我國新鋼種及其焊接性的發(fā)展
- 2016-04-13 17:28:00
- 天津大學(xué) 李午申教授 原創(chuàng )
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為了不斷改善合金結構鋼的焊接性，國外從60年代末國內從80年代就開(kāi)始研制并生產(chǎn)焊接性良好的微合金控軋鋼，并開(kāi)始研究下一代超細晶粒鋼。新鋼種的出現給鋼的焊接性帶來(lái)了重大的變革。
1 微合金控軋鋼
過(guò)去生產(chǎn)的合金結構鋼，著(zhù)重于鋼材本身的性能，偏重于氧化提純、加工成形和相變熱處理。而對其焊接性考慮較少，這給焊接技術(shù)及焊接生產(chǎn)帶來(lái)了諸多不便。最近幾十年來(lái)，國外特別注重從冶金入手從根本上解決鋼的焊接性問(wèn)題。近二十年來(lái)我國的冶金工作者也已經(jīng)對此引起重視，并通過(guò)冶金措施采用低碳微合金化及控軋控冷等工藝措施生產(chǎn)出了若干種強韌性好、焊接性?xún)?yōu)良的管線(xiàn)鋼、橋梁鋼、壓力容器用鋼等，這為焊接用合金結構鋼的發(fā)展做出了新的貢獻。新鋼種的生產(chǎn)具有如下特點(diǎn)：
1.1 潔凈化技術(shù)
鋼的潔凈化會(huì )顯著(zhù)提高鋼的沖擊韌度、焊接接頭的抗裂性和抗HIC的能力，其焊接性會(huì )得到明顯提高，相應的要求焊縫也必須潔凈化。
1.2 細晶化技術(shù)
通過(guò)細晶強化可進(jìn)一步降低低合金高強鋼的碳含量，減少固溶的合金元素，從而使沖擊韌度會(huì )得到進(jìn)一步提高。武鋼采用上述技術(shù)生產(chǎn)的管線(xiàn)鋼、橋梁用鋼的沖擊韌度都已達到較高的水平，其鋼種的實(shí)測夏比沖擊功－40℃下均在100J以上。
1.3 微合金控軋鋼對焊接材料的要求
1.3.1 焊縫金屬的潔凈化
（1）焊接原輔材料的潔凈化。
（2）焊接冶金反應中的潔凈化。
1.3.2 焊接材料的微合金化
微合金控軋鋼的強韌化需要焊縫的高強韌性匹配，這就需要焊縫金屬不僅要實(shí)現潔凈化，而且也要實(shí)現細晶化。但焊縫的細晶化不象鋼板那樣可以通過(guò)控軋控冷工藝實(shí)現，它只有通過(guò)合金化完成細化晶粒的目的。研究表明，焊縫中出現大量針狀鐵素體可以顯著(zhù)提高焊縫金屬的強韌性，這是由于鐵素體針?lè )浅＜毿?，平均尺寸約為1μm，且鐵素體針取向自由，呈大角度晶界，從而具有較強的抗裂紋擴展能力，因此，使焊縫出現足夠量的針狀鐵素體是提高焊縫金屬強韌性的關(guān)鍵。焊縫中加入多種微量元素一方面可抑制高溫奧氏體的晶粒長(cháng)大，二是可促使針狀鐵素體的形成，焊縫中夾雜物質(zhì)點(diǎn)作為針狀鐵素體的形核核心對提高針狀鐵素體的形核率起著(zhù)重要的作用。
在焊縫的諸多合金元素中，Ti、B、Re、Al具有更為重要的作用。另外通過(guò)優(yōu)化工藝參數，控制冷卻速度也可促使針狀鐵素體的形成。
應當指出，錳是微合金化鋼中的主加元素，一般加入量為1.1％~2.0%。錳的加入，不僅可以提高固溶強化作用，而且還能降低γ→α的轉變溫度，從而達到細化鐵素體晶粒的作用。適當地調節錳含量可使奧氏體轉變?yōu)獒槧铊F素體，使強韌性得到進(jìn)一步提高。
2 微合金控軋鋼的焊接性介紹
微合金控軋鋼由于含碳量低、潔凈度高、晶粒細化，因此具有較高的強韌性和良好的焊接性。由于不同的應用領(lǐng)域對鋼材的使用性能要求不同，因此，合金化不同，焊接性也各有差異。寶鋼和武鋼生產(chǎn)的微合金控軋鋼主要有管線(xiàn)鋼、壓力容器用鋼、橋梁鋼等，并在工程上得到了成功的應用。其中管線(xiàn)鋼是最早進(jìn)行微合金化并應用最為成功的范例，近幾十年來(lái)已在美國、日本和西德等國家得到了廣泛地應用。近年來(lái)我國也已生產(chǎn)出了自己的管線(xiàn)鋼，并已逐步替代進(jìn)口并在我國管線(xiàn)工程中得到應用。
3 新一代鋼鐵材料及其焊接性
我國于1998年在國家重大基礎研究發(fā)展規劃中啟動(dòng)了“新一代鋼鐵材料重大基礎研究”的“973項目”。該研究的最終目標是將占我國鋼產(chǎn)量60%以上的碳素鋼、低合金鋼和合金結構鋼等“三類(lèi)”鋼的強度和壽命提高一倍。如果采用新一代鋼種取代三類(lèi)鋼中50%的傳統鋼材，則每年可少用1500噸鋼，其直接經(jīng)濟效益達450億元，間接經(jīng)濟效益則更為顯著(zhù)，如可減少鋼廠(chǎng)建設、礦山的基建投資，減少資源損失和對生態(tài)環(huán)境的污染等。
同時(shí)，日本在1997年啟動(dòng)了STX-21“超級鋼鐵材料”科學(xué)研究項目，投資1000億日元。目標是10年內開(kāi)發(fā)出強度相當于現有鋼鐵材料兩倍的超級鋼，用于道路、橋梁、高層建筑等基礎設施建材的更新?lián)Q代。主要研究開(kāi)發(fā)80 MPa級易焊接的鐵素體-珠光體鋼、耐延遲破壞和疲勞破壞的1500 Mpa級超高強度鋼、超臨界壓力發(fā)電設備用鐵素體耐熱鋼和海濱地區用鋼等。
韓國也于1977年開(kāi)始了一個(gè)歷時(shí)十年的21世紀結構鋼項目，主要研究開(kāi)發(fā)800 Mpa級結構鋼、600 Mpa級耐候鋼和1500 Mpa級的螺栓鋼。
3.1 新一代鋼鐵材料的特點(diǎn)
新一代鋼鐵材料的特點(diǎn)是超細晶粒、超潔凈度、高均勻性、性?xún)r(jià)比更加合理的新一代鋼種。其強度和壽命比原同類(lèi)鋼種提高一倍。
3.2 新一代鋼鐵材料的焊接性
由于新一代鋼鐵材料晶粒極度細化，焊接時(shí)面臨的嚴重問(wèn)題是焊縫的強韌化、熱影響區的晶粒長(cháng)大等問(wèn)題。在我國新一代鋼鐵材料項目中，主要是針對400 Mpa級和800 Mpa級超細晶粒鋼解決上述焊接性問(wèn)題。并應從焊接材料、焊接方法和焊接工藝等多方面進(jìn)行綜合解決。
（1） 焊縫金屬的強韌化。
（2） 熱影響區的晶粒長(cháng)大傾向。
4 結論
隨著(zhù)我國冶金技術(shù)的提高，新鋼種的性能不斷提高，這就需要研發(fā)高質(zhì)量的焊接材料與之匹配，實(shí)現焊縫的強韌化。由于新鋼種焊接性不斷改善，焊接裂紋傾向減小，焊接工藝得到簡(jiǎn)化。對于這類(lèi)鋼種的焊接技術(shù)，主要應向高效和自動(dòng)化方向發(fā)展。而對于新一代超細晶粒鋼的重大發(fā)展，在不提高合金元素的條件下，強度、壽命均提高一倍，這不僅是鋼鐵材料的重大變革，而且也對焊接技術(shù)和焊接材料的發(fā)展提出了新的機遇和挑戰。
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