焊接熱影響區(qū)韌性?xún)?yōu)異的高強(qiáng)度奧氏體類(lèi)鋼材及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種焊接熱影響區(qū)韌性?xún)?yōu)異的高強(qiáng)度奧氏體類(lèi)鋼材及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 奧氏體類(lèi)鋼材因其自身具有的加工硬化性、非磁性等性質(zhì)而可以以多種用途使 用。尤其是隨著目前主要使用的以鐵素體或馬氏體為主要組織的碳鋼的性能顯示出局限 性，奧氏體類(lèi)鋼材作為克服它們?nèi)秉c(diǎn)的替代品的使用呈增加的趨勢(shì)。
[0003] 奧氏體類(lèi)鋼材的使用領(lǐng)域有線(xiàn)性電動(dòng)機(jī)車(chē)軌道、聚變反應(yīng)堆等超導(dǎo)應(yīng)用裝置及普 通電裝置的非磁性結(jié)構(gòu)用材料，礦山產(chǎn)業(yè)的采掘，運(yùn)輸?shù)戎匾曚摬牡难诱剐约澳湍バ缘墓?業(yè)機(jī)械領(lǐng)域；擴(kuò)管用管道用鋼材、廢棄物管道用鋼材、耐酸（sour)鋼材等要求延展性、耐磨 性及耐氫脆化特性的油及氣體產(chǎn)業(yè)（OilandGasIndustries)中的采掘、運(yùn)輸及儲(chǔ)存領(lǐng)域 等，在這些工業(yè)領(lǐng)域中，對(duì)奧氏體類(lèi)鋼材的需求正在不斷增加。
[0004] 現(xiàn)有的具代表性的奧氏體類(lèi)鋼材有奧氏體類(lèi)不銹鋼AISI304(18Cr-8Ni類(lèi)）。但 是，上述鋼材由于屈服強(qiáng)度低，因此存在不能用作結(jié)構(gòu)材料的問(wèn)題，并且大量含有價(jià)格昂貴 的元素Cr、Ni等而具有非經(jīng)濟(jì)性，因此，在其用途及使用方面存在局限性。
[0005] 此外，為了將上述奧氏體類(lèi)鋼材的組織維持為奧氏體，錳含量和碳含量會(huì)增加，尤 其是為了維持高強(qiáng)度，碳含量高的同時(shí)Cr含量會(huì)非常高。在這種情況下，沿著奧氏體粒界， 在高溫下會(huì)形成網(wǎng)狀的碳化物，從而會(huì)降低鋼材的物理性質(zhì)，尤其會(huì)使延展性急劇下降。而 且，不僅是在基底金屬中形成所述碳化物，在通過(guò)高溫加熱后進(jìn)行冷卻的熱影響部上的碳 化物的形成會(huì)更加嚴(yán)重，從而會(huì)使焊接部的韌性顯著下降。
[0006] 為了抑制網(wǎng)狀的碳化物的析出，公開(kāi)了在高溫下進(jìn)行熔體化處理或通過(guò)在熱間加 工后急速冷卻至常溫來(lái)制備高錳鋼的方法。但是在鋼材的厚度厚的情況下，通過(guò)急速冷卻 來(lái)抑制碳化物的效果不充分，而且不能防止受到新的累積熱的焊接熱影響區(qū)中的碳化物析 出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0008] 本發(fā)明的目的在于，提供一種不僅能夠解決焊接熱影響區(qū)中產(chǎn)生的韌性降低問(wèn) 題，而且又能提高耐腐性的高強(qiáng)度奧氏體類(lèi)鋼材及其制備方法。
[0009] 解決技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)手段
[0010] 本發(fā)明的一實(shí)施方式，提供一種焊接熱影響區(qū)韌性?xún)?yōu)異的高強(qiáng)度奧氏體類(lèi)鋼材， 所述鋼材以重量％計(jì)，包含〇. 8~1. 5%C、15~22%Mn、5%以下Cr(0除外），余量的Fe 及其它不可避免的雜質(zhì)，并且進(jìn)一步包含下述（a)及（b)中的一種以上，并且焊接熱影響區(qū) 的微細(xì)組織以體積分?jǐn)?shù)包含90%以上的奧氏體；
[0011] 其中，（a)為 0? 1 ~1%Mo及 0? 001 ~0? 02%B，
[0012] (b)為 0? 01 ~0? 3%Ti及 0? 003 ~0? 1%N。
[0013] 本發(fā)明的另一實(shí)施方式提供一種焊接熱影響區(qū)韌性?xún)?yōu)異的高強(qiáng)度奧氏體類(lèi)鋼材 的制備方法，所述焊接熱影響區(qū)韌性?xún)?yōu)異的高強(qiáng)度奧氏體類(lèi)鋼材的制備方法包括以下步 驟：對(duì)以重量％計(jì)，包含0. 8~1.5%C、15~22%Mn、5%以下Cr(0除外），余量的Fe及其 它不可避免的雜質(zhì)，并且進(jìn)一步包含下述（a)及（b)中的一種以上的鋼坯在1050~1120°C 下進(jìn)行再加熱；對(duì)上述進(jìn)行了再加熱的鋼坯在950°C以上進(jìn)行熱間收尾軋制，從而獲得熱 軋鋼板；以及，以l〇°C/s以上的速度將所述熱軋鋼板冷卻至500°C以下；
[0014] 其中，（a)為 0? 1 ~1%Mo及 0? 001 ~0? 02%B，
[0015] (b)為 0? 01 ~0? 3%Ti及 0? 003 ~0? 1%N。
[0016] 發(fā)明的效果
[0017] 根據(jù)本發(fā)明，提供一種焊接熱影響區(qū)韌性?xún)?yōu)異的高強(qiáng)度奧氏體類(lèi)鋼材。其是通過(guò) 有效控制合金成分及組成范圍來(lái)控制焊接部的奧氏體晶粒尺寸，并提高奧氏體晶界穩(wěn)定 度，從而控制碳化物的析出，使得網(wǎng)狀的碳化物形成得到抑制。
[0018] 此外，通過(guò)添加Cr，使得所述奧氏體類(lèi)鋼材的耐腐蝕性得到提高，從而在腐蝕環(huán)境 下也可以長(zhǎng)時(shí)間使用。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1為利用藥芯焊絲電弧焊（FCAW)來(lái)對(duì)鋼材進(jìn)行焊接時(shí)的熱影響（HAZ)部的熱 循環(huán)的模擬圖。
[0020] 圖2為使用光學(xué)顯微鏡對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)明例2的焊接熱影響區(qū)進(jìn)行觀察的照 片。
[0021] 圖3為使用光學(xué)顯微鏡對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)明例6的焊接熱影響區(qū)進(jìn)行觀察的照 片。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 本發(fā)明的發(fā)明人確認(rèn)了為了使用奧氏體類(lèi)來(lái)控制鋼材組織而即使大量添加錳、碳 及鉻的情況下，為了避免產(chǎn)生因網(wǎng)狀碳化物而引起焊接部的韌性的問(wèn)題，需要適當(dāng)?shù)乜刂?鋼材的成分，從而完成了本發(fā)明。
[0023]S卩，為了確保奧氏體組織，添加錳、碳及鉻，并為了這時(shí)鋼材受到焊接等熱循環(huán)時(shí)， 能夠使由碳引起的碳化物的生成最小化，本發(fā)明確認(rèn)了通過(guò)調(diào)節(jié)根據(jù)錳含量而變化的碳含 量，可以充分確保包含焊接熱影響區(qū)的焊接部的韌性。此外，通過(guò)進(jìn)一步添加元素來(lái)提高奧 氏體晶界的穩(wěn)定度或控制焊接部的奧氏體晶粒尺寸，能夠積極抑制碳化物的形成，從而能 夠充分確?；捉饘偌昂附硬康捻g性，基于這一點(diǎn)而完成了本發(fā)明。
[0024] 下面，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。首先，對(duì)本發(fā)明鋼材的合金組成進(jìn)行說(shuō)明。但需要注意 的是，下述％在沒(méi)有特別提及的情況下，均表示重量％。
[0025] 碳（C) :0? 8 ~1. 5%
[0026] 碳作為穩(wěn)定奧氏體的元素，使得在常溫下能夠獲得奧氏體組織。其作為重要的元 素，能夠增加鋼材的屈服強(qiáng)度，尤其是固溶在奧氏體內(nèi)部，從而增加加工硬化，以能夠確保 高的抗張強(qiáng)度或用于確保在奧氏體上引起的非磁性。為了確保這樣的效果，所述碳的含量 優(yōu)選為0. 8%以上。碳的含量不足0. 8%時(shí)，奧氏體的穩(wěn)定度會(huì)降低，因固溶碳的缺乏而難 以獲得高強(qiáng)度。與此相反，碳的含量過(guò)多時(shí)，尤其是難以抑制焊接熱影響區(qū)上的碳化物的形 成，因低的熔點(diǎn)而導(dǎo)致生產(chǎn)率下降，因此碳的含量?jī)?yōu)選控制在1. 5%以下。因此，本發(fā)明中的 所述碳的含量?jī)?yōu)選為0.8~1.5%的范圍，為了實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度，進(jìn)一步優(yōu)選為1.0~1.5%的 范圍。
[0027]錳（Mn): 15 ~22%
[0028]錳作為起到穩(wěn)定奧氏體作用的元素，是添加到如本發(fā)明的高錳鋼中的最重要的元 素。本發(fā)明欲獲得以?shī)W氏體作為主要組織的鋼材，為此，本發(fā)明優(yōu)選以15%以上包含所述 錳。所述錳的含量不足15%時(shí)，奧氏體的穩(wěn)定度會(huì)降低，從而難以確保充分的低溫韌性。此 外，錳的含量超過(guò)22%時(shí)，會(huì)有因錳的加入而導(dǎo)致的耐腐蝕性下降、制備工序上的困難，以 及制備成本升高等問(wèn)題，因降低加工硬化而存在抗張強(qiáng)度降低的缺點(diǎn)。
[0029]鉻（Cr) :5% 以下（0 除外）
[0030] 鉻為對(duì)提高耐腐蝕性和強(qiáng)度有效的元素。本發(fā)明中，為了使奧氏體穩(wěn)定，包含上 述范圍的錳，通常，錳會(huì)降低鋼材的耐腐蝕性，尤其是在以上述范圍包含錳的情況下，存在 于普通鋼相比耐腐蝕性差的缺點(diǎn)。為了解決這一問(wèn)題，本發(fā)明以5%以下的含量來(lái)添加鉻， 從而使耐腐蝕性和強(qiáng)度均得到提高。但是，所述鉻的含量超過(guò)5%時(shí)，會(huì)帶來(lái)制備成本的升 高，而且，與固溶于材料內(nèi)的碳一起，沿著粒界會(huì)形成碳化物，從而會(huì)降低延展性，尤其會(huì)降 低乳化物應(yīng)變誘導(dǎo)抗裂性，并且會(huì)生成鐵素體，從而難以將奧氏體確保為主要組織，因此， 優(yōu)選將所述鉻的含量控制在5重量％以下。尤其是為了極大化耐腐蝕性的提升效果，進(jìn)一 步優(yōu)選以2重量％以上來(lái)添加所述鉻。由此，通過(guò)加入鉻來(lái)提升耐腐蝕性，從而也能夠廣泛 應(yīng)用于需要耐腐蝕性的領(lǐng)域。
[0031]Mo:0? 1 ~1%及B:0? 001 ~0? 02%
[0032]鉬及硼作為偏析于晶界而提高晶界的低穩(wěn)定度的元素，通常，起到控制因低的晶 界穩(wěn)定度而引起的在奧氏體晶界上大量析出碳化物的現(xiàn)象。鉬的含量不足〇. 1%時(shí)，晶界穩(wěn) 定度不能充分得到提高，因此不能對(duì)控制碳化物的析出起到大的作用，在超過(guò)1%時(shí)，會(huì)產(chǎn) 生制備成本的上升及根據(jù)高強(qiáng)度化的韌性降低，因此，所述鉬的含量?jī)?yōu)選為0. 1~1%的范 圍。與此同時(shí)，硼以不足0.001 %進(jìn)行添加時(shí)，晶界的穩(wěn)定度不能充分得到提高，從而不能對(duì) 控制碳化物的析出起到大的作用，在超過(guò)0.02%時(shí)，會(huì)根據(jù)高強(qiáng)度化而發(fā)生韌性降低及因 BN析出而導(dǎo)致的脆性。因此，所述硼的含量?jī)?yōu)選為0. 01~0. 02%范圍。
[0033]鈦（Ti) :0? 01 ~0? 3%及氮（N) :0? 003 ~0? 1%
[0034]鈦及氮作為在高溫下形成TiN的元素，在奧氏體晶粒生長(zhǎng)時(shí)，起到防止晶粒移動(dòng) 的作用。通常，Ti:N的比例小于3:1時(shí)，會(huì)形成粗大的TiN結(jié)晶，從而會(huì)對(duì)晶粒微細(xì)化造成 惡劣的影響，因此優(yōu)選將Ti:N的比例在3 :1下，向增加N的量的方向添加。以不足0. 01% 來(lái)添加Ti時(shí)，由于TiN的量的減少，從而不能對(duì)阻礙晶粒生長(zhǎng)起到大的作用，因此，優(yōu)選以 0.01%以上來(lái)進(jìn)行添加，超過(guò)0.3%時(shí)，由于在制鋼時(shí)產(chǎn)生氧化物，從而會(huì)降低生產(chǎn)率，因 此，優(yōu)選將其含量控制在〇. 3%以下。與此同時(shí)，以不足0. 003%添加N時(shí)，由于TiN的量的 減少，從而不能對(duì)阻礙晶粒生長(zhǎng)起到大的作用，因此，優(yōu)選以0. 003%以上來(lái)進(jìn)行添加，以超 過(guò)0. 1%來(lái)進(jìn)行添加時(shí)，雖然強(qiáng)度