一种含Cu纳米相强化易焊接钢及制备方法与流程

本发明涉及的是一种易焊接钢，本发明也涉及一种易焊接钢的制备方法。

背景技术：

含铜纳米相低合金钢，在具有高强度的同时，也具有良好的延伸性、低温冲击韧性和易焊接性能，因此在，船舶制造、汽车制造、建筑、桥梁的领域都有着较为广阔的应用。一般低合金钢的屈服强度通常低于700MPa，而且通常具有高强度的同时却难以保证良好的低温韧性和焊接性能。

传统的高强度钢都是含碳量较高的马氏体或下贝氏体组织，碳元素的大量引入大大降低了材料的焊接性能。同时材料为保证心部组织均匀，必须确保较厚规格的钢板具有足够的淬透性，钢中需要添加较高含量的Ni、Cr、Mo等合金元素。钢的强度级别要求越高，添加的合金元素的含量也相应增加，合金成本自然提高。随着强度的提高，钢的碳当量大幅增加，这使钢的焊接性能大幅降低。

目前，国内外发表了利用添加合金元素和控轧控冷而得到高强度的低合金钢，强度级别大于800MPa的都很难保证较好的延伸率，也没有表征其低温性能。

公开号为CN103361566A的专利文件中，公开了一种通过控制铸造、轧制和热处理工艺，得到的高强高韧的含铜低合金钢。但其屈服强度低于850MPa。

公开号为CN102140606A的专利文件中，公开了一种通过控制热轧各道次间隔时间及变形量、冷却速率和等温处理工艺，得到的热轧高低合金多相钢。其屈服强度800MPa，但延伸率仅在20％左右，低温韧性未说明。

公开号为CN104513927A的专利文件中，公开了一种采用等温热处理工艺获得的高强度钢板。其屈服强度大于390MPa，抗拉强度为800MPa，-20℃的冲击功仅为100J。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种强度高、塑性好和具有低温韧性的含Cu纳米相强化易焊接钢。本发明的目的还在于提供一种能有效地控制基体相及纳米析出相的显微结构及晶粒尺寸的含Cu纳米相强化易焊接钢的制备方法。

本发明的含Cu纳米相强化易焊接钢其重量百分比组成为：C<0.05、Si:0.1～0.3、Mn:0.5～1.5、S<0.002、P<0.004、Cu:1.5～2.5、Ni:4～8、Al:0.3～0.8、Mo:0.2～1、Cr<1、Nb:0.01～0.04、Ti:0.01～0.05、V:0.01～0.08，其余为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明的含Cu纳米相强化易焊接钢的制备方法为：按设计成分在氩气保护条件下进行感应熔炼和浇铸，铸锭在1100～1200℃加热1～3h进行均优化退火，之后采用控轧控冷技术进行轧制，所述轧制具体包括以下阶段：

第一阶段为粗轧，均匀化退火的铸锭直接进行粗轧，粗轧起始温度为1050～1150℃，终轧温度为1000～1050℃，粗轧总压缩比为50～80％；

第二阶段为精轧，精轧起始温度为950～1000℃，终轧温度为850～900℃，精轧总压缩比为10％-30％；

第三阶段为快速水冷，精轧结束后直接高压浇水快速冷却，终冷温度在50℃以下。

控轧控冷后的钢板进行固溶和时效处理，固溶温度为800℃～1000℃，保温时间为5分钟～2小时，之后快速水冷至室温；时效温度为500℃～700℃，保温时间5分钟～10小时，之后快速水冷至室温。

本发明提供了一种含Cu纳米相强化高强度高韧性易焊接钢及制备方法，本发明通过控制Cu、Mn、Ni、Al主要元素的比例关系，并添加其他合金元素，加之合理的轧制工艺和热处理工艺，有效地控制了基体相及纳米析出相的显微结构及晶粒尺寸，从而获得一种高强度、良好塑性和低温韧性的易焊接钢。

本发明的含Cu纳米相强化易焊接钢中所包含的主要组分的作用为：

Cu：Cu是奥氏体稳定化元素，能降低奥氏体转变温度，抑制高温转变产物的生成，对组织的转变及组织细化产生影响。同时，Cu在一定的热处理条件下可以诱导析出细小沉淀相，并使Ni、Al、Mn等合金元素向该沉淀相前驱体聚合，形成富铜纳米相，该富铜纳米相强化可以有效代替碳强化，从而降低碳含量。因此，加入一定量的铜能够提高钢的强度、耐腐蚀性、抗疲劳性、提高抗蠕变强度和冲击韧性，同时改善材料的焊接性能、成型性能与机加工性能等。

Ni：固溶形式的Ni能够提高铁素体的强度，当Ni含量升高时，能保证较高塑性的同时提高强度。当Ni含量升高时，能保证较高塑性的同时提高强度。Ni还能保证钢性能的均匀性、显著提高低温冲击韧性。

Al：钢中的Al具有脱氧的能力和脱氮的作用。少量的Al有抑制低碳钢的时效作用，细化晶粒、提高冲击韧性、降低钢的冷脆性转变温度的作用。Al没有碳化物，氧化铝属于硬脆相。铝含量较高时，在锻轧过程中，氧化铝颗粒沿着加工方向形成条状物，影响到钢的塑韧性。

Mn：Mn在钢中的作用是脱氧去硫。在钢中Mn在固溶强化方面有一定的效果，此外Mn还利于提高钢的力学性能如强韧性以及工艺性能淬透性和热加工性能。但Mn在钢中含量过高会影响钢在铸造时产生偏析现象，轧制易于开裂。

本发明的含Cu纳米相强化易焊接钢中各元素，特别是较贵金属元素的含量均较少，使得该钢的成本得到大幅降低。

本发明的合金设计精确成分配比，在保证其强度的同时，其碳当量CE及冷裂纹敏感指数Pcm值均较低，焊后热影响区不易产生冷裂倾向，使得该发明的合金具有很好的焊接性能，在不预热或预热温度较低的情况下即可焊接。

本发明的轧制过程采用先进的控轧控冷技术，具有加工速度快，控温及下降量精准、冷却速率高、板材变形均匀等优点。通过控制奥氏体再结晶区的粗轧温度，粗轧变形量，以及奥氏体或奥氏体-铁素体两相区精轧温度，控制冷却方式及冷却速率，控制了基体相的显微结构及尺寸，因此该合金在轧制态就具有了较好的综合力学性能。也为而后的热处理工艺扩大了操作范围。

在轧制工艺的基础上，本发明使用合理的固溶和时效处理工艺对含Cu纳米相高强度高韧性易焊接钢的力学性能进行进一步优化。通过合理的固溶处理，使奥氏体组织发生相变，形成多边形型铁素体或针状铁素体。随后通过合理的时效温度及时效时间控制纳米析出，获得优化的析出相尺寸及数量密度匹配，纳米析出相在基体中均匀分布，对位错的阻碍作用显著提高强度，同时由于析出相核心为较软的Cu元素，位错采用切过机制通过析出相，因此在强度提高的同时塑性没有显著降低。在钢中添加Ni元素，细化晶粒，强化晶界，低温韧性显著提高。

综上，本发明的低合金钢中含碳量和碳当量均较低，具有超高的强度的同时保持良好的塑性和韧性，较低的碳当量使得在焊接冷却的过程中不容易得到马氏体组织，具有了优良的焊接性能，这对船舶行业降低材料成本及焊接成本及其重要。含铜纳米相强化高强度高韧性易焊接钢是在超低碳合金钢设计技术的基础上，在钢中加入一定量的Cu、Mn、Ni、Al等合金元素，经过时效处理后获得纳米级尺寸的析出相，该析出相可显著提高材料的强度，弥补了由于降C带来的强度损失，同时添加其他微合金元素使该钢具有高强度，高延展性，良好的低温韧性及焊接性能。

附图说明

图1为实施例1使用本发明的金相照片。

图2为实施例2使用本发明的金相照片。

图3为实施例3使用本发明的金相照片。

图4为实施例4使用本发明的金相照片。

图5为实施例5使用本发明的金相照片。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案做详细描述，应理解的是，这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明做简单改进，都属于本发明要求保护的范围。

实施例1：

本实施例是一种含Cu纳米相高强高韧性低合金钢及制备方法，合金的化学成分(质量百分比)为：C<0.05，Si:0.2，Mn:1，S:<0.003，P:<0.004，Cu:2，Ni:4，Al:0.5，Nb:0.03，Ti:0.05，余量为Fe和不可避免的杂质。在1150℃保温2h进行均匀化退火后在连轧连铸机上进行轧制；粗轧开轧温度为1000℃，轧制4道次，平均每次压下量12％，总压下率50％，轧制温度控制在950℃～1050℃之间；精轧开轧温度为800℃，轧制6道次，没道次压下量15％，总压下率80％，终轧温度不超过850℃，终轧厚度为14mm；轧后采用超快冷速浇水，终冷温度在50℃以下。不经历固溶和时效处理。金相组织照片见图1，其力学性能见表1

实施例2：

本实施例是一种含Cu纳米相高强高韧性低合金钢及制备方法，合金的化学成分(质量百分比)为：C<0.05，Si:0.2，Mn:1，S:<0.003，P:<0.004，Cu:2，Ni:4，Al:0.5，Nb:0.03，Ti:0.05，余量为Fe和不可避免的杂质。在1150℃保温2h进行均匀化退火后在连轧连铸机上进行轧制；粗轧开轧温度为1000℃，轧制4道次，平均每次压下量12％，总压下率50％，轧制温度控制在950℃～1050℃之间；精轧开轧温度为800℃，轧制6道次，没道次压下量15％，总压下率80％，终轧温度不超过850℃，终轧厚度为14mm；轧后采用超快冷速浇水，终冷温度在50℃以下。在800℃进行固溶处理，保温时间2h。在550℃进行时效处理，保温时间1h。金相组织照片见图2，其力学性能见表1

实施例3：

本实施例是一种含Cu纳米相高强高韧性低合金钢及制备方法，合金的化学成分(质量百分比)为：C<0.05，Si:0.2，Mn:1，S:<0.003，P:<0.004，Cu:2，Ni:6，Al:0.5，Mo:0.5，Cr:0.5，Nb:0.03，Ti:0.05，余量为Fe和不可避免的杂质。在1150℃保温2h进行均匀化退火后在连轧连铸机上进行轧制；粗轧开轧温度为1000℃，轧制4道次，平均每次压下量12％，总压下率50％，轧制温度控制在950℃～1050℃之间；精轧开轧温度为900℃，轧制6道次，没道次压下量15％，总压下率80％，终轧温度不超过920℃，终轧厚度为14mm；轧后采用超快冷速浇水，终冷温度在50℃以下。在550℃进行时效处理，保温时间2h。金相组织照片见图3，其力学性能见表1

实施例4：

本实施例是一种含Cu纳米相高强高韧性低合金钢及制备方法，合金的化学成分(质量百分比)为：C<0.05，Si:0.2，Mn:1，S:<0.003，P:<0.004，Cu:2，Ni:6，Al:0.5，Nb:0.03，Ti:0.05，余量为Fe和不可避免的杂质。在1150℃保温2h进行均匀化退火后在连轧连铸机上进行轧制；粗轧开轧温度为1000℃，轧制4道次，平均每次压下量12％，总压下率50％，轧制温度控制在950℃～1050℃之间；精轧开轧温度为800℃，轧制6道次，没道次压下量15％，总压下率80％，终轧温度不超过850℃，终轧厚度为14mm；轧后采用超快冷速浇水，终冷温度在50℃以下。在880℃进行固溶处理，保温时间5min，在565℃进行时效处理，保温时间1h。金相组织照片见图4，其力学性能见表1

实施例5：

本实施例是一种含Cu纳米相高强高韧性低合金钢及制备方法，合金的化学成分(质量百分比)为：C<0.05，Si:0.2，Mn:1，S:<0.003，P:<0.004，Cu:2，Ni:6，Al:0.5，Nb:0.03，Ti:0.05，余量为Fe和不可避免的杂质。在1150℃保温2h进行均匀化退火后在连轧连铸机上进行轧制；粗轧开轧温度为1000℃，轧制4道次，平均每次压下量12％，总压下率50％，轧制温度控制在950℃～1050℃之间；精轧开轧温度为800℃，轧制6道次，没道次压下量15％，总压下率80％，终轧温度不超过850℃，终轧厚度为14mm；轧后采用超快冷速浇水，终冷温度在50℃以下。在880℃进行固溶处理，保温时间44min，在540℃进行时效处理，保温时间73min。金相组织照片见图5，其力学性能见表1。

表1 发明钢的力学性能