一種可高熱輸入焊接釩氮鈦高強(qiáng)度鋼板及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于焊接結(jié)構(gòu)用低合金高強(qiáng)度鋼板技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種可高熱輸 入焊接釩-氮-鈦高強(qiáng)度鋼板及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了提高焊接結(jié)構(gòu)件的焊接效率并降低構(gòu)件成本，高熱輸入焊接方法（熱輸入 多50kJ/cm)，如單面埋弧焊，氣電立焊及電渣焊等焊接方法在焊接作業(yè)中被逐漸采用。與 中、低熱輸入焊接相比，高熱輸入焊接條件下，在焊接融合線附近所達(dá)到的峰值溫度升高 (可達(dá)到1350-1400°C)，導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)的奧氏體晶粒明顯粗化；在焊后冷卻過程中，由 于冷速較慢，在粗大的奧氏體晶粒條件下，易形成一些脆性組織，如粗大的晶界鐵素體，魏 氏鐵素體，粗大貝氏體和Μ-A相等，導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)低溫韌性明顯降低。
[0003] 利用TiN技術(shù)控制焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒長大是改善鋼焊接性能的重要手段。 TiN粒子熱穩(wěn)定性高，在焊接熱循壞過程中起到阻止奧氏體晶粒長大的作用。TiN顆粒尺寸 越小、數(shù)量越多，阻止奧氏體晶粒長大的效果越明顯。中國專利申請(qǐng)"一種適應(yīng)高熱輸入焊 接的船體結(jié)構(gòu)鋼及其冶煉方法（申請(qǐng)?zhí)?00910187626. 7)"主要是利用TiN技術(shù)改善大熱 輸入條件下焊接熱影響區(qū)韌性。然而，焊接過程中所達(dá)到的峰值溫度隨著焊接熱輸入的提 高而升高，高熱輸入條件下，TiN粒子會(huì)溶解或發(fā)生粗化，因此TiN粒子阻止高溫奧氏體晶 粒長大的作用減弱。
[0004] 為了克服上述缺陷，利用高溫下具有更高穩(wěn)定性的氧化物粒子，如!1工&、1%、&等 的氧化物阻止高溫奧氏體晶粒長大，并利用細(xì)小氧化物促進(jìn)晶內(nèi)針狀鐵素體形成，從而達(dá) 到改善焊接熱影響區(qū)的組織和韌性的目的。相關(guān)專利有：新日本制鐵株式會(huì)社申請(qǐng)的專利 "大熱輸入焊接熱影響區(qū)韌性優(yōu)化的厚鋼板"(特開2005-298900)，中國發(fā)明專利申請(qǐng)"一種 大線能量焊接熱影響區(qū)韌性優(yōu)良的鋼板及其制造方法（申請(qǐng)?zhí)枮?01010291514. 9) "、"一 種大線能量焊接高強(qiáng)度海洋用鋼板及其制造方法（申請(qǐng)?zhí)枮?00710052135. 2) "、"一種大 線能量焊接高強(qiáng)度船板鋼及其制造方法（申請(qǐng)?zhí)枮?00710052132. 9) "和"一種大線能量焊 接低合金高強(qiáng)度船板鋼及其制造方法（申請(qǐng)?zhí)枮?00710052133. 3)，等。Ti、Ca、Mg、Ce等 的氧化物形成溫度高于鋼水凝固溫度，當(dāng)其在液態(tài)析出時(shí)，析出氧化物粒子生長不受限制， 形成的大顆粒夾雜物不能起到抑制晶粒長大作用，反而會(huì)使母材和熱影響區(qū)韌性下降。這 種氧化物冶金的方法因?yàn)樵诠I(yè)生產(chǎn)中很難穩(wěn)定控制，應(yīng)用上受到限制。
[0005]與本發(fā)明成分相近的專利有：中國專利"一種微合金化易焊接增氮鋼"（【申請(qǐng)?zhí)枴?200910082415. 7)，該專利鋼的主要成分含有釩、鈦及氮，在此基礎(chǔ)上要求含有一定量的Mo， 主要解決中、低熱輸入條件下（20~60kJ/cm)增氮微合金鋼焊接性能不足的問題。日本 新日鐵公司申請(qǐng)的專利"焊接熱影響區(qū)韌性優(yōu)良的大熱輸入焊接用鋼"（特開平5-186848) 和"大熱輸入焊接熱影響區(qū)韌性優(yōu)化的厚鋼板"（特開2007-327099)，除含有釩、鈦及氮元 素外，前者要求添加改善強(qiáng)度韌性的合金元素，后者要求低的氮含量（〇. 001~〇. 006% )， 而且這兩個(gè)專利均沒有對(duì)釩、鈦、氮三者之間的配比進(jìn)行規(guī)定。當(dāng)鋼中鈦、釩與氮比值
[(Ti+V)/N]偏高，釩、鈦固溶含量增加，會(huì)增加焊接熱影響區(qū)硬脆組織形成傾向，該比值偏 低，焊接熱影響區(qū)中自由氮增加，顯著損害熱影響區(qū)韌性。
[0006] 目前高強(qiáng)度級(jí)結(jié)構(gòu)鋼大多采用鈮微合金化鋼，有中國發(fā)明專利"一種適合大線能 量焊接的低合金高強(qiáng)度鋼板及制備方法"（【申請(qǐng)?zhí)枴?00610047899. 8)。鈮微合金化鋼在精乳 階段通常要求在未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行乳制，乳制溫度低，變形抗力增加，對(duì)乳機(jī)能力要求較高， 同時(shí)也影響生產(chǎn)效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明目的在于提供一種可高熱輸入焊接釩-氮-鈦高強(qiáng)度鋼板及其制備方法， 成分簡單、生產(chǎn)工藝易于控制、適合高效生產(chǎn)。通過釩-氮-鈦復(fù)合微合金化以及控制三者 的比例，配合以控乳控冷工藝，鋼板在高熱輸入焊接熱循環(huán)過程中，焊接熱影響區(qū)相變前， 能夠形成一定密度的（Ti，V) (N，C)粒子，這些粒子有促進(jìn)晶界及晶內(nèi)鐵素體形核的作用， 使得焊接熱影響區(qū)獲得以鐵素體為主的組織，保證焊接熱影響區(qū)韌性優(yōu)良。
[0008] 本發(fā)明釩-氮-鈦高強(qiáng)度鋼板的化學(xué)成分（wt%):碳：0.06~0.12%;錳：1.0~ 1. 5% ;硅：0· 1 ~0· 3% ;硫：彡 0· 010% ;磷：彡 0· 015% ;釩：0· 05 ~0· 10% ;氮：0· 0060 ~ 0. 020%，鈦：0. 008~0. 025%;其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明鋼板的釩、鈦與氮含量 重量分?jǐn)?shù)符合：5. 5彡（V+Ti)/N彡12. 5。本發(fā)明鋼成分選擇依據(jù)如下：
[0009] (1)碳：碳是保證鋼板強(qiáng)度的基本元素，同時(shí)也是降低鋼板韌性和焊接性能的主 要元素。隨碳含量增加，焊接熱影響區(qū)中的硬脆組織含量增加，焊接熱影響區(qū)韌性惡化，尤 其是在高熱輸入條件下。從同時(shí)兼顧鋼板強(qiáng)度水平及焊接性能角度考慮，本發(fā)明鋼種碳含 量控制在0.06 %~0. 12%。
[0010] (2)錳：錳固溶于奧氏體中時(shí)，可以降低γ-α臨界轉(zhuǎn)變溫度，從而可以細(xì)化鋼 基體組織，提高鋼的強(qiáng)韌性。錳含量控制在1.0%以上以保證鋼的強(qiáng)度。錳含量超過1.5% 時(shí)，鋼板易產(chǎn)生明顯的中心偏析，在高熱輸入焊接條件下，這些部位容易產(chǎn)生淬硬組織，降 低焊接熱影響區(qū)韌性。因此，錳含量控制在1. 〇%~1. 5%為宜。
[0011] (3)硅：硅主要作為煉鋼時(shí)的脫氧劑加入，當(dāng)硅含量低于0. 1 %時(shí)，鋼水易氧化。硅 也具有強(qiáng)化鐵素體的作用。高熱輸入焊接條件下，硅會(huì)促進(jìn)焊接熱影響區(qū)Μ-A相的形成，從 而損害焊接性能。本發(fā)明鋼種硅含量控制在〇. 1~〇. 3%。
[0012] (4)硫和磷：硫和磷是鋼中雜質(zhì)元素，嚴(yán)重?fù)p害母材和焊接熱影響區(qū)的韌性。因 此，硫、磷含量應(yīng)當(dāng)分別控制在彡0.01 %以下和彡0.015%以下。
[0013] (5)鈦：鈦易與氮結(jié)合形成TiN。TiN粒子熱穩(wěn)定性高，可以阻止焊接熱影響區(qū)奧 氏體晶粒的長大。在焊接冷卻過程中，TiN粒子優(yōu)先形成，隨后析出的V(N，C)在TiN上在 形核，促進(jìn)晶界及晶內(nèi)鐵素體形成。鈦含量低于〇. 008%，TiN粒子數(shù)量有限，不足以發(fā)揮上 述作用；但鈦含量高于0. 025%，鈦易于在鋼液中析出，形成的粗大TiN粒子，TiN數(shù)量減少， 減弱了其作為V(N，C)形核基體的作用。因此鈦的含量控制在0.008%~0.025%。
[0014] (6)釩：一方面是鋼中能夠產(chǎn)生顯著沉淀強(qiáng)化效果的微合金元素，另一方面通過 控制乳制工藝，促進(jìn)VN粒子在奧氏體中析出，這些粒子可以成為晶界及晶內(nèi)鐵素體的形核 基體。在高熱輸入條件下，VN析出促進(jìn)焊接熱影響區(qū)鐵素體轉(zhuǎn)變，同時(shí)以（Ti，V) (N，C)粒 子為核心形成的晶內(nèi)鐵素體起到分割原奧氏體晶粒的作用，細(xì)化相變后的焊接熱影響區(qū)組 織。當(dāng)釩含量低于0.05%時(shí)，釩析出動(dòng)力不足，導(dǎo)致釩析出不夠，上述作用不明顯；釩含量 高于0. 10%時(shí)，相變前焊接熱影響區(qū)中的固溶釩量明顯增加，會(huì)導(dǎo)致相變后焊接熱影響區(qū) 貝氏體型組織增加。因此釩含量控制在0. 05%~0. 10%。
[0015] (7)氮：氮是本發(fā)明鋼中的關(guān)鍵微合金化元素。氮增加，一方面增加TiN粒子的高 溫穩(wěn)定性，另一方面，使TiN粒子密度增加，分布更加均勻彌散，尺寸更加細(xì)小。氮也增加釩 在奧氏體及鐵素體中的析出驅(qū)動(dòng)力，使釩的析出粒子更加細(xì)小和彌散；氮顯著增強(qiáng)釩的析 出強(qiáng)化作用，每增加0. 001 %N，析出強(qiáng)化作用約提高6MPa。在高熱輸入焊接熱循環(huán)過中， 未溶TiN粒子抑制焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒長大；在焊接冷卻過程中，富鈦的氮化物首先 形成，氮增加促進(jìn)釩在奧氏體中的析出，形成V(N，C)粒子，它們常以TiN粒子為基底形核， 析出驅(qū)動(dòng)力足夠時(shí)，也可單獨(dú)形核。這些粒子是焊接熱影響區(qū)晶界以及晶內(nèi)鐵素體的有效 形核核心，促進(jìn)晶界或晶內(nèi)多邊形或針狀鐵素體體積分?jǐn)?shù)增加，改善焊