多層堆焊接頭的低溫韌性優(yōu)異的高強(qiáng)度收納容器用厚鋼板的制作方法

專利名稱：多層堆焊接頭的低溫韌性優(yōu)異的高強(qiáng)度收納容器用厚鋼板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及構(gòu)筑收納容器時(shí)所使用的厚鋼板，特別是涉及在形成多層堆焊接頭時(shí) 該接頭部的熱影響部(以下稱為“HAZ”)的低溫韌性優(yōu)異的厚鋼板。
背景技術(shù)：
進(jìn)行淬火、回火而使用的厚鋼板(以下稱為“QT鋼板”)由于具有高強(qiáng)度、高韌性， 并且具有良好的焊接性，因此歷來(lái)以儲(chǔ)罐為中心而被作為壓力容器用鋼板使用。近年來(lái)，QT 鋼板正在實(shí)現(xiàn)著其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，例如擴(kuò)展為原子爐的收納容器所使用的厚鋼板。隨著近年來(lái)的焊接結(jié)構(gòu)體的大型化設(shè)計(jì)，在作為完全殼而適用的厚鋼板中有要求 更高強(qiáng)度(例如抗拉強(qiáng)度為585MPa以上)的傾向。而且因?yàn)槎嗍窃诤涞赜蜻M(jìn)行建筑規(guī) 劃，所以要求在母材和焊接接頭部具有良好的低溫韌性。為了適用于如上用途的厚鋼板的高強(qiáng)度化，需要一定量以上(例如0. 12質(zhì)量％以 上)的碳。另外，焊接厚鋼板而形成焊接接頭時(shí)所進(jìn)行的是多層堆焊(多層堆焊接頭)，但 為了確保這一焊接接頭的韌性，則認(rèn)為碳含量越少越優(yōu)選。在多層堆焊接頭部，由于與接頭構(gòu)造的關(guān)系而在組織上呈現(xiàn)出復(fù)雜的情況。 艮口，在多層堆焊接頭部，根據(jù)其部位不同，存在回火粗晶HAZ(CG-HAZ)組織、回火細(xì)晶 HAZ (FG-HAZ)組織和二相域加熱HAZ (IR-CGHAZ)組織，在這些組織之中，已知回火CG-HAZ組 織是最脆化部。即，要想使焊接接頭的低溫HAZ韌性良好，最有效的手段被認(rèn)為是改善回火 CG-HAZ組織的韌性。作為回火CG-HAZ組織呈現(xiàn)低韌性(最脆化部)的原因，可列舉回火CG-HAZ組織 中的晶界滲碳體的存在。即，由于存在于該組織的晶界的滲碳體的比例而引起龜裂發(fā)生，晶 界滲碳體越多，龜裂發(fā)生點(diǎn)就越多，這被認(rèn)為是導(dǎo)致低韌性的原因。作為用于實(shí)現(xiàn)焊接接頭的低溫韌性優(yōu)異的厚鋼板的技術(shù)，早就提出有各種各樣的 技術(shù)。作為這樣的技術(shù)，例如在日本特開昭63-103020號(hào)、日本特開昭63-169235號(hào)中提出 有一種厚鋼板，其通過(guò)控制鋼板中的Nb含量來(lái)改善多層堆焊接頭韌性。該技術(shù)的原理在 于，在形成后續(xù)的焊層時(shí)回火CG-HAZ中的島狀馬氏體(MA)容易被分解。但是，即使在這樣的技術(shù)中，在MA被分解后，仍會(huì)處于晶界滲碳體依然有所殘留 的狀態(tài)，如果從降低回火CG-HAZ組織中的晶界滲碳體而改善低溫韌性的這一觀點(diǎn)出發(fā)，則 實(shí)際情況很難說(shuō)發(fā)揮出了充分的改善效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于這樣的狀況而做，其目的在于，提供一種高強(qiáng)度收納容器用厚鋼板，其 通過(guò)降低多層堆焊接頭的回火CG-HAZ組織中的晶界滲碳體的生成，從而提供該接頭部的 HAZ的低溫韌性優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度為585MPa以上的高強(qiáng)度收納容器用厚鋼板。能夠解決上述課題的本發(fā)明的厚鋼板，分別含有C 0. 12 0. 16% ( “質(zhì)量％ ”的 意思。下同)、Si 0. 05 0. 5%,Mn 1 1. 5%,Al 0. 01 0. 05%,Nb 0. 003 0. 02%,Mo :0. 03 0. 3%、V :0. 025 0. 04%, Cr :0. 05 0. 3%、Cu 0. 05 0. 5%, Ni 0. 15 0. 55%、Ca :0. 0005 0.006%，余量是鐵和不可避免的雜質(zhì)，且由下式(1)規(guī)定的RP滿足 RP彡4. 5X10-8的關(guān)系。RP = {[Nb]/93+1/60X [V]/51} X [Mo]/96 ... (1)其中，[Nb]、[V]和[Mo]分別表示Nb、V和Mo的含量(質(zhì)量％ )在本發(fā)明的厚鋼板中，根據(jù)需要還含有Ti :0. 025%以下也有用，通過(guò)含有Ti，厚 鋼板的性能得到進(jìn)一步改善。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)控制Nb、V和Mo的含量使之滿足上式⑴的關(guān)系，并且將鋼板的 化學(xué)成分組成納入適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，從而能夠降低多層堆焊接頭的回火CG-HAZ組織中的晶 界滲碳體的生成，能夠?qū)崿F(xiàn)該接頭部的HAZ的低溫韌性優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度為585MPa以上的高 強(qiáng)度收納容器用厚鋼板，這樣的厚鋼板作為原子爐的收納容器的原材極其有用。


圖1是表示RP值與晶界滲碳體面積率的關(guān)系的曲線圖。圖2是表示RP值與vE_34的關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明者們?yōu)榱私档妥鳛槎鄬佣押附宇^的最脆化部的回火CG-HAZ組織中的晶界 滲碳體的生成，特別就化學(xué)成分給滲碳體的晶界析出帶來(lái)的影響廣泛而詳細(xì)地進(jìn)行了反復(fù) 研究。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)了即使在能夠確保585MPa以上的高強(qiáng)度和母材韌性的穩(wěn)定性的C含量 (0. 12%以上)下，也能夠抑制回火CG-HAZ的晶界滲碳體生成量的成分系，據(jù)此發(fā)現(xiàn)了能夠 實(shí)現(xiàn)可確保焊接接頭的HAZ的良好的低溫韌性的厚鋼板(QT鋼板)，從而完成了本發(fā)明。沿 著本發(fā)明得以完成的經(jīng)緯，對(duì)于本發(fā)明的作用效果進(jìn)行說(shuō)明。在鋼板的焊接時(shí)(焊接加熱溫度1350°C以上)，全部的析出物固溶，在接下來(lái)的 冷卻過(guò)程中，析出物依次形成。這時(shí)，作為抑制晶界滲碳體量的對(duì)策，認(rèn)為有如下兩種方法。(a)使?jié)B碳體量本身減少。(b)抑制滲碳體析出時(shí)的晶界析出。首先關(guān)于上述(a)，由于在滲碳體析出時(shí)Fe以外的元素捕捉C即可，所以認(rèn)為有效 的是添加碳化物析出起始溫度比滲碳體(Fe3C)高的元素。因此，調(diào)查各元素的析出起始溫度時(shí)判明，析出開始溫度按照NbC(1060°C ) > VC(980°C ) > Fe3C(690°C ) > Mo2C(590°C )的順序由高到低。還有，關(guān)于上述析出起始溫 度，能夠通過(guò)向綜合熱力學(xué)計(jì)算軟件(Thermo-Calc，可從CRC綜合研究所購(gòu)買)輸入鋼材的 化學(xué)成分組成而加以計(jì)算。根據(jù)以上的結(jié)果認(rèn)為，Nb和V對(duì)于C的捕捉有效。但是，根據(jù)本發(fā)明者的研究可 知，Nb和V其碳化物的形成能力有所不同，對(duì)于Nb來(lái)說(shuō)，添加量的全部都有助于碳化物形 成，而對(duì)于V來(lái)說(shuō)，則是添加量的一部分有助于碳化物的形成。因此，關(guān)于V的添加量，若是 利用上述Thermo-Calc計(jì)算碳化物量，并加以修正而使之更符合非平衡狀態(tài)，則判明其只 有1/60的添加量有助于碳化物的形成。根據(jù)以上的研究結(jié)果，Nb和V捕捉碳的比例與Nb和V的有助于碳化物形成的物質(zhì)量([Nb]/93+1/60X [V]/51 其中，[Nb]和[V]分別表示Nb和V的含量(質(zhì)量％) :Nb原子 量=93，V原子量=51，V的碳化物形成比例=1/60)成比例。即，([Nb]/93+1/60X [V]/51) 越高，滲碳體量越少。另一方面，關(guān)于上述(b)則認(rèn)為，為了抑制滲碳體的晶界析出，使晶界存在固溶元 素即可。在此所謂“晶界”因?yàn)槭窃谠优帕猩匣靵y的部位，所以認(rèn)為作為在晶界捕捉的元 素，有效的是不能在晶內(nèi)進(jìn)行置換固溶的大的元素。然后，對(duì)于比構(gòu)成基本的結(jié)晶的Fe元 素大得多，另外在滲碳體析出時(shí)以固溶狀態(tài)存在的元素進(jìn)行查找時(shí)，判明其為Mo。S卩，滲碳 體的晶界析出抑制效果與Mo的物質(zhì)量(Mo/96 :Mo原子量=96)成比例。S卩，(Mo/96)越高， 晶界析出抑制效果越高?；谏鲜?a)、(b)的效果連續(xù)性地發(fā)生[(a) — (b)]，且一邊互相影響一邊進(jìn)行， 因此也要求上述各關(guān)系式相乘。即，作為晶界滲碳體的生成抑制參數(shù)，求得的是由下式(1) 求出的RP值。RP = {[Nb]/93+1/60X [V]/51} X [Mo]/96 ... (1)其中，[Nb]、[V]和[Mo]分別表示Nb、V和Mo的含量(質(zhì)量％ )。根據(jù)Nb、V和Mo的含量而規(guī)定的RP值越大，在晶界析出的滲碳體量就越少，但是 為了將晶界滲碳體量抑制在既定量以下，從而發(fā)揮出優(yōu)異的低溫韌性，則需要使上述RP值 滿足4.5X10—8以上(RP≥4.5X10—8)(參照后述表2和圖1、2)。另外，因?yàn)楦髟?Nb、V 和Mo)無(wú)論使哪個(gè)過(guò)剩地含有都會(huì)阻礙焊接性，所以各元素的含量?jī)?yōu)選以下述方式進(jìn)行調(diào)
iF. ο(Nb 0. 003 0. 02%、V 0. 025 0. 04% )Nb和V向滲碳體的固溶性小，另外是與C的親和性強(qiáng)的元素。但是無(wú)論是哪一種 過(guò)剩地含有，都是形成巨大析出物而使接頭韌性劣化，因此需要如上述這樣適當(dāng)?shù)卣{(diào)整含 量。還有，Nb含量的優(yōu)選范圍是0. 004 0. 010%，V含量的優(yōu)選下限為0. 030%。(Mo :0· 03 0. 3% )Mo與C的親和性比Fe弱，在滲碳體析出時(shí)在結(jié)晶晶界以固溶狀態(tài)存在。但是，若 Mo含量過(guò)剩，則其在滲碳體析出后在晶界形成粗大析出物而使母材韌性劣化，因此需要如 上述這樣適當(dāng)?shù)卣{(diào)整含量。還有，Mo含量的優(yōu)選范圍是0. 10 0.20%。接下來(lái)，對(duì)于本發(fā)明的鋼材(母材)的成分組成進(jìn)行說(shuō)明。如上述，本發(fā)明的鋼板， 即使其化學(xué)成分組成由上式(1)所規(guī)定的RP值滿足既定的范圍，而如果各個(gè)化學(xué)成分(元 素)的含量不在適當(dāng)范圍內(nèi)，則也不能達(dá)成優(yōu)異的低溫韌性。因此在本發(fā)明的厚鋼板中，除 了由適當(dāng)量的Nb、V和Mo所規(guī)定的RP值[上式(1)]被控制在既定的范圍內(nèi)以外，還需要 使各個(gè)化學(xué)成分的量處于如下所述的適當(dāng)范圍內(nèi)。這些成分的范圍限定理由如下。(C :0· 12 0. 16% )C在使鋼板的淬火性提高而確保強(qiáng)度上是重要的元素，但若其含量過(guò)剩，則使接頭 韌性劣化，因此需要在0. 16%以下。若從確保焊接性這一觀點(diǎn)出發(fā)，則C含量越少越優(yōu)選， 但若低于0. 12%，則淬火性反而降低，不能確保強(qiáng)度。C含量的優(yōu)選上限為0. 14%。(Si :0· 05 0. 5% )Si在熔煉鋼時(shí)作為脫氧劑發(fā)揮作用，發(fā)揮著使鋼的強(qiáng)度上升的效果。為了有效地 發(fā)揮這一效果，需要Si含量為0. 05%以上。但是，若Si含量過(guò)剩，則接頭韌性劣化，因此需要在0. 5%以下。還有，Si含量?jī)?yōu)選的下限為0. 20%，優(yōu)選的上限為0. 30%。(Mn :1 1.5%)Mn是發(fā)揮著提高鋼板的強(qiáng)度的效果的元素。為了有效地發(fā)揮這一效果，需要使Mn 含有以上。優(yōu)選為1.2%以上。但是，若Mn含量超過(guò)1.5%而過(guò)剩地含有，則接頭韌性 劣化。優(yōu)選為1.4%以下。(Al :0· 01 0. 05% )
Al作為脫氧劑被添加，但是其含量低于0.01%時(shí)發(fā)揮不出充分的效果，若超過(guò) 0. 05%而過(guò)剩地含有，則鋼板的潔凈性受到損害。Al含量?jī)?yōu)選下限為0. 015%。(Cr :0· 05 0. 3% )Cr使鋼板的淬火性提高，是在提高強(qiáng)度上有效發(fā)揮作用的元素。另外，在使鋼板的 耐腐蝕性提高上也有效地發(fā)揮著作用。但是，若Cr含量過(guò)剩，則接頭韌性劣化，因此需要在 0.3%以下。為了有效地發(fā)揮來(lái)自Cr的效果，需要使之含有0.05%以上。更優(yōu)選為0. 10% 以上。(Cu :0· 05 0. 5% )Cu是對(duì)強(qiáng)度上升有效的元素，但是若其含量過(guò)剩，則熱加工時(shí)容易發(fā)生裂紋，另 外接頭韌性劣化，因此需要在0.5%以下。為了有效地發(fā)揮來(lái)自Cu的效果，需要使之含有 0.05%以上。更優(yōu)選為0.15%以上。(Ni :0· 15 0. 55% )Ni在使鋼板的強(qiáng)度和韌性提高上是有效的元素。但是，若Ni含量過(guò)剩，則接頭韌 性劣化，因此需要在0. 55%以下。為了有效地發(fā)揮來(lái)自Ni的效果，需要使之含有0. 15%以 上。更優(yōu)選為0.40%以上。(Ca :0· 0005 0. 006% )Ca通過(guò)控制鋼中硫化物的形態(tài)，對(duì)于Z方向(板厚方向)的材質(zhì)改善是有效的 元素。但是，若Ca含量過(guò)剩，則鋼中夾雜物增加，損害鋼板的韌性和接頭韌性，因此需要在 0.006%以下。為了有效地發(fā)揮來(lái)自Ca的效果，需要使之含有0.0005%以上。更優(yōu)選為 0. 001% 以上。本發(fā)明中規(guī)定的含有元素如上所述，余量是鐵和不可避免的雜質(zhì)，作為該不可避 免的雜質(zhì)，能夠允許因原料、物資、制造設(shè)備等的狀況而摻進(jìn)的元素(例如P、S、N、Sn、As、 Pb等)的混入。這些雜質(zhì)之中，關(guān)于P、S、N優(yōu)選以下述方式抑制。另外，進(jìn)一步積極地含 有既定量的Ti也有效，由此鋼板的性能得到進(jìn)一步改善。(P :0· 02% 以下)作為雜質(zhì)元素的P，因?yàn)闀?huì)引起回火脆化，所以優(yōu)選其含量盡可能地少。從確保韌 性這一觀點(diǎn)出發(fā)，P含量?jī)?yōu)選抑制在0. 02%以下，更優(yōu)選為0. 01%以下。但是，工業(yè)上使鋼 中的P達(dá)到0%有困難。(S :0· 01% 以下)S是引起回火脆化的雜質(zhì)，優(yōu)選其含量盡可能地少。從確保韌性這一觀點(diǎn)出發(fā)，S 含量?jī)?yōu)選抑制在0. 01%以下，更優(yōu)選為0. 002%以下。但是，工業(yè)上使鋼中的S達(dá)到0%有困難。(N :0· 01% 以下)
N是引起硬化的雜質(zhì)，優(yōu)選其含量盡可能地少。從確保韌性這一觀點(diǎn)出發(fā)，N含量 優(yōu)選抑制在0. 01 %以下，更優(yōu)選為0. 006%以下。但是，工業(yè)上使鋼中的N達(dá)到0%有困難。(Ti :0· 025% 以下)Ti在焊接接頭的HAZ中與N—起形成析出物，在利用釘扎效應(yīng)抑制組織的粗大化 上是有效的元素。這一效果隨著其含量的增加而增大，但是若過(guò)剩地含有，則接頭韌性劣 化，因此應(yīng)該抑制在0.025%以下。用于有效的發(fā)揮Ti的效果的優(yōu)選下限為0.008%。為了制造本發(fā)明的厚鋼板，使用滿足上述成分組成的鋼液，遵循通常的條件(軋 制、溫度、壓下率、淬火溫度、回火溫度)而制成鋼板即可。本發(fā)明涉及厚鋼板，在該領(lǐng)域中 所謂厚鋼板，如JIS所定義的，一般指板厚3. Omm以上。但是，本發(fā)明中作為對(duì)象的厚鋼板 的板厚，優(yōu)選為25mm以上。即，在本發(fā)明中，S卩使通過(guò)多層堆焊在板厚大的鋼板上形成焊接 接頭時(shí)，仍顯示出良好的HAZ韌性。本發(fā)明的厚鋼板，能夠作為例如要求低溫接頭韌性的結(jié) 構(gòu)物的材料使用，不用說(shuō)小 中線能量焊接，是大線能量焊接，也能夠防止焊接熱影響部的 低溫韌性 劣化。實(shí)施例以下，通過(guò)實(shí)施例更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，但下述實(shí)施例并沒(méi)有限定本發(fā)明的性質(zhì)， 在能夠符合前、后述的宗旨的范圍內(nèi)也可以適當(dāng)變更實(shí)施，這些均包含在本發(fā)明的技術(shù)范 圍內(nèi)。根據(jù)通常的熔煉法熔煉下述表1所示的組成的鋼，冷卻該鋼液而成為板坯(截面 形成210mmX 150mm)后，加熱至1100°C進(jìn)行熱軋，成為板厚45mm的熱軋板，加熱至930°C進(jìn) 行淬火(Q)，加熱至650°C進(jìn)行回火(T)而制造厚鋼板(QT鋼板)。.和論 禾^
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___ ___ /·、種鋼板，均是使用各3個(gè)試驗(yàn)片，求得其最低值。(母材的強(qiáng)度(TS)的評(píng)價(jià))
從各鋼板的t(板厚)/4部位，沿相對(duì)于軋制方向成直角的方向提取ASTM A370-05(0. 500-in. Round specimen)的試驗(yàn)片，按ASTM A370-05的要領(lǐng)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè) 定抗拉強(qiáng)度(TS)。然后，TS為585MPa以上的評(píng)價(jià)為合格。(母材的韌性(vE_51)的評(píng)價(jià))從各鋼板(母材)的t(板厚)/4部位，沿相對(duì)于軋制方向成直角的方向提取ASTM A370-05的試驗(yàn)片，評(píng)價(jià)母材的韌性。依據(jù)ASTMA370-05，在_51°C下進(jìn)行擺錘沖擊試驗(yàn)，測(cè) 定吸收能(vE_51)。然后，yE_51的最低值為100J以上的評(píng)價(jià)為韌性優(yōu)異。(CG-HAZ 的韌性(vE_34)的評(píng)價(jià))為了獲得CG-HAZ組織，從各鋼板(母材)的t(板厚)/4部位，提取12.5mm(板厚 方向長(zhǎng)度)X 55mm (板寬方向長(zhǎng)度)X 32mm (軋制方向長(zhǎng)度)的試驗(yàn)片，進(jìn)行下述條件的熱 循環(huán)試驗(yàn)，評(píng)價(jià)CG-HAZ的韌性。這時(shí)熱循環(huán)試驗(yàn)是將上述試驗(yàn)片加熱至1350°C并保持5秒 后，用大約30秒冷卻800 500°C的溫度范圍，之后模擬后續(xù)焊層的熱影響，以600°C實(shí)施 15分鐘回火，施加焊接線能量相當(dāng)于40kJ/cm的熱循環(huán)。依據(jù)ASTMA370-05，以_34°C進(jìn)行 擺錘沖擊試驗(yàn)，測(cè)定吸收能(vE_34)。然后，VE_34的最低值為48J以上的評(píng)價(jià)為CG-HAZ的韌 性優(yōu)異。(CG-HAZ的晶界滲碳體面積率的測(cè)定)對(duì)于上述進(jìn)行了熱循環(huán)試驗(yàn)的各試驗(yàn)片的中心處進(jìn)行 >《，一腐蝕，用光學(xué)顯微 鏡以1000倍的倍率觀察60 X 80 (μ m2)的4個(gè)視野后，對(duì)于該圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分析，計(jì)算 在晶界析出的滲碳體的面積率。這些結(jié)果與淬火溫度、回火溫度一起顯示在下述表2中。表2
權(quán)利要求
一種厚鋼板，其特征在于，以質(zhì)量％計(jì)含有C0.12～0.16％、Si0.05～0.5％、Mn1～1.5％、Al0.01～0.05％、Nb0.003～0.02％、V0.025～0.04％、Mo0.03～0.3％、Cr0.05～0.3％、Cu0.05～0.5％、Ni0.15～0.55％、Ca0.0005～0.006％，余量含有鐵和不可避免的雜質(zhì)，且由下式(1)規(guī)定的RP值滿足RP≥4.5×10 8的關(guān)系，RP值＝{[Nb]/93+1/60×[V]/51}×[Mo]/96 …(1)其中，[Nb]、[V]和[Mo]分別表示Nb、V和Mo的質(zhì)量百分比含量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的厚鋼板，其特征在于，以質(zhì)量％計(jì)還含有Ti0. 025%以下。
全文摘要
本發(fā)明的高強(qiáng)度完全殼用厚鋼板，分別含有C0.12～0.16％(“質(zhì)量％”的意思。下同)、Si0.05～0.5％、Mn1～1.5％、Al0.01～0.05％、Nb0.003～0.02％、Mo0.03～0.3％、V0.025～0.04％、Cr0.05～0.3％、Cu0.05～0.5％、Ni0.15～0.55％、Ca0.0005～0.006％，且如下式(1)規(guī)定的RP滿足RP≥4.5×10-8的關(guān)系。RP＝{[Nb]/93+1/60×[V]/51}×[Mo]/96…(1)其中，[Nb]、[V]和[Mo]分別表示Nb、V和Mo的含量(質(zhì)量％)。通過(guò)如此構(gòu)成，抗拉強(qiáng)度為585MPa以上，并且可降低多層堆焊接頭的回火CG-HAZ組織中的晶界滲碳體的生成，接頭部的HAZ的低溫韌性優(yōu)異。
文檔編號(hào)C22C38/48GK101967609SQ20101023414
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月27日
發(fā)明者仮屋崎誠(chéng) 申請(qǐng)人:株式會(huì)社神戶制鋼所