專利名稱：高強(qiáng)度易焊接時(shí)效硬化鋼及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微合金化鋼制造領(lǐng)域，具體地指一種尤其適應(yīng)于海洋船舶和石油鉆井平臺(tái)所需的高強(qiáng)度易焊接時(shí)效硬化鋼及其生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
隨著世界能源利用的日益緊張，我國(guó)已將石油開(kāi)采的目光由陸地轉(zhuǎn)向海上，而在海上開(kāi)采石油必須建造大型海洋石油鉆井平臺(tái)，這要求鋼材具有極佳的焊接性能和成型性能，在高寒環(huán)境下還具有高強(qiáng)度、高韌性和良好的耐海水腐蝕性能。在本發(fā)明申請(qǐng)之前，申請(qǐng)?zhí)枮?5103631的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)說(shuō)明書(shū)介紹了一種船用零玖錳鈮低合金鋼，其工藝制度存在的不足是該低合金鋼采用模注鋼錠這種較落后的生產(chǎn)方法，生產(chǎn)成本較高。并且采用模注鋼錠生產(chǎn)出的鋼中P、S含量較高，鋼板脆性大，其橫向-40℃沖擊功僅有24J；另外，該低合金鋼主要采用C、Mn兩種元素作為強(qiáng)化元素，鋼材強(qiáng)度的提高非常有限，其屈服強(qiáng)度僅有370MPa；因而該低合金鋼鋼板的強(qiáng)度和低溫韌性明顯不足，在海洋這樣非常惡劣的環(huán)境中使用，容易產(chǎn)生斷裂破壞，安全性能較差。申請(qǐng)?zhí)枮?8812446.7的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)說(shuō)明書(shū)記載了一種具有優(yōu)異低溫韌性的超高強(qiáng)度奧氏體時(shí)效鋼，其工藝制度存在的不足是要使鋼板具有包含約2～10vol％奧氏體薄膜層以及約90～98vol％的以細(xì)晶粒馬氏體和細(xì)晶粒下貝氏體為主的板條的顯微層狀組織，其實(shí)際操作難度非常大，必然導(dǎo)致產(chǎn)品性能的合格率較低，生產(chǎn)成本偏高；并且在該專利申請(qǐng)公開(kāi)說(shuō)明書(shū)中并沒(méi)有明確地提出其實(shí)施例的性能，故可認(rèn)為其實(shí)施的可能性不大。由此可見(jiàn)，采用如上所述船用零玖錳鈮低合金鋼制造出的鋼板，不能同時(shí)具有高強(qiáng)度、高韌性、良好的耐海水腐蝕性能和良好的經(jīng)濟(jì)性能，很難滿足建造大型海洋石油鉆井平臺(tái)或海洋船舶用鋼材質(zhì)的需要；而采用如上所述的超高強(qiáng)度奧氏體時(shí)效鋼，則很可能不具備實(shí)施性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要提供一種能滿足在非常惡劣的海洋環(huán)境中使用的高強(qiáng)度易焊接時(shí)效硬化鋼及其生產(chǎn)方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度易焊接時(shí)效硬化鋼，其化學(xué)成份按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)為C0.01～0.08、Si0.05～0.50、Mn0.10～1.00、P≤0.018、S≤0.008、Nb0.005～0.080、Mo0.10～0.50、Ni0.50～1.80、Ti0.005～0.030、Cu0.60～1.80、Cr0.10～1.00，余量為Fe及不可避免的夾雜；該鋼同時(shí)還滿足碳當(dāng)量Ceq(％)≤0.50，熱敏感系數(shù)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。
上述高強(qiáng)度易焊接時(shí)效硬化鋼的化學(xué)成份中，最好按重量比滿足Ni/Cu為0.80～2.0，以克服含銅鋼的熱脆性，改善鋼的表面質(zhì)量。
上述高強(qiáng)度易焊接時(shí)效硬化鋼的熱軋板的生產(chǎn)方法為按超純凈鋼工藝進(jìn)行冶煉、鐵水脫硫、轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉、真空處理、澆注成板坯、控扎控冷處理。其中控扎控冷處理是將所澆注的板坯加熱至1140～1200℃；先粗軋，每道次壓下率為20～30％，累計(jì)壓下率為80～90％，粗軋結(jié)束溫度為950～1050℃；再精軋，精軋開(kāi)軋溫度為900～950℃，中間道次壓下率為20～25％，最后兩道次壓下率為10～15％，終軋溫度為750～850℃；鋼板軋后采用層流冷卻，冷卻速度為15～40℃/s，卷取溫度為500～650℃，制得熱軋板。
上述高強(qiáng)度易焊接時(shí)效硬化鋼的中厚板的生產(chǎn)方法為按超純凈鋼工藝進(jìn)行冶煉、鐵水脫硫、轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉、真空處理、澆注成板坯、控制扎制加調(diào)質(zhì)熱處理。其中控制扎制加調(diào)質(zhì)熱處理是將所澆注的板坯以8～10min/cm的加熱速度均熱至1140～1200℃；先粗軋，開(kāi)軋溫度為950～1050℃，在950～1050℃進(jìn)行5～9道次軋制，每道次壓下率為12～15％，累計(jì)壓下率為70～80％；粗軋結(jié)束后用水急冷到940～960℃；再在750～950℃進(jìn)行6～10道次精軋，每道次壓下率為12～15％，終軋溫度為700～850℃；鋼板軋后進(jìn)行淬火，加熱溫度為900～950℃，保溫時(shí)間為1.8～3.0min/mm，以18～40℃/s的冷卻速度將鋼板冷卻至Ms轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下，冷卻介質(zhì)為水；最后對(duì)淬火后鋼板進(jìn)行回火，加熱溫度為500～660℃，保溫時(shí)間為1.8～3.0min/mm，空冷至室溫，制得中厚板。
本發(fā)明的高強(qiáng)度易焊接時(shí)效硬化鋼中各合金成份的作用機(jī)理如下本發(fā)明的碳(C)含量為0.01％～0.08％，碳是鋼中不可缺少的提高鋼材強(qiáng)度的元素之一，為了保證高韌性、優(yōu)良的冷成型性和焊接性能，將碳含量限定在0.08％以下，既可提高鋼的強(qiáng)度又適合生產(chǎn)操作。
本發(fā)明的錳(Mn)含量是根據(jù)產(chǎn)品軋制時(shí)的冷卻速度、規(guī)格和性能而確定的，添加0.10％～1.00％的錳，可降低奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體的相變溫度，擴(kuò)大熱加工溫度區(qū)域，有利于細(xì)化鐵素體晶粒尺寸，提高鋼的屈服強(qiáng)度和沖擊韌性。
本發(fā)明的磷(P)含量≤0.018％、硫(S)含量≤0.008％。磷在鋼中具有容易造成偏析、惡化焊接性能、顯著降低鋼的低溫沖擊韌性、提高脆性轉(zhuǎn)變溫度等不利影響。硫易與錳結(jié)合生成MnS夾雜，硫還影響鋼的低溫沖擊韌性。因此，本發(fā)明應(yīng)盡量減少磷、硫元素對(duì)鋼性能的不利影響，通過(guò)對(duì)鐵水進(jìn)行深脫硫預(yù)處理、真空處理等手段，控制磷、硫含量，從而減輕其不利影響。
本發(fā)明的銅(Cu)含量為0.60％～1.80％，銅是本發(fā)明鋼中最主要的強(qiáng)化元素，在奧氏體化溫度下，約1％左右的銅能夠完全固溶。在水淬冷卻過(guò)程中，銅被保留在過(guò)飽和的固溶體中，通過(guò)時(shí)效處理析出細(xì)小彌散的ε-Cu顆粒，產(chǎn)生強(qiáng)烈沉淀強(qiáng)化，彌補(bǔ)了降低碳含量引起的強(qiáng)度損失。為了防止含銅鋼的熱脆性，可添加不低于0.8銅含量的鎳(Ni)。鎳在本發(fā)明鋼中同時(shí)還具有提高鐵素體基體強(qiáng)度與韌性的作用，可降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。本發(fā)明的鉻(Cr)含量為0.10％～1.00％，鎳、銅、鉻組合可提高本發(fā)明鋼的耐大氣和耐海水腐蝕能力。
本發(fā)明選擇鈦(Ti)含量為0.005％～0.030％，鈦是一種強(qiáng)烈的碳化物和氮化物形成元素，在鋼重新加熱中阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，在高溫奧氏體區(qū)粗軋時(shí)TiN和TiC析出，可有效抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大，另外鋼板在焊接過(guò)程中，鋼中的TiN和TiC粒子能顯著阻止熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大，從而改善鋼板焊接性能。
本發(fā)明的鈮(Nb)含量為0.005％～0.080％，微量的鈮能顯著細(xì)化晶粒并提高本發(fā)明鋼的抗拉強(qiáng)度。鈮在控軋過(guò)程中，通過(guò)抑制再結(jié)晶和阻止晶粒長(zhǎng)大，可細(xì)化奧氏體晶粒尺寸。在軋后冷卻過(guò)程中，NbC和NbN微小質(zhì)點(diǎn)析出，可起沉淀強(qiáng)化的作用。
本發(fā)明的鉬(Mo)含量為0.10％～0.5％，鉬能夠有效地延長(zhǎng)珠光體轉(zhuǎn)變的孕育期，使鐵素體和珠光體區(qū)域右移，但對(duì)貝氏體的相變影響很小。因此使得本發(fā)明鋼經(jīng)奧氏體化后在連續(xù)快速冷卻時(shí)，可以獲得貝氏體組織。當(dāng)鋼中含碳量很低時(shí)，這種微細(xì)結(jié)構(gòu)的貝氏體和針狀鐵素體組織，能夠保證鋼具有良好的延性。同時(shí)，含Nb-Mo的高強(qiáng)度低合金鋼較之含Nb-V的鋼可以具有高得多的強(qiáng)度，這是因?yàn)殂f能降低碳化物形成元素如鈮等的擴(kuò)散能力，從而阻礙碳化物的形成，推遲碳化物的析出過(guò)程。在高強(qiáng)度低合金鋼中，屈服強(qiáng)度隨鉬加入量的增加而提高。
試驗(yàn)表明，本發(fā)明的高強(qiáng)度易焊接時(shí)效硬化鋼的屈服強(qiáng)度(ReL)≥520Mpa，-40℃V型缺口夏比沖擊功≥160J。與現(xiàn)有技術(shù)相比，不僅具有顯著提高的強(qiáng)度指標(biāo)，而且具有優(yōu)異的低溫韌性，以及極高的耐海水和大氣腐蝕性能和抗疲勞性能。其焊接性能優(yōu)良，焊前不需任何預(yù)熱，可進(jìn)行埋弧焊、手工焊和氣體保護(hù)焊，大幅降低焊接施工強(qiáng)度，提高焊接施工效率；其綜合機(jī)械性能極其卓越，不易斷裂和破壞，使用安全可靠，能滿足在非常惡劣的海洋環(huán)境中長(zhǎng)期使用，大幅提高船舶和海洋石油鉆井平臺(tái)的使用壽命。同時(shí)，其還可廣泛用作各類工程機(jī)械所需的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的高強(qiáng)度易焊接時(shí)效硬化鋼及其生產(chǎn)方法作進(jìn)一步的詳細(xì)描述表1列出了本發(fā)明可用于船舶建造的高強(qiáng)度易焊接時(shí)效硬化鋼的幾種具體實(shí)施例的化學(xué)成份。這幾種船用鋼的生產(chǎn)方法如下在煉鋼廠80噸轉(zhuǎn)爐上進(jìn)行頂?shù)讖?fù)合吹煉，采用鐵水深脫硫技術(shù)，使鐵水中的S≤0.005％，鋼水經(jīng)過(guò)吹氬氣后，再經(jīng)過(guò)真空處理，使鋼中的化學(xué)成份滿足表1的要求，余量為Fe及不可避免的夾雜。再將滿足表1要求的鋼水澆注成200～300mm×1550mm斷面的板坯。然后將該板坯分別送至熱連軋廠和中板廠，在2250mm軋機(jī)上采用控軋控冷處理的熱連軋生產(chǎn)工藝，將其軋制成熱軋板；在2800mm軋機(jī)上采用控制軋制加調(diào)質(zhì)熱處理的中厚板生產(chǎn)工藝，將其軋制成中厚板。其中采用控軋控冷處理的熱連軋生產(chǎn)工藝時(shí)，為充分發(fā)揮微合金元素在鋼中的作用，最好利用大功率軋機(jī)的設(shè)備能力，減少軋制道次，提高道次壓下率。先將板坯加熱至1140～1200℃，粗軋每道次壓下率為20～30％，累計(jì)壓下率為80～90％，使之奧氏體晶粒細(xì)化到15μm以下，粗軋結(jié)束溫度為950～1050℃。粗軋后進(jìn)行精軋，精軋開(kāi)軋溫度為900～950℃，中間道次壓下率為20～25％，最后兩道次壓下率為10～15％，終軋溫度為750～850℃。軋后采用層流冷卻，冷卻速度為15～40℃/s。最后進(jìn)行卷取，卷取溫度為500～650℃，讓細(xì)小彌散的ε-Cu顆粒充分析出，產(chǎn)生強(qiáng)烈沉淀強(qiáng)化，制得板厚為3～25mm的熱軋板。
采用控制軋制加調(diào)質(zhì)熱處理的中厚板生產(chǎn)工藝時(shí)，先將板坯以8～10min/cm的加熱速度均熱至1140～1200℃；粗軋開(kāi)軋溫度為950～1050℃，在950～1050℃的再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行5～9道次軋制，每道次壓下率為12～15％，累計(jì)壓下率為70～80％，可使奧氏體晶粒細(xì)化到20μm。粗軋結(jié)束后采用1～2道次高壓水沖洗急冷到940～960℃，然后空冷15～30秒，使板坯內(nèi)外溫度均勻化。接著進(jìn)入精軋階段，在750～950℃進(jìn)行6～10道次精軋，每道次壓下率為12～15％，終軋溫度為700～850℃，軋制成板厚為10～60mm的鋼板。鋼板軋后進(jìn)行淬火，加熱溫度為900～950℃，保溫時(shí)間為1.8～3.0min/mm，以18～40℃/s的冷卻速度將鋼板冷卻至Ms轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下，冷卻介質(zhì)為水。再對(duì)淬火后鋼板進(jìn)行回火，加熱溫度為500～660℃，保溫時(shí)間為1.8～3.0min/mm，空冷至室溫，制得板厚為10～60mm的中厚板。
本發(fā)明高強(qiáng)度易焊接時(shí)效硬化鋼的中厚板的生產(chǎn)工藝參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果列于表2和表3。本發(fā)明高強(qiáng)度易焊接時(shí)效硬化鋼的熱軋板的生產(chǎn)工藝參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。
實(shí)施例列舉了上、中、下限三種成份的高強(qiáng)度易焊接時(shí)效硬化鋼，分別對(duì)應(yīng)于各表中的成份1、2、3。試驗(yàn)分別按熱軋板和中厚板兩種工藝生產(chǎn)，其中上、下限成份每種工藝軋制了較厚和較薄的兩種規(guī)格。從表3和表4反映出的性能來(lái)看，各成份的10～60mm中厚板和3～25mm熱軋板都能滿足屈服強(qiáng)度≥520Mpa，-40℃V型缺口夏比沖擊功≥160J。
表1 本發(fā)明鋼的化學(xué)成分，wt％

表2本發(fā)明鋼中厚板制備方法及試驗(yàn)結(jié)果

制造例2除了將丙烯酸2-乙基己酯變?yōu)楸┧崾缩ゲ⑶也惶砑佣榛谆然@以外，用與制造例1相同的步驟調(diào)制。所得聚合物的組成與加入的單體組成基本一致。共聚物乳液的組成如表1所示。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度易焊接時(shí)效硬化鋼，其特征在于該鋼的化學(xué)成份按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)為C0.01～0.08、Si0.05～0.50、Mn0.10～1.00、P≤0.018、S≤0.008、Nb0.005～0.080、Mo0.10～0.50、Ni0.50～1.80、Ti0.005～0.030、Cu0.60～1.80、Cr0.10～1.00，余量為Fe及不可避免的夾雜；該鋼同時(shí)還滿足碳當(dāng)量Ceq(％)≤0.50，熱敏感系數(shù)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.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度易焊接時(shí)效硬化鋼，其特征在于該鋼的化學(xué)成份中，按重量比Ni/Cu為0.80～2.0。
3.一種權(quán)利要求1所述高強(qiáng)度易焊接時(shí)效硬化鋼的熱軋板的生產(chǎn)方法，包括按超純凈鋼工藝進(jìn)行冶煉、鐵水脫硫、轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉、真空處理、澆注成板坯的步驟，其特征在于將所澆注的板坯加熱至1140～1200℃；先粗軋，每道次壓下率為20～30％，累計(jì)壓下率為80～90％，粗軋結(jié)束溫度為950～1050℃；再精軋，精軋開(kāi)軋溫度為900～950℃，中間道次壓下率為20～25％，最后兩道次壓下率為10～15％，終軋溫度為750～850℃；鋼板軋后采用層流冷卻，冷卻速度為15～40℃/s，卷取溫度為500～650℃，制得熱軋板。
4.一種權(quán)利要求1所述高強(qiáng)度易焊接時(shí)效硬化鋼的中厚板的生產(chǎn)方法，包括按超純凈鋼工藝進(jìn)行冶煉、鐵水脫硫、轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉、真空處理、澆注成板坯的步驟，其特征在于將所澆注的板坯以8～10min/cm的加熱速度均熱至1140～1200℃；先粗軋，開(kāi)軋溫度為950～1050℃，在950～1050℃進(jìn)行5～9道次軋制，每道次壓下率為12～15％，累計(jì)壓下率為70～80％；粗軋結(jié)束后用水急冷到940～960℃；再在750～950℃進(jìn)行6～10道次精軋，每道次壓下率為12～15％，終軋溫度為700～850℃；鋼板軋后進(jìn)行淬火，加熱溫度為900～950℃，保溫時(shí)間為1.8～3.0min/mm，以18～40℃/s的冷卻速度將鋼板冷卻至Ms轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下，冷卻介質(zhì)為水；最后對(duì)淬火后鋼板進(jìn)行回火，加熱溫度為500～660℃，保溫時(shí)間為1.8～3.0min/mm，空冷至室溫，制得中厚板。
全文摘要
一種高強(qiáng)度易焊接時(shí)效硬化鋼及其生產(chǎn)方法。其組份按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)為C0.01～0.08、Si0.05～0.50、Mn0.10～1.00、P≤0.018、S≤0.008、Nb0.005～0.080、Mo0.10～0.50、Ni0.50～1.80、Ti0.005～0.030、Cu0.60～1.80、Cr0.10～1.00，余量為Fe及不可避免夾雜；同時(shí)其還滿足碳當(dāng)量Ceq(％)≤0.50，熱敏感系數(shù)Pcm(％)≤0.25。該鋼的生產(chǎn)包括按超純凈鋼工藝進(jìn)行冶煉、鐵水脫硫、轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉、真空處理、澆注成板坯等步驟，再采用中厚板生產(chǎn)工藝或熱連軋生產(chǎn)工藝，軋制成中厚板或熱軋板。該鋼的屈服強(qiáng)度≥520MPa，－40℃V型缺口夏比沖擊功≥160J，具有極優(yōu)綜合機(jī)械性能、低溫韌性、耐大氣和海水腐蝕性、抗疲勞性，尤其適用于海洋船舶和石油鉆井平臺(tái)制造所需鋼種。
文檔編號(hào)C21D6/00GK1651589SQ200510018359
公開(kāi)日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2005年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月10日
發(fā)明者汪福成, 陸在學(xué), 張?jiān)蒲? 郭愛(ài)民 申請(qǐng)人:武漢鋼鐵(集團(tuán))公司