CN113322408A - 一种大线能量焊接EH550MPa级调质海工钢板及其制造方法 - Google Patents

一种大线能量焊接EH550MPa级调质海工钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种大线能量焊接EH550MPa级调质海工钢及其制造方法，其成分重量百分比为：C 0.06～0.12％，Si，0.02～0.06％，Mn 0.7～1.2％，Ti 0.006～0.012％，Al 0.002～0.010％，Cr 0.30～0.50％，Mo 0.3～0.4％，V 0.03～0.04％，N 0.0020～0.0030％，S 0.002～0.010％，P≤0.008％，余Fe和不可避免杂质；其中，钢中含Ti夹杂物的平均尺寸在2～3μm之间，此夹杂物密度不小于50个/mm2。本发明所述调质海工钢的屈服强度≥550MPa、抗拉强度≥670MPa，母材‑40℃冲击功(单个值)≥180J，焊接线能量50kj/cm，100kj/cm，150kj/cm的热影响区‑40℃冲击功(单个值)≥80J。

Description

一种大线能量焊接EH550MPa级调质海工钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于海洋工程用钢领域，特别涉及一种大线能量焊接EH550MPa级调质海工钢及其制造方法。
背景技术
海洋油气已经成为当今世界的重要能源，随着全球油气勘探和开发利用技术的发展，对海洋油气工程装备的需求越来越大，如自升式钻井平台、半潜式钻井平台，钻井船等。这些海洋油气工程装备制造所需的钢材强度等级。韧性等级及厚度、尺寸精度和焊接性能要求不断提高。
海工钢焊接部位多，服役周期长，作业环境恶劣，对焊接性能要求高。采用大线能量焊接技术，能够缩短海洋平台的制造周期，降低制造成本，对海洋平台制造技术的提高有着重要的意义。但是由于海工钢强度级别高，合金含量高于普通船板，所以焊接难度大，经过大线能量焊接后，热影响区的冷却速度会比较缓慢，热影响区晶粒将急剧增大，组织将会显著粗化，焊接热影响区的韧性会明显下降。与母材相比，热影响区韧性损失严重时可高达80％。虽然焊接热影响区宽度一般只有几毫米，但热影响区粗晶区的韧性严重下降很可能成为裂纹的开裂源，为海洋平台的安全使用留下隐患。
中国专利CN 106191659 A公开的“一种可大线能量焊接的海洋工程用钢板及其制造方法”，成功的开发出一种可大线能量焊接的海工钢，冶炼工序中脱氧工艺简单，以硅铁和金属锰为主，不添加强脱氧剂，经过100kj/cm，200kj/cm线能量的焊接热模拟后-60℃冲击功大于90J。但该发明涉及的钢板屈服强度440～460MPa，抗拉强度560～580MPa，没有解决高强度级别的海工钢大线能量焊接问题。
中国专利CN201410300713.X公开的“一种可大热输入焊接550MPa级钢板及其制造方法”，从合金涉及入手，采用超低碳C-超低Si-高Mn-Nb系低合金钢作为基础，尽可能减少钢中Al的含量，优化TMCP工艺，成功开发出一种屈服强度≥465MPa、抗拉强度550MPa～650MPa，-60℃冲击功(单个值)≥100J，焊接大线能量热影响区-40℃冲击功(单个值)≥100J的钢板。但该发明的钢板屈服强度低于550MPa，且使用Ca为脱氧剂，冶炼工序较为复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种大线能量焊接EH550MPa级调质海工钢及其制造方法，该钢屈服强度≥550MPa、抗拉强度≥670MPa，母材-40℃冲击功(单个值)≥180J，焊接线能量50kj/cm，100kj/cm，150kj/cm的热影响区-40℃冲击功(单个值)≥80J。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
本发明通过优化合金成分设计，确保钢板的合金成分在本发明的范围内，以保证钢板有足够的强度和合适的母材组织；同时在冶炼过程中，对脱氧剂种类的选择，添加顺序的优化、钢液中氧位的控制和几种脱氧剂的添加比例控制，通过脱氧工艺的优化，控制钢中生成成分合适尺寸适宜的夹杂物，通过合适的夹杂物来影响大线能量焊接热影响的组织，从而提高EH550MPa级调质海工钢的低温冲击性能。
具体的，本发明所述的大线能量焊接EH550MPa级调质海工钢板，其成分重量百分比为：C 0.06～0.12％，Si，0.02～0.06％，Mn 0.7～1.2％，Ti0.006～0.012％，Al 0.002～0.010％，Cr 0.30～0.50％，Mo 0.3～0.4％，V0.03～0.04％，N 0.0020～0.0030％，S0.002～0.010％，P≤0.008％，其余为Fe和不可避免杂质；其中，钢中含Ti夹杂物的平均尺寸在2μm～3μm之间，且此种类型的夹杂物密度为不小于50个/mm2。
进一步，所述调质海工钢板的化学成分还含有Cu≤0.3％、Ni≤1.9％或B≤0.0015％中一种以上元素，以重量百分比计。
优选的，所述调质海工钢板中Ti/Al＝2～3。
本发明所述调质海工钢板热轧态的显微组织为回火马氏体组织，以保证足够的强度。
在本发明钢的成分设计中：
C是海工钢中重要的元素，增加钢中C的含量，能够提高海工钢的强度且降低生产成本，增加海工钢的强度级别，本发明中，C的含量不低于0.06％；同时，钢中C含量的增加，会降低海工钢板的低温韧性和焊接性能，所以，C含量不高于0.12％。
Si，能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，而且Si元素是冶炼过程中重要的脱氧剂。但Si的含量过高，会显著降低钢的塑性和韧性，而且在大线能量焊接过程中，会促进岛状马氏体-奥氏体的生成，显著降低大线能量焊接热影响区的低温韧性。本发明采用低Si工艺，Si的含量范围为0.02％～0.06％。
Mn，是炼钢过程中重要的脱氧剂，也可与钢中的S反应，生成MnS，消除S在钢中的有害影响，且MnS对大线能量焊接热影响区的晶内针状铁素体的生成起着重要的作用，所以Mn的下限为0.7％。Mn的含量过高，会增加海工钢的回火脆性敏感性，所以Mn含量的上限为1.2％。
Ti，可以与氮、氧结合，生成含Ti氧化物和氮化物，这些含Ti的氧化物和氮化物在合适的尺寸范围内能够促进大线能量焊接热影响区的晶内铁素体生成，从而提高海工钢的焊接低温韧性。Ti的含量不低于0.006％。但过高的Ti，会生成TiC，降低母材和热影响区的低温韧性，也会促进大尺寸TiN的生成，形成裂纹起裂点，所以，Ti含量的上限为0.012％。
Cr，能够增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，在调质工艺中，可以提高淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能。Cr的下限为0.3％。Cr含量的增加，会使高温回火脆性的倾向增大，所以Cr的上限为0.50％。
Mo，能够提高海工钢的淬透性，防止回火脆性，在调质钢中，Mo能使钢板淬深，淬透，提高钢板的抗回火性或回火稳定性，有效的消除残余应力，提高塑性，所以，Mo的下限为0.3％。Cr含量过高，会显著提高钢板的碳当量，影响钢板的焊接性，所以Mo的上限为0.4％。
V，能够细化钢的组织和晶粒，在调质钢中提高钢的强度和屈强比，细化晶粒，降低过热敏感性，增加回火稳定性，所以V的下限为0.03％。V的含量过高，会生成过量的VC，所以V的上限为0.04％。
S，会与钢中的Mn生成MnS，MnS会在钢中含Ti氧化物上析出，促进晶内针状铁素体的生成，所以S的含量下限为0.002％。S的含量过高，会在铸坯的中心产生偏析，影响厚板的Z向性能，所以，S的含量上限为0.010％。
P，有很强的固溶强化作用，可使钢的强度、硬度显著提高，但会剧烈降低钢的低温韧性，所以，P含量的上限为0.008％。
N，含量较高时，在淬火时，N会从铁素体中析出，使钢的强度硬度升高，塑性韧性下降，N的含量范围控制在0.0020～0.0030％。
Cu，能够提高钢的强度和屈强比，且对焊接性能没有不利影响，但如果加入过量，会导致热态脆性，所以，Cu的加入上限为0.3％。
Ni，能强化铁素体并细化珠光体，提高强度并不降低韧性。但从成本角度考虑，也无比必要加入过多，所以其上限为1.9％。
B，主要作用是增加钢的淬透性，从而节约其它价格昂贵的合金，降低成本，但B有促进回火脆性作用，所以B含量的上限设定为0.0015％。
本发明成分设计中，同时控制Si，Al，Ti三种元素在范围区间，因为这三种元素都是脱氧元素，不同的成分组合，会对钢中氧化物的种类造成较大的影响。在Al的含量较低的情况下，Si的含量过高会使钢中生成大量含Si的氧化物，这类氧化物极易在钢中形成链状，会显著的降低冲击韧性。同时，Si的含量过高，会增加钢中脆性相马奥岛的生成，降低局部韧性。Al的含量过高，会形成大尺寸的Al2O3夹杂物，这种硬质夹杂物在钢中会形成裂纹起点，在冲击过程中增加裂纹数量，降低冲击韧性。Ti的含量过高，会促进TiC的生成，TiC会生成局部脆性区，降低冲击韧性。同时，Ti的含量不能太低，过低的Ti含量无法将钢中的氧降低到一个合适的水平，钢中的氧过高，将会增加钢中的氧化物，降低冲击韧性。
在控制Si含量的前提下，控制Ti的含量。Ti/Al的比值＝2～3，目的是控制钢中生成Al2O3-Ti3O5-MnS类型的夹杂物。当Ti/Al的重量百分比比值≥2.0时，钢液中会生成更多数量单独的Al2O3，单独的Al2O3也会作为析出核心，促进MnS析出，生成Al2O3-MnS的夹杂物，这种类型的夹杂物无法作为形核核心而促进细小贝氏体的生成，因为虽然这种类型的夹杂物表面也有MnS析出，但不能在夹杂物周围的基体中形成贫锰区。当Ti/Al的重量百分比比值≥3.0时，在生成TiC的同时，也会生成大尺寸的TiN，这些大尺寸的TiN在钢液中析出，极易形成裂纹的起裂点。同时，当Ti/N比不在2.0～3.0范围内时，会导致Al2O3-Ti3O5-MnS类型的夹杂物数量不够多，不足以形成足够的细小贝氏体，提高热影响区低温韧性。
本发明所述的大线能量焊接EH550MPa级调质海工钢板的制造方法，包括如下步骤：
1)冶炼、精炼和铸造
按上述成分冶炼、精炼和连铸成板坯；其中，在钢液脱氧过程中加入脱氧剂，脱氧剂种类和添加顺序是Si→Mn→Ti→Al；并通过向炉内添加Fe2O3粉来精确控制钢液中加Ti前的初始氧位，Fe2O3粉的添加量使钢液的氧含量重量百分比为0.004～0.01％，在此范围内加入Ti进行脱氧；
钢中含Ti夹杂物的平均尺寸在2μm～3μm之间，且此种类型的夹杂物密度为不小于50个/mm2；
2)轧制
将铸坯加热到1100～1200℃，保温260～280min；粗轧开轧温度1000～1100℃，累计压下率大于30％；精轧开轧温度800～900℃，累计压下率大于30％；
3)调质热处理
轧制钢板空冷到室温后，一次加热到910～930℃，保温40～50分钟，出炉淬火到室温，二次加热到650～680℃，保温115～130分钟，出炉空冷至室温。
在本发明的制造方法中，采用的冶炼工艺是Si→Mn→Al，在合适的钢液氧位条件下加入Ti。在脱氧过程中，先使用Mn、Si进行脱氧，将钢中的自由氧含量降低，Mn、Si的脱氧产物容易形成低熔点的夹杂物上浮溶解到渣中去除，能在显著降低钢液自由氧的条件下不增加钢液的夹杂物。之后再使用Al脱氧，Al有很强的脱氧作用，能将钢液中的自由氧控制在一个较低的水平，最好加入Ti进行夹杂物的控制。加入Ti后，一部分自有氧与Ti结合，生产Ti的氧化物，一部分Ti与氧化铝复合在一起生成Al-Ti复合的夹杂物，还有一部分的过量Ti将溶解在钢中，形成自由钛。本发明的夹杂物控制工艺的关键点就是通过Al的加入将加Ti前的氧位控制在一个合适的范围，使在该钢中自由氧的条件下生成的夹杂物能对大线能量焊接后热影响区的组织起到诱导的作用，从而提高大线能量焊接热影响区的低温韧性。
钢中Al的含量要控制在0.002～0.010％之间，过高的Al容易形成簇状氧化铝，影响钢液的纯净度，过低的Al，不能保证钢液中的自由氧含量控制。
钢中Ti/Al要控制在一个合适比值。如果Ti/Al过大，将会导致钢液中生成大于5μm的Ti的氧化物，影响低温韧性。Ti/Al过小，钢液中的Al2O3数量尺寸都会显著增加，不能保证钢液中生成足够量的含Ti夹杂物。所以，Ti/Al要控制在2～3。
通过研究发现，当钢液中的氧含量过低时，低于0.0015％时，钢液中无法生成足够数量的含Ti氧化物，更多的Ti与钢中的N结合，生成TiN，且生成的TiN生成温度高，尺寸较大，这些类型的夹杂物都不能充分起到诱导大线能量热影响区组织的作用。当钢液中的氧含量过高时，高于0.008％时，钢液中大于5μm的夹杂物占比较大，且1μm～3μm尺寸范围的夹杂物密度较小，大尺寸的夹杂物容易在冲击时形成裂纹起点，特定尺寸的夹杂物密度不足也不能充分的改变热影响区的组织，起到提高低温韧性的作用，所以，加Ti前的自有氧含量控制在0.0015％～0.0080％。
本发明研究了热影响区夹杂物，确定了夹杂物的合适成分、尺寸和数量。夹杂物的成分采用SEM-EDS进行分析，夹杂物的尺寸和密度采用夹杂物自动分析仪进行检测分析。夹杂物自动分析仪是采用SEM和EDS来采集数据，利用分析软件对夹杂物进行自动检测，分析，能够准确的识别出钢板中的夹杂物成分，尺寸、数量等信息。利用该系统对钢中的夹杂物进行分析发现，当钢中含Ti夹杂物的平均尺寸在2μm～3μm之间且此种类型的夹杂物密度为不小于50个/mm2的实施例，低温冲击韧性较高。同时，这种含钛的夹杂物类型必须为Al2O3-Ti3O5-MnS。这种以Al2O3-Ti3O5为核心表面析出MnS的夹杂物对热影响区贝氏体的生成有着重要的作用。一般认为氧硫复合夹杂物的形成归功于氧化物夹杂周围Mn和S元素的局部饱和，但由于MnS在钢液中的溶解度较大，一般不会在钢液中析出，但在凝固和冷却过程中MnS的溶解度降低且S元素易于偏析，所以极易在先期生成的氧化物表明析出，这种类型的氧硫复合夹杂物可以作为贝氏体形核的核心，在该类型的夹杂物与钢基体界面附近形成贫锰区，促进细小板条贝氏体的生成。对热影响区的夹杂物利用ESD进行分析发现，尺寸在2μm～3μm之间的Al2O3-Ti3O5-MnS夹杂物，很好的诱导了热影响区的细小贝氏体的生成。
本发明在轧制和热处理工艺中，轧制前的加热温度为1100～1200℃，保温至少250min，保证完全奥氏体化，粗轧开轧温度1000～1100℃，累计压下率大于30％，在此温度范围内轧制，可以发生再结晶，细化了奥氏体晶粒，当压下率小于30％时，残存的粗大奥氏体晶粒较多，影响母材强度和韧性。
精轧开轧温度800～900℃，可以进行两相区轧制，轧制中形成的位错可以作为铁素体形核的核心，提高母材的强度和韧性。累计压下率大于30％，当压下率小于30％时，形成的位错较少，无法诱发针状铁素体形核。
调质热处理工艺，轧制钢板空冷到室温后，一次加热到910～930℃，保温40～50分钟，出炉水淬到室温。此淬火工艺可以使本发明的海工钢以最小的冷却速度转变为马氏体。二次加热到650～680℃，保温115～130min，出炉空冷至室温。淬火后的钢以马氏体为主，马氏体在室温下处于亚稳定状态，有向铁素体加渗碳体的稳定状态转化，要进行回火处理，消除内应力，防止变形和开裂。在650～680℃回火，保温115～130min，可以使海工钢淬火后的马氏体组织中的过饱和碳析出，主要的组织转变为回火马氏体，使调质海工钢具有较高的强度和韧性。
船级社要求的EH550成分范围为：≤0.18，Mn0.9～1.6，Si≤0.5，S≤0.035，P≤0.035，Al≥0.015.Nb＝0.02～0.05，V＝0.05～0.1，Ti≤0.02，Cu≤0.35，Cr≤0.2，Ni≤0.4，Mo≤0.08。
在冶炼过程中，脱氧顺序是非常关键的，必须按照Si→Mn→Ti→Al的顺序进行，且钢液的氧含量重量百分比为0.0040～0.01％。在这种脱氧工艺条件下，能够生成密度为不小于50个/mm2，且类型为Al2O3-Ti3O5-MnS的微米级夹杂物。脱氧顺序的变化，会导致钢中夹杂物的类型变化，影响热影响区脆性相的生成，影响冲击韧性。
本发明的有益效果：
本发明优化了高强度海工钢的成分设计，在精炼的过程中，通过控制合适的钢中自由氧，并优化脱氧合金和合金加入顺序，调整脱氧合金Al/Ti的比值，实现控制夹杂物的尺寸、成分和数量密度的目标，使夹杂物能在凝固和相变过程中诱导热影响区组织内的针状贝氏体的体积，增加了海工钢大线能量焊接后热影响区的低温韧性。
本发明避免使用Ca、Mg、Re等强脱氧剂，简化冶炼工序，避免了采用强脱氧剂工艺的脱氧剂保管不易和加入困难等缺点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
在本发明的实施例中，在精炼过程中调整合金成分，并按照Si→Mn→Al的顺序加入脱氧合金进行脱氧，在保证合金成分的同时，再加入Fe2O3粉调节钢中自由氧，随后加入钛铁，钛铁的成分为Ti 69.8％。
表1中列出了本发明实施例和对比例的化学成分。对比例中的Al的含量为0.006％，Ti/Al比值和2～3μm尺寸范围的含Ti夹杂物密度中有一项或两项不满足本发明的要求。
表2为本发明实施例钢的制造工艺。表3列出了实施例和对比例中母材的强度、低温韧性和热影响区的低温韧性对比。母材的屈服强度、抗拉强度和断面收缩率为两个检测值的平均值，母材-40℃夏比冲击功和热影响区-40℃夏比冲击功是三个检测值的平均值。
从表中数据可以看出，实施例比对比例的母材屈服强度和抗拉强度都略高。在经过50kj/cm、100kj/cm、150kj/cm的热模拟试验后，实施例的-40℃夏比冲击功温度且都在100j以上。对比例经过三个线能量的热模拟后，冲击功比较低。所以，实施例经过夹杂物控制工艺和成分设计后，热影响区的低温韧性得到了明显的改善，复合大线能量焊接用海工钢的要求。
本发明采用优化成分设计，控制钢板中合适的Ti/Al比，并优化精炼过程中的脱氧合金和脱氧顺序，并通过添加Fe2O3粉的方式来控制适合夹杂物的尺寸、成分和数量密度，在热影响区诱导细小贝氏体组织，最终制造出可大线能量焊接用的EH550高强度海工钢板。
Figure BDA0002395480820000091
Figure BDA0002395480820000101
Figure BDA0002395480820000111

Claims (8)

1.一种大线能量焊接EH550MPa级调质海工钢板，其成分重量百分比为：C 0.06～0.12％，Si，0.02～0.06％，Mn 0.7～1.2％，Ti 0.006～0.012％，Al 0.002～0.010％，Cr0.30～0.50％，Mo 0.3～0.4％，V 0.03～0.04％，N 0.0020～0.0030％，S 0.002～0.010％，P≤0.008％，其余为Fe和不可避免杂质；其中，钢中含Ti夹杂物的平均尺寸在2μm～3μm之间且此种类型的夹杂物密度为不小于50个/mm2。
2.如权利要求1所述的大线能量焊接EH550MPa级调质海工钢板，其特征在于，还含有Cu0.3％、Ni≤1.9％或B≤0.0015％中一种以上元素，以重量百分比计。
3.如权利要求1或2所述的大线能量焊接EH550MPa级调质海工钢板，其特征在于，钢中Ti/Al＝2～3。
4.如权利要求1或2或3所述的大线能量焊接EH550MPa级调质海工钢板，其特征在于，所述调质海工钢板的显微组织为回火马氏体组织。
5.如权利要求1或2或3或4所述的大线能量焊接EH550MPa级调质海工钢板，其特征在于，所述调质海工钢板的屈服强度≥550MPa、抗拉强度≥670MPa，母材-40℃冲击功(单个值)≥180J，焊接线能量50kj/cm，100kj/cm，150kj/cm的热影响区-40℃冲击功(单个值)≥80J。
6.一种如权利要求1～5中任何一项所述的大线能量焊接EH550MPa级调质海工钢的制造方法，其特征是，包括如下步骤：
1)冶炼、精炼和铸造
按权利要求1或2或3所述成分冶炼、精炼和连铸成板坯；其中，在钢液脱氧过程中加入脱氧剂，脱氧剂种类和添加顺序是Si→Mn→Ti→Al；并通过向炉内添加Fe2O3粉来精确控制钢液中加Ti前的初始氧位，Fe2O3粉的添加量使钢液的氧含量重量百分比为0.0040～0.01％，在此范围内加入Ti进行脱氧；
钢中含Ti夹杂物的平均尺寸在2μm～3μm之间，且此种类型的夹杂物密度为不小于50个/mm2；
2)轧制
将铸坯加热到1100～1200℃，保温至少250min，粗轧开轧温度1000～1100℃，累计压下率大于30％；精轧开轧温度800～900℃，累计压下率大于30％；
3)调质热处理
轧制钢板空冷到室温后，一次加热到910～930℃，一次保温40～50分钟，出炉淬火到室温，二次加热到650～680℃，二次保温115～130分钟，出炉回火空冷至室温。
7.如权利要求6所述的大线能量焊接EH550MPa级调质海工钢板的制造方法，其特征是，所述调质海工钢板的显微组织为回火马氏体组织。
8.如权利要求6或7所述的大线能量焊接EH550MPa级调质海工钢板的制造方法，其特征是，所述调质海工钢板的屈服强度≥550MPa、抗拉强度≥670MPa，母材-40℃冲击功(单个值)≥180J，焊接线能量50kj/cm，100kj/cm，150kj/cm的热影响区-40℃冲击功(单个值)≥80J。
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