CN103160747A

CN103160747A - 低焊接裂纹敏感性离线调质型特厚钢板及其制造方法

Info

Publication number: CN103160747A
Application number: CN2011104192153A
Authority: CN
Inventors: 梁福鸿; 王动; 高强; 王旭; 胡昕明; 王储
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2013-06-19

Abstract

本发明提供一种低焊接裂纹敏感性离线调质型特厚钢板及其制造方法，其成分C：0.06％～0.11％，Si：0.15％～0.40％，Mn：1.40％～1.70％，Ni：0.10％～0.30％，Mo：0.10％～0.30％，Cu：0.10％～0.25％，Nb：0.03％～0.05％，Ti：0.010％～0.025％，Als：0.015％～0.045％，余为Fe。方法包括冶炼、连铸、热轧和热处理，加热温度1160～1200℃，坯料加热时间≥钢坯厚度(cm)*11min/cm，再结晶阶段单道次压下量大于10％，非再结晶阶段终轧温度为大于Ar3+(50～150)℃，单道次压下量大于15％；钢板再加热温度950～960℃，保温时间2.5min/mm，进行淬火，回火温度610～630℃，保温时间4min/mm。本发明钢种不含B，且合金成本低，用单层连铸坯生产出610MPa级低焊接裂纹敏感性离线调质型特厚钢板。

Description

低焊接裂纹敏感性离线调质型特厚钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于水电工程钢铁材料技术领域，尤其涉及一种低焊接裂纹敏感性离线调质型特厚板及其制造方法。

背景技术

特厚钢板一般指厚度大于80mm的钢板，多用于军用和民用的各种重要结构，产品质量要求严格。为保证特厚钢板内在质量，一般在特厚钢板塑性变形成型的过程中要求总压缩比大于3.0。如果压缩比小，使用一般生产方法的情况下，成品钢板内部偏析和疏松缺陷存在消除不完全问题。

低焊接裂纹敏感性特厚钢板的成分设计有严格要求。特开昭49-37814公报和特公平4-13406公报中已经公开如下信息，为降低焊接裂纹敏感性采取降C和添加Ti-B的技术。一般抗拉强度600MPa级低焊接裂纹敏感性高强度钢板采用离线调质生产技术，几乎都是通过添加B元素保证钢板的淬透性。采用B来保证钢板的强度、增加淬透性，化学成分和制造条件均将发生变化，可能导致母材性能不稳定，特别是焊接热影响区的硬度显著提高。焊接热影响区硬度的提高使焊接熔合线的韧性变差。

在特开昭60-9086、特开平2-254119、特开昭59-113120、特开昭61-12970公报中提出了不添加B的技术，但所提出的不添加B的技术都是600MPa级非调质钢的技术，从实施例中看出这些技术所使用的钢板厚度最大为20mm。

特开平10-68045号公报是570MPa级强度、具有良好焊接裂纹敏感性和大线能量焊接后高冲击值钢的生产方法。此钢板强度偏低，而且对钢中Nb、V含量，用公式“625(有效Nb)+250V+210Ceq≥t(钢板厚度mm)+40”加以限定，从该公式可见，钢板厚度受到限制。

JP 10183239(A)公布了一种低焊接裂纹敏感性离线调质型钢板及其生产方法，其最大厚度是50mm。JP 5222453(A)公布了一种具有强韧性良好的厚钢板及其生产方法，其成分设计采用Ni：2.0～4.0％的配比。KR100241002(B1)公布了一种热处理高强钢板，成分控制为C：0.10～0.14％；Si：0.20～0.30％；Mn：1.30～1.45％；P：≤0.023％；S：≤0.005％；Ni：0.10～0.20％；Cr：0.05～0.15％；Mo：0.14～0.17％；Cu：0.10～0.20％；V：0.03～0.05％；Ti：0.010～0.020％；Als：0.015～0.045％；Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.47％，其成分中的C含量和Ceq控制都较高。

中国专利号CN200810249817.7公布了一种特厚钢板的工艺方法，采用的是连铸坯真空复合技术。中国专利号CN 101660100A公布了一种特厚调质钢板及其生产方法，其最大厚度为100mm，但是其坯料采用的是模铸坯料、同时其成分设计采用了含B设计(0.0014％wt)。CN 101633996A公布了低成本700MPa级高强高韧调质钢板及其生产方法，其成分设计：C：0.13～0.16％；Si：0.10～0.50％；Mn：1.20～1.60％；P：≤0.020％；S：≤0.010％；Cr：0.10～0.60％；Mo：0.00～0.10％；Cu：0.10～0.20％；V：0.01～0.03％；Ti：0.010～0.030％；Nb：0.020～0.050％；Als：0.015～0.045％；B：0.0005～0.0030％，最大厚度60mm，且成分中含B。CN 101845997 A公布了低成本80公斤级特厚调质钢板及其生产方法，其成分设计：C：0.10～0.14％；Si：0.00～0.30％；Mn：1.10～1.50％；P：≤0.013％；S：≤0.003％；Cr：0.70～1.20％；Mo：0.05～0.20％；Cu：0.10～0.20％；V：0.015～0.045％；Ti：0.006～0.011％；Nb：0.020～0.050％；Als：0.040～0.070％；B：0.0005～0.0030％；Ca：0.001～0.004％，最大厚度80mm，且含B。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种采用单层连铸坯生产不含B、抗拉强度610MPa级的低焊接裂纹敏感性离线调质型特厚钢板(厚度80mm～100mm)及其制造方法。

本发明低焊接裂纹敏感性离线调质型特厚钢板采用如下化学成分(按重量百分比)：C：0.06％～0.11％，Si：0.15％～0.40％，Mn：1.40％～1.70％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Ni：0.10％～0.30％，Mo：0.10％～0.30％，Cu：0.10％～0.25％，Nb：0.03％～0.05％，Ti：0.010％～0.025％，Als：0.015％～0.045％，余量为Fe和不可避免的杂质，同时保证Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.20％；Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.42％。

本发明各合金元素限定量的理由详述如下：

C：C≤0.06％时需添加其它提高淬透性元素，使成本升高，韧性和焊接性变坏。特别是在本发明的大焊接能量的情况下，C≤0.06％时，C向熔融金属的扩散很少，用一般的焊接材料很难保证焊接接头强度。本钢种C成分设计下限为0.06％是考虑保证强度而设计的。当C含量较高时，虽然有利于提高钢板强度，但是损害钢板的低温韧性、延伸率及焊接性。为保证焊接裂纹敏感性和加入Nb后的大能量焊接接头韧性，C的上限为0.11％。

Si：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。Si可以促进钢水脱氧并能够提高钢板强度，但是采用Al脱氧的钢水，Si的脱氧作用不大。其含量应控制在：0.15％～0.40％。

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％。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。Mn含量较高时，不仅会造成浇注操作困难，而且容易与C、P、S等元素共同作用发生偏析现象，造成连铸坯中心部位的偏析及疏松产生。其含量应控制在：1.40％～1.70％。

P、S：P、S在本钢种中都是杂质元素。P是钢中有害夹杂，对钢的机械性能，如低温韧性、延伸率、焊接性具有很大的损害作用。S也是钢中有害夹杂，对钢的低温韧性损害作用很大。同时，S在钢中于Mn结合，形成MnS夹杂物。在热轧过程中，在钢板中会形成MnS带状夹杂物，损害钢板的低温韧性、延伸率、Z向性能及焊接性。S过多会导致钢板热脆现象。所以，限制P≤0.015％；S≤0.005％。

Al：Al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℃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％。钢中加入过量的Al不但会造成连铸坯浇注困难，上限为0.045％。

Ti：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大线能量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Ti、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。Ti的含量为：0.010％～0.025％。

Nb：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。其含量控制在：0.03％～0.06％。

Ni：Ni有利于提高母材和焊接接头的强度。Ni可进一步改善韧性。但如添加量超过所需的量会使Ceq增大，成本提高，导致大线能量焊接接头的韧性降低和加工性变坏，因此Ni的含量为：0.10％～0.30％；Cr0.05％～0.10％。

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，含量设计Mo 0.10％～0.30％。

Cu：Cu对提高母材强度有效，成本相对较低，含量设计Cu0.10％～0.25％。

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％，为同时保证Nb在钢坯加热及控制轧制过程的有益作用，下限设计为0.03％。利用钢坯加热过程Nb的固溶作用提高钢板淬透性。

B：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。所以本发明钢种采取了不含B的成分设计，选用少量多元元素配比的低合金钢成分设计。

Pcm：Pcm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Pcm≤0.20％。

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，同时要保证低焊接裂纹敏感性，Ceq在本钢种中规定为Ceq≤0.42％。

本发明抗拉强度610MPa级低焊接裂纹敏感性离线调质型特厚钢板的制造方法主要包括冶炼、连铸、热轧和热处理工序。

1、冶炼及连铸工艺

铁水经过预脱硫，钢水先经过转炉冶炼，然后送入LF、RH炉进行精炼，LF处理严格按照目标成分进行成分微调；RH处理时间不得少于10分钟，[H]≤2ppm，RH处理结束进行微钛处理和Ca处理，目标过热度控制在≤25℃；中间罐采用浸入式水口，氩气保护浇注，连铸过程采用轻压下。

2、热轧工艺

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℃，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1160～1200℃，坯料加热时间≥钢坯厚度(cm)*11min/cm。本发明轧制工艺采用兼有高温完全再结晶及非再结晶的正火轧制，完全再结晶轧制阶段温度控制1100±50℃，单道次压下量不小于10％，非再结晶阶段温度控制900±50℃，单道次压下量不小于15％，终轧温度控制在Ar3+(50～150)℃以上，Ar3＝757℃。钢板轧后采用空气自然冷却至室温的方式。

3、热处理工艺

对该钢种相变点实测，Ac3＝893℃、BS＝536℃、Bf＝417℃，确定钢板再加热温度(950～960)℃、保温时间2.5min/mm进行淬火，控制淬火机组出口钢板温度低于100℃。回火热处理温度为610℃～630℃、保温时间：4min/mm。

钢板淬火采用连续式压力淬火机组，高压区水流量为85～90m³/min，压力8bar；低压区水流量为100～150m³/min，压力4bar。辊速根据钢板厚度在20～90m/min之间调整。

本发明钢种不含B，选用少量多元元素配比的低合金钢成分设计，合金成本低；以细晶强化控制为核心充分发挥现有5500产线轧制能力和压力淬火机组及回火热处理炉能力，采用“DQ+ACC”联合冷却装置限定冷速的TMCP工艺，用单层连铸坯经济地生产出610MPa级低焊接裂纹敏感性离线调质型特厚钢板。

附图说明

附图1为本发明钢种的基体组织。

附图2为本发明实施例1(80mm)厚钢板全厚度硬度测试结果。

附图3为本发明实施例3(100mm)厚钢板全厚度硬度测试结果。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例钢种的成分见表1、生产工艺见表2、钢板性能见表3。

表1实施例钢种的化学成分

表2实施例钢种的生产工艺

表3实施例钢种性能

表4～表12为本发明实施例钢其它指标的测试结果。钢板的全厚度硬度测试结果见图2和图3。

表4实施例1(80mm)厚钢板应变时效敏感性试验结果

表5实施例3(100mm)厚钢板应变时效敏感性试验结果

按照GB6803《铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法》标准进行。试样型式为P3型，尺寸为16mm×50mm×130mm。冷却介质为无水乙醇、干冰及液氮，保温时间为30分钟，打击能量为400J(30.0mm厚试板打击能量为450J)。试验结果见表6。

表6实施例1和3钢板的NDT试验结果

注：由于试验设备条件所限，≤-78℃的温度无法精确控制(仅供参考)。

按GB4675.5-84《焊接热影响区最高硬度试验方法》对80mm、100mm厚钢板进行试验。试验结果见表7。

表7实施例1和3焊接热影响区最高硬度试验焊接条件及试验结果

按GB4675.1-84《斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》对80mm、100mm厚钢板进行试验。试验结果见表8。

表8实施例1和3斜Y坡口焊接裂纹试验焊接条件及结果

表9实施例1和3的对接焊工艺

手工电弧焊打底焊采用φ4.0mm焊条，电流170A，电压25V，速度110mm/min，线能量仍然为22KJ/cm，与填充线能量保持一致。试验结果见表10。

表10实施例1和3焊接接头的拉伸和冷弯检验结果

表11实施例1和3焊接接头的冲击韧性检验结果

注：表中数据为三个试样的平均值。

表12实施例1和3焊缝和热影响区的系列冲击试验结果

Claims

1.一种低焊接裂纹敏感性离线调质型特厚钢板，其特征在于钢板的化学成分重量百分比为：C：0.06％～0.11％，Si：0.15％～0.40％，Mn：1.40％～1.70％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Ni：0.10％～0.30％，Mo：0.10％～0.30％，Cu：0.10％～0.25％，Nb：0.03％～0.05％，Ti：0.010％～0.025％，Als：0.015％～0.045％，余量为Fe和不可避免的杂质，同时保证Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.20％。

2.根据权利要求1所述的低焊接裂纹敏感性离线调质型特厚钢板，其特征在于所述钢板的Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.42％。

3.一种权利要求1或2所述的低焊接裂纹敏感性离线调质型特厚钢板的制造方法，包括冶炼、连铸、热轧和热处理工序，其特征在于在所述的热轧工序，钢坯的加热温度为1160～1200℃，坯料加热时间≥钢坯厚度(cm)*11min/cm，采用兼有高温完全再结晶及非再结晶的正火轧制，再结晶阶段轧制温度为1100±50℃，单道次压下量不小于10％，非再结晶阶段轧制温度为900±50℃，终轧温度控制在Ar3+(50～150)℃以上，单道次压下量不小于15％，轧后自然冷却至室温；在所述的热处理工序，钢板再加热温度为950～960℃，保温时间2.5min/mm，进行淬火，回火热处理温度为610～630℃，保温时间4min/mm。

4.根据权利要求3所述的低焊接裂纹敏感性离线调质型特厚钢板的制造方法，其特征在于所述的淬火采用连续式压力淬火机组，高压区水流量为85～90m³/min，压力为8bar，低压区水流量为100～150m³/min，压力为4bar，辊速20～90m/min，淬火机出口的钢板温度低于100℃。