用于焊接结构的具有TiN+ZrN析出相的钢板及其制造方法和使用该钢板的焊接结构技术

本发明专利技术涉及一种含有析出相ＴｉＮ析出相和ＺｒＮ析出相的焊接结构钢材，按照重量百分数，包括：０．０３～０．１７％Ｃ、０．０１～０．５％Ｓｉ、０．４～２．０％Ｍｎ、０．００５～０．２％Ｔｉ、０．０００５～０．１％Ａｌ、０．００１～０．０３％Ｚｒ、０．００８～０．０３０％Ｎ、０．０００３～０．０１％Ｂ、０．００１～０．２％Ｗ、最多０．０３％Ｐ、０．００３～０．０５％Ｓ、最多０．０１％Ｏ，其余为Ｆｅ和附带的杂质，并且元素含量满足的条件为１．２≤Ｔｉ／Ｎ≤２．５、０．３≤Ｚｒ／Ｎ≤２．０、１０≤Ｎ／Ｂ≤４０、２．５≤Ａｌ／Ｎ≤７和６．８≤（Ｔｉ＋Ｚｒ＋２Ａｌ＋４Ｂ）／Ｎ≤１７，并具有主要由晶粒尺寸为２０μｍ或更小的铁素体和珠光体复合结构组成的微观结构。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及适用于建筑、桥梁、船舶、舰艇、钢管、管线等等的结构钢制品，更具体地，本专利技术涉及焊接结构钢材，在制造过程中利用了TiN析出相和ZrN析出相，从而能同时改善热影响区的强度和韧性。本专利技术还涉及制造所述焊接结构钢制品的方法，以及使用这种焊接结构钢制品的焊接结构。当将高的热量输入到钢制品时，热影响区，特别是靠近熔化边界的部分，其温度由于高热量的输入接近钢材的熔点。结果，热影响区出现晶粒长大，形成粗大的晶粒结构。并且，当钢材冷却时，能形成削弱钢韧性的细小结构，例如贝氏体和马氏体。因此，热影响区是一个韧性下降的区域。为了保证焊接结构所需的稳定性，需要抑制热影响区奥氏体晶粒的长大，以使焊接处保持细小的组织结构。达到上述目的公知的技术包括高温稳定的氧化物或Ti基碳氮化物弥散分布在钢中，以减缓热影响区的晶粒在焊接过程中的长大。这种技术在以下文献中有描述日本专利公开平12-226633、平11-140582、平10-298708、平9-194990、平9-324238、平8-60292、昭60-245768、平5-186848、昭58-31065、昭61-797456和昭64-15320，以及《日本焊接学会会刊》52卷第2期49页。日本专利公开平11-140582是使用TiN析出相技术的一个典型。这种技术使结构钢的冲击韧性达到0℃时200J(最大时可达到300J)。根据这种技术，Ti/N的比例控制在4到12，以使TiN析出相的晶粒尺寸为0.05μm或更小，密度为5.8×103/mm2到8.1×104/mm2；或TiN析出相的晶粒尺寸为0.03到0.2μm，密度为3.9×103/mm2到6.2×104/mm2，从而保证焊接位置所需的韧性。但是，按照这种技术，在应用热输入焊接工艺的基材和热影响区都表现出很低的韧性。例如，基材和热影响区的冲击韧性分别为0℃时320J和220J。并且，由于基材和热影响区的韧性有较大差异，达到100J，这就很难保证使用超高热输入焊接工艺焊接厚钢板得到的钢结构所需的可靠性。而且，为了得到所需的TiN析出相，此技术包括的步骤有将板坯加热到1050℃或更高，将加热的板坯淬火，在随后的热轧之前再加热淬火的板坯。由于经过再次热处理，增大了制造成本。日本专利公开平9-194990中公开的技术包括，为了形成含有Al、Mn、Si的复合氧化物，在低碳钢(N≤0.005％)中Al与O的比例控制在0.3～1.5的范围内(0.3≤Al/O≤1.5)。但是，这种工艺生产的钢材表现出低的韧性，因为当使用约100kJ/cm高热输入的焊接工艺时，热影响区的转变温度约-50℃。而且，日本专利公开平10-298708中公开的技术包括利用MgO和TiN复合析出相。但是，当使用约100kJ/cm高热输入的焊接工艺时，此工艺的钢材表现出低的韧性，热影响区的冲击韧性为0℃时130J。虽然出现了很多在应用高热输入焊接工艺时利用TiN析出相和Al基氧化物或MgO改善热影响区韧性的技术，但是，在应用超高热输入焊接工艺在1350℃或更高温度保持较长时间的情况下，没有能够显著改善热影响区韧性的技术。一个方面，本专利技术提供一种含有TiN和ZrN析出相的焊接结构钢材，包括(以重量百分数计)0.03～0.17％C、0.01～0.5％Si、0.4～2.0％Mn、0.005～0.2％Ti、0.0005～0.1％Al、0.001～0.03％Zr、0.008～0.030％N、0.0003～0.01％B、0.001～0.2％W、最多0.03％P、最多0.03％S、最多0.01％O，其余为Fe和附带的杂质，同时满足的条件为1.2≤Ti/N≤2.5、0.3≤Zr/N≤2.0、10≤N/B≤40、2.5Al/N≤7和6.8≤(Ti+Zr+2Al+4B)/N≤17，并具有主要由晶粒尺寸为20μm或更小的铁素体和珠光体的复合结构组成的微观结构。另一方面，本专利技术提供一种制造具有TiN和ZrN细小复合析出相的焊接结构钢材的方法，包括以下步骤制造钢板坯，其中各元素含量为(重量百分数)0.03～0.17％C、0.01～0.5％Si、0.4～2.0％Mn、0.005～0.2％Ti、0.0005～0.1％Al、0.001～0.03％Zr、0.008～0.030％N、0.0003～0.01％B、0.001～0.2％W、最多0.03％P、最多0.03％S、最多0.001％O，其余为Fe和附带的杂质，同时满足的条件为1.2≤Ti/N≤2.5、0.3≤Zr/N≤2.0、10≤N/B≤40、2.5≤Al/N≤7和6.8≤(Ti+Zr+2Al+4B)/N≤17；将钢板坯加热到1100到1250℃，保温60到180分钟；将加热的板坯在奥氏体再结晶区内热轧，厚度压下量为40％或更大；和将热轧的钢板坯以1℃/min的速率冷却到铁素体相变终止温度±10℃。另一方面，本专利技术提供一种制造具有TiN和ZrN细小复合析出相的焊接结构钢材的方法，包括以下步骤制造钢板坯，各元素含量为(重量百分数)0.03～0.17％C、0.01～0.5％Si、0.4～2.0％Mn、0.005～0.2％Ti、0.0005～0.1％Al、0.001～0.03％Zr、最多0.005％N、0.0003～0.01％B、0.001～0.2％W、最多0.03％P、0.003～0.05％S、最多0.01％O，其余为Fe和附带的杂质；将钢板坯加热到1000到1250℃保温60到180分钟，同时将钢板坯渗氮，控制钢板坯的N含量为0.008～0.03％，并且满足的条件为1.2Ti/N2.5、0.3≤Zr/N≤2.0、10≤N/B≤40、2.5≤Al/N≤7和6.8≤(Ti+Zr+2Al+4B)/N≤17；将渗氮的板坯在奥氏体再结晶区内热轧，厚度压下量为40％或更大；和将热轧的钢板坯以1℃/min的速率冷却到铁素体相变终止温度±10℃。根据另一方面，本专利技术提供一种使用上述任何一种焊接结构钢材制造的、具有优良的热影响区韧性的焊接结构。在说明书中，术语“原始奥氏体”是指当在钢材上应用高热输入焊接工艺时在钢材(基材)热影响区形成的奥氏体。这种奥氏体与制造过程中(热轧过程)形成的奥氏体不同。在钢材上应用使用高热输入的焊接工艺时，细致观察钢材(基材)热影响区中原始奥氏体的生长行为以及冷却过程中原始奥氏体的相变后，本专利技术者发现，参考原始奥氏体的临界尺寸(约80μm)，热影响区的韧性发生变化，热影响区中细小铁素体的数量增加使韧性提高。基于这个观察，本专利技术的特征在于(1)在钢材(基材)中使用TiN析出相和ZrN析出相；(2)将钢材的初始铁素体晶粒尺寸减小到临界尺寸或更小，以控制原始奥氏体的晶粒尺寸为80μm或更小；和(3)减小Ti/N比以有效地形成BN和AlN析出相，从而增大热影响区的铁素体数量，并控制铁素体呈针状或多边形以有效地改善韧性。下面详细描述本专利技术的上述特征(1)、(2)和(3)。(1)TiN析出相和ZrN析出相在对结构钢材进行高热输入焊接时，靠近熔化边界的热影响区被加热到1400℃或更高温度。结果，焊接加热使基材中的TiN析出相部分溶解。另外，出现Ostwald熟化现象，即小晶粒尺寸的析出相溶解，并扩散到大晶粒尺寸的析出相。根据Os本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含有ＴｉＮ析出相和ＺｒＮ析出相的焊接结构钢材，按照重量百分数，其中包括：０．０３～０．１７％Ｃ、０．０１～０．５％Ｓｉ、０．４～２．０％Ｍｎ、０．００５～０．２％Ｔｉ、０．０００５～０．１％Ａｌ、０．００１～０．０３％Ｚｒ、０．００８～０．０３０％Ｎ、０．０００３～０．０１％Ｂ、０．００１～０．２％Ｗ、最多０．０３％Ｐ、最多０．０３％Ｓ、最多０．０１％Ｏ，其余为Ｆｅ和附带的杂质，并且元素含量满足的条件为１．２≤Ｔｉ／Ｎ≤２．５、０．３≤Ｚｒ／Ｎ≤２．０、１０≤Ｎ／Ｂ≤４０、２．５≤Ａｌ／Ｎ≤７和６．８≤（Ｔｉ＋Ｚｒ＋２Ａｌ＋４Ｂ）／Ｎ≤１７，并具有主要由晶粒尺寸为２０μｍ或更小的铁素体和珠光体复合结构组成的微观结构。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：崔海昌，郑弘喆，
申请(专利权)人：POSCO公司，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]