CN104321455A

CN104321455A - 焊接部韧性优良的高韧性复合钢板的母材及该复合钢板的制造方法

Info

Publication number: CN104321455A
Application number: CN201380026749.7A
Authority: CN
Inventors: 岸庆一郎; 矢泽好弘; 橘俊一; 黑沼洋太; 星野俊幸; 西村公宏
Original assignee: NKK Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Engineering Corp
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2015-01-28
Also published as: JP5527455B2; KR101629129B1; WO2013175793A1; KR20150003350A; JP2014001449A; US20150159246A1

Abstract

本发明提供复合钢板的母材及该复合钢板的制造方法。一种复合钢板的母材，以质量％计含有C：0.030～0.10％、Si：0.10～0.30％、Mn：1.30～1.80％、P：0.015％以下、S：0.003％以下、Mo：0.05～0.50％、V：低于0.010％、Nb：0.010～0.060％、Ti：0.005～0.020％、Al：0.040％以下、Ca：0.0010～0.0040％、N：0.0030～0.0060％，余量由Fe和不可避免的杂质构成，具有在-20℃DWTT试验中塑性断口率为85％以上的特性。

Description

焊接部韧性优良的高韧性复合钢板的母材及该复合钢板的制造方法

技术领域

本发明涉及高韧性复合钢板的母材、具有该母材的复合钢板以及复合钢板的制造方法。

背景技术

近年来，由于能源问题，对于以往不可能开采的被称为难开采环境的区域也在进行能源开发。这样的环境是特别严酷的腐蚀环境，应用耐腐蚀性更优良的高合金复合钢的要求提高。此外，作为在难开采环境下对产业设备和结构物的需求，志在实现耐久性、长寿命化以及免维修化，以Alloy625、825为代表的Ni基合金或Ni合金作为符合这些需求的材料而受到关注。

另一方面，作为Ni合金的主要原料的Ni以及以Mo、Cr为代表的合金元素的价格有时会高涨或发生较大变动。因此，相较于以整体材料(無垢材)(是指在整个厚度中均达到复层材料的金属组成的情况)的形式使用，能够更经济地利用高合金钢的优良防锈性能的复合钢近来受到关注。

高合金复合钢是将作为复层材料的Ni基合金或Ni合金钢与作为母材的普通钢材这两种性质不同的金属叠合而得到的钢材。复合钢通过将不同种金属进行金属学接合而得到，与镀覆不同，不必担心剥离。能够使复合钢具有凭借单一金属和合金无法得到的新特性。

对于复合钢而言，通过选择具有符合各使用环境的目的的功能的复层材料，能够发挥与整体材料同等的功能。此外，复合钢的母材可以应用耐腐蚀性以外的高韧性、高强度这样的、适合于严酷环境的碳钢、低合金钢。

可见，复合钢与整体材料相比合金元素的使用量少，并且能够确保与整体材料同等的防腐蚀性，而且还能够确保与碳钢、低合金钢同等的强度和韧性，因此，具有能够兼顾经济性和功能性的优点。

根据以上内容，使用高合金的复层材料的复合钢被认为是非常有益的功能性钢材，近年来，其需求在各种产业领域中日益提高。

复合钢的用途根据复层材料而异，制造方法也不同。复合钢板的母材有时使用微量添加有Nb、V或Ti、B等合金成分的低碳低合金钢。这样的低碳低合金钢通过预定的淬火回火(以下，有时也称为“调质”)或热轧时的控制轧制(TMCP)等来制造。

而且，在对复合钢进行制管而制成复合钢管的情况下，对钢板进行成形而制成管形，从管的内外表面分别实施单道次的高效率焊接。

一般而言，在多层堆焊中，被焊接钢板(在焊接术语中称为“母材”，但在需要与复合钢板的母材进行区分的情况下，在下文中记载为“被焊接钢板”或“母材(B.M.)”)与焊接金属的边界、母材(B.M.)热影响部(以下称为“HAZ”)由于下一道次的热影响而细粒化，但在单道焊中则会形成母材(B.M.)与焊接金属的边界(以下称为“熔合线部”)、HAZ的晶粒粗大化的状态，导致韧性的降低。

因此，例如，在管线的作业紧急停止时，管的各部位被置于-40℃的低温环境下，因此，母材(B.M.)和HAZ在-40℃下的夏比冲击吸收能量(vE-40℃)达到35(J)以上的特性。而且，对于母材(B.M.)而言，也要求在用于确认脆性断裂停止温度的DWTT试验：Drop Weight TearTest(落锤撕裂试验)中在-20℃的试验中确保85％以上的塑性断口率(85％SATT)等特性。因此，公开了改善上述韧性的各种方法，在专利文献1和2公开的方法中，通过对Ti和N的添加量进行优化，实现了焊接部韧性的提高。

另外，在非专利文献1中公开了基于专利文献1和2进行制造的例子。另外，在专利文献3中公开了如下技术：在C、Si、Mn、Al中添加Ti、N、Nb、V、B，使微细的TiN在钢中析出，由此，减小HAZ的奥氏体晶粒而提高韧性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-149821号公报

专利文献2：日本特开2006-328460号公报

专利文献3：日本特公昭55-26164号公报

非专利文献

非专利文献1：日本製鋼所技報(日本制钢所技报)、No.55(2004)、pp.77-78

发明内容

发明所要解决的问题

但是，专利文献1和2公开的方法中，在生成的TiN不固溶而残留的情况下，在加热至高温的区域可以观察到组织的粗大化被抑制的钉扎效应。但是，在通常的复合钢制造时的加热中，TiN保持粗大的状态，钉扎效应小，存在无法充分抑制该区域的组织的粗大化的问题。

非专利文献1中，没有关于无法充分得到TiN的钉扎效应的区域的记载。

专利文献3中公开的方法需要进行再加热至1150℃以下的温度这样的追加工序，因此，导致制造成本的增加，在工业实施方面存在问题。

本发明的目的在于通过解决上述问题的合金元素的复合添加来提供高韧性复合钢板的母材和该复合钢板的制造方法。

用于解决问题的方法

鉴于上述情况，发明人注意到在复合钢板的母材中仅凭TiN无法实现韧性的提高，并且明确了：通过弄清析出物的特性，能够提高复合钢的母材韧性。

具体而言，确认了现有技术中认为为了调节强度而必须添加的V在约900℃下在钢中发生固溶，淬透性显著增高，由于硬化而导致HAZ韧性的劣化，因而决定在设计复合钢的母材的成分时不添加该V。进而，为了抑制加热至1000℃附近的温度范围的复合钢的母材的韧性的降低，对TiN和NbC的析出量及形态进行了优化，从而能够抑制加热时的γ粒径的粗大化。

发现由此能够得到具有优良的低温韧性的复合钢板的母材。该母材优选厚度为50mm以下。本发明中，通过合金元素的复合添加和调质处理，能够提供确保了母材的低温韧性的高韧性复合钢板的母材。

发明人在上述新见解的基础上反复进行了各种研究，从而发明了以下的最佳成分组成。

即，为了解决上述问题，本发明的高韧性复合钢板的母材的发明如下所述。

[1]一种复合钢板的母材，以质量％计含有C：0.030～0.10％、Si：0.10～0.30％、Mn：1.30～1.80％、P：0.015％以下、S：0.003％以下、Mo：0.05～0.50％、V：低于0.010％、Nb：0.010～0.060％、Ti：0.005～0.020％、Al：0.040％以下、Ca：0.0010～0.0040％、N：0.0030～0.0060％，余量由Fe和不可避免的杂质构成，具有在-20℃DWTT试验中塑性断口率为85％以上的特性。

[2]如上述[1]所述的复合钢板的母材，其中，以质量％计还含有选自Ni：0.10～0.50％、Cr：0.01～0.50％、Cu：0.005～0.050％中的一种以上。

[3]如上述[1]或[2]所述的复合钢板的母材，其中，Ti与N的质量％比即Ti/N在2.0～3.5的范围内。

[4]如上述[1]至[3]中任一项所述的复合钢板的母材，其中，Nb与C的质量％比即Nb/C在0.2～2.0的范围内。

[5]一种复合钢板，其具有上述[1]至[4]中任一项所述的母材。

[6]一种复合钢板的制造方法，在使用上述[1]至[4]中任一项所述的母材和复层材料进行复合轧制后，加热至900～1100℃来进行固溶处理，然后，在低于550℃的温度下进行回火处理，所述复合钢板的母材具有在-20℃DWTT试验中塑性断口率为85％以上的特性。

发明效果

根据本发明，通过尽量减少导致HAZ韧性劣化的V含量并添加适当量的Nb、Al、Ti、N等而使复合钢的母材的晶粒超微细化，能够在母材和单道焊所产生的热影响部抑制晶粒度的粗大化而得到优良的低温韧性。

具体实施方式

以下，对本发明的各构成要素的限定理由进行说明。

1.关于成分组成

首先，对规定本发明的钢的成分组成的理由进行说明。另外，成分％全部是指质量％。

C：0.030～0.10％

C是使钢的强度提高的有效成分，低于0.030％时，得不到作为通常焊接用途的强度，因此设定为0.030％以上。另一方面，含量超过0.10％时，使钢材的焊接性、HAZ韧性等显著劣化，因此，C量设定为0.030～0.10％的范围。优选为0.04～0.08％的范围。

Si：0.10～0.30％

Si是对于确保母材的强度、脱氧等而言必要的成分，为了得到该效果，需要含有至少0.10％以上。另一方面，含量超过0.30％时，会由于HAZ的硬化而使韧性降低，因此，Si量设定为0.10～0.30％的范围。另外，从HAZ韧性的观点出发，优选为0.13～0.20％的范围。

Mn：1.30～1.80％

Mn作为对于确保母材的强度和韧性有效的成分而需要含有1.30％以上，但考虑到焊接部的韧性、裂纹，将上限值设定为1.80％。因此，Mn量设定为1.30～1.80％的范围。另外，从母材韧性以及HAZ韧性的观点出发，优选为1.40～1.55％的范围。

P：0.015％以下

P的含量越少越优选，但为了在工业上降低，成本高，因而P量设定为0.015％以下。

S：0.003％以下

S的含量越少越优选，过多时，使韧性显著降低，因此S量设定为0.003％以下。

Mo：0.05～0.50％

Mo是使固溶化热处理后的母材的强度和韧性稳定地提高的元素，但低于0.05％时，得不到该效果，因此含有0.05％以上。另外，含量超过0.50％时，损害HAZ部的韧性，因此，Mo量设定为0.05～0.50％的范围。另外，从母材强度和HAZ韧性的观点出发，优选为0.08～0.20％的范围。

V：低于0.010％

V在本发明中是最应当受到关注的元素，需要尽量少。以往，为了利用VC、VN等微细析出物进行析出强化，一直积极地添加V，但是，在本发明的复合钢的制造过程中包括加热至900℃以上来实施淬火的工序的情况下，VC、VN等微细析出物在加热时离解而在钢中固溶。产生该现象的原因在于，在本发明的C含量范围内，这些微细析出物在900℃以上的加热时发生固溶。因此，所添加的V在该加热时难以以微细析出物的形式存在而发生离解，因此，作为淬透性元素发挥作用，在母材、HAZ中的任一区域内均由于淬火而显著硬化，从而导致韧性劣化。该韧性劣化在含有0.010％以上的V时变得显著。因此，V量设定为低于0.010％。优选低于0.004％，更优选以工业上能达到的级别不含有V。

Nb：0.010～0.060％

Nb具有通过生成NbC而在将钢加热至固溶温度时防止奥氏体晶粒的粗大化的效果，并同时具有细粒化的效果，具有在母材中微细地均匀分散Nb碳化物等而使高温强度等升高的作用，该效果在含有0.010％以上时得以发挥。但是，超过0.060％时，不仅观察不到效果，而且容易使钢锭产生表面缺陷，因此，Nb量设定为0.010～0.060％的范围。另外，基于同样的理由，优选为0.025～0.05％的范围。

Ti：0.005～0.020％

Ti与Nb同样，与N结合而抑制晶粒度的粗大化，具有使固溶化处理后的组织微细化而改善韧性的效果。其添加量低于0.005％时，效果小，因此含有0.005％以上。另外，Ti含量超过0.020％时，由于切口效应而使焊接热影响部韧性大幅劣化，因此，Ti量设定为0.005～0.020％的范围。优选为0.010～0.016％的范围。

Al：0.040％以下

Al是作为脱氧剂有效的元素，另外，以AlN的形式防止固溶处理时的奥氏体晶粒度的粗大化，但含量超过0.040％时，细粒化效果降低，使韧性劣化。另外，超过0.040％时，过量生成AlN，也会导致钢锭产生表面缺陷，因此，Al量设定为0.040％以下。基于同样的理由，优选为0.035％以下。

Ca：0.0010～0.0040％

Ca控制硫化物类夹杂物的形态而改善焊接热影响部韧性，并且，随之对控制MnS的形态有效，使冲击值提高。另外，可改善抗氢致裂纹敏感性。发挥该效果的Ca的含量为0.0010％以上。但是，超过0.0040％时，效果饱和，反而会使洁净度降低，使焊接热影响部韧性劣化，抗氢致裂纹敏感性劣化，此外，容易使钢锭产生表面缺陷，因此，Ca量设定为0.0010～0.0040％的范围。优选为0.0020～0.0030％的范围。

N：0.0030～0.0060％

N通过以TiN的形式析出而对提高HAZ韧性有效，但N含量低于0.0030时，效果小，因此，将下限设定为0.0030％。但是，超过0.0060％时，固溶N增大，引起HAZ韧性的降低。与Ti的添加量相对应，考虑利用TiN的微细析出来提高HAZ韧性时，N量设定为0.0030～0.0060％的范围。优选为0.0030～0.0040％的范围。

以上为本发明的基本成分，除了上述成分之外，可以在以下的范围内选择性地含有Ni、Cr及Cu中的一种以上。

Ni：0.10～0.50％

Ni对提高母材的强度和韧性有效，优选添加0.10％以上。但是，添加量超过0.50％时，效果饱和，Ni的含有会使制造成本上升，因此，在添加Ni的情况下，Ni量优选设定为0.10～0.50％的范围。进一步优选为0.20～0.40％的范围。

Cr：0.01～0.50％

Cr对提高母材的强度和韧性有效，优选添加0.01％以上。但是，添加量超过0.50％时，使HAZ部韧性降低，因此，在添加Cr的情况下，Cr量优选设定为0.01～0.50％的范围。进一步优选为0.01～0.30％的范围。

Cu：0.005～0.050％

Cu对韧性的改善和强度的上升有效，优选添加0.005％以上。另一方面，过量添加时，有时会提高焊接时的裂纹敏感性。因此，在添加Cu的情况下，Cu量优选设定为0.005～0.050％的范围。进一步优选为0.01～0.025％的范围。

Ti/N：2.0～3.5

Ti和N如上所述对于生成TiN而改善HAZ的韧性而言是重要的元素，为了充分发挥该效果，两元素的含量的相关关系也很重要。即，Ti/N低于2.0时，晶粒粗大化，韧性值有时会大幅降低。另外，Ti/N超过3.5时，基于同样的理由，韧性值有时会降低。因此，优选将Ti/N设定为2.0～3.5的范围。进一步优选为2.5～3.5的范围。

Nb/C：0.2～2.0

Nb、C通过生成NbC而对晶粒的细粒化有效，在像本发明这样进行淬火回火处理时有助于提高韧性。但是，该效果在Nb/C为0.2以上时得以发挥，Nb/C超过2.0时，观察不到效果。因此，优选将Nb/C设定为0.2～2.0的范围。进一步优选为0.3～1.8的范围。

2.关于韧性

DWTT试验：-20℃下的塑性断口率为85％以上

从防止脆性断裂的观点出发，优选管线管在API-5L中规定的DWTT试验中的塑性断口率(SA(％))的值高。因此，将-20℃下的塑性断口率设定为85％以上(85％SATT)。由此，能够提高安全性，在产业上有用。

3.关于制造方法

将本发明的复合钢的母材原材调节至上述的成分范围，可以通过常规方法等进行熔炼。对于该母材原材，根据用途等选择复层材料的材质，通过复合轧制制成复合钢板。

另外，在用于天然气等的管线的用途中，例如，可以使用Alloy625、825等高合金作为复层材料。另外，复合钢的母材原材的厚度优选为50mm以下。另外，在该母材原材的板厚为25mm以上的情况下，可以将复层材料与母材原材重叠而作为1组进行轧制，在板厚小于25mm的情况下，可以将2组重叠而进行轧制。另外，在本发明中，复合轧制时的条件没有特别限定，可以通过常规方法进行。

为了进行固溶处理，将通过上述得到的复合钢板加热至900～1100℃的范围。在低于900℃的温度下进行固溶处理时，无法确保充分的母材强度，超过1100℃时，母材的韧性劣化。因此，为了进行固溶处理而加热至900～1100℃的范围。进一步优选为900～980℃。固溶处理的时间根据复合钢板的板厚而不同，但优选设定为10～30分钟。但是，根据复层材料的种类，高温长时间的保持有时会在复层材料中生成析出物，因此，可以设定为比10分钟短的时间。在固溶处理后，通过水冷、油冷(例如，冷却速度为2℃/s以上)等方法进行急冷。

接着，加热至低于550℃的温度，进行回火处理。在550℃以上时，DWTT特性劣化，因此设定为低于550℃。另外，回火处理温度优选为420～500℃的范围。作为回火时的加热时间，可以例示5～35分钟。通过上述一系列调质处理，能够使复合钢板的母材微细化。

复合钢板可以直接以板状的形式使用，也可以成形为钢管而作为复合钢管使用。对于上述复合钢板而言，在焊接时可以对内外表面分别以单道次进行焊接，即使通过该单道焊也能够维持HAZ部的微细组织，从而确保良好的韧性。

实施例

以下，在与比较例进行对比的同时，对本发明的实施例进行说明。

关于母材的韧性，裁取基于API-5L的DWTT试验片，通过-20℃下的DWTT试验(落锤特性)进行试验。在本发明中，将-20℃下的DWTT试验中塑性断口率为85％以上作为母材的韧性优良。另外，将拉伸强度为590MPa以上作为本发明所需的强度。

使用具有表1所示的化学成分的母材和Alloy625，制造复合钢板。关于制造条件，将母材与复层材料重叠而作为一组，利用加热炉加热至1150℃后，通过热轧制成母材厚度为30mm、复层材料厚度为3mm的复合钢板，轧制结束后，加热至910℃来实施固溶处理，然后，加热至500℃来进行回火处理。作为比较例，使回火温度为600℃来制造复合钢板。

对一系列热处理后的复合钢板进行冷成形，制造外径为500mm的复合钢管，对母材部和母材的焊接热影响部考察各特性。将结果示于表2中。

表2中，作为母材的化学成分均满足本发明的权利要求的发明例的No.1～No.12中，母材部的DWTT特性满足目标特性。另一方面，作为比较例的No.13、17中V的值在发明的范围之外，No.14、18中Mn的值在发明的范围之外，No.15、19、20中Ti/N的值在发明的范围之外，No.16、No.21中Nb/C的值在发明的范围之外，因此，母材的DWTT特性、拉伸强度不满足目标值。另外，No.22、23中，回火温度为600℃，达到高温，因此，母材的DWTT特性不满足目标值。

表2

注：带下划线表示在本发明的范围之外。

Claims

1.一种复合钢板的母材，以质量％计含有C：0.030～0.10％、Si：0.10～0.30％、Mn：1.30～1.80％、P：0.015％以下、S：0.003％以下、M_o：0.05～0.50％、V：低于0.010％、Nb：0.010～0.060％、Ti：0.005～0.020％、Al：0.040％以下、Ca：0.0010～0.0040％、N：0.0030～0.0060％，余量由Fe和不可避免的杂质构成，具有在-20℃DWTT试验中塑性断口率为85％以上的特性。

2.如权利要求1所述的复合钢板的母材，其中，以质量％计还含有选自Ni：0.10～0.50％、Cr：0.01～0.50％、Cu：0.005～0.050％中的一种以上。

3.如权利要求1或2所述的复合钢板的母材，其中，Ti与N的质量％比即Ti/N在2.0～3.5的范围内。

4.如权利要求1至3中任一项所述的复合钢板的母材，其中，Nb与C的质量％比即Nb/C在0.2～2.0的范围内。

5.一种复合钢板，其具有权利要求1至4中任一项所述的母材。

6.一种复合钢板的制造方法，在使用权利要求1至4中任一项所述的母材和复层材料进行复合轧制后，加热至900～1100℃来进行固溶处理，然后，在低于550℃的温度下进行回火处理，所述复合钢板的母材具有在-20℃DWTT试验中塑性断口率为85％以上的特性。