[发明专利]高强度高韧性Zr-B复合微合金钢及其生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及结构钢及其生产方法，特别涉及高强度高韧性Zr-B复合微合金钢及其生产方法。 

背景技术

众所周知，微合金钢中最常用的微合金添加元素主要有三种，即Nb、Ti和V。从已有的资料来看，Nb-Ti复合添加对控制晶粒长大效果最显著。微合金钢中Nb的加入一方面提高未再结晶温度；另一方面与Ti等其他元素在钢中形成细小弥散的复合碳氮化物以控制晶粒尺寸。 

大量的实验和理论计算结果已经证实，在Nb-Ti复合微合金钢中中，高温时首先形成以TiN为主要成分的析出相，然后在较低温度下NbC以TiN作为形核核心，并在此基础上形核和长大。Zr与Ti属于元素周期表中的IVA族，其化学性能相似。目前Zr微合金钢添加量一般较高，通常在0.015～0.060％之间。 

船体用结构钢按照其最小屈服点划分强度级别为：一般强度结构钢和高强度结构钢。而目前结构用钢的开发总的趋势是向着高强度高韧性的方向发展，但是随着强度的提高，其冲击韧性和焊接性能势必降低，焊接裂纹敏感性增加。 

与此同时，为提高生产效率，钢板的焊接也逐渐向大能量焊接方向发展，这又容易引起传统低合金高强钢的焊接热影响区性能(强度、韧性)恶化，易产生焊接冷裂纹问题，给大型钢结构的制造带来困难。由于焊接为厚板加工的主要方式，满足大线能量焊接性能也逐步成为各种钢种所具备的一种性能。所以，在追求高强度的同时，改善钢板的韧性以提高钢板的焊接性能越来越迫切。 

通常情况下，焊接热影响区(HAZ)的强度和冲击韧性随输入线能量的增大而降低。因此，HAZ的韧性成为制约钢大线能量焊接的关键因素。 

为了解决HAZ的韧性问题，国内外相继开展了大线能量焊接用钢的 研究工作，提出了一些改善韧性的方法，主要有降低C含量和碳当量Ceq、利用微合金元素和氧化物夹杂细化奥氏体晶粒、获得韧性好的组织如针状铁素体以及贝氏体组织的超低碳钢、通过改进生产工艺提高韧性等。本发明主要是通过在钢中形成弥散细小的具有很高热稳定性的ZrB₂析出物来细化奥氏体晶粒从而改善大线能量焊接时HAZ的韧性。 

中国船级社规范标准的一般强度结构钢分为：A、B、D、E四个质量等级；中国船级社规范标准的高强度结构钢为三个强度级别、四个质量等级。表1为常用高强度船体结构钢力学性能的规定。 

传统的船板钢其主要成分特点是钢中元素种类较多，并经常添加Ni、Cu等价格昂贵的金属元素，这无疑会增加钢板的生产成本。 

而且，从已有钢板的组织和性能指标来看，传统船板钢晶粒尺寸较大，强度级别低，而强度级别较高的船板钢合金元素多，生产成本较高。 

其次，从生产工艺角度看，高强度船板钢大多采用热处理工艺，如正火、正火+回火等，在这一过程中增加了能源消耗，而采用TMCP+RPC工艺可以使高强度高韧性钢板的生产工艺过程变得更加紧凑，降低了生产成本，缩短生产周期，提高产量。 

表1 DNV船级社规范对高强度船板钢的力学性能的规定 

目前，造船行业为提高生产效率而广泛采用大线能量焊接，这就要求船板钢具有良好的焊接性，即焊接热影响区HAZ具有良好的韧性。传统的成分设计原则一般是采用Ti微合金化技术，通过调整钢中Ti和N的比例，使之有利于形成TiN粒子来抑制高温奥氏体晶粒的长大，改善HAZ韧性。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度高韧性Zr-B复合微合金钢及其生产方法，更为有效地来满足大线能量焊接用钢板，同时对钢板的性能有所改善。 

为达到上述目的，本发明的技术方案是， 

高强度高韧性Zr-B复合微合金钢，其成分质量百分比为：C≤0.10％，Si 0.20～0.40％，Mn 1.20～1.40％，Nb 0.01～0.02％，P≤0.012％，S≤0.005％，0＜Zr≤0.005％，0＜B≤0.001％，余量为Fe和不可避免杂质；其中，Zr/B≤10。 

本发明钢中碳的含量应控制在较低水平，这是因为碳含量提高将大大增加钢板的焊接冷裂纹倾向，提高钢板焊接时的预热温度，不利于钢的焊接并降低HAZ韧性，尤其是大线能量焊接时对HAZ韧性的降低更明显。 

加入少量Nb主要是为了提高钢的未再结晶温度，通过在未再结晶区进行大压下量轧制，通过动态再结晶细化奥氏体晶粒； 

钢中P和S的含量应尽量低，避免在钢坯凝固过程中形成硫化物或由于P在晶界的偏聚导致钢的脆性。