[发明专利]具有高焊接热影响区韧性的高强钢及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种具有高焊接热影响区韧性的高强钢及其制造方法。

背景技术

低碳高强度低合金钢是最重要工程结构材料之一，广泛应用于石油天然气管线、海洋平台、造船、桥梁、压力容器、建筑结构、汽车工业、铁路运输及机械制造之中。低碳高强度低合金钢本身性能和其焊接性能取决于其化学成分、制造过程的工艺制度，其中强度、韧性和焊接性是低碳高强度低合金钢最重要的性能，它最终决定于成品钢材的显微组织状态。在以往的高强钢焊接中，由于含碳量较高，碳当量和裂纹敏感系数也较高，焊接热影响区的晶粒在焊接热循环的作用下呈剧烈长大，焊接热影响区的组织呈现出魏氏体，焊接热影响区的韧性较母材有较大幅度的下降，随着科技不断地向前发展，钢中的C、S、P的含量进一步降低，人们对钢的强韧性及焊接性提出更高的要求，即在钢板保持高韧性的同时也具有高韧性的焊接热影响区，使得钢材的应用范围能够进一步推广。

日本新日铁公司公开了名为“含C、Mn、P、S、Al、B、N、Ni和/或Cu的HAZ具有高韧性的高锰超高强钢”的专利(JP04-346636)和名为“通过Al完全脱氧形成MnS化合物粒子制造大线能量焊接高强钢的方法”的专利(JP2-704810)，这两项专利的发明点都在于大线能量焊接，是通过弥散细小的质点细化热影响区的晶粒，以此达到在大线能量焊接条件下热影响区韧性的提高。其不足之处在于两项专利的钢板均不具备低焊接裂纹敏感性。

发明内容

为克服现有技术的不足，提高高强钢在应用过程中的焊接性能，本发明的目的在于提供一种具备较低的焊接裂纹敏感性和不低于母材焊接热影响区韧性的高强钢及其制造方法。

本发明具有高焊接热影响区韧性的高强钢的化学成分(重量百分比)为：C：0.01％～0.04％、Si：0.05％～0.6％、Mn：1.5％～2.2％、Nb：0.015％～0.070％、Ti：0.005％～0.03％、B：0.0005％～0.005％、Al：0.015％～0.07％、Mo：0.2％～0.5％、Cu：0.5％～1.5％、Ni：0.1％～1.0％、Cr：0.3％～0.70％，其余为Fe及不可避免的杂质。钢中的杂质元素的上限控制在P＜0.02％、s＜0.01％、N＜0.006％。钢的显微结构为铁素体和贝氏体混合组织，并满足焊接裂纹敏感性指数Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.25％。

本发明所述的高强钢的制造方法包括冶炼和铸造，轧制过程采用控轧控冷技术，其特点是轧前钢坯在加热炉内的加热温度为1100～1250℃；轧制时采用两阶段轧制工艺，按照再结晶和未再结晶两个阶段进行，再结晶阶段轧制温度≥1000℃，道次变形量控制15％～30％；未再结晶阶段轧制温度为950～750℃，积累变形量大于50％；终轧后采用两阶段冷却方式，轧后进行30～100秒待温，温度降至700～750℃，再以20～40℃/s冷却速度快冷至终冷温度500～600℃，之后空冷至≤200℃。为保证钢的性能更为稳定，空冷后可进行回火处理，回火温度为500～650℃。

本发明的设计思路在于采用钢包精炼及连铸，降低C、P、S的含量，利用高温非再结晶区控轧得到细长的变形奥氏体晶粒，在钢中加入少量提高淬透性的元素，如Mn、Mo、Nb、B，在轧后控冷的的条件下，变形奥氏体转变成为细小的铁素体和各种形态的贝氏体组织，在基体中均匀分布大量的TiNb(C，N)(尺寸大约在10nm-20nm之间)第二相粒子，在在焊接热循环高温作用下，重新奥氏体化，第二相粒子阻止奥氏体晶粒的长大，在焊接快速冷却作用下，粗晶区形成板条状的贝氏铁素体，在冷却过程中贝氏体以切变方式形成，产生数量极多的相变位错，使得即使在焊接时粗晶区晶粒长大的情况下，也能使粗晶区的韧性不低于母材，并且由于采用了超低碳设计，在焊接时不产生渗碳体，进一步提高了粗晶区的韧性。该钢的强度主要依靠贝氏体强化，采用超低碳设计，当C＜0.04％时，钢中淬硬倾向极小。

本发明以Mn元素作为主要元素，将Mn、Mo、Cu、Nb、Ti、B等元素对焊接热影响区贝氏体转变的作用充分联合应用，以Cr、Ni作为辅助元素，并与合理的控轧控冷生产工艺相结合，从而实现高强钢及焊接热影响区韧性的提高，使该钢在焊接热影响区晶粒长大的同时，也能使热影响区的韧性不低于母材。

本发明选择的合金元素在钢中的主要作用在于：