CN110408840A - 具有优良焊接接头ctod性能的超高强度海洋工程用钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

具有优良焊接接头CTOD性能的超高强度海洋工程用钢及其制造方法，该钢化学成分含量为：C：0.08～0.16％，Si：0.1～0.35％，Mn：0.5～1.6％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cr：0.5～1.5％，Ni：1.5～3.0％，Mo：0.2～0.7％，Cu：0.1～0.6％，Al：0.02～0.08％，Nb：0.005～0.05％，V：0.01～0.10％，Ti：0.005～0.5％，B：0.001～0.002％，N≤0.004％，H≤0.0002％，O≤0.003％，Ca：0.0015～0.004％，其余为Fe和不可避免杂质；同时满足：0.55％≤Ceq≤0.73％，0.20％≤Pcm≤0.33％；Deff≥40；Nb+V+Ti≤0.12％；3≤Ti/N≤3.2；1≤Ca/S≤3。本发明钢板具有高强度、高韧性和大厚度的同时，具有优异的焊接性能和断裂性能。

Description

具有优良焊接接头CTOD性能的超高强度海洋工程用钢及其制 造方法
技术领域
本发明属于高强度低合金钢制造领域，涉及一种厚度100-180mm的具有优良低温焊接接头CTOD性能的超高强钢板及其制造方法。
背景技术
21世纪人类进入了加速开发和利用海洋的新时代，占地球表面积约71％的海洋中蕴藏着大量的能源和资源，油气储量占全球可采储量的45％，可燃冰相当于全球已知煤、石油、天然气的2倍，可满足人类1000年的需求，此外还具有丰富的矿产资源和生物资源。随着世界人口的增长和陆地资源的消耗，人类将会越来越依赖于海洋，海洋将成为矿产、能源和食品资源的主要供应基地。
随着陆地及浅滩油气资源的枯竭，油气资源的勘探开发向深海发展，由此带动海洋平台及海工船舶的大型化和高层化。海洋平台的大型化对其建造用钢的高强度、高韧性和大厚度也提出了更高的要求。
海工平台建造中，相关规范要求当板厚超过50mm时，焊接接头需进行焊后热处理，同时规定若焊态下焊接接头经断裂韧性(CTOD)试验测试合格，则可以免去焊后热处理。免除焊后热处理可节省大量的人力、物力，同时可缩短工期，但是具有优良焊接接头CTOD性能的屈服强度大于690MPa的高强钢超厚板还未见相关报道。
中国专利CN104711488A采用低碳中锰、铌钒微合金化和铬镍钼合金化的方法，配合TMCP+QT的方法开发出最大厚度180mm的高强钢板，但钢板不具备优异的CTOD性能，且TMCP+QT的工艺流程长，工艺控制繁琐。
中国专利CN102732781A公开了一种具有在-40℃下母材CTOD值大于等于2mm的海洋平台用钢及其生产方法，采用低碳、低锰的成分体系与TMCP相结合的工艺进行生产。但其强度级别及成品厚度都较低，同时合金N含量控制较低，工艺难度较大，同时添加稀土元素，不宜添加且易堵塞水口。此外，该钢板未涉及焊接CTOD性能。
中国专利CN103741027A公开了一种焊接接头CTOD大于0.5mm的海洋工程钢及制备方法，该专利采用低碳中锰及Nb、Ti微合金化的成分体系，同时配合TMCP的方法进行生产，但其强度级别只有420MPa，且最大厚度也只有80mm，远不能满足深水平台的建造需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有优良焊接接头CTOD性能的超高强度海洋工程用钢及其制造方法，钢板在具有高强度、高韧性和大厚度(厚度在100mm以上)的同时，具有优异的焊接性能和断裂性能，具体性能指标为：屈服强度＞690MPa，延伸率≥21％，-60℃冲击功≥148J，焊接粗晶区冲击功(-60℃)≥60J，-10℃下焊接接头CTOD值≥0.15mm。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
具有优良焊接接头CTOD性能的超高强度海洋工程用钢，其化学成分质量百分含量为：C：0.08～0.16％，Si：0.1～0.35％，Mn：0.5～1.6％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cr：0.5～1.5％，Ni：1.5～3.0％，Mo：0.2～0.7％，Cu：0.1～0.6％，Al：0.02～0.08％，Nb：0.005～0.05％，V：0.01～0.10％，Ti：0.005～0.5％，B：0.001～0.002％，N≤0.004％，H≤0.0002％，O≤0.003％，Ca：0.0015～0.004％，其余为Fe和不可避免杂质；上述元素含量需同时满足如下关系：
0.55％≤Ceq≤0.73％，Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/12；
0.20％≤C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.33％；
Deff＝1.3×(0.311×C0.5)×(1+0.64Si)×(1+0.27Cu)×(1+0.52Ni)×(1+2.33Cr)×(1+3.14Mo)×25.4≥40；
Nb+V+Ti≤0.12％；3≤Ti/N≤3.2；1≤Ca/S≤3。
进一步，所述超高强度海洋工程用钢厚度在100～180mm，屈服强度＞690MPa，延伸率≥21％，-60℃冲击功≥148J，-60℃下焊接粗晶区冲击功≥100J，-10℃下母材CTOD值≥0.8mm，-10℃下焊接接头CTOD值≥0.4mm。
成分设计的思路及原理如下：
碳(C)：碳是高强钢中的主要的合金元素，可形成间隙固溶体组织和碳化物相，能极大的提高钢材的强度级别。要实现钢板屈服强度大于690MPa，且最大厚度在100-180mm，碳含量下限设定为0.08％。但过多的碳含量不利于钢材的塑性、冲击韧性和焊接性能，因此碳含量上限控制在0.16％。
硅(Si)：适量的Si可以起到固溶强化的作用，且对低温韧性及焊接性能没有明显损伤。且目前钢水一般采用Al-Si脱氧，钢中一般含有适量的硅。因此，本发明中硅含量控制在0.1～0.35％。
锰(Mn)：锰是钢中常用强化元素，对钢板强度有明显提升，同时可提高钢板的淬透性，在淬火过程中易于形成马氏体组织。但过多的Mn易在板坯心部偏析，损害钢板低温韧性。因此，本发明中锰含量控制在0.5～1.6％。
磷(P)：有害元素，增加钢的冷脆性，对钢板低温冲击韧性和焊接性不利，应控制尽可能低。
硫(S)：有害元素，使钢增加热脆，降低钢的塑性和韧性，应控制尽可能低。
铬(Cr)：提高钢板的淬透性，同时能够提高强度和耐腐蚀性能。Cr含量过低，起不到提高淬透性的目的，Cr过高又增加生产成本，因此，本发明中铬含量控制在0.5～1.5％。
镍(Ni)：镍是钢种固溶强化元素，在提高强度的同时，不损伤钢板的低温韧性，反而能够提高钢板的低温冲击韧性。本发明考虑到钢板的厚度在100-180mm，且要求母材及焊接接头粗晶区-60℃冲击韧性≥100J，同时钢焊接接头CTOD值≥0.4mm，因此镍含量控制在1.5％以上。同时Ni是贵重元素，过多的Ni会增加生产成本，同时过高的合金含量易引起轧制及焊接裂纹，故Ni含量控制在3.0％以内。因此，本发明中镍含量控制在1.5～3.0％。
钼(Mo)：钼是重要的淬透性元素，具有固溶强化和析出强化效果，同时可提高钢板的回火稳定性，考虑要生产钢板的最大厚度达到180mm厚度，Mo含量下限设置为0.2％，Mo含量过高时易引起钢板表面缺陷，且Mo是贵重元素，提高生产成本，因此，Mo含量控制在0.2～0.7％。
铜(Cu)：适量的铜可提高钢板强度和耐大气腐蚀性能，过多的Cu会引起钢坯表面裂纹，因此，本发明中铜含量控制在0.1～0.6％。
铝(Al)：脱氧剂，可细化晶粒，同时提高钢板的强度和韧性，改善焊接性能。因此，本发明中铝含量控制在0.02～0.08％。
铌(Nb)：细化晶粒元素，可在板坯加热过程组织奥氏体晶粒的长大，在轧制过程析出，阻碍奥氏体晶粒长大。过多的Nb会引起焊接性能恶化且对性能没有更大的提升，因此，本发明中铌含量控制在0.005～0.05％。
钒(V)：析出强化元素，在回火过程中可以析出，提高钢板强度，本发明为了保证钢板屈服强度及抗拉强度满足目标要求，钒含量控制在0.01-0.10％。
钛(Ti)：细化晶粒元素，固定钢中的氮，高温阶段阻止奥氏体晶粒尺寸长大。本发明中钛含量控制在0.005～0.5％。
硼(B)：淬透性元素，可极大提高钢板的淬透性能，但硼含量过高，钢板容易变脆，所以加入量不大于20ppm。因此，本发明中硼含量为10-20ppm。
钙(Ca)：适量的Ca用于夹杂物变性，提高钢板韧性。Ca/S比控制在1-3之间，可改善钢板的塑性和低温冲击韧性，提高焊接热影响区冲击韧性。因此，本发明中控制Ca：0.0015～0.004％，1≤Ca/S≤3。
本发明钢成分中控制Ceq在0.55～0.73％范围内，Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/12，以确保钢板获得690MPa以上的屈服强度，同时具有相对较低的Ceq，以减轻板坯偏析，获得良好的焊接性能。
本发明钢成分中控制Pcm在0.20～0.33％范围内，Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B，以确保钢板具有优异的抗冷裂纹敏感性能，防止在切割与焊接过程中开裂。
本发明钢成分中控制Deff＝1.3×(0.311×C0.5)×(1+0.64Si)×(1+0.27Cu)×(1+0.52Ni)×(1+2.33Cr)×(1+3.14Mo)×25.4≥40，以确保钢板具有足够的淬透性，保证钢板心部在淬火过程中全部获得马氏体组织，保证钢板在回火后获得回火马氏体组织，使钢板获得强韧性的良好匹配。
本发明控制Ti/N在3～3.2之间，使钢种形成细小弥散的TiN颗粒，在板坯加热、热处理加热及焊接过程中控制奥氏体晶粒尺寸长大，同时提高钢板的强度和韧性。
本发明钢具有优良CTOD性能，这就对钢板内质要求较高，氮、氢、氧作为杂质元素进行控制，氮含量不超过40ppm，氢含量不超过2ppm，氧含量不超过30ppm。
本发明所述的具有优良焊接接头CTOD性能的超高强度海洋工程用钢的制造方法，其包括如下步骤：
1)冶炼、浇注
按上述化学成分进行冶炼、浇注；
2)轧制
板坯加热温度为1100-1170℃，保温时间为180-300min；
开轧温度为1000-1070℃，终轧温度≥900℃，道次压下率≥10％，总压下率≥70％；
轧后进行入坑缓冷，冷却至100℃以下；
3)热处理
进行调质热处理(QT)，或正火处理+调质热处理(NQT)，或预淬火处理+调质热处理(Q'QT)；
(1)调质热处理(QT)包括淬火Q+回火T，控制：
淬火Q：淬火温度880-920℃，到温保温系数为0.5-1.5min/mm；
回火T：回火温度610-650℃，到温保温系数为0.3-0.8min/mm；
(2)正火处理+调质热处理(NQT)包括正火N+淬火Q+回火T，控制：
正火N：正火温度880-920℃，到温保温系数为0.3-0.8min/mm；
淬火Q：淬火温度880-920℃，到温保温系数为0.5-1.5min/mm；
回火T：回火温度610-650℃，到温保温系数为0.3-0.8min/mm；
(3)预淬火处理+调质热处理(Q'QT)包括预淬火Q'+淬火Q+回火T，控制：
预淬火Q'：预淬火温度880-930℃，到温保温系数为0.5-1.5min/mm；
淬火Q：淬火温度880-920℃，到温保温系数为0.5-1.5min/mm；
回火T：回火温度610-650℃，到温保温系数为0.3-0.8min/mm。
本发明的制造工艺设计中：
本发明对于步骤2)厚板轧制中，将钢坯加热至1100-1170℃，保温180-300min，使钢中微合金及合金元素充分固溶，防止出现大颗粒未溶析出物影响钢板低温韧性及焊接CTOD性能。同时加热温度不能高于1170℃，以防止晶粒过分长大，降低韧性和焊接CTOD性能。
步骤2)轧制中采用大压下工艺，控制道次压下率不小于10％，总压下率不小于70％。轧制采用大压下工艺，使钢板中心充分变形，保证钢板中心致密程度，对于提高钢板中心的冲击性能及焊接冲击性能具有重要作用。轧后进行入坑缓冷，防止出现微裂纹。
对热处理工艺进行如下说明：
本发明热处理可采用单独调质热处理(QT)，或者正火+调质热处理(NQT)、淬火+调质热处理(Q'QT)。
本发明调质热处理工艺中淬火温度的设置主要为保证钢的完全奥氏体化。若淬火温度过高，碳氮化物等析出粒子开始溶解，奥氏体晶粒粗化，钢的强韧性能及焊接性能会大幅度降低。若淬火温度太低，则钢板不能完全奥氏体化，会降低钢板强韧性能，因此，淬火热处理时淬火温度设定为880-920℃。淬火保温时间按每毫米厚钢板加热0.5～1.5min进行控制，使钢板心部到温保温适当时间，以保证钢板心部完全奥氏体化，淬火过程中全部得到马氏体组织，保证厚板厚度截面性能的均匀性。
本发明调质热处理工艺中所述回火处理主要对钢板强韧性能进行调节，使钢中析出粒子，降低固溶度。若回火温度过高，则强度损失过多；若回火温度过低，则钢强度过高且低温韧性不足。因此，将回火温度设定为610-650℃，可以获得晶粒尺寸细小的索氏体组织，使钢具有良好的强韧性。回火保温时间按每毫米厚钢板加热0.3-0.8min控制，使钢板心部到温保温适当时间，以保证碳化物有充分时间析出，同时又不会过分长大。
本发明热处理时在调质热处理前增加一道正火处理工艺或增加一道淬火处理工艺，以均匀轧态组织，细化晶粒。具体的，增加正火处理工艺主要在调质前对钢板进行细化晶粒处理，使钢板组织更加均匀，晶粒更细小，以提升钢板的强韧性能、母材CTOD性能和焊接接头CTOD性能，因此，正火温度设定为880-920℃；增加预淬火处理工艺同样是为了在调质工艺之前对钢板进行细化晶粒处理，均匀组织，因此，预淬火温度设定为880-930℃。
现有技术中同时具备超高强度、优异低温韧性和超大厚度的钢板是厚板产品中难度最大的品种之一，因此，高强度与高韧性之间的匹配，钢板心部强韧性能的保证、钢板厚度方向性能的均匀性、高强度与焊接性之间的矛盾都是亟待解决的问题。本发明在解决上述问题的基础上，还要求钢板具有优异的断裂性能(CTOD性能)，因此对钢板的成分体系、制造路径及方法进行上述特殊控制。
本发明针对国内外海洋油气资源开发中，海工平台及船舶对大厚度超高强钢板的需求，采用优化的合金配方和合理的加工工艺，制造出厚度在100mm以上、最大厚度可达180mm的海洋工程用钢，同时该钢屈服强度＞690MPa，抗拉强度≥790MPa，延伸率≥21％，-60℃冲击功≥148J，焊接粗晶区-60℃冲击功≥100J，-10℃下母材CTOD值≥0.8mm，-10℃下焊接接头CTOD值≥0.4mm，因此，钢板具有高强度、高韧性和大厚度的同时，还具有优异的焊接性能和断裂性能。
本发明的有益效果：
1)本发明在成分设计方面合理匹配C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、Cu、B等元素含量，采用低C、中Mn及Cr、Ni、Mo、Cu、B的合金体系，使100-180mm厚钢板在具有高强度、优异低温冲击韧性的基础上，还具有优异的断裂韧性和焊接性能。
2)本发明在制造工艺方面采用大压下轧制与热处理工艺相结合的方式，使钢板心部变形充足，确保厚度方向性能均匀，钢板品质优良。且本发明轧制过程采用一阶段轧制，不需待温，轧机生产节奏快。
3)本发明制备的超高强度海洋工程用钢最大厚度可达180mm，可满足市场对极限规格钢板的需求，且该钢在低温下具有优异的焊接接头CTOD性能，在焊接后可免除焊后热处理工序，减少装备制造时间及成本。
附图说明
图1为本发明实施例1超高强度钢板淬火及回火后的微观组织。
图2为本发明实施例1焊接CTOD试验后裂纹扩展断面照片。
图3为本发明实施例1焊接CTOD试验缺口位置检验照片。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
表1为本发明实施例1～5的成分配比，表2为本发明实施例1～5的制造工艺，表3为本发明实施例1～5的力学性能及焊接CTOD性能。
实施例的工艺流程为：TDS铁水深度脱硫→转炉冶炼→LF→RH(喂Si－Ca丝)→浇注→加热→轧制→钢板缓冷→预热处理(正火或预淬火)→淬火(Q)→回火(T)。
图1为本发明实施例1的钢板显微组织照片，图2为实施例1钢CTOD焊接CTOD试验后断面照片，图3为实施例1钢焊接CTOD试验缺口位置有效性检验照片。
由图1可知，通过成分、轧制及后续热处理工艺的合理匹配，得到钢板的显微组织为回火马氏体。
图2中CTOD试验预制疲劳裂纹平直，断口以韧性断裂为主，图3中预制疲劳裂纹位于熔合线位置，处于焊接粗晶区。因此由图2-图3可知，焊接CTOD试验检验结果有效，表3中CTOD数据准确。
由表3可知，本发明制造的钢板厚度在100～180mm，屈服强度＞690MPa，抗拉强度≥790MPa，延伸率≥21％，-60℃冲击韧性Kv2≥148J，-10℃下母材CTOD值≥0.8mm，-10℃下焊接接头CTOD值≥0.4mm，焊接粗晶区-60℃冲击功≥100J，因此，钢板具有高强度、高韧性和大厚度的同时，还具有优异的焊接性能和断裂性能。

Claims (4)

1.具有优良焊接接头CTOD性能的超高强度海洋工程用钢，其化学成分质量百分含量为：C：0.08～0.16％，Si：0.1～0.35％，Mn：0.5～1.6％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cr：0.5～1.5％，Ni：1.5～3.0％，Mo：0.2～0.7％，Cu：0.1～0.6％，Al：0.02～0.08％，Nb：0.005～0.05％，V：0.01～0.10％，Ti：0.005～0.5％，B：0.001～0.002％，N≤0.004％，H≤0.0002％，O≤0.003％，Ca：0.0015～0.004％，其余为Fe和不可避免杂质；上述元素含量需同时满足如下关系：
0.55％≤Ceq≤0.73％，Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/12；
0.20％≤C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.33％；
Deff＝1.3×(0.311×C0.5)×(1+0.64Si)×(1+0.27Cu)×(1+0.52Ni)×(1+2.33Cr)×(1+3.14Mo)×25.4≥40；
Nb+V+Ti≤0.12％；3≤Ti/N≤3.2；1≤Ca/S≤3。
2.根据权利要求1所述的超高强度海洋工程用钢，其特征在于，所述超高强度海洋工程用钢厚度在100～180mm，屈服强度＞690MPa，延伸率≥21％，-60℃冲击功≥148J，-60℃下焊接粗晶区冲击功≥100J，-10℃下母材CTOD值≥0.8mm，-10℃下焊接接头CTOD值≥0.4mm。
3.根据权利要求1或2所述的超高强度海洋工程用钢的制造方法，其包括如下步骤：
1)冶炼、浇注
按权利要求1所述的化学成分进行冶炼、浇注；
2)轧制
加热温度为1100-1170℃，保温时间为180-300min；
开轧温度为1050-1100℃，终轧温度≥900℃，道次压下率≥10％，
总压下率≥70％。
轧后进行入坑缓冷，冷却至100℃以下；
3)热处理
进行调质热处理，或正火处理+调质热处理，或预淬火处理+调质热处理；
(1)调质热处理包括淬火+回火
淬火：淬火温度880-920℃，到温保温系数为0.5-1.5min/mm；
回火：回火温度610-650℃，到温保温系数为0.3-0.8min/mm；
(2)正火处理+调质热处理包括正火+淬火+回火
正火：正火温度880-920℃，到温保温系数为0.3-0.8min/mm；
淬火：淬火温度880-920℃，到温保温系数为0.5-1.5min/mm；
回火：回火温度610-650℃，到温保温系数为0.3-0.8min/mm；
(3)预淬火处理+调质热处理包括预淬火+淬火+回火
预淬火：预淬火温度880-930℃，到温保温系数为0.5-1.5min/mm；
淬火：淬火温度880-920℃，到温保温系数为0.5-1.5min/mm；
回火：回火温度610-650℃，到温保温系数为0.3-0.8min/mm。
4.根据权利要求3所述的超高强度海洋工程用钢的制造方法，其特征在于，所述超高强度海洋工程用钢厚度在100～180mm，屈服强度＞690MPa，延伸率≥21％，-60℃冲击功≥148J，-60℃下焊接粗晶区冲击功≥100J，-10℃下母材CTOD值≥0.8mm，-10℃下焊接接头CTOD值≥0.4mm。
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