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日志

 
 

铌在高强度可焊接工字钢和其它结构钢中的应用  

2007-08-05 13:35:53|  分类: 技术类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  高强钢对于近10年冶金工业发展意义重大,目前能够满足强度、塑性、韧性、成形性和焊接性的要求,使低成本钢材年产量占世界结构钢的10%左右。
  回顾高强度结构钢的发展历程。20世纪初期,结构工程师们使用的单一品种钢,这种钢被称为“低碳钢”,意思是“低碳、柔软、易加工”,低碳钢没有特意使用除碳以外的合金元素进行强化,钢中的Mn用于脱氧,还含有稳定的硫化物,一般认为低碳钢化学成分范围:0.1%~0.25%C,0.4%~0.7%Mn,0.1%~0.5%Si,其余为S、P和其它元素。低碳钢的屈服强度约为250MPa。
  在1940年以前,对结构钢的主要要求是增加抗拉强度。为获得较高强度,C含量增加到0.3%,Mn含量达到1.5%左右,这种钢的应用范围不广,适应不了现代高强度结构钢的要求。它具有如下缺点:(a)厚度达到30mm的钢材,屈服强度太低,只能达到360MPa;(b)厚度增加时屈服强度下降的幅度很大;(c)高的C、Mn含量使钢的焊接性能变差;(d)断裂韧性比低强度钢低。
  与其它材料,尤其是钢筋混凝土的竞争,促进了结构钢的发展。为保证市场份额,开发了很多简便的生产和精炼技术,这使得对钢的焊接性和缺口冲击韧性越来越高。对1942~1949年期间发生在桥梁和船舶,尤其是著名“自由轮”的金属断裂行为进行的调查和研究,奠定了金属断裂力学的基础。
  主要通过以下工艺提高钢的性能:限制C含量;提高洁净度,包括降低S、P含量;Al脱氧,微合金化,常化轧制和后来的控制轧制。上述工艺细化了钢的组织,提高了钢的强度和韧性。
  1960年以后,修订的标准中介绍了一些新的钢号:法国的DIN17102标准、英国的BS4360标准、法国的NFA35-504标准。这些国家标准成为后来欧洲统一标准———细晶粒钢EN10113的基础。已有研究工作制订了钢抗脆性断裂的判定原则。这些工作将通常的缺口冲击试验结果和KIc值用于断裂机制。
  在下列条件下,需要材料具有更高的韧性:疲劳载荷下的工程结构;低的服役温度;高屈服强度;厚断面钢材。新的欧洲建筑设计规范包括了最小冲击功为27J时的温度,并依此选择相应钢号等内容。
  北极地区的海洋工业发展极大地促进了结构钢的发展,该地区需要在严酷的低温条件下装配工程结构。由于海洋结构承载能力有限,且随着深海石油和油气田的开发,对海洋结构而言,减轻重量成为当务之急,高强钢成为焦点。对这些苛刻环境下使用的钢材,制订了专用标准,如EN10225或API2MT2。
  表1概括了现代结构钢钢种的特点。
  1.生产工艺
  长条材既可用氧气转炉冶炼,也可用电弧炉冶炼,并更多地采用连铸工艺生产。连铸成小方坯、大钢坯和扁锭,作为半成品,最近也连铸成工字钢形状。根据1964年的试验,1968年开始了工字钢的近终形铸造。该技术后来被日本的川崎、日本钢铁和日本钢管、美国的纽科Yamato、Chaparrol和西北钢铁公司、欧洲的ProfilARBED等公司采用。
  图1示出了欧洲PrefilARBED集团公司热轧产品的不同类型的半成品。工字梁的最大宽度达1118mm,或者最大厚度达到125mm。热轧工字钢占结构钢的比例很大。因此下面的讨论虽集中于工字钢,但其主要原理同样适用于等效厚度的其它钢材。
  ProfilARBED公司生产大工字钢的钢水由电弧炉冶炼,连铸成工字钢。连铸后,初轧前,工字钢在步进炉中重新加热,由两台可逆万能轧机轧制并由万能轧机终轧。轧机孔型不同,轧制产品的断面不同。
  1.1大工字钢的传统轧制工艺
  半成品被加热到1250℃左右,经15~20道次轧制。而对铸锭,需加热到1300℃,可能需经40道次轧制,工字钢的道次压下率为4%~20%,终轧温度高于1000℃,工字梁上的温度分布不均匀:根部和腰部连接处温度最高,腰部的中间温度最低,温度的差异与工字钢的尺寸有关,最大温差可达100℃。按该工艺轧制,按ASTM标准进行评级,厚度为40mm的工字钢晶粒度为7级。
  为细化钢的组织,可采用Ti-Nb微合金化,使再加热时奥氏体晶粒相当细小(达50μm,而不是200~300μm),再结晶组织也相当细小。实验室模拟结果显示,每道次压下率达15%即可获得所需要的组织,力学性能达到50Ksi(抗拉强度≥50Ksi,相当于S355)。表2是50Ksi工字钢的化学成分。
  该成分设计已成功用于工业生产。热轧过程中温度高,意味着钢中的Nb仍保持固溶状态,即使在终轧温度时,也没有Nb的碳化物析出。Nb在钢中以固溶状态存在时,通过延迟相变,细化铁素体晶粒,获得一定数量的贝氏体,从而提高钢的强度。该钢的典型组织是约80%的铁素体,其余为贝氏体和珠光体。在相同轧制工艺条件下,按ASTM标准判断,C-Mn钢的晶粒度为7级,而含Nb钢的晶粒度为9级。相变过程中或相变之后,若在铁素体中形成NbC析出物,则钢的强度可进一步提高。通过传统轧制工艺只能有限地细化晶粒,对于强度高于50Ksi或厚度大于20mm的钢,为满足韧性要求,必须采用控制轧制工艺。
  1.2正火热处理
  正火是在Ac3相变点以上(通常Ac3+50℃)。S355钢热轧态的组织为铁素体-珠光体,进行正火处理的目的是细化组织,使组织均匀,提高钢的韧性。
  组织细化的程度与原始组织有关。对于不能进行控制轧制的钢,尤其是厚截面钢材,通过正火可达到很好的细化晶粒效果。对于薄截面钢材,正火可能达不到细化的目的,这种情况下,该轧制过程可认为是控制轧制工艺,通常称之为“常化轧制”,热轧态的组织和性能与正火后的组织和性能相似。
  通常用Nb提高正火钢的抗拉强度,Nb能够阻止奥氏体晶粒长大,扩大γ相区。在含Si钢中,这种效果尤为明显。正火温度在900℃和1050℃之间,Nb含量为0.02%~0.04%,就足以使晶粒度达到10级。与此相反,含Si钢中不含Nb时,正火温度为1000℃时,晶粒度为7级。
  Nb的碳氮化合物和Al的氮化物一样,在1050℃仍能够阻止奥氏体晶粒长大,这种作用尤为重要,即使在炉温不均匀的热处理炉中,也能获得细小的铁素体-珠光体组织。
  厚度不同,热轧态工字钢的晶粒度为7~9级。正火后910℃×30′的晶粒度达到了11级。vT27>40℃。正火后vT27<-45℃,正火后,强度均略有下降。
  根据以上试验结果,制订了S355钢的合金设计原理。
  为满足焊接性能的要求,必须具有较低的碳当量。与控轧钢相比,S460钢具有较高的碳当量,从而限制了其产量。还必须指出,尤其对薄截面钢材,热处理易导致变形。变形后必须用矫直机矫直。
  1.3控轧工艺:控制轧制
  在奥氏体的低温区进行控制轧制时,含Nb钢可以满足强度韧性的要求。轧制过程中,奥氏体首先在1050℃以上进行变形,使奥氏体晶粒细化。如果给定总压下率为70%,则每道次轧制后,通过静态再结晶可得到细小的奥氏体晶粒。然后待温至900℃以下进行终轧。含Nb钢中的再结晶非常缓慢,奥氏体晶粒变成饼状,从而有效地细化了晶粒。
  电弧炉冶炼的含Si钢,高的自由氮含量对性能的提高非常显著。上述钢中,全氮含量在100ppm以上。含Si的空冷钢中,自由氮含量与全氮含量关系是N自由=0.43N全。含Si钢的韧性与自由氮含量有关。自由氮含量在32~33ppm以下时,vT40J约为-10℃。自由氮含量一旦超过35ppm,vT40J迅速达到>+30℃。
  提高韧性方法有两个:一是将终轧温度从960℃降低到870℃,使铁素体晶粒度从7级提高到9级,该工艺显著提高了钢的韧性;二是采用控制轧制,形成氮化物,降低钢中自由氮。二者综合作用,钢的韧性最好。
  常用Al来降低钢中自由氮含量,也可采用Ti、Nb、V等元素。相比于Al和Ti,V和Nb具有优点,它们不会导致连铸过程中出现水口堵塞或产生缺陷等连铸问题。对自由氮含量的测定可用于确定氮化物形成元素固定氮的效果。由此确定了Al当量的计算公式Aleq=Al+2Ti+Nb+V(%)。根据工字钢的力学性能要求来选择合金元素,vT40与屈服强度的函数关系。采用Al、Ti、Al+Ti、Ti+V进行微合金化,屈服强度约为320MPa时,vT40在-60~-70℃之间,强度与用于比较的C-Mn钢相似,C-Mn钢中没有沉淀硬化。Nb微合金钢的屈服强度为375MPa时,vT40=-55℃,Nb产生了显著的沉淀硬化效应,并细化了组织。Ti+Nb复合加入时,由于TiN与Nb的相互作用,使沉淀硬化效应有所减轻。
  同样地,含V钢中加Ti也降低V的硬化效应,因为Ti固定了氮,降低了V的氮化物的硬化效应。
  虽然控制轧制能达到强度和韧性的要求,但也存在一些缺点。降低终轧温度增加了轧机的负载,很多轧机在设计时并没有考虑这部分增加的载荷。与C-Mn钢相比,由于Nb的存在阻止了再结晶,在此温度区间使轧机增加了负载。由于控轧过程中有个待温过程,因而增加了轧制时间,降低了生产效率。
  图3显示了要达到一定厚度的S355工字钢所对应的强度时所需的化学成分、碳当量和Nb含量。为达到所需强度,可采用不同的化学成分。图4给出了生产S355钢可采用的另外一种合金设计原理。
  与图3所示的合金设计原理相比,C含量提高了0.06%,Nb(V)含量降低。这两种成分的强度相同,然而对韧性的影响很大。C含量低,采用Nb微合金化时,长度方向的韧性提高了,但随着厚度增加,满足韧性要求更为困难。
  关于海洋焊接结构钢的EN10225标准中提出了更为严格的韧性要求,该标准涉及到横向或厚度方向的韧性要求,对于较低碳含量的钢,横向冲击功要求有所提高,对厚度方向韧性而言,可通过降低S含量来达到。
  控轧工艺也用于生产S460钢,当然,控轧工艺不能生产最大的厚度范围。
  对于较厚的钢材,轧制温度提高,轧后冷却速度降低,从而导致组织粗化。为达到强度要求,必须增加合金含量。由于焊接性能的要求和碳当量的限制,尚不能生产50mm厚度以上的S460钢材。
  1.4控轧工艺:加速冷却
  为克服控制轧制的局限性,ProfilARBED公司联合冶金研究中心和英国钢铁公司开发了轧后加速冷却的工艺。
  在淬火+自回火工艺中,最后一道次轧制之后,整个工字钢表面喷水激冷。在心部被淬火之前,停止喷水,工字钢的外表层被从心部向表层传递的热量进行自回火。图5是该热处理过程的示意图。从终轧辊出来直接进入冷却架,此时温度约为850℃,整个工件的表面冷却后,开始自回火的温度≥600℃。通常,淬火+回火工艺的先决条件是整个工字钢的断面上温度要均匀,这样,在轧制过程中,需对工字钢上温度最高的部位,即腿部和腰部的连接处进行选择性冷却。图6是该工艺的示意图。采用该技术可消除工字钢断面上的温度差异。
  日本钢管公司的福山工厂开发出了与在线加速冷却OLAC(OnlineAcceleratedcooling)相似的工艺。OLAC于1980年起在钢板生产中就已开始了应用。对厚截面钢材,由于横断面形状复杂,该技术在这种材料的应用方面遇到技术困难。由于热变形难以克服而采用无变形的冷却,由于产品的尺寸和钢号非常分散,产品质量难以控制。而日本钢公司开发了大工字钢的加速冷却装置。
  采用不同轧制工艺所得到的热轧态组织如前所述,传统轧制所得到的晶粒度为7级,控制轧制时晶粒度约为9级,采用加速冷却时晶粒度可达11级。如此细小的组织在很低的温度下也具有良好的韧性,按照EN10113专用标准,厚度达125mm时41J的转变温度在-50℃以下。
  通过激冷细化组织时,Nb细化组织的作用未能发挥,在热轧钢材中,添加Nb未能提高韧性。然而,在高强钢中,通过添加Nb降低碳当量从而提高了焊接性,这对厚钢材尤为重要
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