CN1296509C - 高强度易焊接时效硬化钢及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种高强度易焊接时效硬化钢及其生产方法。其组份按重量百分数计为C:0.01~0.08、Si:0.05~0.50、Mn:0.10~1.00、P≤0.018、S≤0.008、Nb:0.005~0.080、Mo:0.10~0.50、Ni:0.50~1.80、Ti:0.005~0.030、Cu:0.60~1.80、Cr:0.10~1.00,余量为Fe及不可避免夹杂;同时其还满足碳当量Ceq(%)≤0.50,热敏感系数Pcm(%)≤0.25。该钢的生产包括按超纯净钢工艺进行冶炼、铁水脱硫、转炉顶底复合吹炼、真空处理、浇注成板坯等步骤,再采用中厚板生产工艺或热连轧生产工艺,轧制成中厚板或热轧板。该钢的屈服强度≥520MPa,-40℃V型缺口夏比冲击功≥160J,具有极优综合机械性能、低温韧性、耐大气和海水腐蚀性、抗疲劳性,尤其适用于海洋船舶和石油钻井平台制造所需钢种。

Description

高强度易焊接时效硬化钢及其生产方法
技术领域
本发明涉及微合金化钢制造领域,具体地指一种尤其适应于海洋船舶和石油钻井平台所需的高强度易焊接时效硬化钢及其生产方法。
背景技术
随着世界能源利用的日益紧张,我国已将石油开采的目光由陆地转向海上,而在海上开采石油必须建造大型海洋石油钻井平台,这要求钢材具有极佳的焊接性能和成型性能,在高寒环境下还具有高强度、高韧性和良好的耐海水腐蚀性能。在本发明申请之前,申请号为85103631的中国发明专利申请公开说明书介绍了一种船用零玖锰铌低合金钢,其工艺制度存在的不足是:该低合金钢采用模注钢锭这种较落后的生产方法,生产成本较高。并且采用模注钢锭生产出的钢中P、S含量较高,钢板脆性大,其横向-40℃冲击功仅有24J;另外,该低合金钢主要采用C、Mn两种元素作为强化元素,钢材强度的提高非常有限,其屈服强度仅有370MPa;因而该低合金钢钢板的强度和低温韧性明显不足,在海洋这样非常恶劣的环境中使用,容易产生断裂破坏,安全性能较差。申请号为98812446.7的中国发明专利申请公开说明书记载了一种具有优异低温韧性的超高强度奥氏体时效钢,其工艺制度存在的不足是:要使钢板具有包含约2~10vol%奥氏体薄膜层以及约90~98vol%的以细晶粒马氏体和细晶粒下贝氏体为主的板条的显微层状组织,其实际操作难度非常大,必然导致产品性能的合格率较低,生产成本偏高;并且在该专利申请公开说明书中并没有明确地提出其实施例的性能,故可认为其实施的可能性不大。由此可见,采用如上所述船用零玖锰铌低合金钢制造出的钢板,不能同时具有高强度、高韧性、良好的耐海水腐蚀性能和良好的经济性能,很难满足建造大型海洋石油钻井平台或海洋船舶用钢材质的需要;而采用如上所述的超高强度奥氏体时效钢,则很可能不具备实施性。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种能满足在非常恶劣的海洋环境中使用的高强度易焊接时效硬化钢及其生产方法。
为实现上述目的,本发明所设计的高强度易焊接时效硬化钢,其化学成份按重量百分数计为C:0.01~0.08、Si:0.05~0.50、Mn:0.10~1.00、P≤0.018、S≤0.008、Nb:0.005~0.080、Mo:0.10~0.50、Ni:0.50~1.80、Ti:0.005~0.030、Cu:0.60~1.80、Cr:0.10~1.00,余量为Fe及不可避免的夹杂;该钢同时还满足碳当量Ceq(%)≤0.50,热敏感系数Pcm(%)≤0.25,其中:Ceq(%)=C+Mn/6+(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15;Pcm(%)=C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Mo/15+Ni/60+V/10+5B。
上述高强度易焊接时效硬化钢的化学成份中,最好按重量比满足Ni/Cu为0.80~2.0,以克服含铜钢的热脆性,改善钢的表面质量。
上述高强度易焊接时效硬化钢的热轧板的生产方法为:按超纯净钢工艺进行冶炼、铁水脱硫、转炉顶底复合吹炼、真空处理、浇注成板坯、控扎控冷处理。其中控扎控冷处理是将所浇注的板坯加热至1140~1200℃;先粗轧,每道次压下率为20~30%,累计压下率为80~90%,粗轧结束温度为950~1050℃;再精轧,精轧开轧温度为900~950℃,中间道次压下率为20~25%,最后两道次压下率为10~15%,终轧温度为750~850℃;钢板轧后采用层流冷却,冷却速度为15~40℃/s,卷取温度为500~650℃,制得热轧板。
上述高强度易焊接时效硬化钢的中厚板的生产方法为:按超纯净钢工艺进行冶炼、铁水脱硫、转炉顶底复合吹炼、真空处理、浇注成板坯、控制扎制加调质热处理。其中控制扎制加调质热处理是将所浇注的板坯以8~10min/cm的加热速度均热至1140~1200℃;先粗轧,开轧温度为950~1050℃,在950~1050℃进行5~9道次轧制,每道次压下率为12~15%,累计压下率为70~80%;粗轧结束后用水急冷到940~960℃;再在750~950℃进行6~10道次精轧,每道次压下率为12~15%,终轧温度为700~850℃;钢板轧后进行淬火,加热温度为900~950℃,保温时间为1.8~3.0min/mm,以18~40℃/s的冷却速度将钢板冷却至Ms转变点以下,冷却介质为水;最后对淬火后钢板进行回火,加热温度为500~660℃,保温时间为1.8~3.0min/mm,空冷至室温,制得中厚板。
本发明的高强度易焊接时效硬化钢中各合金成份的作用机理如下:本发明的碳(C)含量为0.01%~0.08%,碳是钢中不可缺少的提高钢材强度的元素之一,为了保证高韧性、优良的冷成型性和焊接性能,将碳含量限定在0.08%以下,既可提高钢的强度又适合生产操作。
本发明的锰(Mn)含量是根据产品轧制时的冷却速度、规格和性能而确定的,添加0.10%~1.00%的锰,可降低奥氏体转变成铁素体的相变温度,扩大热加工温度区域,有利于细化铁素体晶粒尺寸,提高钢的屈服强度和冲击韧性。
本发明的磷(P)含量≤0.018%、硫(S)含量≤0.008%。磷在钢中具有容易造成偏析、恶化焊接性能、显著降低钢的低温冲击韧性、提高脆性转变温度等不利影响。硫易与锰结合生成MnS夹杂,硫还影响钢的低温冲击韧性。因此,本发明应尽量减少磷、硫元素对钢性能的不利影响,通过对铁水进行深脱硫预处理、真空处理等手段,控制磷、硫含量,从而减轻其不利影响。
本发明的铜(Cu)含量为0.60%~1.80%,铜是本发明钢中最主要的强化元素,在奥氏体化温度下,约1%左右的铜能够完全固溶。在水淬冷却过程中,铜被保留在过饱和的固溶体中,通过时效处理析出细小弥散的ε-Cu颗粒,产生强烈沉淀强化,弥补了降低碳含量引起的强度损失。为了防止含铜钢的热脆性,可添加不低于0.8铜含量的镍(Ni)。镍在本发明钢中同时还具有提高铁素体基体强度与韧性的作用,可降低韧脆转变温度。本发明的铬(Cr)含量为0.10%~1.00%,镍、铜、铬组合可提高本发明钢的耐大气和耐海水腐蚀能力。
本发明选择钛(Ti)含量为0.005%~0.030%,钛是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素,在钢重新加热中阻止奥氏体晶粒长大,在高温奥氏体区粗轧时TiN和TiC析出,可有效抑制奥氏体晶粒长大,另外钢板在焊接过程中,钢中的TiN和TiC粒子能显著阻止热影响区晶粒长大,从而改善钢板焊接性能。
本发明的铌(Nb)含量为0.005%~0.080%,微量的铌能显著细化晶粒并提高本发明钢的抗拉强度。铌在控轧过程中,通过抑制再结晶和阻止晶粒长大,可细化奥氏体晶粒尺寸。在轧后冷却过程中,NbC和NbN微小质点析出,可起沉淀强化的作用。
本发明的钼(Mo)含量为0.10%~0.5%,钼能够有效地延长珠光体转变的孕育期,使铁素体和珠光体区域右移,但对贝氏体的相变影响很小。因此使得本发明钢经奥氏体化后在连续快速冷却时,可以获得贝氏体组织。当钢中含碳量很低时,这种微细结构的贝氏体和针状铁素体组织,能够保证钢具有良好的延性。同时,含Nb-Mo的高强度低合金钢较之含Nb-V的钢可以具有高得多的强度,这是因为钼能降低碳化物形成元素如铌等的扩散能力,从而阻碍碳化物的形成,推迟碳化物的析出过程。在高强度低合金钢中,屈服强度随钼加入量的增加而提高。
试验表明,本发明的高强度易焊接时效硬化钢的屈服强度(ReL)≥520Mpa,-40℃V型缺口夏比冲击功≥160J。与现有技术相比,不仅具有显著提高的强度指标,而且具有优异的低温韧性,以及极高的耐海水和大气腐蚀性能和抗疲劳性能。其焊接性能优良,焊前不需任何预热,可进行埋弧焊、手工焊和气体保护焊,大幅降低焊接施工强度,提高焊接施工效率;其综合机械性能极其卓越,不易断裂和破坏,使用安全可靠,能满足在非常恶劣的海洋环境中长期使用,大幅提高船舶和海洋石油钻井平台的使用寿命。同时,其还可广泛用作各类工程机械所需的高强度结构钢。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的高强度易焊接时效硬化钢及其生产方法作进一步的详细描述:表1列出了本发明可用于船舶建造的高强度易焊接时效硬化钢的几种具体实施例的化学成份。这几种船用钢的生产方法如下:在炼钢厂80吨转炉上进行顶底复合吹炼,采用铁水深脱硫技术,使铁水中的S≤0.005%,钢水经过吹氩气后,再经过真空处理,使钢中的化学成份满足表1的要求,余量为Fe及不可避免的夹杂。再将满足表1要求的钢水浇注成200~300mm×1550mm断面的板坯。然后将该板坯分别送至热连轧厂和中板厂,在2250mm轧机上采用控轧控冷处理的热连轧生产工艺,将其轧制成热轧板;在2800mm轧机上采用控制轧制加调质热处理的中厚板生产工艺,将其轧制成中厚板。其中:采用控轧控冷处理的热连轧生产工艺时,为充分发挥微合金元素在钢中的作用,最好利用大功率轧机的设备能力,减少轧制道次,提高道次压下率。先将板坯加热至1140~1200℃,粗轧每道次压下率为20~30%,累计压下率为80~90%,使之奥氏体晶粒细化到15μm以下,粗轧结束温度为950~1050℃。粗轧后进行精轧,精轧开轧温度为900~950℃,中间道次压下率为20~25%,最后两道次压下率为10~15%,终轧温度为750~850℃。轧后采用层流冷却,冷却速度为15~40℃/s。最后进行卷取,卷取温度为500~650℃,让细小弥散的ε-Cu颗粒充分析出,产生强烈沉淀强化,制得板厚为3~25mm的热轧板。
采用控制轧制加调质热处理的中厚板生产工艺时,先将板坯以8~10min/cm的加热速度均热至1140~1200℃;粗轧开轧温度为950~1050℃,在950~1050℃的再结晶区进行5~9道次轧制,每道次压下率为12~15%,累计压下率为70~80%,可使奥氏体晶粒细化到20μm。粗轧结束后采用1~2道次高压水冲洗急冷到940~960℃,然后空冷15~30秒,使板坯内外温度均匀化。接着进入精轧阶段,在750~950℃进行6~10道次精轧,每道次压下率为12~15%,终轧温度为700~850℃,轧制成板厚为10~60mm的钢板。钢板轧后进行淬火,加热温度为900~950℃,保温时间为1.8~3.0min/mm,以18~40℃/s的冷却速度将钢板冷却至Ms转变点以下,冷却介质为水。再对淬火后钢板进行回火,加热温度为500~660℃,保温时间为1.8~3.0min/mm,空冷至室温,制得板厚为10~60mm的中厚板。
本发明高强度易焊接时效硬化钢的中厚板的生产工艺参数和试验结果列于表2和表3。本发明高强度易焊接时效硬化钢的热轧板的生产工艺参数和试验结果见表4。
实施例列举了上、中、下限三种成份的高强度易焊接时效硬化钢,分别对应于各表中的成份1、2、3。试验分别按热轧板和中厚板两种工艺生产,其中上、下限成份每种工艺轧制了较厚和较薄的两种规格。从表3和表4反映出的性能来看,各成份的10~60mm中厚板和3~25mm热轧板都能满足屈服强度≥520Mpa,-40℃V型缺口夏比冲击功≥160J。
表1本发明钢的化学成分,wt%
表2本发明钢中厚板制备方法及试验结果
表3本发明钢中厚板试验结果
表4本发明钢热连轧板制备方法及试验结果
注:表2、3、4的成份1、2、3与表1中的成份1、2、3为对应关系。

Claims (4)

1.一种高强度易焊接时效硬化钢,其特征在于:该钢的化学成份按重量百分数计为C:0.01~0.08、Si:0.05~0.50、Mn:0.10~1.00、P≤0.018、S≤0.008、Nb:0.005~0.080、Mo:0.10~0.50、Ni:0.50~1.80、Ti:0.005~0.030、Cu:0.60~1.80、Cr:0.10~1.00,余量为Fe及不可避免的夹杂;该钢同时还满足碳当量Ceq(%)≤0.50,热敏感系数Pcm(%)≤0.25,其中:Ceq(%)=C+Mn/6+(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15;Pcm(%)=C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Mo/15+Ni/60+V/10+5B。
2.根据权利要求1所述的高强度易焊接时效硬化钢,其特征在于:该钢的化学成份中,按重量比Ni/Cu为0.80~2.0。
3.一种高强度易焊接时效硬化钢的热轧板的生产方法,包括按超纯净钢工艺进行冶炼、铁水脱硫、转炉顶底复合吹炼、真空处理、浇注成板坯的步骤,使该硬化钢的化学成份按重量百分数计为C:0.01~0.08、Si:0.05~0.50、Mn:0.10~1.00、P≤0.018、S≤0.008、Nb:0.005~0.080、Mo:0.10~0.50、Ni:0.50~1.80、Ti:0.005~0.030、Cu:0.60~1.80、Cr:0.10~1.00,余量为Fe及不可避免的夹杂;该硬化钢同时还满足碳当量Ceq(%)≤0.50,热敏感系数Pcm(%)≤0.25,其中:Ceq(%)=C+Mn/6+(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15;Pcm(%)=C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Mo/15+Ni/60+V/10+5B;再将所浇注的板坯加热至1140~1200℃;先粗轧,每道次压下率为20~30%,累计压下率为80~90%,粗轧结束温度为950~1050℃;再精轧,精轧开轧温度为900~950℃,中间道次压下率为20~25%,最后两道次压下率为10~15%,终轧温度为750~850℃;钢板轧后采用层流冷却,冷却速度为15~40℃/s,卷取温度为500~650℃,制得热轧板。
4.一种高强度易焊接时效硬化钢的中厚板的生产方法,包括按超纯净钢工艺进行冶炼、铁水脱硫、转炉顶底复合吹炼、真空处理、浇注成板坯的步骤,使该硬化钢的化学成份按重量百分数计为C:0.01~0.08、Si:0.05~0.50、Mn:0.10~1.00、P≤0.018、S≤0.008、Nb:0.005~0.080、Mo:0.10~0.50、Ni:0.50~1.80、Ti:0.005~0.030、Cu:0.60~1.80、Cr:0.10~1.00,余量为Fe及不可避免的夹杂;该硬化钢同时还满足碳当量Ceq(%)≤0.50,热敏感系数Pcm(%)≤0.25,其中:Ceq(%)=C+Mn/6+(Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15;Pcm(%)=C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Mo/15+Ni/60+V/10+5B;再将所浇注的板坯以8~10min/cm的加热速度均热至1140~1200℃;先粗轧,开轧温度为950~1050℃,在950~1050℃进行5~9道次轧制,每道次压下率为12~15%,累计压下率为70~80%;粗轧结束后用水急冷到940~960℃;再在750~950℃进行6~10道次精轧,每道次压下率为12~15%,终轧温度为700~850℃;钢板轧后进行淬火,加热温度为900~950℃,保温时间为1.8~3.0min/mm,以18~40℃/s的冷却速度将钢板冷却至Ms转变点以下,冷却介质为水;最后对淬火后钢板进行回火,加热温度为500~660℃,保温时间为1.8~3.0min/mm,空冷至室温,制得中厚板。
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