本發明屬于冶金
技術領域：
，涉及一種大線能量焊接用高強船板鋼及其制造方法，具體的說是一種60mm厚E40級別TMCP態低成本大線能量焊接用高強船板鋼及其制造方法。
背景技術：
：大線能量焊接用鋼應用廣泛，比如，在造船行業中，使用普通船板的造船效率僅為高熱輸入焊接用船板的四分之一。國內無法生產時只能從國外進口，但價格昂貴。大線能量焊接方法是最為實用的提高焊接施工效率和降低成本的方式，《2006～2020年中國鋼鐵工業科學與技術發展指南》提出，高熱輸入焊接用鋼是我國鋼鐵行業重點發展的目標之一，具有廣闊的市場前景。當焊接熱輸入大于50kJ/cm稱為大線能量焊接，傳統鋼板在焊接熱輸入大于50kJ/cm情況下，由于焊接熱影響區組織的過度粗化，焊接接頭的力學性能會發生嚴重下降，甚至低于母材鋼板的標準要求，研究開發滿足大線能量焊接用鋼是解決大線能量焊接熱影響區低溫韌性惡化的有效途徑。已有的大線能量焊接用鋼板專利文獻，如CN1946862A、CN1338528A、CN101050502A、CN101050504A都含有合金元素Nb，其主要目的是提高母材鋼板的強度和韌性，成本高。技術實現要素：本發明要解決的技術問題是：提出一種TMCP態低成本大線能量焊接用高強船板鋼及其制造方法，在鋼的化學成分中不用加Nb，采用V、Ni微合金化元素提高鋼的強度和韌性，產品在保證大線能量焊接的前提下強度達到510MPa以上，生產周期短，生產節奏快，具有重大的經濟意義。本發明解決以上技術問題的技術方案是：一種TMCP態低成本大線能量焊接用高強船板鋼，其化學成分重量百分比為：C：0.04～0.12％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.10～1.70％，P：≤0.020％，S：≤0.0030％，V：0.030～0.060％，Alt：0.005～0.060％，Ceq：0.32～0.41％，Ti：0.005～0.030％，Ca：0.0005～0.0040％，Ni：0.05～0.40％，其余為Fe及不可避免的雜質。本發明較為優選的化學成分重量百分比為：C：0.060％，Si：0.24％，Mn：1.52％，P：0.008％，S：0.001％，V：0.030％，Alt：0.022％，Ceq：0.36％，Ti：0.012％，Ca：0.0008％，Ni：0.33％，其余為Fe及不可避免的雜質。化學成分是影響連鑄坯內部質量與鋼板性能的關鍵因素之一，本發明為了使所述鋼獲得優異的綜合性能，對所述鋼的化學成分進行了限制，原因在于：⑴碳是鋼中最重要的元素，同時也是最便宜的元素之一。碳是強間隙固溶元素，在鋼中加入碳可對鋼有著顯著的間隙固溶強化作用，從而提高低合金高強度鋼的強度，并且對鋼的強度貢獻最大。碳與鋼中的微合金元素(Nb、Ti、V等)結合形成碳化物，尤其是在奧氏體中形成細小、彌散分布的碳化物夾雜，起到晶粒細化和沉淀強化的作用，提高鋼的硬度和強度。鋼中含碳量增加時，屈服和抗拉強度升高，但塑性和沖擊韌性會降低，其焊接性能也會受損。為了適應大線能量焊接，改善鋼材的韌性，適當減少低合金高強度鋼的含碳量，可以提高鋼板的低溫沖擊韌性和焊接性能。用于焊接的低合金結構鋼，含碳量一般不超過0.20％。碳含量降低到0.10％以下，甚至更低，可以有效改善大線能量焊接熱影響區的韌性，降低鋼的焊接裂紋敏感性。低合金高強度鋼中采用低碳化設計，必然會造成強度損失。為了確保大線能量焊接用鋼在低碳的前提下仍具有高強度，需要采用合理的微合金化處理，通過添加微合金化元素來提高強度。所以本發明碳含量限定在0.04～0.09％。⑵錳是弱的碳化物形成元素，除少數溶于滲碳體外，幾乎都溶于鐵素體和奧氏體中，提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強度，通常增加錳含量來彌補因降低碳含量造成的部分強度損失。錳可以明顯降低轉變溫度,強烈降低晶界鐵素體開始轉變溫度，促進針狀鐵素體的形成。錳還是良好的脫氧劑和脫硫劑，常同硅、鈦一起加入進行復合脫氧，形成具有較高硫容量的復合夾雜，有效誘導晶內針狀鐵素體形核。錳與硫形成熔點較高的MnS，可防止形成FeS而產生熱脆現象。另外錳會增加鋼晶粒粗化的傾向、回火脆性敏感性和過熱敏感性。⑶硅能溶于鐵素體和奧氏體中從而提高鋼的硬度和強度，彌補降低碳含量造成的部分強度損失。硅在鋼水中有很好的脫氧作用,是良好的脫氧劑。用鋁脫氧時酌加一定量的硅，能顯著提高鋁的脫氧能力。然而硅含量過高能促進仿晶界鐵素體形核，抑制針狀鐵素體形成，增加M-A組元含量，降低鋼的塑性和韌性,使得鋼的焊接性能降低。因此大線能量焊接用鋼的成分應低硅化，促使微細的貝氏體和鐵素體組織形成。⑷鋁作為一種強氧化劑，具有很高的穩定性，可生成細小的氧化物彌散分散在鋼中。這些氧化物能作為夾雜物形核中心，誘導氮化物、碳化物和硫化物的附著析出。同時，鋁還是一種強的定氮劑，形成納米級的氮化鋁析出物，提高鋼的熱穩定性，抑制鋼在再加熱過程中的奧氏體晶粒粗化。但氮化鋁對奧氏體晶界的釘扎效應只局限在1100℃以內。在奧氏體分解時，鋁的復合夾雜能有效地誘導針狀鐵素體形核，細化晶粒并且提高韌性。在鋼中添加適量的鋁，熱影響區中M-A島數量減少，其平均長度降低，并且M-A中殘余奧氏體數量增加，從而提高熱影響區的韌性。當鋁含量較高時，鋁的氧化物夾雜聚集團簇，形成粗大的粒子，容易形成裂紋源。同時，鋁濃度增加能使鋼中形成不利的組織結構，如促使鋼中形成側板條鐵素體組織,降低鋼的韌性。⑸鈮是典型的析出強化元素，和碳、氮有著強烈的親和力。常溫時，鋼中的鈮大部分都是以碳化物、氮化物、碳氮化物形式存在。適量的鈮元素可以形成細小彌散的第二相粒子，在軋制過程中有非常好的細晶強化和沉淀強化效果。這些細小的第二相粒子還能在焊接過程中釘扎奧氏體晶粒，抑制晶粒粗化。部分鈮能固溶于奧氏體基體中，偏析在奧氏體晶界，通過溶質拖曳效應抑制奧氏體晶界移動來限制晶粒的長大，細化晶粒，提高強度和韌性。同時，鈮對熱影響區的組織和M-A組元的形態特征有顯著作用。但是鈮會導致第二相粒子粗大而失去抑制晶粒粗化的作用，還會抑制鐵素體轉變，促進粒狀貝氏體的形成,導致韌性嚴重惡化。所以本發明不加鈮。⑹釩和碳、氮等元素有極強的親和力，在鋼中主要以碳化物和氮化物的形式存在，可以通過析出強化來提高強度。在奧氏體中析出的VN能夠抑制奧氏體晶粒長大。在鐵素體區析出的VN，可以增加晶內鐵素體的形核核心，兩方面共同促進晶粒細化，顯著地改善低碳低合金鋼的焊接性能。但在大線能量焊接時，釩的碳氮化物并不能充分析出。⑺鈦和氧、氮、碳都有極強的親和力，是一種良好的脫氧劑和固定氮和碳的有效元素。鈦的氧化物被認為是鋼中最有效的形核夾雜，能有效地促進針狀鐵素體形核。⑻鎳是提高鋼低溫韌性非常重要的元素。在鋼中為純固溶元素，可強化鐵素體基體，并且具有明顯降低韌脆轉化溫度的作用。在液態或者固態時,能與鐵任意比例互溶，能抑制粗大的先共析鐵素體形成，細化鐵素體晶粒,改善鋼的低溫韌性。鎳是擴大奧氏體相區的元素，能影響碳與合金元素的擴散速度，阻止珠光體形成,提高淬透性，減緩焊接時的淬硬開裂趨向。⑼硫是鋼中的有害元素，它以熔點較低的FeS的形式存在,容易導致鋼產生熱脆現象，從而產生裂紋，鋼中的S易和Mn結合，形成MnS夾雜的層狀偏析，使板厚方向的強度和塑性大幅度降低，產生層狀撕裂,危害鋼的性能。同時，在特定條件下鋼中的MnS,與VN、TiN一起釘扎奧氏體晶粒長大和誘發晶內鐵素體形核，有效地細化了晶粒和提高韌性。⑽磷是雜質元素，其最大的害處是偏析嚴重，顯著降低鋼的塑性和韌性，對焊接性也有不良影響。在鋼中與銅一起作用時,能提高鋼的耐大氣腐蝕性能。通過上述分析可知，不同的元素在大線能量焊接用鋼中有著不同的作用。根據元素的特征，設計出經濟型、高強度、高韌性和優良焊接性的大線能量焊接用鋼。本發明的大線能量焊接用鋼成分設計的基本思路是不加鈮以保證焊接性，增加錳和微合金化元素含量提高強度，控制磷、硫等雜質元素含量，有效地細化了晶粒和提高韌性，提高鋼的耐大氣腐蝕性能；采用氧化物冶金方法，形成細小彌散的微細夾雜，在焊接過程中抑制奧氏體長大和控制組織轉變，使得大線能量焊接用鋼粗晶區韌性保持在一個較好的水平。本發明采用V、Ni微合金化元素提高鋼的強度和韌性，不用加Nb，降低了成本。本發明TMCP態低成本大線能量焊接用高強船板鋼的生產工藝，包括以下工序：鐵水脫硫預處理→轉爐冶煉→LF精煉→RH精煉→連鑄→鑄坯檢驗、判定→鑄坯驗收→連鑄坯加熱→除鱗→軋制→冷卻→探傷→切割、取樣→噴印標識→入庫；鐵水脫硫預處理后硫含量控制在S≤0.005％，轉爐冶煉控制P含量≤0.013％，LF精煉進行夾雜物控制及合金成分調整，LF爐用Si鐵調整到適量的氧含量后，嚴格按照Ti鐵—Al線—Ca線的順序添加，且間隔時間不超過5min；RH精煉抽真空處理在高真空度≤5.0mbar條件下保持時間≥30分鐘，連鑄控制中包溫度在液相線8～22℃，連鑄坯堆垛緩冷48小時以上；連鑄坯加熱溫度為1150℃～1250℃，加熱時間為300～400min，出爐溫度為1130～1230℃；軋制采用奧氏體再結晶區和未再結晶區兩階段軋制，粗軋采用道次大壓下量破碎奧氏體晶粒，道次壓下量≥30mm，粗軋開軋溫度≥1050℃，粗軋成≥2.0h倍成品厚度的中間坯，粗軋終軋溫度控制在900～1050℃，精軋開軋溫度為780～880℃，每道次壓下率為10～15％；軋后控制冷卻，采用層流冷卻，返紅溫度為600～700℃，隨后空冷。這樣，通過基于氧化物冶金技術的冶煉工藝，在鋼中形成細小化、彌散化、復合化的氧化物粒子，利用這些高溫熱穩定的細小彌散夾雜物粒子釘扎高熱輸入條件下焊接熱影響區的奧氏體晶界，細化奧氏體晶粒，同時利用這些氧化物作為晶內針狀鐵素體IAF的形核點，使焊接熱影響區內形成強韌性較好的IAF組織，進而提高大線能量焊接熱影響區的韌性。本發明成分合理，鋼板綜合力學性能良好，具體表現為：屈服強度≥400MPa，抗拉強度≥510MPa，適合焊接線能量在150-250kJ/cm范圍內的高強船板鋼，在150kJ/cm和250kJ/cm的大線能量焊接條件下，鋼板的HAZ在-40℃下的平均沖擊功在150J以上，無需熱處理，生產成本較低。本發明的有益效果是：⑴通過合理的采用低碳無鈮成分設計，通過基于氧化物冶金技術的冶煉工藝，在鋼中形成細小化、彌散化、復合化的氧化物粒子，利用這些高溫熱穩定的細小彌散夾雜物粒子釘扎高熱輸入條件下焊接熱影響區的奧氏體晶界，細化奧氏體晶粒。同時利用這些氧化物作為晶內針狀鐵素體IAF的形核點，使焊接熱影響區內形成強韌性較好的IAF組織，進而顯著提高大熱輸入焊接熱影響區的韌性。⑵本發明采用TMCP技術結合高溫低速大壓下軋制生產高強船板鋼，無需熱處理，降低了成本，生產工序穩定。附圖說明圖1為本發明實施例60mm厚E40級別大線能量焊接用高強船板鋼焊接HAZ粗晶區金相圖片。具體實施方式實施例實施例1-3為60mm厚E40級別大線能量焊接用高強船板鋼的制造方法，采用低碳無鈮、氧化物冶金工藝，添加微量元素Ni、V，同時采用控軋控冷技術。實施例1-3的主要化學成分如表1所示：表1本發明實施例的主要化學成分(wt％)實施例CSiMnPSAltVTiNiCeq實施例10.080.241.520.0080.00100.0220.0300.0120.330.36實施例20.100.201.400.0100.00180.0250.0450.0220.250.36實施例30.050.281.600.0140.00200.0400.0500.0200.280.35各實施例的軋制冷卻工藝參數如表2所示：表2軋制冷卻工藝參數實施例厚度mm粗軋終軋溫度℃精軋開軋溫度℃終軋溫度℃返紅溫度℃實施例1601081835826640實施例2601073848843580實施例3601053827833600鋼坯采用控軋控冷工藝生產厚度60mm的E40級別大線能量焊接用高強船板鋼，包括以下工序：鐵水脫硫預處理→轉爐冶煉→LF精煉→RH精煉→連鑄→鑄坯檢驗、判定→鑄坯驗收→連鑄坯加熱→除鱗→軋制→冷卻→探傷→切割、取樣→噴印標識→入庫；主要工藝要點如下：鐵水脫硫預處理后硫含量控制在S≤0.005％，轉爐冶煉控制P含量≤0.013％，LF精煉進行夾雜物控制及合金成分調整，LF爐用Si鐵調整到適量的氧含量后，嚴格按照Ti鐵—Al線—Ca線的順序添加，且間隔時間不超過5min；RH精煉抽真空處理在高真空度≤5.0mbar條件下保持時間≥30分鐘，連鑄控制中包溫度在液相線8～22℃，連鑄坯堆垛緩冷48小時以上；連鑄坯加熱溫度為1150℃～1250℃，加熱時間為300～400min，出爐溫度為1130～1230℃；軋制采用奧氏體再結晶區和未再結晶區兩階段軋制，粗軋采用道次大壓下量破碎奧氏體晶粒，道次壓下量≥30mm，粗軋開軋溫度≥1050℃，粗軋成≥2.0h倍成品厚度的中間坯，粗軋終軋溫度控制在900～1050℃，精軋開軋溫度為780～880℃，每道次壓下率為10～15％；軋后控制冷卻，采用層流冷卻，返紅溫度為600～700℃，隨后空冷。高溫下線緩冷工藝：鋼板熱矯后置于冷床冷卻，下線溫度250～500℃，堆冷時間48小時，得到60mm的E40級別大線能量焊接用高強船板鋼。本實施例中，加熱溫度為1220℃，保溫時間為140min，出爐溫度為1200℃；粗軋每道次壓下量35mm，粗軋成2.2成品厚度的中間坯；精軋開軋溫度820～850℃，每道次壓下率＞10％；終冷溫度650～680℃；下線溫度440℃，鋼板下線后采用堆冷，堆冷時間48小時。按照本發明實施的鋼板力學性能如表3所示。本發明實施例鋼板綜合力學性能良好，其屈服強度≥400MPa，抗拉強度≥510MPa，適合焊接線能量在150-250kJ/cm范圍內的高強船板鋼，在150和250kJ/cm的大線能量焊接條件下，鋼板的HAZ在-40℃下的平均沖擊功在150J以上，無需熱處理，生產成本較低。表3本發明實施例的實物性能除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護范圍。當前第1頁1 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