[發(fā)明專利]一種易焊接低碳貝氏體鋼及制造方法

無效

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• 申請日: 2010-03-11
• 公開（公告）號: CN101787489A
• 公開（公告）日: 2010-07-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王青峰;王玉輝;劉利剛
• 申請（專利權(quán)）人: 燕山大學(xué)
• 主分類號: C22C38/14
• 分類號: C22C38/14;C21C7/06;C21C7/064;C21D1/00;B21B1/30;B21B37/74
• 代理公司: 北京華誼知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11207
• 代理人: 劉月娥

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微合金鋼技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種易焊接低碳貝氏體鋼及制造方 法。

背景技術(shù)

在鋼中添加5～30ppm的硼，并以固溶硼形式在奧氏體晶界處偏聚時，可以推遲 γ→α轉(zhuǎn)變。由于硼對先共析鐵素體生成的延緩與對貝氏體轉(zhuǎn)變的延緩相比，其作用效 果要大得多，而利于貝氏體的形成。當(dāng)鋼中的硼與錳、鉬、鉻、銅等合金元素共同作 用時，促進貝氏體轉(zhuǎn)變的效果更顯著，在很寬的冷卻速度范圍內(nèi)，奧氏體的連續(xù)冷卻 轉(zhuǎn)變，都將產(chǎn)生大量甚至全部的貝氏體組織。另外，微量硼與鈮的共同作用，顯著抑 制鋼的再結(jié)晶，結(jié)合控軋控冷技術(shù)，可以顯著細(xì)化貝氏體組織。利用上述合金化設(shè)計 思路，近三十年來，已先后出現(xiàn)了Mn-Nb-B、Mn-Mo-Nb-B、Mn-Cu-Nb-B、Mn-Cr-Nb-B、 Mn-Mo-Cr-Nb-B、Mn-Mo-Cr-Cu-Nb-B等多個系列的微合金控軋低碳貝氏體鋼。

這類含硼低碳貝氏體鋼一般都要求碳含量低、鋼質(zhì)純凈，基本消除了鋼中的碳化 物，且非金屬夾雜物含量低，即使存在少量高碳馬氏體島或馬氏體-奧氏體(M-A)島 等硬相粒子，但經(jīng)過控軋控冷后得到的細(xì)晶粒組織，對這種硬相粒子引起的脆化傾向 有抑制作用，因此該鋼具有優(yōu)良的低溫韌性，-40℃卻貝沖擊功甚至可以達到200J以上。

由于上述化學(xué)成分特點，這類鋼一般還具有如下突出的焊接性能：一是低焊接冷 裂紋敏感性。該鋼因碳含量一般均低于0.10％，根據(jù)Granville提出的焊接性與碳含量 和碳當(dāng)量Ceq的關(guān)系，即使其它合金成分較高、Ceq達到≤0.45％左右(注：IIW推薦 Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15)，但焊接冷裂紋傾向仍較低。另根據(jù)日本 焊接協(xié)會WES3009-1983提出的低焊接冷裂紋敏感性指數(shù)(P_cm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr) /20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B)，該鋼的P_cm一般均≤0.20％，焊前不預(yù)熱或經(jīng)較低的溫度 (一般低于50℃)預(yù)熱即可避免根部裂紋的產(chǎn)生。二是低熱輸入焊接熱影響區(qū)良好的 低溫韌性。原因在于該鋼一般含有微量的鈦，以TiN粒子的形式存在，對限制焊接熱 影響區(qū)原奧氏體晶粒的長大有利，在低熱輸入焊接導(dǎo)致的較短高溫停留時間短下，上 述作用顯著；另外，在低熱輸入焊接導(dǎo)致的較高冷速下，在相對細(xì)小的原奧晶粒的內(nèi) 部空間，往往形成大量細(xì)板條貝氏體和少量粒狀貝氏體，對低溫韌性有利。因此，低 碳貝氏體鋼在管線、橋梁、船舶、大型裝備等重要工程結(jié)構(gòu)上獲得了較為廣泛的運用。

但是，目前低碳貝氏體鋼在焊接性能方面存在的不足之處是：高熱輸入焊接熱影 響區(qū)低溫韌性不足，使該鋼在需要采用埋弧焊、氣電立焊等高熱輸入焊接工藝的厚板 結(jié)構(gòu)上的運用受到限制。大量工程實踐和試驗研究表明，當(dāng)上述含硼低碳貝氏體鋼經(jīng) ≥45kj/cm的高熱輸入(對應(yīng)的t_8/5≥30s)焊接后，在近縫區(qū)(熔合線外約1mm處、焊 接熱循環(huán)峰值溫度在1350℃左右)，原奧氏體晶粒仍然會粗化，空冷后的組織以粒狀貝 氏體為主，且它們的板條形態(tài)發(fā)達，嚴(yán)重時甚至?xí)┻^整個原奧晶粒。這種粒狀貝氏 體本質(zhì)上是由粗大的貝氏體鐵素體軟相基體和馬氏體-奧氏體(M-A)島硬相構(gòu)成的多 相組織，在承受沖擊載荷時，傾向于使微裂紋直接以微解理方式在軟硬相界面處形核， 且很容易在粗大的貝氏體鐵素體基體中擴展，最終形成解理斷口和脆性斷裂，-40℃沖 擊功一般均低于47J。

如何在保持含硼低碳貝氏體鋼現(xiàn)有優(yōu)勢性能的基礎(chǔ)上，從本質(zhì)上改進它的高熱輸 入焊接性能，這是目前這類鋼進一步發(fā)展所面臨的重要問題，需要在相關(guān)合金化和微 合金化技術(shù)方面加以新的探索。

申請人經(jīng)過大量的試驗研究發(fā)現(xiàn)，一種可行的解決途徑是突破該類鋼傳統(tǒng)的低氮 控制水平的思路，在含硼低碳貝氏體鋼中適度添加微量的氮(0.0040～0.010wt％)和 釩(0.03～0.10wt％)，目的是利用VN和BN粒子在高熱輸入焊接近縫區(qū)誘發(fā)晶內(nèi)微 細(xì)鐵素體的形核、以限制粒狀貝氏體在粗大原奧晶粒內(nèi)部的生長空間，從而細(xì)化組織、 降低脆化傾向。

為此，申請人進行了大量的試驗研究，解決了其中相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問題，通過合 理控制鋼中硼含量與氮含量的范圍和二者之間的配比，以形成有利的硼和氮的分布， 使固溶硼在鋼中促進貝氏體轉(zhuǎn)變的作用和VN、BN粒子在焊接近縫區(qū)中促進晶內(nèi)微細(xì) 鐵素體轉(zhuǎn)變的作用得以兼顧，使鋼和焊接近縫區(qū)均獲得了良好的低溫韌性。