CN110295318A - 高韧性金属复合板及其制造方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属层状复合材料技术领域，尤其是一种高韧性金属复合板及其制造方法和应用，复板为镍基合金，基板为碳钢；基板碳钢以重量百分比计化学成分如下：C 0.03％‑0.1％，Si 0.1‑0.3％，Mn 1.0％‑1.6％，Mo 0.05‑0.5％，Nb 0.01‑0.06％，Ti 0.005‑0.02％，N 0.003‑0.006％，P≤0.015％，S≤0.003％，V≤0.01％，以及Ca 0.001‑0.004％、Al≤0.04％、Ni≤1.0％、Cu≤1.0％、Cr≤1.0％中的一种及以上，余量为Fe和杂质。Ti含量与N含量之比Ti/N为2.0‑3.5，Nb含量与C含量之比Nb/C为0.2‑2.0。本发明基板碳钢在‑20℃的落锤撕裂试验中，断口横截面积上全部为韧性断裂区的面积占比≥90％，基板焊接热影响区(HAZ3mm)‑20℃夏比冲击功(vE‑20)≥150J，因此基板碳钢和焊接热影响区具有优异的低温韧性和强度。本发明具有生产工艺简单、性价比高、强度、韧性和耐腐蚀性较好等特征，可制成资源开采设备应用在极端环境地区。

Description

高韧性金属复合板及其制造方法和应用
技术领域
本发明涉及金属层状复合材料领域，具体领域为一种在焊接接头处具有优异韧性的金属复合板。
背景技术
近年来，由于能源危机，能源资源开发甚至在一些开采环境恶劣的地区也一直在进行。这种环境具有非常强的腐蚀性，需要使用耐腐蚀性较高的材料。而且在这些难以开采的环境中，工业设施需要具有耐久性和长寿命，其中以625和825合金为代表的镍基合金作为满足这一要求的材料被广泛使用，然而镍基合金的主要原材料，即Ni，以及Mo、Cr等合金元素的价格不时发生较大波动。因此，与使用单一金属相比，能够更经济地实现高耐蚀性的金属复合板近年来引起了人们的广泛关注。
该类高耐蚀性金属复合板可以由碳钢和镍基合金组成，其中碳钢由于具有相对较高的韧性和强度(而非耐腐蚀性)而适合在上述恶劣环境中使用，可作为复合板材的基板。由于镍基合金-低碳钢复合板具有与625等镍基合金相当的耐腐蚀性，同时强度和韧性与低碳低合金钢相当，既经济又实用，近年来在各种工业领域的需求也不断增加。
当上述复合板被用来制作成复合管时，需要在管道的两个表面上各进行一次高效焊接。一般来说，在多层焊接中，焊缝金属边界和钢板的边界处被焊接，在热量传递的影响下，热影响区和基板进行晶粒细化。但是，在单道焊中，熔合区和热影响区内的晶粒较粗，导致韧性下降。而当资源开采管道因紧急情况停止运行时，管道各部分均处在-40℃的低温环境中。因此-40℃下待焊接钢板和热影响区的夏比冲击功(vE-40℃)要达到35J或更高，而且在-20℃的落锤撕裂试验(DWTT)中，待焊接钢板断口横截面积上全部为韧性断裂区的面积占比达到85％或更高比例才能合格。
根据JP2004149821A公开的方法，优化Ti和N的加入量，将提高焊接接头的韧性。但是，TiN主要在钢的凝固过程中形成，容易形成粗大沉淀相。因此，当生成的TiN残余尚未形成固溶体时，将会产生钉扎效应，造成加热至高温的热影响区微观组织的粗化受到抑制。然而，当加热至接近1000℃时，TiN残余粗大，几乎不产生钉扎效应，导致热影响区微观结构的粗化没有得到充分抑制，造成韧性较低。此外，当最高温度超过1400℃时，在熔合区附近，几乎所有的TiN都形成固溶体。因此，在靠近熔合区的区域，存在TiN钉扎效应很小，韧性不足的问题。
专利JP2006328460A公开了一种在热影响区细化奥氏体晶粒并通过向C、Si、Mn和Al中添加Ti、N、Nb、V和B，使细小的TiN颗粒在钢中沉淀，来改善韧性的技术。但是专利文献3公开的方法需要一个附加的步骤，即在≤1150℃进行二次加热，此操作增加了生产成本，难以在工业上推广应用。
发明内容
为克服上述背景技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种在焊接接头处具有优异韧性的高韧性金属复合板及其制造方法和应用。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高韧性金属复合板，其中复板为镍基合金，基板为碳钢；基板碳钢以重量百分比计化学成分如下：C 0.03％-0.1％，Si 0.1-0.3％，Mn 1.0％-1.6％，Mo 0.05-0.5％，Nb0.01-0.06％， Ti 0.005-0.02％，N 0.003-0.006％，P≤0.015％，S≤0.003％，V≤0.01％，以及Ca 0.001-0.004％、 Al≤0.04％、Ni≤1.0％、Cu≤1.0％、Cr≤1.0％中的一种及以上，余量为Fe和杂质。
其中，Ti含量与N含量之比为2.0-3.5；Nb含量与C含量之比为0.2-2.0。
本发明所述复合板的基板碳钢在-20℃的落锤撕裂试验中，断口横截面积上全部为韧性断裂区的面积占比≥90％，-20℃下碳钢和热影响区的夏比冲击功(vE-20℃)≥150J。基板碳钢和焊接热影响区具有优异的低温韧性和强度。
高韧性金属复合板的制造方法，包括如下步骤：
(1)选用碳钢作为基板，625或825镍基合金作为复板：当基板厚度超过25mm时，复层与基层相互叠加，轧制成复合板材；当基板厚度小于25mm时，将两部分基层先叠合在一起，再与复层材料轧制；
(2)轧制完成后，将复合板材加热到900-1100℃后进行淬火处理。当淬火温度低于900℃时，基板强度不够；超过1100℃时，基板韧性变差。因此，复合板材在900-1100℃范围内进行淬火处理。淬火时间10-30min，由复合板的总厚度决定。但长时间保持高温复层材料可能会析出沉淀，因此淬火时间可能小于10min。
(3)将淬火后的复合板材在低于550℃的温度下进行回火处理。由于材料的撕裂落锤性能在550℃及以上会急速下降，所以回火温度必须在550℃以下。
其中，所述步骤(2)中淬火处理温度优选是900-980℃。淬火处理的冷却可采用水冷或油冷方式，冷却速率为2℃/s或以上。
其中，步骤(3)中的最佳回火温度范围是420-500℃，回火时间5-35min。
高韧性金属复合板的在焊接接头处的应用。可加工成钢管，作为复合管使用；在焊接过程中，复合板在每个表面进行一次单道焊。单道焊可使热影响区保持细小的微观组织，保证了良好的韧性。
本发明中基板碳钢化学成分设计原则如下：
C元素能够有效提高钢的强度。一般焊接用钢中C含量≥0.030％，但是添加过量的C会导致钢材和热影响区韧性恶化。从可焊性的角度来看，C含量越低越好。因此，本发明中C含量上限为0.10％。
Si元素是钢材脱氧元素之一，是保证碳钢的强度所必须的成分。因此，Si含量需要≥ 0.10％。但过量的Si会导致焊接热影响区的韧性和可焊性下降。因此，从脱氧效果和热影响区韧性、可焊性等角度来看，Si含量的上限为0.30％。
Mn能够提高碳钢强度和韧性，因此Mn含量需要≥1.00％。但考虑基板和热影响区需要具有良好的韧性，本发明Mn含量控制在1.00％-1.30％。
P在本发明中是杂质元素，为了保证及板碳钢和热影响区具有良好的韧性，应尽可能降低钢中的P含量。但过度去除P会增加生产成本，所以本发明中P含量≤0.015％。
S是钢中不可避免的杂质元素。为了达到本发明所述焊接接头的韧性，基板碳钢中S含量需要≤0.003％。
V是本发明中最重要的元素之一，本发明中V含量应尽可能的低。一般来说，钢中加入V是为了实现VC、VN等细小析出物引起的沉淀强化。但本发明在制造过程中，当淬火加热到900℃或更高时，VC、VN等细小析出物在加热过程中会溶解。产生这种现象的原因是：在本发明的C含量范围内，细小的沉淀物如VC、VN在低温下具有溶解在钢中的特性。而在淬火时，V会导致基板和热影响区显著硬化，从而导致韧性下降。当V含量≥0.010％时，基板碳钢的韧性明显下降。因此，本发明中V含量≤0.010％。为进一步提高基板的强度和韧性，至少要从Al或Ca中选择一种元素添加到碳钢成分中。
Mo是一种经过淬火处理后能稳定提高基体金属强度和韧性的元素。当Mo含量≤0.05％，无法产生上述效果。反之，当Mo含量≥0.50％，这种影响达到饱和，过量的掺入Mo会对热影响区的韧性产生不利影响。因此，本发明中Mo含量在0.05-0.50％。
Nb含量≥0.010％时，可细化晶粒，有助于提高热影响区和经过本发明所述淬火回火处理后基体碳钢的韧性。但当Nb含量超过0.060％后，碳钢表面容易产生缺陷。因此，本发明中Nb含量控制在0.010-0.060％之间。
Ti含量≥0.005％时，与N形成TiN，在焊接热影响区或板坯加热过程中抑制晶粒长大，由于组织细化而具有提高韧性的作用。但当Ti含量超过0.020％后，热影响区的韧性就会发生恶化。因此本发明中Ti含量控制在0.005-0.020％之间。
Al是一种有效的脱氧剂。而当Al含量超过0.040％时，碳钢韧性下降。因此，当碳钢中加入Al元素时，Al的含量必须控制在0.040％以下。
Ca能够影响硫化物夹杂物的形貌，提高热影响区的韧性。此外，当Ca≥0.0010％，有助于提高碳钢抵抗氢致开裂的能力。但当Ca含量超过0.0040％时，热影响区的韧性会恶化。因此，当碳钢中加入Ca元素时，C的含量应控制在0.0010-0.0040％之间。
N元素通过形成TiN沉淀析出，具有改善热影响区韧性的作用。然而，当N的含量不足0.0030％时，影响很小。当N含量超过0.0060％时，固溶体N含量增加，热影响区韧性降低。因此，本发明中N含量在0.0030-0.0060％之间，以使N含量与Ti含量相匹配，并考虑TiN析出提高热影响区韧性。
在本发明中，所述焊接接头处具有优异韧性的高韧性金属复合板基板碳钢的成分除了上述组分外，最好在所述范围内从Ni、Cr和Cu中至少选择一种元素加入。
Ni能够有效提高碳钢韧性和强度。但当Ni含量超过1.00％时，该效果趋于饱和。此外，加入Ni会增加生产成本，因此本发明中Ni含量≤1.00％。
Cr能够有效提高碳钢韧性和强度。然而，过量的掺入可能会降低热影响区的韧性。因此，本发明中Cr含量≤1.00％。
同样，Cu也是提高碳钢韧性和强度的有效元素之一。但过量的Cu会降低碳钢的可焊性。因此，本发明中Cu含量≤1.00％。
Ti和N形成如上所述的TiN，是提高热影响区韧性的重要因素。为了充分实现这一效果，两个元素的含量比例也很重要。换句话说，当Ti/N的质量百分比小于2.0时，TiN晶粒变粗，碳钢韧性明显下降。当Ti/N超过3.5时，由于同样的原因，韧性可能会下降。因此，碳钢中Ti/N为2.0-3.5。
Nb和C具有通过形成NbC细化晶粒的作用，有助于在本发明所述的淬火回火处理过程中提高碳钢的韧性。但是，这种效果只有在Nb/C≥0.2产生，当Nb/C超过2.0时就不再产生。因此，碳钢中Nb/C为0.2-2.0。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：
(1)本发明尽可能地降低了导致热影响区韧性下降的V含量，在基板碳钢中加入了适量的Nb、Al、Ti和N中的一种或几种，起到细化晶粒的作用，并使基板碳钢和单道焊产生的热影响区、熔合区具有优异的低温韧性。
(2)本发明基板碳钢-20℃的落锤撕裂试验中，断口横截面积上全部为韧性断裂区的面积占比≥90％，-20℃夏比冲击功≥150J，可与镍基合金加工成复合板，用来制作成环境恶劣地区资源开采设备。
(3)利用本发明生产出的高韧性金属复合板，具有生产工艺简单、性价比高、强度、韧性和耐蚀性较好等特征。
附图说明
图1为实施例1-18的基板化学成分；
图2为不同成分的基板性能实验结果。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1及图2中的序号1-10及序号15-18均为本发明高韧性金属复合板的示例，其中复板为镍基合金，基板为碳钢。其中基板的具体成分如图1所示。
以上实施例中的高韧性金属复合板的制造方法，包括如下步骤：
(1)采用化学成分如图1的碳钢作为基板，625镍基合金作为复板。两者叠放在一起，在加热炉中加热到1150℃后进行热轧，制成复合板。其中基板厚度为30mm，复板厚度为3mm；
(2)轧制完成后，将复合板材加热到910℃后进行淬火处理，淬火时间10min。然后水冷；冷却速率为2℃/s或以上。
(3)将淬火后的复合板材在450℃进行回火处理，回火时间为20min。
经过一系列热处理后，将复合板材冷弯成外径为500mm的复合管，并对其基板部分和基板焊接热影响区进行了相关性能研究，结果如图2所示。
实验结果表明，化学成分满足本发明所有权利要求的基板和基板焊接热影响区性能均符合相关要求。
相比之下(序号11-14)，当Mn含量低于所述范围的下限时，基体碳钢的强度和撕裂落锤性能不满足目标值。此外，当V、Nb含量和Ti/N含量之比均不在权利要求范围内时，热影响区韧性不满足目标值。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种高韧性金属复合板，其特征在于：其中复板为镍基合金，基板为碳钢；基板碳钢以重量百分比计化学成分如下：C 0.03％-0.1％，Si 0.1-0.3％，Mn 1.0％-1.6％，Mo0.05-0.5％，Nb 0.01-0.06％，Ti 0.005-0.02％，N 0.003-0.006％，P≤0.015％，S≤0.003％，V≤0.01％，以及Ca 0.001-0.004％、Al≤0.04％、Ni≤1.0％、Cu≤1.0％、Cr≤1.0％中的一种及以上，余量为Fe和杂质。
2.根据权利要求1所述的高韧性金属复合板，其特征在于：Ti含量与N含量之比为2.0-3.5。
3.根据权利要求2所述的高韧性金属复合板，其特征在于：Nb含量与C含量之比为0.2-2.0。
4.根权利要求3所述的高韧性金属复合板，其特征在于：所述复合板的基板碳钢在-20℃的落锤撕裂试验中，断口横截面积上全部为韧性断裂区的面积占比≥90％，-20℃下碳钢和热影响区的夏比冲击功(vE-20℃)≥150J。
5.权利要求1-4任一所述的高韧性金属复合板的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选用碳钢作为基板，625或825镍基合金作为复板：当基板厚度超过25mm时，复层与基层相互叠加，轧制成复合板材；当基板厚度小于25mm时，将两部分基层先叠合在一起，再与复层材料轧制；
(2)轧制完成后，将复合板材加热到900-1100℃后进行淬火处理；淬火时间10-30min，由复合板的总厚度决定；
(3)将淬火后的复合板材在低于550℃的温度下进行回火处理。
6.根据权利要求5所述的高韧性金属复合板的制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中淬火处理温度是900-980℃。
7.根据权利要求5所述的高韧性金属复合板的制造方法，其特征在于：淬火处理的冷却采用水冷或油冷方式，冷却速率为2℃/s或以上。
8.根据权利要求5所述的高韧性金属复合板的制造方法，其特征在于：所述步骤(3)中的最佳回火温度范围是420-500℃，回火时间5-35min。
9.权利要求1-4任一所述高韧性金属复合板的在焊接接头处的应用。
10.根据权利要求9所述的高韧性金属复合板的应用，其特征在于：加工成钢管，作为复合管使用；在焊接过程中，复合板在每个表面进行一次单道焊。
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