專利名稱：一種大線能量焊接用管線鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低合金高強(qiáng)度鋼技術(shù)領(lǐng)域，更具體地講，涉及一種大線能量焊接用管線鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
X80管線鋼是一種高強(qiáng)度管線鋼，其中，X80為高強(qiáng)度管線鋼美國(guó)分類型號(hào)，表示管線鋼的最小屈服強(qiáng)度為SOOOOpsi (約為552MPa)。隨著石油、天然氣等能源用量的不斷增長(zhǎng)，管線鋼技術(shù)革新也正飛速發(fā)展。X80管線鋼由于其高強(qiáng)度、高韌性已應(yīng)用于在建的“西氣東輸二線”輸氣管道工程及中俄石油管道工程的主干管線。盡管目前已有很多大中型鋼廠能制造X80級(jí)別管線鋼，但是傳統(tǒng)的X80級(jí)別管線鋼雖然擁有較好的強(qiáng)韌匹配性，但是都無法滿足在大線能量焊接條件下(例如，線能量大于等于lOOKJ/cm或大于等于200KJ/cm)使用。通常，現(xiàn)有的使用X80管線鋼進(jìn)行焊接的管道施工現(xiàn)場(chǎng)的焊接線能量都偏低，一般采用30KJ/cm的焊接線能進(jìn)行管道焊接。低線能量下管道焊接已經(jīng)成為提高管道鋪設(shè)效率、節(jié)約成本的主要瓶頸之一。大線能量焊接管線鋼可以顯著提高管道的鋪設(shè)效率、節(jié)約成本，是下一代高強(qiáng)度高韌性管線鋼發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。然而，在大線能量焊接條件下，傳統(tǒng)的高強(qiáng)度高韌性的 X80管線鋼在焊接時(shí)，存在粗晶熱影響區(qū)的晶粒嚴(yán)重粗化和組織改變等問題，這將導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)的性能與管線鋼母材的性能嚴(yán)重不匹配，并且焊接接頭粗晶熱影響區(qū)不再具有管線鋼的諸多優(yōu)異性能。目前，為了提高X80級(jí)別管線鋼在大線能量焊接條件下的性能，以改善焊接粗晶熱影響區(qū)低溫沖擊韌性顯著降低這一缺點(diǎn)，有學(xué)者認(rèn)為通過往鋼水中加Ti、N元素形成TiN 析出物來改善焊接粗晶熱影響區(qū)韌性，但是在大線能量焊接條件下焊接粗晶熱影響區(qū)加熱溫度很高(通常，高于1370°C )，因此，TiN會(huì)溶解。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的一方面通過控制X80級(jí)別管線鋼的化學(xué)成分和/或制造工藝參數(shù)等條件制得了能夠在大線能量焊接(例如，線能量大于等于lOOKJ/cm 或大于等于200KJ/cm)條件下保持優(yōu)良性能的X80管線鋼。該大線能量焊接用X80管線鋼也能夠作為其它要求大線能量焊接的鋼種使用，例如，作為高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼使用。本發(fā)明的另一方面提供了一種制造該大線能量焊接用X80管線鋼的方法。本發(fā)明的一方面提供了一種大線能量焊接用管線鋼，所述大線能量焊接用管線鋼按重量百分比計(jì)包括0. 05% 0.08%的碳(C)、0. 15% 0. 35%的硅(Si)、l. 5% 1.8% 的猛(Mn)、0· 004% 0.006 % 的氮(N)、0· 012 % 0. 016 % 的鈦(Ti)、0· 02 % 0.04% 的鋁(Al)、0· 05% 0.08% 的稀土元素(RE)、0· 03% 0. 07% 的鈮(Nb)、0.2% 0.4%的鎳(Ni)、0. 2% 0. 5%的銅(Cu)、不大于0.010%的磷(P)、不大于0. 005 %的硫 (S)、不大于0.002%的氧(0)以及余量的鐵(Fe)和其它不可避免的雜質(zhì)元素，其中鈦與氮的重量比(Ti/N)控制在2 4之間，鋁與氮的重量比(A1/N)控制在3 10之間，所述大線能量焊接用管線鋼的屈服強(qiáng)度Rta2大于570MPa。在本發(fā)明一方面的一個(gè)實(shí)施例中，所述管線鋼的焊接裂紋敏感系數(shù)Pcm = C+Si/30+(Mn+Cu)/20+Ν /60 彡 0. 19。在本發(fā)明一方面的一個(gè)實(shí)施例中，所述大線能量焊接用管線鋼具有針狀鐵素體組織。在本發(fā)明一方面的一個(gè)實(shí)施例中，所述大線能量焊接用管線鋼的抗拉強(qiáng)度Rm 可以大于675MPa、伸長(zhǎng)率A可以大于20%、零下20°C橫向夏比沖擊功可以大于245J、在 lOOKJ/cm的焊接模擬線能量下零下20°C粗晶熱影響區(qū)的低溫沖擊功AKv可以大于126J、在 200KJ/cm的焊接模擬線能量下零下20°C粗晶熱影響區(qū)的低溫沖擊功AKv可以大于80J。在本發(fā)明一方面的一個(gè)實(shí)施例中，所述大線能量焊接用管線鋼還能夠作為要求大線能量焊接的非管線鋼使用，例如可作為高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼使用。本發(fā)明的另一方面提供了一種制造大線能量焊接用管線鋼的方法，所述方法包括以下步驟冶煉以形成具有上述大線能量焊接用管線鋼的成分的鋼液；將所述鋼液鑄成鋼坯；軋制所述鋼坯，所述軋制包括再結(jié)晶區(qū)軋制和未再結(jié)晶區(qū)軋制；冷卻經(jīng)軋制的鋼材，冷卻速度為12°C /s 250C /s。在本發(fā)明另一方面的一個(gè)實(shí)施例中，所述方法還可包括將鋼材的自回火溫度控制在450°C 550°C的范圍內(nèi)。在本發(fā)明另一方面的一個(gè)實(shí)施例中，所述再結(jié)晶區(qū)軋制的開軋溫度可以控制在 1150°C 1180°C的范圍內(nèi)，其終軋溫度可以控制為大于980°C;所述未再結(jié)晶區(qū)軋制的開軋溫度可以控制為不大于880°C，其終軋溫度可以控制在780°C 820°C的范圍內(nèi)，并且未再結(jié)晶區(qū)軋制的壓下率可以控制為大于60%。在本發(fā)明另一方面的一個(gè)實(shí)施例中，所述將鋼液鑄成鋼坯的步驟可以采用連鑄工藝。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果(1)去除了價(jià)格昂貴的鉻(Cr)、鉬(Mo)元素，降低了管線鋼的經(jīng)濟(jì)成本；(2)通過控制合金成分中鈦氮比(Ti/N)和鋁氮比(A1/N)，使管線鋼中形成了合適的Ti、Al、N等復(fù)合產(chǎn)物來取代氮化鈦(TiN)，從而該復(fù)合產(chǎn)物能夠起到在高溫時(shí)阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大并在低溫冷卻時(shí)作為針狀鐵素體的形核核心的雙重作用，還能夠細(xì)化焊接粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)組織晶粒；(3)添加微量的RE元素，起到細(xì)化晶粒、改善變質(zhì)夾雜的作用，從而提高管線鋼的綜合力學(xué)性能和大線能量焊接性能；(4)本發(fā)明的大線能量焊接用X80管線鋼具備良好的綜合性能，具體為力學(xué)性能 Rt0.2 > 570MPa ；Rm > 675MPa ；伸長(zhǎng)率 A > 20% ；_20°C橫向夏比沖擊功> 245J ；在 100KJ/ cm的焊接模擬線能量下，-20°C粗晶熱影響區(qū)低溫沖擊功AKv => 126J ；在200KJ/cm的焊接模擬線能量下，-20°C粗晶熱影響區(qū)低溫沖擊功AKv > 80Jo
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種大線能量焊接用X80管線鋼及其制造方法，其解決的問題之一在于工業(yè)制造的高強(qiáng)管線鋼不能大線能量焊接的問題。本發(fā)明的大線能量焊接用X80管線鋼通過去除價(jià)格較貴的Cr、Mo元素、控制鋼中的鈦氮重量比和鋁氮重量比以及添加少量的稀土 RE元素等措施來改善管線鋼的組織性能，其主要原理在于(1)去除價(jià)格昂貴Cr，Mo元素以降低管線鋼的經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)添加微量的RE元素，細(xì)化晶粒、改善變質(zhì)夾雜，提高管線鋼的綜合力學(xué)性能和大線能量焊接性能； (2)重點(diǎn)控制合金成分中Ti/N、A1/N綜合比，使管線鋼中形成合適的Ti、Al、N等復(fù)合產(chǎn)物來取代TiN，以便在高溫時(shí)起到阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大效果以及低溫冷卻時(shí)作為針狀鐵素體的形核核心的雙重作用，細(xì)化焊接粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)組織晶粒；(3)為了彌補(bǔ)減少Cr、 Mo帶來的對(duì)組織性能的不利影響，在再結(jié)晶區(qū)軋制(粗軋)階段實(shí)行高溫大壓下以細(xì)化原奧氏體晶粒的操作；在未再結(jié)晶區(qū)軋制(精軋)階段采用低溫大變形的軋制原理，以最終形成細(xì)化的針狀鐵素體組織。根據(jù)本發(fā)明一方面的大線能量焊接用X80管線鋼按重量百分比計(jì)包括0. 05% 0. 08 % 的碳、0. 15 % 0. 35 % 的硅、1. 5 % 1. 8 % 的錳、0. 004 % 0. 006 % 的氮、 0. 012 % 0. 016 % 的鈦、0. 02 % 0. 04 % 的鋁、0. 05 % 0. 08 % 的稀土元素、0. 03 % 0. 07%的鈮、0. 2% 0. 4%的鎳、0. 2% 0. 5%的銅、不大于0. 010%的磷、不大于0. 005% 的硫、不大于0. 002%的氧以及余量的鐵和其它不可避免的雜質(zhì)元素，其中鈦與氮的重量比控制在2 4之間，鋁與氮的重量比控制在3 10之間。本發(fā)明可以通過采用嚴(yán)格控制 Ti/N和A1/N，使鋼中形成Ti、Al、N等復(fù)合夾雜物，利用復(fù)合夾雜物在1370°C的高溫下依舊穩(wěn)定的性能來提高焊接粗晶熱影響韌性。在本發(fā)明中，各主要合金元素所起到的作用如下所述。碳是鋼中最經(jīng)濟(jì)、最基本的強(qiáng)化元素，它通過固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的作用來提高鋼的強(qiáng)度。然而，為了使鋼板具有良好的焊接性能、較好的低溫沖擊韌性，在保證形成足夠的NbC、TiC等高熔點(diǎn)的碳化物的情況，碳的添加量也不宜過高。因此，在本發(fā)明中，將碳元素含量按重量百分比計(jì)控制在0. 05% 0. 08%的范圍內(nèi)。硅能夠提高鋼在加熱和冷卻時(shí)的臨界轉(zhuǎn)變溫度，增加熱滯后的作用。硅對(duì)奧氏體在臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下溫度的穩(wěn)定性和孕育期的影響不大。Si固溶于鐵素體和奧氏體中，從而能夠提高它們的強(qiáng)度和硬度。然而，硅的不利因素是能夠促使鐵素體在加熱過程中晶粒粗化。因此，在本發(fā)明中，將硅元素含量按重量百分比計(jì)控制在0. 15% 0. 35%的范圍內(nèi)。錳是弱碳化物形成元素，是管線鋼中補(bǔ)償因C含量降低而引起強(qiáng)度損失的最主要且最經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)化元素。Mn能顯著影響奧氏體擴(kuò)散，是奧氏體的穩(wěn)定元素。Mn還可擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，降低鋼的Υ-α相變溫度，有助于獲得細(xì)小的相變產(chǎn)物，可提高鋼的韌性、降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。同時(shí)還能固溶強(qiáng)化鐵素體和增加鋼的淬透性。因此，在本發(fā)明中，將錳元素含量按重量百分比計(jì)控制在1. 5% 1. 8%的范圍內(nèi)。鈦是一種重要的微合金元素，是能夠起到良好固氮作用的元素，并且其在板坯連鑄時(shí)可形成細(xì)小的高溫穩(wěn)定的TiN析出相。這種細(xì)小的TiN粒子可有效地阻礙板坯再加熱時(shí)的奧氏體晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化晶粒，提高材料的屈服強(qiáng)度，還可提高Nb在奧氏體中的固溶度， 同時(shí)對(duì)改善焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性有明顯作用。因此，在本發(fā)明中，將鈦元素含量按重量百分比計(jì)控制在0. 012% 0. 016%的范圍內(nèi)。鋁能夠在鋼中和其它元素形成細(xì)小彌散分布的難熔化合物(例如，AlN)，這些細(xì)
5小彌散分布的難熔化合物在一定程度上能夠細(xì)化鋼的晶粒，提高鋼的晶粒粗化溫度。因此， 在本發(fā)明中，鋁元素含量按重量百分比計(jì)控制在0. 02% 0. 04%的范圍內(nèi)。氮在鋼中主要和Ti、Al等強(qiáng)碳化物元素形成析出物，因此，必須嚴(yán)格控制鋼中的 Ti/N和A1/N。具體來講，將Ti/N控制在2 4之間，將A1/N控制在3 10之間。當(dāng)Ti/ N > 4，鋼中會(huì)形成粗大的TiN顆粒，從而將會(huì)嚴(yán)重影響鋼的焊接性能，當(dāng)Ti/N < 2時(shí)，鋼中 TiN顆粒較少，起不到相應(yīng)的改善焊接性能效果。而且在大線能量焊接條件下，因?yàn)楹附蛹訜釡囟冗^高(通?？蛇_(dá)1370°C)，從而將會(huì)出現(xiàn)TiN顆粒部分溶解的情況。因此，在本發(fā)明中，嚴(yán)格控制鋼中A1/N比例，當(dāng)將A1/N控制在3 10之間，將會(huì)形成Ti、Al、N復(fù)合析出物，該復(fù)合析出物可以在大線能量焊接產(chǎn)生的高溫(例如，1400°C )下保持穩(wěn)定，在隨后的冷卻過程中，Ti、Al、N的復(fù)合析出物有利于針狀鐵素體形核，改善焊接熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性。因此，在本發(fā)明中，氮元素含量按重量百分比計(jì)控制在0. 004% 0. 006%的范圍內(nèi)。稀土元素(RE)在純凈鋼中具有凈化鋼液、使夾雜物變性的作用。純凈鋼中稀土的固溶度數(shù)量級(jí)可以為10_5 10_4，鋼中固溶的稀土能夠影響純凈鋼淬火組織，并能夠細(xì)化晶粒，從而提高了純凈鋼的力學(xué)性能。此外，稀土使夾雜物變性的效果也在一定程度上改善鋼的焊接性能。因此，在本發(fā)明中，稀土元素含量按重量百分比計(jì)可控制在0. 05% 0. 08% 的范圍內(nèi)。鈮能夠產(chǎn)生顯著的晶粒細(xì)化和中等程度的沉淀強(qiáng)化作用。同時(shí)，鈮還可以提高奧氏體的再結(jié)晶溫度。當(dāng)將添加鈮元素與熱機(jī)械控制軋制工藝(TMCP)相結(jié)合時(shí)，能夠使熱軋過程中的大量變形在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行，獲得細(xì)小的帶有大量形變帶的組織。因此，在本發(fā)明中，鈮元素含量按重量百分比計(jì)控制在0. 03% 0. 07%的范圍內(nèi)。鎳能夠韌化基體，特別是提高鋼的低溫韌性。隨著鋼中鎳含量的增加，韌脆轉(zhuǎn)變溫度顯著降低，鋼的低溫韌性得到明顯提高。因此，本發(fā)明中，鎳元素含量按重量百分比計(jì)控制在0.2% 0.4%的范圍內(nèi)。銅可以提高鋼的耐蝕性、強(qiáng)度，改善焊接性、成型性與機(jī)加工性能等。面心立方 ε-Cu從α-i^e中析出可使鋼材強(qiáng)化。因此，在本發(fā)明中，銅元素含量按重量百分比計(jì)控制在0.2% 0.5%的范圍內(nèi)。通常來說，鋼中的磷、硫、氧等雜質(zhì)元素含量過高時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋼性能的劣化，因此，一般情況下，鋼中的磷、硫、氧含量越低越好。具體來講，在本發(fā)明的鋼中，磷元素容易產(chǎn)生偏析、惡化焊接性能、顯著降低鋼材的低溫沖擊韌性、提高脆性轉(zhuǎn)變溫度等；硫元素主要影響鋼的抗氫脆腐蝕(HIC)能力和抗硫化物應(yīng)力腐蝕(SSC)能力，另外，硫還與錳結(jié)合生成MnS 夾雜，影響管線鋼的低溫沖擊韌性；當(dāng)氧元素含量過高時(shí)，氧化物夾雜和宏觀夾雜增加，這將嚴(yán)重影響管線鋼的潔凈度，并且鋼中的氧化物夾雜也是管線鋼中降低鋼的HIC、SSC能力的原因之一。因此，在本發(fā)明的鋼中，應(yīng)盡量降低P、S、0的含量。然而考慮到成本效益，在本發(fā)明中，將磷元素含量按重量百分比計(jì)控制在0.010%以下，將硫元素含量按重量百分比計(jì)控制在0. 005%以下，將氧元素含量按重量百分比計(jì)控制在0. 002%以下。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，管線鋼的焊接裂紋敏感系數(shù)Pcm = C+Si/30+(Mn+Cu)/20+Νi/60 ≤ 0. 19。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述大線能量焊接用X80管線鋼具有針狀鐵素體組織。例如，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，管線鋼X80中的針狀鐵素體是指由粒狀貝氏體、貝氏體鐵素體以及馬氏體-奧氏體組織(M-A組織)等組成的復(fù)相組織。在本發(fā)明中，該針狀鐵素體組織可占管線鋼X80的80%以上。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述大線能量焊接用X80管線鋼的屈服強(qiáng)度Rta2可以大于570MPa、抗拉強(qiáng)度Rm可以大于675MPa、伸長(zhǎng)率A可以大于20%、零下20°C橫向夏比沖擊功可以大于M5J、在lOOKJ/cm的焊接模擬線能量下零下20°C粗晶熱影響區(qū)的低溫沖擊功AKv可以大于U6J、在200KJ/cm的焊接模擬線能量下零下20°C粗晶熱影響區(qū)的低溫沖擊功AKv可以大于80J。本發(fā)明的大線能量焊接用X80管線鋼還能夠用作高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼。根據(jù)本發(fā)明另一方面的制造大線能量焊接用X80管線鋼的方法，所述方法包括以下步驟冶煉以形成具有上述大線能量焊接用X80管線鋼的成分的鋼液；將所述鋼液鑄成鋼坯；軋制所述鋼坯，所述軋制包括再結(jié)晶區(qū)軋制和未再結(jié)晶區(qū)軋制；冷卻經(jīng)軋制的鋼材， 冷卻速度為12°C /s 25°C /s。這里，冷卻速度過快會(huì)形成馬氏體組成，冷卻速度過慢形成大塊粒狀貝氏體和鐵素體組織，都不利于獲得較好的綜合力學(xué)性能。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述方法還可包括在所述冷卻步驟的后期將鋼材的自回火溫度控制在450°C 550°C的范圍內(nèi)。這里，自回火溫度也可稱為水冷返紅溫度，是指鋼材熱軋后經(jīng)水冷進(jìn)入空氣后，鋼材心部熱量向外傳遞，使鋼材表面溫度回升所達(dá)到的最高溫度，也叫自回火溫度。水冷返紅溫度是影響鋼材組織和性能的最直接最有效的工藝參數(shù)，該溫度不同時(shí)所得鋼材顯微組織也就不同。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述再結(jié)晶區(qū)軋制(也可稱為粗軋)的開軋溫度可以控制在1150°C 1180°C的范圍內(nèi)，其終軋溫度可以控制為大于980°C，這里，嚴(yán)格控制粗軋結(jié)束溫度，防止因溫度過低的鋼坯進(jìn)入未再結(jié)晶區(qū)軋制，導(dǎo)致出現(xiàn)混晶組織，而最終影響產(chǎn)品力學(xué)性能。所述未再結(jié)晶區(qū)軋制(也可稱為精軋)的開軋溫度可以控制為不大于880°C， 其終軋溫度可以控制在780°C 820°C的范圍內(nèi)，并且未再結(jié)晶區(qū)軋制的壓下率可以控制為大于60%。這里，精軋溫度過高同樣會(huì)進(jìn)入部分再結(jié)晶區(qū)軋制造成混晶組織，溫度過低會(huì)增大軋機(jī)的負(fù)載，降低軋機(jī)的使用壽命，因此，精軋終軋溫度控制在780°C 820°C的范圍內(nèi)。此外，根據(jù)本發(fā)明又一方面的制造大線能量焊接用X80管線鋼的方法也可采用如下方式來進(jìn)行，具體為(a)按照所要求的鋼材成分配置原料，然后將配置好的材料按成分配比，放入 30kg真空感應(yīng)爐中冶煉；(b)將冶煉好的鑄坯，切去冒口，鍛成所需的坯料，鍛造方案為鑄坯加熱到1220 保溫90分鐘后出爐即鍛，終鍛溫度不低于1000 °C，鍛成 IlOmm(厚)X95mm(長(zhǎng))X80mm(寬)的坯料；(c)將經(jīng)b工藝所得的IlOmm(厚)X95mm(長(zhǎng))X8Omm(寬)坯料，軋前進(jìn)行裝爐加熱。當(dāng)加熱溫度> 1220°C會(huì)使奧氏體晶粒急劇長(zhǎng)大，不利于后來的細(xì)化晶粒提高組織性能，加熱溫度< 1180°C鋼中的合金元素不能充分固融于奧氏體中起不到合金元素控軋控冷的效果，為此把加熱段和均熱段溫度設(shè)為1200士20°C ；加熱速度超過99min/Cm會(huì)使坯料表面產(chǎn)生裂紋等缺陷不利于質(zhì)量控制，降低制造效率，加熱速度控制在7 9min/cm ；加熱保溫時(shí)間60 120分鐘，時(shí)間過短合金元素沒能充分固溶，時(shí)間過長(zhǎng)奧氏體晶粒會(huì)明顯長(zhǎng)大；(d)在上述c工藝所得的坯料出爐后，對(duì)其進(jìn)行除磷工藝，除磷后的坯料進(jìn)行兩階段控制軋制，即再結(jié)晶區(qū)軋制和未再結(jié)晶區(qū)軋制，再結(jié)晶區(qū)軋制中，開軋溫度為1150 1180°C，粗軋終軋溫度> 980°C，這里，嚴(yán)格控制粗軋結(jié)束溫度，防止因溫度過低的鋼坯進(jìn)入未再結(jié)晶區(qū)軋制，導(dǎo)致出現(xiàn)混晶組織，而最終影響產(chǎn)品力學(xué)性能；中間坯待溫厚度50mm，未再結(jié)晶區(qū)軋制壓下率> 60%，精軋開軋溫度< 880°C，這里，精軋溫度過高同樣會(huì)進(jìn)入部分再結(jié)晶區(qū)軋制造成混晶組織，溫度過低會(huì)增大軋機(jī)的負(fù)載，降低軋機(jī)的使用壽命，因此，精軋終軋溫度控制在780°C 820°C的范圍內(nèi)；(e)精軋后快速進(jìn)入快速冷卻(ACC)控冷，冷速12 25°C /s，這里，冷卻速度過快會(huì)形成馬氏體組成，冷卻速度過慢形成大塊粒狀貝氏體和鐵素體組織，都不利于獲得較好的綜合力學(xué)性能；(f)自回火溫度控制在450 550°C的范圍內(nèi)，這里，自回火溫度是影響鋼材組織和性能的最直接最有效的工藝參數(shù)，該溫度不同時(shí)所得鋼材顯微組織也就不同。實(shí)施例1在本實(shí)施例中，大線能量焊接用X80管線鋼按重量百分比計(jì)包括0. 05%的碳、 0. 15%的硅、1. 5%的錳、0. 004%的氮、0. 012%的鈦、0. 02%的鋁、0. 05%的稀土元素(例如，鑭)、0· 03%的鈮、0. 2%的鎳、0. 2%的銅、0.010%的磷、0. 005%的硫、0. 002%的氧以及
余量的鐵和其它不可避免的雜質(zhì)元素。在本實(shí)施例中，將鈦與氮的比基本控制在3左右，將鋁與氮的比基本控制在5左右。制造本實(shí)施例的大線能量焊接用X80管線鋼包括以下步驟冶煉以形成與本實(shí)施例的大線能量焊接用X80管線鋼的成分相同的鋼液，即在鋼液中，按重量百分比計(jì)包括0. 05%的碳、0. 15 %的硅、1.5%的錳、0. 004%的氮、0.012% 的鈦、0. 02%的鋁、0. 05%的稀土元素、0. 03%的鈮、0. 2%的鎳、0. 2%的銅、0.010%的磷、 0. 005%的硫、0. 002%的氧以及余量的鐵和其它不可避免的雜質(zhì)元素；將所述鋼液鑄成鋼坯；通過再結(jié)晶區(qū)軋制和未再結(jié)晶區(qū)軋制兩段軋制的方式來軋制所述鋼坯；以25°C /s的冷卻速度來冷卻經(jīng)軋制的鋼材至室溫。經(jīng)檢測(cè)，本實(shí)施例的大線能量焊接用X80管線鋼的主要性能如下屈服強(qiáng)度Rta2 =575MPa ；抗拉強(qiáng)度Rm = 676MPa ；橫向伸長(zhǎng)率A = 23% ；_20°C橫向沖擊功AKv = 246J ； 在lOOKJ/cm的焊接模擬線能量下，_20°C粗晶熱影響區(qū)的低溫沖擊功AKv = 127J ；200KJ/ cm的焊接模擬線能量下，-20°C粗晶熱影響區(qū)的低溫沖擊功AKv = SlJ0實(shí)施例2在本實(shí)施例中，大線能量焊接用X80管線鋼按重量百分比計(jì)包括0. 08%的碳、 0. 的硅、1. 8%的錳、0. 006%的氮、0. 016%的鈦、0. 04%的鋁、0. 08%的稀土元素(例如，鈰)、0. 07%的鈮、0.4%的鎳、0.5%的銅、0. 005%的磷、0. 002%的硫、0. 001%的氧以及余量的鐵和其它不可避免的雜質(zhì)元素。在本實(shí)施例中，將鈦與氮的重量比基本控制在2. 67 左右，將鋁與氮的重量比基本控制在6. 67左右。制造本實(shí)施例的大線能量焊接用X80管線鋼包括以下步驟冶煉以形成與本實(shí)施例的大線能量焊接用X80管線鋼的成分相同的鋼液，即，
8該鋼液按重量百分比計(jì)包括0. 08%的碳、0. 35 %的硅、1.8%的錳、0. 006%的氮、0.016% 的鈦、0. 04%的鋁、0. 08%的稀土元素(例如，鈰)、0. 07%的鈮、0. 4%的鎳、0. 5%的銅、 0. 005%的磷、0. 002%的硫、0. 001%的氧以及余量的鐵和其它不可避免的雜質(zhì)元素；通過連鑄工藝將所述鋼液鑄成鋼坯；通過再結(jié)晶區(qū)軋制和未再結(jié)晶區(qū)軋制兩段軋制的方式來軋制所述鋼坯，具體來講，所述再結(jié)晶區(qū)軋制的開軋溫度控制為1150°C，其終軋溫度控制為985°C ；所述未再結(jié)晶區(qū)軋制的開軋溫度控制為880°C，其終軋溫度控制為780°C，并且未再結(jié)晶區(qū)軋制的壓下率控制為61%，這里，采用道次軋制方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼坯的軋制；通過ACC控冷，以12°C /s的冷卻速度來冷卻經(jīng)軋制的鋼材；將已冷卻鋼材的自回火溫度(也稱為水冷返紅溫度)控制約為450°C。經(jīng)檢測(cè)，本實(shí)施例的大線能量焊接用X80管線鋼的主要性能如下屈服強(qiáng)度Rta2 =590MPa ；抗拉強(qiáng)度Rm = 680MPa ；橫向伸長(zhǎng)率A = 24% ；_20°C橫向沖擊功AKv = 260J ； 在lOOKJ/cm的焊接模擬線能量下，_20°C粗晶熱影響區(qū)的低溫沖擊功AKv = 130J ；200KJ/ cm的焊接模擬線能量下，-20°C粗晶熱影響區(qū)的低溫沖擊功AKv = 88J。實(shí)施例3在本實(shí)施例中，大線能量焊接用X80管線鋼按重量百分比計(jì)包括0. 06%的碳、 0. 20%的硅、1. 6%的錳、0. 004%的氮、0. 016%的鈦、0. 04%的鋁、0. 06%的稀土元素(例如，鑭)、0. 06%的鈮、0. 3%的鎳、0. 4%的銅、0. 006%的磷、0. 003%的硫、0. 001%的氧以及
余量的鐵和其它不可避免的雜質(zhì)元素。在本實(shí)施例中，將鈦與氮的重量比基本控制為4，將鋁與氮的重量比基本控制為10。在本實(shí)施例中，制造大線能量焊接用X80管線鋼的方法與實(shí)施例2中的基本相同， 不同之處在于在本實(shí)施例中，再結(jié)晶區(qū)軋制的開軋溫度控制為1180°C，其終軋溫度控制為1000°C ；所述未再結(jié)晶區(qū)軋制的開軋溫度控制為860°C，其終軋溫度控制為820°C，并且未再結(jié)晶區(qū)軋制的壓下率控制為65% ；冷卻速度為25°C /s ；自回火溫度控制為約515°C。經(jīng)檢測(cè)，本實(shí)施例的大線能量焊接用X80管線鋼的主要性能如下屈服強(qiáng)度Rta2 =592MPa ；抗拉強(qiáng)度Rm = 675MPa ；橫向伸長(zhǎng)率A = 22% ；_20°C橫向沖擊功AKv = 255J ； 在lOOKJ/cm的焊接模擬線能量下，_20°C粗晶熱影響區(qū)的低溫沖擊功AKv = 128J ；200KJ/ cm的焊接模擬線能量下，-20°C粗晶熱影響區(qū)的低溫沖擊功AKv = 83J。實(shí)施例4在本實(shí)施例中，大線能量焊接用X80管線鋼按重量百分比計(jì)包括C 0. 055% ；Si 0. 22% ；Mn 1. 6% ；N 0. 0048% ；Ti 0. 012% ；Al 0. 03% ；Nb 0. 04% ；Ni 0. 3% ；Cu 0. 4% ； RE = 0. 07% ；P = 0. 010% ；S = 0. 005% ；0 = 0. 002% ；其中 Ti/N = 2. 5，Al/N = 6. 2，其余為！^和不可避免雜質(zhì)。按以上成分在真空感應(yīng)爐中冶煉并澆鑄成30Kg的鑄坯；鑄坯切冒口，鍛成 110mm(厚)X95mm(長(zhǎng))X80mm(寬)坯料；軋前進(jìn)行裝爐加熱，加熱段和均熱段溫度為1200士20°C，加熱時(shí)間90min ；出爐溫度1170°C，粗軋開軋溫度1150°C，粗軋終軋溫度 9900C ；中間坯待溫厚度50mm;精軋開軋溫度870°C，精軋終軋溫度800°C ；精軋后快速進(jìn)入 ACC控冷，冷速20°C /s ；返紅溫度480°C，產(chǎn)品厚度12mm。經(jīng)檢測(cè)，本實(shí)施例的大線能量焊接用X80管線鋼的主要性能如下屈服強(qiáng)度Rta2=585MPa ；抗拉強(qiáng)度Rm = 684MPa ；橫向伸長(zhǎng)率A = 21% ；_20°C橫向沖擊功AKv = 285J。 在lOOKJ/cm的焊接模擬線能量下，_20°C粗晶熱影響區(qū)AKv = 127J ；200KJ/cm的焊接模擬線能量下，-20°C粗晶熱影響區(qū)AKv = 93J。實(shí)施例5在本實(shí)施例中，大線能量焊接用X80管線鋼按重量百分比計(jì)包括C 0. 06% ； Si 0. 23% ；Mn 1. 70% ；N 0. 0045% ；Ti 0. 015% ；Al 0. 02% ；P 0. 001% ；S 0. 002% ；Nb 0. 040% ；Ni 0. 24% ；Cu 0. 21% ；RE = 0. 06% ；Ti/N = 3. 3 ；Al/N = 4. 4 ；其余為 Fe 和不可
避免雜質(zhì)。按以上成分在真空感應(yīng)爐中冶煉并澆鑄成30Kg的鑄坯；鑄坯切冒口，鍛成 110mm(厚)X95mm(長(zhǎng))X80mm(寬)坯料；軋前進(jìn)行裝爐加熱，加熱段和均熱段溫度為1200士20°C，加熱時(shí)間90min ；出爐溫度1170°C，粗軋開軋溫度1150°C，粗軋終軋溫度 9900C ；中間坯待溫厚度50mm ；精軋開軋溫度870°C，精軋終軋溫度800°C ；精軋后快速進(jìn)入 ACC控冷，冷速15°C /s ；返紅溫度465°C，產(chǎn)品厚度12mm。經(jīng)檢測(cè)，本實(shí)施例的大線能量焊接用X80管線鋼的主要性能如下屈服強(qiáng)度Rta2 =57IMPa ；抗拉強(qiáng)度Rm = 678MPa ；橫向伸長(zhǎng)率A = 23% ；_20°C橫向沖擊功AKv = 248J ； 在lOOKJ/cm的焊接模擬線能量下，_20°C粗晶熱影響區(qū)AKv = 132J ；200KJ/cm的焊接模擬線能量下，-20°C粗晶熱影響區(qū)AKv = 82J。綜上所述，本發(fā)明采用低碳錳系的基礎(chǔ)上去除Cr、Mo貴金屬元素，可以通過添加適量的稀土等微合金元素、控制Ti/N和A1/N以及控軋控冷等手段獲得了具有針狀體素體組織的能夠滿足大線能量焊接操作的X80管線鋼，該X80管線鋼的強(qiáng)度、韌性優(yōu)良并能夠滿足在200KJ/cm的大焊接熱輸入下對(duì)其中厚板粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)低溫沖擊韌性的要求。 此外，本發(fā)明的大線能量焊接用X80管線鋼成本低。盡管上面已經(jīng)通過結(jié)合示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚，在不脫離權(quán)利要求所限定的精神和范圍的情況下，可對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例進(jìn)行各種修改和改變。
權(quán)利要求
1.一種大線能量焊接用管線鋼，其特征在于，所述大線能量焊接用管線鋼按重量百分比計(jì)包括0. 05% 0. 08%的碳、0. 15% 0. 35%的硅、1. 5% 1. 8%的錳、0. 004% 0. 006 % 的氮、0. 012 % 0. 016 % 的鈦、0. 02 % 0. 04 % 的鋁、0. 05 % 0. 08 % 的稀土元素、0. 03% 0. 07%的鈮、0. 2% 0. 4%的鎳、0. 2% 0. 5%的銅、不大于0. 010%的磷、不大于0. 005%的硫、不大于0. 002%的氧以及余量的鐵和其它不可避免的雜質(zhì)元素，其中鈦與氮的重量比控制在2 4之間，鋁與氮的重量比控制在3 10之間，所述大線能量焊接用管線鋼的屈服強(qiáng)度Rta2大于570MPa。
2.如權(quán)利要求1所述的大線能量焊接用管線鋼，其特征在于，所述管線鋼的焊接裂紋敏感系數(shù) Pcm = C+Si/30+ (Mn+Cu) /20+Ν /60 彡 0. 19。
3.如權(quán)利要求1或2所述的大線能量焊接用管線鋼，其特征在于，所述大線能量焊接用管線鋼具有針狀鐵素體組織。
4.如權(quán)利要求3所述的大線能量焊接用管線鋼，其特征在于，所述大線能量焊接用管線鋼的抗拉強(qiáng)度Rm大于675MPa、伸長(zhǎng)率A大于20%、零下20°C橫向夏比沖擊功大于245J、 在lOOKJ/cm的焊接模擬線能量下零下20°C粗晶熱影響區(qū)的低溫沖擊功AKv大于U6J、在 200KJ/cm的焊接模擬線能量下零下20°C粗晶熱影響區(qū)的低溫沖擊功AKv大于80J。
5.如權(quán)利要求1所述的大線能量焊接用管線鋼，其特征在于，所述大線能量焊接用管線鋼能夠作為要求大線能量焊接的非管線鋼使用。
6.如權(quán)利要求5所述的大線能量焊接用管線鋼，其特征在于，所述大線能量焊接用管線鋼能夠作為高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼使用。
7.—種制造大線能量焊接用管線鋼的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟冶煉以形成具有權(quán)利要求1所述大線能量焊接用管線鋼的成分的鋼液；將所述鋼液鑄成鋼坯；軋制所述鋼坯，所述軋制包括再結(jié)晶區(qū)軋制和未再結(jié)晶區(qū)軋制；冷卻經(jīng)軋制的鋼材，冷卻速度為12°C /s 25°C /s。
8.如權(quán)利要求7所述的制造大線能量焊接用管線鋼的方法，其特征在于，所述方法還包括將鋼材的自回火溫度控制在450°C 550°C的范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求7所述的制造大線能量焊接用管線鋼的方法，其特征在于，所述再結(jié)晶區(qū)軋制的開軋溫度控制在1150°C 1180°C的范圍內(nèi)，其終軋溫度控制為大于980°C ；所述未再結(jié)晶區(qū)軋制的開軋溫度控制為不大于880°C，其終軋溫度控制在780V 820°C的范圍內(nèi)，并且未再結(jié)晶區(qū)軋制的壓下率控制為大于60%。
10.如權(quán)利要求7所述的制造大線能量焊接用管線鋼的方法，其特征在于，所述將鋼液鑄成鋼坯的步驟采用連鑄工藝。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種大線能量焊接用管線鋼及其制造方法。所述大線能量焊接用管線鋼按重量百分比計(jì)包括0.05％～0.08％的碳、0.15％～0.35％的硅、1.5％～1.8％的錳、0.004％～0.006％的氮、0.012％～0.016％的鈦、0.02％～0.04％的鋁、0.05％～0.08％的稀土元素、0.03％～0.07％的鈮、0.2％～0.4％的鎳、0.2％～0.5％的銅、不大于0.010％的磷、不大于0.005％的硫、不大于0.002％的氧以及余量的鐵和其它不可避免的雜質(zhì)元素，其中鈦與氮的重量比控制在2～4之間，鋁與氮的重量比控制在3～10之間，所述大線能量焊接用管線鋼的屈服強(qiáng)度Rt0.2大于570MPa。本發(fā)明的管線鋼具有典型的針狀鐵素體組織，具備良好的綜合力學(xué)性能和大線能量焊接性能，且成本低。
文檔編號(hào)B21B37/74GK102154587SQ20111013650
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月25日
發(fā)明者周平, 唐荻, 朱海寶, 李四軍, 武會(huì)賓, 霍孝新 申請(qǐng)人:萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司