使母材韧性和接头韧性变坏。本发明其含量控制在:1.35%~1.49%。
[0012]P、S:P、S在本钢种中都是杂质元素。限制P≤0.015% ;S≤0.005%。
[0013]Al:A1提高粗晶区韧性的机制是减少M-A组元的量及其尺寸,减少了固溶N量。AlN的溶解温度在1100°C附近，它在焊接热循环中很容易溶解，不能有效地阻止HAZ的晶粒长大。在焊接热循环中AlN质点会溶解，使HAZ中自由N的含量增高。AlN的析出十分缓慢，AlN很难在焊接过程中重新形核析出。在钢水冶炼过程中要保证一定的脱氧程度，一般情况下Als的含量下限控制为0.015%，上限为0.045%。本发明其含量控制在:0.020%~0.040%。
[0014]T1:根据钢中的N含量，适当添加Ti，形成TiN细粒状弥散分布的粒子以减轻焊接热影响区脆化的效果最好，利用TiN的沉淀物可以抑制焊接时奥氏体的晶粒粗大，增加针状铁素体的沉淀核。3.42为钢中T1、N原子的理想化学配比。当钢中的Ti/N值接近于理想化学配比时，TiN粒子更加细小且分布弥散，对高温奥氏体晶粒的稳定作用最强，Ti/N值过大或过小都将消弱这一作用。如果钢中固溶N量过多，将降低母材的韧性及时效性能。Ti的含量为:0.012%~0.019%。
[0015]V:V在钢中的作用主要是析出强化作用。其在回火过程中以V (C，N)形式析出并提高钢板的强度。本发明其含量控制在V:0.03%~0.05%。
[0016]N:N在钢中以固溶或氮化物形式存在。N在钢液中的溶解度远高于其在室温下的溶解度。钢中N≤0.0080%时，在低温下处于过饱和状态，一般以氮化物形式存在。本专利是利用TiN细粒状弥散分布的粒子减轻焊接热影响区脆化以保证钢板母材具有良好的焊接性。控制过低N含量会大大增加精炼成本，会大大减少TiN细粒状弥散分布的粒子在焊接热影响区晶粒细化作用。本发明其含量控制在N:0.0040%~0.0059%。
[0017]N1、Cr:N1、Cr有利于提高母材和焊接接头的强度。Ni可进一步改善母材韧性。但如添加量超过所需的量会使增大，成本提高，导致焊接接头的韧性降低和加工性变坏，因此Ni的含量为:0.10%~0.12% ;Cr可以提高淬透性同时可提高钢耐蚀性，Cr
0.10%-0.13%。
[0018]Mo =Mo对提高母材强度和焊接接头强度有效，同时能够提高母材高温回火稳定性，Mo含量过高会大大提高合金成本。本发明设计Mo: 0.110%~0.145%。
[0019]Cu =Cu对提高母材强度有效，相对N1、Cr、Mo成本较低，本发明其含量设计Cu:
0.20%-0.25%。
[0020]Nb:为保证母材强度和焊接接头强度，Nb含量应> 0.005%,但Nb含量> 0.05%时焊接接头韧性变坏，所以将Nb的上限定为0.05%。利用钢坯加热过程Nb的固溶作用提高钢板淬透性。用“DQ+ACC”联合冷却装置进一步提高钢板淬透能力，减少合金加入量，保证低焊接裂纹敏感性特厚钢板的成分设计特点。在钢板控轧及控冷之后的回火过程中，Nb的碳氮化物起到析出强化作用。Nb通过微合金化与控轧控冷工艺相结合使母材晶粒充分细化，并且结合析出强化和位错亚结构强化效应，达到提高母材综合性能的目的。本发明其含量控制在:0.03%~0.05%。
[0021]B:本发明钢种采用不含B的低焊接裂纹敏感性钢成分设计。本发明钢种如加入微量的B可明显抑制铁素体在奥氏体晶界上的形核，同时还使贝氏体转变曲线变地扁平，从而在一个较大的冷速范围内也能获得贝氏体组织，使钢种提高强度。但是，因为B提高钢种强度的作用是基于其在奥氏体晶界上的偏聚而阻止等轴铁素体在晶界上优先形核，冶炼时必须控制B含量，给冶炼工艺操作带来很大难度；如果B以氧化物或氮化物存在于钢中，就丧失了抑制铁素体在晶界上形核的作用，也给冶炼工艺控制带来困难。另外，在低碳贝氏体钢中由于轧制和冷却工艺控制不当，易形成局部空隙自由区而促进晶内裂纹，导致成品钢板轫性波动。所以本钢种采取了不含B的成分设计。
[0022]选用不含B、少量多元元素配比的低成本低合金钢成分设计，采用“DQ+ACC”联合冷却装置限定冷速的“TMCP+余热回火”工艺生产所发明钢种，发明一种焊接性优良的经济型水电用厚板。此生产方法并没有超常规的工艺难度，可以达到比离线调质钢板生产工艺更优化、更经济的效果。
[0023]Pcffl =Pcffl表示焊接裂纹敏感性系数，在通常的环境下，焊接施工时如果要保证不预热焊接同时不出现裂纹，规定Pem ( 0.20%。本发明控制0.165% ( Pcm ( 0.190%。
[0024]Ceq:是碳当量值。厚规格610MPa级高强度钢通过添加微量Ti等保证母材强度及焊接接头强度，同时要保证钢板良好焊接性，Ceq在本钢种中设计为Crai ( 0.40%。
[0025]本发明的第二个方面是提供一种焊接性优良的经济型水电用厚板生产方法，包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却、余热回火工序。
[0026]1、冶炼及连铸工艺
[0027]铁水经过预脱硫，脱硫渣要处理干净，选用优质废钢，合金料要清洁干燥。钢水先经过转炉冶炼，然后送入LF、RH炉进行精炼。进行LF处理，造白渣深度脱硫；严格按照目标成分进行成分微调；控制上机温度。进行RH处理时间不得少于11分钟，[H]≤2ppm。RH处理结束后进行微钛处理和Ca处理。喂CaSi线以尽快的速度进行(≥3.5m/S)。上机前净吹氩5min，以使成分充分均匀；目标过热度控制在< 20°C ;中间罐采用浸入式水口，氩气保护浇注，连铸过程采用电磁搅拌机轻压下。
[0028]2、加热工艺
[0029]在保证合金元素充分固溶，奥氏体晶粒能够控制长大的前提下，采用低温加热工艺。加热温度如果超过1200°C，可能导致钢坯的原始奥氏体晶粒粗大，母材的强度和韧性都将受到不利影响。钢坯加热温度1120°C~1180°C，加热与保温时间10min/cm。
[0030]3、轧制工艺
[0031]完全再结晶轧制阶段的道次压下量的保证直接关系的奥氏体晶粒细化程度，要求轧机具有足够的扭矩；非再结晶轧制阶段单道次压下量的保证直接关系到奥氏体晶粒的进一步细化以及后续冷却相变细化晶粒的效果，要求轧机具有足够大的轧制力，要求轧制力最高可达到10000吨。
[0032]轧制工艺采用完全再结晶轧制一粗轧阶段和非再结晶轧制一精轧阶段。
[0033]第一阶段为粗轧阶段，根据轧机能力控制单道次压下率η= (H-h)/H ^ 10%，其中
H、h分别为道次间轧制变形前后钢板厚度(mm);累积压下率> 50% ;控制第一阶段开轧温度Tl ^ 1100°C，终轧温度T2 ^ 980°C轧制到粗轧阶段钢板厚度。
[0034]第二阶段为精轧阶段，根据轧机能力控制单道次压下率η= (H-h)/H ^ 12%，其中H、h分别为道次间轧制变形前后钢板厚度(mm);累积压下率≥ 58% ;控制第二阶段开轧温度T4≥ 860°C，终轧温度T4 ≥ 8500C ;轧制到精轧阶段成品钢板厚度。
[0035]4、冷却工艺
[0036]冷却，控制轧制后对钢板进行冷却。开冷温度控制在Ar3+ (30^80) V ;平均冷却速度V≥8°C /S。终冷温度控制在620°C~650°C，钢板组织控制为“铁素体+贝氏体”。
[0037]5、余热回火处理工艺
[0038]余热回火工艺是利用高终冷温度的余热，快速下线到回火处理装置，该装置可以控制回火温度。热处理工艺采用余热回火工艺，即可节约能源又可以达到消除钢板内应力及均匀化组织的目的。回火处理具有使Nb的碳化物、氮化物或其复合化合物析出提高母材强度的作用。在600°C以上回火可以达到弥散析出并提高强度，但是如果回火温度超过660°C，强度显著降低。余热回火热处理温度为600°C~620°C。回火保温时间:1.5~2.5min/mm ο
[0039]本发明的优点及效果在于，化学成分设计采用“少量多元”原则，化学成分不复杂，按元素添加量及种类尽量少、保证降低成本的原则，合理调整各元素的配比，控制焊接冷裂纹敏感性系数P? ≤ 0.195%，控制Ceq ≤0.42%。采用完全再结晶轧制阶段和非再结晶轧制阶段控制单道次及总变形量工艺，采用“DQ+ACC”联合冷却方式(DQ:直接淬火；ACC:层流加速冷却)及高终冷快速下线余热回火等工艺，大大减少回火保温时间，钢板内部组织可以得到“铁素体+贝氏体”双相组织。钢板厚度范围是20mnT50mm，抗拉强度不低于610MPa，钢板不需要离线调质处理，具备低焊接裂纹敏感性钢的优异性能。本发明生产工艺简便，适合批量生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1是实施例4金相组织图。
【具体实施方式】
[0041]下面结合附图对本发明作进一步说明:
[0042]本发明实施例的化学成分见表1和2 ;相应实施例工艺见表3 ;调质热处理后的性能见表4。
[0043]表1实施例化学成分(wt%)
【权利要求】
1.一种焊接性优良经济型水电用厚板，其特征在于:化学成分按重量百分比:C:0.065%~0.085% ；S1:0.16%~0.30% ；Μη:1.35%~1.49% ；Ρ:≤ 0.015% ；S:≤ 0.005% ；Ni:0.10%"0.12% ；Cr:0.10%"0.13% ；Mo:0.11%"0.145% ；Cu:0.20%"0.25% ；Nb:0.03%"0.05% ；Ti:0.012%~0.019% ；V:0.03%~0.05% ；Als:0.020%"0.040% ；N:0.0040%"0.0059% ；同时保证 Pcm = C + Si/30 + (Mn+Cu+Cr) /20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B ；0.165% ( Pcm ( 0.190% ；Ceq = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15 ( 0.40% ;余量为 Fe和不可避免的杂质。
2.一种根据权利要求1所述的焊接性优良经济型水电用厚板生产方法，其特征在于:包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却、余热回火工序，其中钢坯加热温度1120~1180°C，加热与保温时间lOmin/cm ;轧制工艺采用完全再结晶轧制和非再结晶轧制两阶段轧制，第一阶段累积压下率> 50% ;控制第一阶段开轧温度Tl ^ 110(TC，终轧温度T2 ^ 9800C ;第二阶段累积压下率> 58% ;控制第二阶段开轧温度T4 ^ 860°C，终轧温度T4 ^ 850°C;开冷温度控制在Ar3+(3(T80) V ;平均冷却速度V ^ 8V /S ;终冷温度控制在62(T650°C ;余热回火热处理温度为60(T620°C， 回火保温时间:1.5~2.5min/mm。
【文档编号】C22C38/50GK104073732SQ201310100966
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年3月27日 优先权日:2013年3月27日
【发明者】梁福鸿, 高强, 王勇, 胡昕明, 王储, 王动, 孙殿东, 李广龙 申请人:鞍钢股份有限公司