[发明专利]一种可以采用高热输入焊接的硼氮复合微合金钢及制造方法

说明书

技术领域

本发明属于微合金钢技术领域，特别是提供了一种可以采用高热输入焊接的硼氮复合微合金钢及制造方法。

背景技术

增氮钢一般是指氮含量在0.01wt％以上的低碳钒氮微合金钢。在这类钢中增氮，结合第三代TMCP技术，可以优化V-N粒子在奥氏体和铁素体中的析出，显著细化铁素体晶粒，提高沉淀强化增量，从而同时提高钢的强度和韧性。另外，在保持一定强度水平的前提下，在增氮的同时还可以适当降低钢中的碳含量，使钢在焊前不预热或经较低的温度预热即可避免焊接近缝区产生冷裂纹。目前，钒氮微合金技术在可焊接高强度钢筋、型材、板材、热轧带钢等产品中已得到了广泛应用。

但是，试验研究表明，当上述增氮钢以≥45kj/cm的热输入(对应的t_8/5≥30s)进行焊接时，由于在钢的近缝区(对应的峰值温度在1350℃附近)，V-N粒子促进大量粗大晶界铁素体转变，且后续转变形成的M-A岛硬度较高、尺寸较大、弥散度较低。由它们构成的多相组织在承受冲击载荷时，倾向于使微裂纹直接以微解理方式在软硬相界面处形核，且微裂纹很容易在粗大铁素体晶粒中扩展，最终形成以准解理或解理为主要特征的断口形貌，本质上属于脆性断裂，-40℃冲击功一般均低于27J。

如何抑制增氮钢在高热输入焊接条件下近缝区的脆化倾向，这是目前钒氮微合金化技术面临的重要问题。一种可能的途径是突破该类钢传统的微合金化思路，在增氮钢中加入微量的硼，通过合理控制硼含量与氮含量的范围和配比，在钢中形成有利的硼和氮的分布。其中，使一部分硼以固溶的形式存在，在焊后连续冷却时，固溶硼非平衡偏聚在近缝区奥氏体晶界，以抑制粗大晶界铁素体的形成；部分硼与部分氮结合，形成氮化硼粒子，另一部分氮与钒结合，形成VN粒子，两种粒子均促进晶内铁素体的形成，限止粒状贝氏体的粗化。即通过硼氮复合微合金化技术，以控制近缝区的连续冷却组织转变，获得细化的晶内铁素体和粒状贝氏体，抑制M-A岛硬相的脆化倾向，最终使这种硼氮复合微合金增氮钢在以较高的热输入焊接时，也能在近缝区获得良好的冲击韧性。

目前，从国内外公开的文献和专利中，也可见在钢中同时含有一定量硼和氮的实例。如R.J.Glodowski在“N Strain aging in ferritic steels”(Wire J.Int.，28(2005)1：70)一文和袁辉等人在“低碳含硼钢的开发历史及发展现状”(首钢科技，2005，(6)：21-23)一文中介绍，电炉钢中的氮含量较高，一般最高含量可接近0.01wt％，若电炉生产线材中的氮以自由氮的形式存在，则会产生应变时效脆化，降低拉拔加工性能。如在钢中加入适量硼，使硼与氮结合，以固定钢中的自由氮，则可以提高线材的加工性能。但这与本申请涉及的微合金化方法和所要达到的目的均有不同。

又如法国克鲁梭公司在中国申请的专利“可焊接的结构钢组件及其制造方法”(申请号200380103645.8)，提出将钢中的硼和氮分别控制在5～100ppm和≤250ppm范围内，且对硼含量和氮含量(ppm)的限定还符合B≥1/3×N+0.5。但是，该专利技术的目的是为了提高钢的淬透性以获得马氏体-贝氏体组织，因此要求尽可能高的硼与氮的配比。

又如美国埃克森美孚上游研究公司在中国申请的专利“具有优异低温韧性的超高强度三相钢”(申请号99814735.4)，提出将钢中的硼和氮分别控制在4～20ppm和≤20～50ppm。该专利技术涉及的钢如要经过焊接，其不足之处是N含量偏低，形成的VN和BN粒子的数量偏少，不能显著促进近缝区晶内铁素体的形成而限止贝氏体铁素体的长大。

又如日本专利“特开昭62-190016”提出采用TiN和BN使近缝区铁素体细化的方法。该专利技术的不足之处是硼与氮的配比偏低，当采用高热输入焊接时，在近缝区奥氏体晶界处产生足够的固溶硼偏聚，仍不能有效抑制粗大晶界铁素体的形成，还是会引起粗晶脆化现象。

又如日本专利“特开昭59-159968”提出利用晶界固溶硼防止网状粗大晶界铁素体而改善近缝区韧性的方法。该方法的不足之处是硼与氮的配比偏高，当以较高的热输入进行焊接时，还是会促进粗大粒状贝氏体的形成而不能抑制M-A岛引起的局部脆化现象。