本發(fā)明涉及超高強(qiáng)度鋼領(lǐng)域，具體提供了一種易焊接的超高強(qiáng)鋼及焊接接頭。

背景技術(shù)：

1、隨著裝備和設(shè)備向著大型化和輕量化發(fā)展，對(duì)鋼材的強(qiáng)度要求不斷增加。1100mpa級(jí)超高強(qiáng)鋼主要應(yīng)用于大型或超大型設(shè)備，這些應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)鋼板的強(qiáng)韌性和可焊性提出更為苛刻的技術(shù)要求。首先，傳統(tǒng)超高強(qiáng)鋼的淬火和回火的時(shí)間較長(zhǎng)，長(zhǎng)時(shí)間的熱處理會(huì)導(dǎo)致鋼板晶粒的長(zhǎng)大和碳化物的粗化，降低鋼板生產(chǎn)效率的同時(shí)損害其強(qiáng)韌性。其次，鋼板焊接的高溫?zé)嵫h(huán)不利于熱影響區(qū)強(qiáng)韌化，一般需添加cr、v等抗高溫軟化元素和ni、mo等對(duì)韌性有利的元素來提高可焊性，從而推高合金化成本。因此，當(dāng)前亟需探索一種創(chuàng)新方案，在不犧牲鋼板高強(qiáng)韌性的前提下降低合金化成本、提高熱處理效率和優(yōu)化焊接性能，以此解決行業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。

2、專利cn?108315671?b公開了一種屈服強(qiáng)度1000mpa級(jí)低屈強(qiáng)比超高強(qiáng)鋼及其制備方法，該發(fā)明采用控軋控冷、離線淬火和低溫回火方案，獲得高位錯(cuò)密度的精細(xì)板條馬氏體組織。但是，其淬火保溫時(shí)間最高達(dá)到90min，使得鋼板組織中晶粒和碳化物粗化，導(dǎo)致其強(qiáng)度和韌性偏低。同時(shí)該專利中并未涉及到產(chǎn)品的可焊接性。

3、專利cn?114196879?b公開了一種屈服強(qiáng)度1000mpa級(jí)的結(jié)構(gòu)鋼板及其制造方法，該發(fā)明為保證高韌性，在鋼板中添加大量貴重金屬合金元素，如10~15%的ni和0.8~1.5%的mo，大幅度提高了合金化成本，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。同時(shí)該專利中并未涉及到產(chǎn)品的可焊接性。

4、專利cn?117904408?a?公開了一種超高強(qiáng)鋼板的閃速熱處理工藝，該發(fā)明通過淬火過程中快速加熱、短時(shí)保溫和快速冷卻的方法獲得細(xì)小回火馬氏體和納米級(jí)碳化物，在不大幅增加成本的前提下，使鋼材擁有良好的強(qiáng)韌性。但是，該發(fā)明在閃速熱處理前將鋼板加熱至600~650℃保溫20~40min，這降低了閃速熱處理的生產(chǎn)效率，削弱了其工業(yè)化生產(chǎn)的效率優(yōu)勢(shì)。同時(shí)該專利中并未涉及到產(chǎn)品的可焊接性。

5、現(xiàn)有技術(shù)中，鮮有專利采用無ni、低mo、無nb、高ti的低成本合金化方案，并輔以創(chuàng)新的兩階段淬火和快速回火技術(shù)，以較低的合金化成本、高熱處理效率和優(yōu)化的焊接工藝制備出兼具超高強(qiáng)度和良好韌性的超高強(qiáng)鋼及其焊接接頭。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種易焊接的超高強(qiáng)鋼及焊接接頭的制備方法，通過加入適量廉價(jià)的si、al、ti和少量cr、v等貴金屬元素，并結(jié)合創(chuàng)新的兩階段淬火和快速回火技術(shù)，以低合金化成本和高熱處理效率獲得細(xì)小的高溫回火馬氏體和高溫穩(wěn)定且細(xì)小彌散的tic、vc，提高鋼的強(qiáng)韌性；配合優(yōu)化的焊接工藝，在焊接接頭組織中進(jìn)一步引入細(xì)小彌散的tin、vn，在焊接熱循環(huán)過程中釘扎晶界抑制晶粒的長(zhǎng)大，提高焊接接頭的強(qiáng)韌性。

2、本發(fā)明一種易焊接的超高強(qiáng)鋼及焊接接頭，所述超高強(qiáng)鋼成分質(zhì)量百分比為：

3、c:0.10~0.13%，si:0.2~0.5%、優(yōu)選為0.25~0.4%，?mn:0.8~1.2%，al:0.03~0.10%、優(yōu)選為0.5~0.10%，?cr:0.3~0.6%，?mo:0.1~0.3%，?ti:0.07~0.10%，v:0.04~0.08%，

4、p≤0.02%，s≤0.005%，其余為fe及其它不可避免的雜質(zhì)。

5、進(jìn)一步地，采用無ni、低cr、無nb、高ti的低成本成分設(shè)計(jì)方案，ni、cr和nb均屬于貴重金屬，降低其含量能有效降低合金化成本；ti的成本較低，通過較高的ti添加量，配合合理的制度設(shè)計(jì)，形成均勻彌散的ti的碳化物并細(xì)化晶粒，能有效提高鋼的強(qiáng)韌性，補(bǔ)償因無ni、低cr和無nb設(shè)計(jì)而造成的強(qiáng)韌性損失。同時(shí)，ti的碳化物在焊接熱循環(huán)過程中抑制晶粒的粗化，提高鋼的焊接性能。

6、本發(fā)明將si元素的含量控制在0.2~0.6wt%范圍內(nèi)；當(dāng)si含量大于等于0.2wt%時(shí)，能起到脫氧效果且能產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，但是，當(dāng)其含量超過0.5wt%時(shí)會(huì)導(dǎo)致冷脆的發(fā)生，不利于鋼的焊接性能。

7、本發(fā)明將al元素的含量控制在0.03~0.10wt%范圍內(nèi)；當(dāng)al含量大于等于0.03wt%時(shí)，能起到較強(qiáng)的脫氧固氮效果，但是，當(dāng)其含量超過0.10wt%時(shí)，鋼中容易產(chǎn)生al的氧化物夾雜缺陷。

8、本發(fā)明將c元素的含量控制在0.10~0.13wt%范圍內(nèi)；當(dāng)c含量大于等于0.10wt%時(shí)，能以極低成本有效提高鋼的強(qiáng)度，但是，當(dāng)其含量超過0.13wt%時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋼的碳當(dāng)量增加，不利于鋼的焊接性能。

9、本發(fā)明將ti元素的含量控制在0.07~0.10wt%范圍內(nèi)；當(dāng)ti含量大于等于0.07wt%時(shí)，傾向于與c元素結(jié)合形成高溫穩(wěn)定的細(xì)小tic相，該相經(jīng)焊接熱循環(huán)后不會(huì)發(fā)生明顯的溶解，能提高焊接接頭的強(qiáng)度。但是，當(dāng)其含量超過0.10wt%時(shí)，會(huì)導(dǎo)致ti的碳化物粗化，降低鋼的韌性。

10、作為優(yōu)選，所得鋼板si/al質(zhì)量比和c/ti質(zhì)量比需同時(shí)滿足以下條件：

11、本發(fā)明精確將si/al質(zhì)量比控制在4~8的范圍內(nèi)，即si/al=4~8。當(dāng)si/al比在上述范圍內(nèi)時(shí)，能協(xié)同提高鋼中奧氏體相變過程中的界面遷移速率，提高tic相析出過程中ti元素的擴(kuò)散速率，進(jìn)而提高tic相的析出量和分布均勻性，細(xì)化tic相的尺寸。這有利于提高tic相的強(qiáng)化效果，提高鋼焊接接頭的強(qiáng)度。

12、本發(fā)明精確將c/ti質(zhì)量比控制在1.1~1.5的范圍內(nèi)，即c/ti=1.1~1.5。當(dāng)c/ti比在上述范圍內(nèi)時(shí)，有利于ti的碳化物細(xì)化和均勻化；當(dāng)c/ti＜1.1時(shí)，ti含量相對(duì)于c含量過低，不利于tic的形成，從而降低焊接接頭強(qiáng)度；當(dāng)c/ti＞1.5時(shí)，ti含量相對(duì)于c含量過高，導(dǎo)致tic粗化，從而降低焊接接頭韌性。

13、進(jìn)一步地，在滿足上述含量要求的前提下對(duì)si/al質(zhì)量比和c/ti質(zhì)量比進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)選，si/al=4~8、優(yōu)選為5~6，c/ti=1.1~1.5、優(yōu)選為1.1~1.3。

14、本發(fā)明將v元素的含量控制在0.04~0.08wt%范圍內(nèi)；當(dāng)v含量大于等于0.04wt%時(shí)，有利于析出細(xì)小彌散vc并細(xì)化晶粒，產(chǎn)生第二相強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化，但是，v屬于貴金屬，當(dāng)其含量超過0.08wt%時(shí)會(huì)提高生產(chǎn)成本。

15、本發(fā)明將mn元素的含量控制在0.8~1.2wt%范圍內(nèi)；當(dāng)mn含量大于等于0.8wt%時(shí)，有助于產(chǎn)生固溶強(qiáng)化并提高鋼的淬透性，但是，當(dāng)其含量超過1.2wt%時(shí)會(huì)導(dǎo)致偏析和mns等夾雜物的形成，降低鋼的韌性。

16、本發(fā)明將cr元素的含量控制在0.3~0.6wt%范圍內(nèi)；當(dāng)cr含量大于等于0.3wt%時(shí)，利于降低鋼的相變點(diǎn)，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化，改善鋼的淬透性，但是，當(dāng)其含量超過0.6wt%時(shí)會(huì)導(dǎo)致粗大的晶界碳化物的析出，降低鋼的韌性和焊接性能。

17、在本發(fā)明限定的工藝條件下，本發(fā)明將mo元素的含量控制在0.1~0.3wt%范圍內(nèi)；當(dāng)mo含量大于等于0.1wt%時(shí)，有利于提高鋼的奧氏體穩(wěn)定性和淬透性，但是，當(dāng)其含量超過0.6wt%時(shí)會(huì)導(dǎo)致碳當(dāng)量提高，降低鋼的焊接性能。

18、本發(fā)明一種易焊接的超高強(qiáng)鋼及焊接接頭，其通過下述方案制備：按設(shè)計(jì)成分冶煉出鋼板，鋼板經(jīng)軋制和熱處理得到成品；

19、所述軋制包括粗軋和精軋，其中：

20、粗軋開軋溫度≥1170℃、優(yōu)選為1170~1200℃，至少一道次的壓下率≥20%；精軋開軋溫度≥1050℃、優(yōu)選為1050~1080℃，終軋溫度≥820℃、優(yōu)選為820~850℃，最后一道次壓下率≥15%。其中粗軋至少一道次的壓下率≥20%和精軋最后一道次壓下率≥15%，均有利于細(xì)化鋼板晶粒尺寸。

21、將終軋后的鋼板以60~100℃/s的速度冷卻至500~550℃，卷取并空冷至室溫。鋼經(jīng)快速冷卻后在500~550℃下卷取，能獲得分布有彌散碳化物的均勻細(xì)小的索氏體組織，這為快速熱處理過程的奧氏體化提供大量形核位點(diǎn)，為快速熱處理的實(shí)現(xiàn)提供微觀組織基礎(chǔ)。

22、軋制完成后，鋼板的厚度≤5mm，薄板設(shè)計(jì)使得超高強(qiáng)度鋼板在熱處理過程中能夠顯著減少達(dá)到均勻加熱與充分淬透狀態(tài)所需的時(shí)間，使得快速熱處理成為可能。

23、所述快速熱處理包括兩階段淬火和快速回火，

24、兩階段淬火過程將鋼板以80~120℃/s的速度快速加熱至900~960℃，保溫3~6min，第一階段以≥100℃/s的速度快速冷卻至500~600℃，第二階段以10~30℃/s冷卻至室溫。其中，快速加熱和短時(shí)保溫有利于避免組織粗化；第一階段通過極快的冷卻速度使鋼板產(chǎn)生相變，提高組織內(nèi)部的晶格畸變程度和碳的過飽和度，從而獲得細(xì)小均勻組織，并為回火過程中納米碳化物相的析出提供驅(qū)動(dòng)力，讓快速回火過程成為可能。第二階段降低冷速有利于降低因第一階段超快速冷卻而造成的過高的淬火內(nèi)應(yīng)力，有利于鋼板韌性的發(fā)揮?？焖俅慊鸷筮M(jìn)行快速回火。

25、所述快速回火過程將鋼板以80~120℃/s的速度加熱至500~600℃，保溫3~6min，然后以10~30℃/s的速度冷卻至室溫，通過超快速加熱，短時(shí)保溫和快速冷卻過程，在保障納米碳化物相有效析出的前提下大幅度縮短了回火時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

26、本發(fā)明一種易焊接的超高強(qiáng)鋼及焊接接頭，回火后，鋼材的微觀組織為細(xì)小的回火馬氏體+v、ti碳化物+cr、mo碳化物，其回火馬氏體晶粒平均尺寸≤6μm，碳化物均勻分布且平均尺寸≤10nm。

27、本發(fā)明一種易焊接的超高強(qiáng)鋼及焊接接頭，回火后，鋼材的屈服強(qiáng)度≥1150mpa，抗拉強(qiáng)度≥1250mpa，-40℃沖擊功≥70j，裂紋敏感性系數(shù)pcm為0.17~0.25%；

28、其中，pcm=c+si/30+mn/20+cu/20+ni/60+cr/20+mo/15+v/10+5b。

29、一種易焊接的超高強(qiáng)鋼及焊接接頭，其以回火后鋼材為焊接對(duì)象，采用氣體保護(hù)焊的方式進(jìn)行焊接，焊接時(shí)采用的焊絲成分以質(zhì)量百分比計(jì)為：c:0.10~0.13%，si:0.2~0.5%，mn:0.8~1.2%，al:0.03~0.10%，cr:0.3~0.6%，mo:0.1~0.3%，ti:0.10~0.15%，v:0.04~0.08%，?其余為fe及其它不可避免的雜質(zhì)；采用的焊接電流為140~180a，焊接電壓為15~22v，焊接熱輸入≤6kj/cm；采用的保護(hù)氣體為氮?dú)夂蜌鍤?，氣體總流量為20~25l/min，其中氮?dú)夂蜌鍤獾牧髁勘葹?:(10~25)。在焊接環(huán)境下，保護(hù)性氣體中的氮?dú)怆婋x出活性n原子，與焊接接頭中的ti、v原子結(jié)合，形成tin，從而提高其強(qiáng)韌性匹配。當(dāng)?shù)獨(dú)夂蜌鍤獾牧髁勘葹樵?:(10~25)范圍內(nèi)時(shí)，有利于組織中形成細(xì)小彌散的tin、vn，細(xì)化焊接接頭晶粒，提高其強(qiáng)韌性匹配；當(dāng)保護(hù)氣體中氮?dú)夂窟^高時(shí)，電離出的活性n原子含量過高，使得tin粗化，降低其有益效果；當(dāng)保護(hù)氣體中氮?dú)夂窟^低時(shí)，形成的彌散tin含量過少，析出強(qiáng)化被削弱。

30、本發(fā)明一種易焊接的超高強(qiáng)鋼及焊接接頭，其抗拉強(qiáng)度≥1150mpa，熱影響區(qū)-20℃沖擊功≥90j。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明合金化成本低，熱處理效率高，所得鋼板不僅具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性，還擁有優(yōu)良的焊接性能，具有巨大的工業(yè)化生產(chǎn)潛力。

31、本發(fā)明的技術(shù)方案有如下有益效果：

32、1.?本發(fā)明通過低成本ti元素的納米碳氮化物提高鋼的強(qiáng)度和焊接接頭強(qiáng)度，降低了貴金屬元素ni、cr、nb的添加，降低了合金化成本；通過精確控制si/al比和c/ti比，?并滿足關(guān)系式：si/al=4~8、優(yōu)選為5~6，c/ti=1.1~1.5、優(yōu)選為1.1~1.3，可以細(xì)化晶粒并促進(jìn)高溫穩(wěn)定的tic均勻彌散分布，優(yōu)化鋼板強(qiáng)韌性匹配。

33、2.?本發(fā)明在成分設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，配合合適的卷取溫度和創(chuàng)新的快速熱處理制度，將鋼組織快速奧氏體化，防止奧氏體晶粒長(zhǎng)大和碳化物粗化，所得回火馬氏體晶粒平均尺寸≤6μm，碳化物平均尺寸≤10nm，保障了鋼優(yōu)良的強(qiáng)韌性和焊接性能。

34、3.?本發(fā)明優(yōu)化焊接保護(hù)氣體中氮?dú)夂蜌鍤獾牧髁勘葹?:(10~25)，促進(jìn)焊接接頭中細(xì)小彌散的tin、vn析出，在焊接熱循環(huán)過程中釘扎晶界抑制晶粒的長(zhǎng)大，產(chǎn)生析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化，提高焊接接頭的強(qiáng)韌性。