CN100406607C - 一种低屈服比易焊接结构钢厚板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构钢及其生产方法，特别涉及一种低屈服比易焊接结构钢厚板及其生产方法。解决了现有低屈服比高强钢需进行轧后热处理等缺陷。技术方案为：一种低屈服比易焊接结构钢厚板，其化学成分的重量百分比如下：C：0.01%～0.10%，Si：1.00%～1.50%，Mn：0.80%～1.10%，P：≤0.020%，S：≤0.015%，Ni：0.30%～3.20%，Al：0.02%～0.03%，Ti：0.01%～0.15%，B：0.0003%～0.0010%，N：0.0020%～0.0150%，余量为铁及和可避免杂质。生产工艺流程：冶炼(电炉或转炉)—精炼—铸造(连铸或模铸)—钢坯加热—控制轧制—控制冷却—成品。主要用于高层建筑钢结构材料。

Description

一种低屈服比易焊接结构钢厚板及其生产方法

技术领域：

本发明涉及一种结构钢及其生产方法，特别涉及一种低屈服比易焊接结构钢厚板及其生产方法。

背景技术：

为了达到抗震的目的，用于高层建筑钢结构的材料，一般都要求具有较低的屈服比；同时还要求良好的焊接性，要能做到焊前不预热、焊后不需消应处理。低屈服比钢具有良好的冷变形能力，虽局部超载失稳而不至于发生突然的破坏，因此十分有利于建筑结构的安全。

目前，低屈服比高强钢主要包括抗拉强度为490、590、780MPa(如日本HT50，HT60，HT80)3个级别的20～100mm的厚板。490MPa和590MPa级钢种要求屈服比小于0.80，590MPAa级钢种要求屈服比小于0.85。这类钢种一般采用离线或在线热处理生产。如住友金属生产的HT60级钢板，采用轧后加速冷却加回火(DAC-T)或两相区淬火加回火方法(Q-Q′-T)。这两种方法最终都可获得软的铁素体和回火索氏体混和组织，在具有较高强度的同时，兼有较低的屈服比。而新日铁生产这类钢时，采用DL-T法(DL-轧制过程结束后，待钢板温度降低至Ar3以下时水冷，T-回火)或DQ-L-T法(DQ-轧后在奥氏体区直接淬火，L-将钢板加热至Ac1-Ac3之间的两相区然后水冷，T-回火)，也是为了获得具有较低屈服比的铁素体和回火索氏体混和组织。

为了简化生产工艺流程，人们希望获得的结构钢无需热处理，即以轧制状态的产品可直接用于建筑现场。日本专利申请JP 9041080A、JP 4173920A、JP63293110A、JP 5179396A介绍了无需热处理的四种低屈服比高强度钢，但这些钢种存在屈服比仍然不够低、焊接冷裂纹敏感性指数Pcm稍高、焊接性能不够理想的缺陷。相比而言，本发明涉及的钢种，其焊接裂纹敏感性指数Pcm平均值低于0.20％，无需进行焊前预热和焊后消除应力处理，符合焊接无裂纹钢(CF钢)的条件；此外，根据已进行的实施例来看，其屈服比≤0.70。

发明内容：

本发明的目的是提供一种低屈服比易焊接结构钢厚板及其生产方法，该钢种具有铁素体与贝氏体混和组织，能够在外力作用下吸收较大的变形能，而不至于突然破坏，因而具有极好的抗震性能。钢的屈服比可以控制在0.65~0.75以下。由于采用新的成分设计，钢的焊接性很好，且可以控制较低的生产成本。需要解决的技术问题是：进一步降低屈服比，降低焊接冷裂纹敏感性指数Pcm，提高焊接性能。本发明的技术方案是：一种低屈服比易焊接结构钢厚板，其化学成分(重量百分比)：

C：0.01％～0.10％，Si：1.00％～1.50％，Mn：0.80％～1.10％，P：≤0.020％，S：≤0.015％，Ni：0.30％～3.20％，Al：0.02％～0.03％，Ti：0.01％～0.15％，B：0.0003％～0.0010％，N：0.0020％～0.0150％，余量为铁及不可避免杂质。在上述配比中：控制Ti/N：3～4且Ni≤9.2-40C-4Mn。

生产工艺流程：冶炼(电炉或转炉)-精炼-铸造(连铸或模铸)-钢坯加热-控制轧制-控制冷却-成品。

按上述化学成分进行冶炼和铸造，然后按下列参数进行轧制和冷却：钢坯规格根据成品钢板的厚度确定：按照钢板厚度的3.5～5.5倍设计坯厚。将钢坯在加热炉内按1100℃～1250℃加热，按两阶段控制轧制法，第一阶段，将道次变形量控制在12％～30％，在950℃以上，道次变形量应尽可能大。轧制道次间可以高压水对轧件进行强制降温，第一阶段轧制的总变形量约为50～60％。第二阶段轧制自950℃左右开始。终轧温度：850℃～750℃。轧制结束后，进行30～120秒钟等待，温度至700～750℃时，进入加速冷却装置，以10～40℃/秒的速度冷却至350～500℃，之后空冷至200℃以下。钢的显微结构应当为铁素体和贝氏体混和组织，其中铁素体比例为30～90％，其余为贝氏体。

本发明钢种采用Si-Mn-Ni-Ti系合金化设计，碳含量较低，焊接裂纹敏感性指数为0.15～0.25％(平均值：0.195％)，因此具有良好的焊接性。与同类专利相比，本钢种的Pcm值最低，焊接性最好。

本钢种添加了1.00％～1.50％的Si，其目的之一是与Mn一起提高钢的淬透性，使钢获得贝氏体的能力增加。同时，Si在铁素体中的固溶度较大，能显著强化铁素体，其固溶强化效果高于Mn，非调质钢中加入一定的Si还可以改善钢的韧性。在本钢种加入Si的另一个重要目的是增加在空冷条件下钢中铁素体的体积分数，并且能够使晶粒细化。较高的Si与Mn的联合加入，有利于获得铁素体和贝氏体的混和组织，从而保证钢在具有较高强度的同时，具有较低的屈服比。

Mn在钢中通过各种机制影响组织和性能。其主要作用是固溶强化、细化铁素体晶粒和增加钢的淬透性(尤其与Si一起)。但是，Mn含量增加将降低钢的相变温度，在一定条件下使铁素体体积分数减少，珠光体增加，使钢的韧性受到损害同时不利于降低屈服比。而且Mn对钢的焊接性影响也比较大。因此，本钢种降低了Mn含量，将其控制在0.80～1.10％。此外，将Mn提Si也可以降低钢的生产成本。

Ti在钢中的作用是抑制加热和再结晶时晶粒粗化、与N形成TiN微细析出物沉淀强化以及阻止焊接热影响区晶粒长大。因此，对于结构钢来说，Ti的作用是必不可少的。

Ni显著提高钢的韧性，尤其是低温韧性，同时与Si、B、Mn等元素配合能够推迟珠光体转变，使钢更容易获得贝氏体。因此，更有利于在厚板中生产低屈服比钢。

本发明的有益效果是：本钢种综合利用Si-Mn-Ni-Ti合金体系中各元素对铁素体与贝氏体组织比例的影响作用，其成分配比具有与其他发明不同之处。本发明与日本四项专利申请化学成分、生产方法以及焊接冷裂纹敏感性指数见表1：

与所列相近专利对比，采用较高的Si含量和Ni含量，相比之下降低了Mn含量。与表1中的专利相比，Mn含量上限0.70％～1.40％降低了。与1号、2号、3号专利相比，本钢种采用了较高Si、较低Mn设计；与3、4号专利相比，采用了加Ni的方案。通过对实施例钢的性能进行分析发现，这种特殊的成分设计，其最主要的优点在于：

①高Si与适量的Mn结合，能够提高钢的淬透性，有利于获得贝氏体组织，同时在一定的冷却速度下，较高的Si可以增加铁素体比例，而且可以较稳定地进行控制，因此易于获得较低的屈服比；

②Si-Mn-Ni合金组合，当Si和Ni含量较高并且加入微量B时，大厚度钢板的抗拉强度保持较高水平，也就是说钢板的屈服比能够较容易地降低，同时钢的低温韧性得到改善；

③按照Ni≤9.2-40C-4Mn的要求对Ni含量进行控制，而不必加入Mo、Cr等元素，同时降低了C含量，在获得较低的屈服比和良好的低温韧性的同时，钢的焊接性得到保证；

④本钢种没有采用微量Nb的合金化，而是采用较高的Ti，目的是利用Ti抑制奥氏体再结晶后的晶粒长大，得到所期望的组织状态；避免因Nb微合金化钢特有的变形“饼状”铁素体组织，因为具有这种组织的钢的屈服比较高，且不易控制；

⑤按照本专利设计的化学成分，只需对热轧钢板进行一定时间的待温，以便获得适当比例的铁素体，随后进行加速冷却，获得贝氏体，即可得到较低的屈服比；这样就无需进行任何热处理，简化了生产工艺，节约了制造周期和成本。

⑥与其他专利相比，本钢种具有最低的的焊接裂纹敏感性指数，因此焊接性最好，这一点对于大厚度建筑结构钢来说是十分重要的。

本发明综合的有益效果是：

(1)本发明钢种化学成分简单，工艺简便，无需进行任何轧后热处理，可以以较低的成本生产；

(2)于采用新的成分设计，能够较容易地获得铁素体和贝氏体混和组织，钢的淬透性较高，适合于厚板生产；

(3)与同强度级别的其他专利相比，本发明钢种能够将屈服比控制得更低：抗拉强度能够达到800MPa以上、而屈服比≤0.70。其他专利要达到类似强度和屈服比，需要进行特定的热处理，本发明则不需要。

(4)碳含量较低，钢的焊接性较好，按照通常原理，不需焊前预热和后热。

具体实施方式：

本发明实施例1-4见表2。

Claims (1)

1.一种低屈服比易焊接结构钢厚板，其特征是：其化学成分的重量百分比如下：

C：0.01％～0.10％，Si：1.00％～1.50％，Mn：0.80％～1.10％，P：≤0.020％，S：≤0.015％，Ni：0.30％～3.20％，Al：0.02％～0.03％，Ti：0.01％～0.15％，B：0.0003％～0.0010％，N：0.0020％～0.0150％，余量为铁和不可避免杂质，在上述配比中：控制Ti/N为3～4且Ni≤9.2-40C-4Mn。