CN100453679C

CN100453679C - 低屈服比耐火钢材

Info

Publication number: CN100453679C
Application number: CNB2006101274697A
Authority: CN
Inventors: 冈崎喜臣; 村上俊夫; 田村荣一
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-01-18
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2026-09-15
Also published as: KR20070076529A; JP2007191747A; KR100799822B1; CN101003878A; JP4656417B2

Abstract

提供一种耐火钢材，具有50～60公斤级(室温下的抗拉强度为490～590MPa)，同时具有低屈服比和优异的耐火性。本发明的耐火钢材，以质量%计，含有：C：0.04～0.15%、Si：0.1～1.0%、Mn：1.0～2.0%、P：0.020%以下、S：0.010%以下、Al：0.005～0.050%、Ti：0.02～0.08%、Cu：0.50～2.5%、N：0.002～0.010%、Mo：0～0.20%但不包括0.20%、Nb：0～0.005%但不包括0.005%、V：0～0.005%但不包括0.005%，以及Fe和不可避免的杂质，下述MS值为4.2～6.5%，视场面积1μm²中粒径为5nm～30nm的含Cu析出物低于250个。MS＝5×[C]+[Mn]+[Ni]+2×[Cu]。

Description

低屈服比耐火钢材

技术领域

本发明涉及一种耐火钢材，其适于例如有可能曝露在火灾等的高温下的建筑结构材。

背景技术

一般结构用钢材，是以在室温(常温)下能够确保充分的强度的方式而设计，但是，若其处于500℃以上的高温状态，则强度大幅降低。因此，在由于火灾等而被曝露于高温的建筑结构用钢材中，对钢材要实施耐火覆盖，以使其在高温状态下不致变脆，而出现结构物倒塌或显著的变形。

这样的耐火覆盖，因为也会提高建筑成本，另外导致工期的长周期化，所以近年来，开发有不用实施这种耐火覆盖也能够在高温下维持强度的耐火钢材。例如，在特公平4-50362号公报(专利文献1)中，记载有利用Mo、Nb、V等的细微碳化物而析出强化的钢材。但是，这种利用析出强化元素强化的钢材，由于析出物的适当的析出控制困难，虽然从抗震性的方面来说要追求低屈服比，但是其屈服比却上升，因此作为建筑用钢材很不充分。

相对于此，如特开平8-333626号公报(专利文献2)所记载，申清人提出了一种耐火钢材，其在规定量的Mo及Cr前提下，复合添加0.010～0.050％的V及/或0.005～0.030％的Nb，从而既可维持高温屈服点，同时抑制常温下的屈服强度的上升，但是，其强度水平低，高温下的强度(屈服点)劣化也大，作为耐火钢是不充分的。

另一方面，在特开平2-263916号公报(专利文献3)中提出有降低Mo、Nb、V的添加量，而活用高温下的Cu的析出强化的耐火性优异的建筑用低屈服比钢板。但是，此钢板在室温下的抗拉强度主要是40～50公斤级，若变成60公斤级，则屈服比的降低不充分。另外，在特开2002-249845号公报(专利文献4)中，记载有抑制Mo、Nb、V的添加量，并活用了Cu的析出强化的耐火钢材，但是，屈服比的降低还是不充分。

【专利文献1】特公平4-50362号公报

【专利文献2】特开平8-333626号公报

【专利文献3】特开平2-263916号公报

【专利文献4】特开2002-249845号公报

发明内容

如上所述，兼具常温下的充分的低屈服比和高温强度(耐火性)的高强度钢材至今未被开发，本发明的目的在于，提供一种耐火钢材，其具有50～60公斤级(常温下的抗拉强度490～590MPa)的高强度，同时为低屈服比且具有优异的耐火性。

本发明的耐火钢材，以质量％计，含有：C：0.04～0.15％、Si：0.1～1.0％、Mn：1.0～2.0％、P：0.020％以下、S：0.010％以下、Al：0.005～0.050％、Ti：0.02～0.08％、Cu：0.50～2.5％、N：0.002～0.010％、Mo：0～低于0.20％、Nb：0～低于0.005％、V：0～低于0.005％，以及Fe和不可避免的杂质，下述MS值为4.2～6.5％，视场面积1μm²中粒径为5nm～30nm的含Cu析出物低于250个。

MS＝5×[C]+[Mn]+2×[Cu]

其中，[X]表示元素X的质量％。

Mo、Nb、V三种元素，因为在热轧后析出，所以使屈服比上升，但是根据本发明的耐火钢材，因为是作为限制了这三种元素的含量的规定成分，所以能够稳定地实现低屈服比，另外能够使焊接HAZ韧性提高。另外，通过并用Ti的积极添加和Cu的添加，不会损坏HAZ韧性，能够使高温强度(高温屈服点)提高，而能够得到优异的耐火性。特别是，通过限制含Cu析出物量，能够确保固溶于钢材中的Cu，由此促进在高温时Cu的析出，而能够得到优异的高温强度。此外，通过将作为奥氏体稳定化的指标的MS值作为4.2～6.5％，能够容易地使组织中适量生成马氏体，由此能够不损坏高温强度地使常温强度进一步提高，据此能够促进屈服比的降低。

在所述耐火钢材中，通过将马氏体分率作为10～35％，能够使强度进一步提高，使屈服比进一步降低。另外，还可以添加作为强度提高元素的A群(B：0.0005～0.0050％、Ni：0.1～3.0％、Cr：0.1～1.0％)的元素中选择的一种以上的元素；还可以添加作为HAZ韧性提高元素的B群(Zr：0.005～0.050％、Ca、Mg、REM(稀土族元素)：分别为0.0005～0.0050％)的元素中选择的一种以上的元素。此外，下述MS’值为4.2～6.5％，

MS’＝5×[C]+[Mn]+[Ni]+2×[Cu]

其中，[X]表示元素X的质量％。

根据本发明的耐火钢材，因为抑制了使屈服比上升的Mo、Nb、V的添加而将其作为规定成分，所以能够使常温下的屈服比降低，能够使抗震性提高，而且HAZ韧性优异。另外，因为通过添加规定量的Ti、Cu并限制含Cu析出物的个数，从而促进Cu的固溶，能够在高温下使固溶的Cu析出，所以能够确保优异的高温强度。另外，该制造方法也容易，生产率良好。

具体实施方式

首先，说明本发明的耐火钢材的化学成分。以下，单位是质量％。

C：0.04～0.15％

C作为强化元素而添加。其在0.04％以下难以确保490MPa以上的强度，另一方面若超过0.15％，则无法形成铁素体，形成过冷组织，屈服比上升。因此，C量的下限为0.04％，优选为0.05％，其上限为0.15％，优选为0.12％。

Si：0.1～1.0％

Si其添加是为了确保强度及脱氧。当低于0.1％时该效果过低，另一方面若超过1.0％，则硬质MA组织(马氏体和奥氏体的混合组织)增加，HAZ韧性劣化。因此，Si的下限为0.1％，优选为0.12％，另一方面其上限为1.0％，优选为0.80％。

Mn：1.0～2.0％

Mn是用于确保强度而添加。当低于1.0％时得不到规定强度，另一方面若超过2.0％，则无法形成铁素体，形成过冷组织屈服比上升。因此，Mn的下限为1.0％，优选为1.2％，其上限为2.0％，优选为1.8％。

P：0.020％以下

P是助长晶界破坏的杂质元素。为了确保延展性、降低屈服比而抑制在0.020％以下，优选抑制在0.012％以下。

S：0.010％以下

S是助长HAZ的高温裂缝的杂质元素，从HAZ韧性确保的观点出发，将其抑制在0.010％以下，优选抑制在0.008％。

Al：0.005～0.050％

Al作为脱氧元素而添加。低于0.005％时，因为脱氧不充分，所以延展性降低，另一方面若高于0.050％则与Si一样，使硬质MA组织增加，HAZ韧性劣化。因此，Al量的下限为0.005％，优选为0.010％，其上限为0.050％，优选为0.040％。

Ti：0.020～0.08％

由于Ti成为碳化物而析出，从而使高温强度提高。另一方面，若其超过0.08％，则碳化物的析出显著，使屈服比上升。因此，Ti量的下限为0.02％，优选为0.025％，其上限为0.08％，优选为0.070％。

Cu：0.50～2.5％

Cu通过Cu的析出强化而使高温强度提高，同时作为奥氏体稳定化元素而有助于马氏体组织的形成。但是，若其过量添加，则导致热加工性降低、焊接性(HAZ韧性)降低。因此，Cu量的下限为0.50％，优选为0.70％，其上限为2.5％，优选为2.0％。

N：0.002～0.010％

N与Ti的一部分结合形成TiN，有助于HAZ韧性的改善。当其低于0.002％时这一效果过低，另一方面若其超过0.010％，则使TiC的析出量降低，所以使高温强度也降低，另外氮化物变得过多而使HAZ韧性降低。因此，N量的下限为0.0020％，优选为0.0025％，另一方面其上限为0.010％，优选为0.008％。

Mo：0～0.20％但不包括0.20％

Mo因为使屈服比降低，另外，使HAZ的贝氏体组织粗大化，而使韧性降低，所以越少越为优选。也可以不添加。在本发明的成分中，允许其低于0.20％，优选抑制在0.16％以下。

Nb、V：分别为0～0.005％但不包括0.005％

与Mo同样，因为屈服比的降低，使HAZ韧性劣化而越少越为优选。也可以不添加。在本发明的成分中，允许其低于0.005％，优选抑制在0.004％以下。

MS值(＝5×[C]+[Mn]+[Ni]+2×[Cu])：4.2～6.5％

C、Mn、Ni、Cu是在强度提高上有效的元素，通过以MS值为4.2％以上而添加这些元素，能够容易地得到60公斤级的高强度钢，但是这些元素是奥氏体稳定化元素，过量的添加容易在高温时奥氏体化，使高温强度降低。因此，MS值的上限抑制在6.5％。

本发明的耐火钢材，除所述基本成分以外，余量由Fe和不可避免的杂质构成，但是此外作为强度(常温)提高元素，还可以添加来自A群(B、Ni、Cr)的元素中选择的一种以上的元素，作为HAZ韧性提高元素，还可以添加来自B群(Zr、Ca、Mg、REM(稀土族元素))的元素中选择的一种以上的元素，而形成下述(1)、(2)、(3)的成分。

(1)基本成分+来自A群的一种以上的元素

(2)基本成分+来自B群的一种以上的元素

(3)所述(1)的成分+来自B群的一种以上的元素

说明所述特性提高元素的添加量，及其更为具体的作用。

B：0.0005～0.0050％

B有助于强度提高，但是因为过量的添加强度过大，所以使HAZ韧性降低。因此，其添加量可以是0.0005％以上，但在0.0050％以下。

Ni：0.1～3.0％

Ni不会使HAZ韧性劣化，使强度提高，但是因过量的添加强度过大，所以使HAZ韧性降低。因此，其添加量可以是0.1％以上，但在3.0％以下。

Cr：0.1～1.0％

Cr也与Ni一样，不会使HAZ韧性劣化，而使强度提高，但是过量地添加其效果也是饱和，导致材料成本增高。因此，其添加量可以为0.1％以上，但在1.0％以下。

Zr：0.005～0.050％

因为Zr利用氮化物的形成而改善HAZ韧性，所以优选0.005％以上的添加。另一方面，若其高于0.050％过量地添加，则氮化物粗大化，反而使HAZ韧性降低。因此，优选抑制在0.050％以下。

Ca、Mg、REM：分别为0.0005～0.0050％

这些元素具有通过使夹杂物的形态球状化而改善韧性的作用。为此优选添加0.0005％以上。另一方面，若其分别高于0.0050％过量地添加，则形成氧化物，反而使HAZ韧性降低。

本发明的耐火钢材，具有所述化学成分，但是，为了进一步确保固溶Cu量，粒径为5～30nm尺寸的含Cu析出物的个数要被限制在视场面积1μm²中低于250个。若所述析出物为250个以上，则室温下的屈服比上升，并且Cu的固溶量不足，Cu在高温下的析出量减少，会使高温强度降低。

另外，本发明的耐火钢材的组织，如后述的制造方法所表明，包含马氏体(M)2～10％左右，除此之外，为铁素体(F)、贝氏体(B)或共同包含它们的复合组织，但是，本发明的耐火钢材也可以是F+M、B+M、F+B+M的任意的组织。不过，关于马氏体分率，优选为10～35％，可以更优选为20～35％。通过将其作为10～35％，能够容易地得到屈服比低、60公斤级的钢材。当其低于10％时，屈服比的降低效果小，别一方面若超过35％，则变得过硬反而使屈服比上升。

本发明的耐火钢材，其制造是通过熔炼所述成分的钢，将该钢坯加热到1100～1200℃左右的温度后，将最终轧制温度作为850℃左右而结束热轧，进行冷却。关于热轧后的冷却速度，为了使规定尺寸的含Cu析出物的个数处于每1μm²低于250个，而需要将800～500℃的冷却速度设为5℃/sec以上。当低于5℃/sec时，所述含Cu析出物的个数将大量析出而高于250个。为了使冷却速度处于5℃/sec以上，热轧后将钢材水冷即可，这时，根据板厚调整冷却水量，从而能够调整冷却速度。

在500℃以下的冷却速度中，在本发明的成分中，通过空冷(冷却速度0.5～1℃/sec)到达作为马氏体相变结束温度的200℃，从而生成马氏体2～10％左右，有助于强度的提高、屈服比的降低。此外，通过将500～200℃的冷却速度设为2.5℃/sec以上，能够使马氏体分率增大到10％以上，能够在35％以下的范围使屈服比进一步降低。通过水冷钢材，能够使冷却速度成为2.5℃/sec以上，冷却速度越快，马氏体分率越随之上升。为了使马氏体分率成为35％左右，根据板厚而调整冷却水量，以30℃/sec左右以下的冷却速度进行800～200℃的冷却。

接下来，列举实施例对本发明的热轧钢板及其制造方法进行更具体说明，但是本发明并不由这一实施例而限定性的解释。

【实施例】

熔炼表1、2所示的钢种，将此钢坯加热到1150℃，实施热轧，将最终轧制结束温度作为850℃而结束轧制，以表3所示的冷却速度冷却，制作板厚50mm的试验用钢板。在冷却方法中，冷却速度为1℃/sec以下的利用空冷进行冷却，2.5℃/sec以上的利用水冷进行了冷却。

从各试料钢板的板厚1/4部位采取组织观察试验片，使用透射电子显微镜(TEM)以倍率20万倍观察5个视野，测定含Cu析出物的粒径，并且统计视场面积1μm²中的粒径为5～30nm的个数。所述粒径，采用图像软件(Micromedia公司制的Image-Pro)测定含Cu析出物的面积，对各粒从其面积求得当量圆直径，将其作为粒径。另外，同样地测定视场面积中的马氏体的面积，用其除以视场面积求得马氏体分率。表3显示该测定结果。

另外，使用各试料的钢板，进行常温拉伸试验。测定屈服点(YS)及抗拉强度(TS)，求得屈服比(YR)。另外，进行600℃的高温拉伸试验，测定YS。拉伸试验，按照JISZ2201由钢板加工拉伸试验片，按照JISZ2241实施。表3表示该测定结果。常温抗拉强度为490MPa以上，YR为75％以上，高温YS/常温YS为75％以上评价为合格水平。

另外，为了调查焊接性而对试料钢板实施热循环试验。热循环试验，作为相当于焊接输入热量为25kJ/cm的热循环，是将加热到1400℃后从800℃以200sec冷却到500℃的热循环施加1次，热循环试验后，从钢板采取冲击试验片，实施摆锤冲击试验(试验温度0℃)，测定冲击吸收性特性吸收能(vE0)。vE0为100J以上评价为HAZ韧性的合格水平。表3显示试验结果。

由表3可知，发明例的试料No.1～25，常温抗拉强度为490MPa以上，YR为75％以下，同时高温YS/常温YS为75％以上，在600℃的高温状态中能够确保相当的强度。而且，热循环试验的结果也能够确保100J，兼具良好的HAZ韧性。特别是，其包含马氏体20～35％的，常温强度在600MPa以上，而且YR控制在71％以下，此外高温强度、HAZ韧性也优异。

【表1】

注：试料No.1-20是发明例，-是无添加。

【表2】

注：试料No.中带*号的是比较例，-是无添加，有下线的数值是发明范围外。

【表3】

注：试料No.中带*号的是比较例。

Claims

1.一种低屈服比耐火钢材，其特征在于，以质量％计，含有：

C：0.04～0.15％、Si：0.1～1.0％、Mn：1.0～2.0％、P：0.020％以下、S：0.010％以下、Al：0.005～0.050％、Ti：0.02～0.08％、Cu：0.50～2.5％、N：0.002～0.010％、Mo：0～0.20％但不包括0.20％、Nb：0～0.005％但不包括0.005％、V：0～0.005％但不包括0.005％、以及Fe和不可避免的杂质，下述MS值为4.2～6.5％，视场面积1μm²中粒径为5nm～30nm的含Cu析出物低于250个，

MS＝5×[C]+[Mn]+2×[Cu]

其中，[X]表示元素X的质量％。

2.根据权利要求1所述的耐火钢材，其特征在于，在所述钢材组织中，马氏体分率以面积率计为10～35％。

3.根据权利要求1或2所述的耐火钢材，其特征在于，以质量％计还含有B：0.0005～0.0050％、Ni：0.1～3.0％、Cr：0.1～1.0％中的一种以上。

4.根据权利要求3所述的耐火钢材，其特征在于，下述MS’值为4.2～6.5％，

MS’＝5×[C]+[Mn]+[Ni]+2×[Cu]

其中，[X]表示元素X的质量％。

5.根据权利要求1或2所述的耐火钢材，其特征在于，以质量％计还含有Zr：0.005～0.050％、Ca：0.0005～0.0050％、Mg：0.0005～0.0050％、REM：0.0005～0.0050％中的一种以上。

6.根据权利要求3所述的耐火钢材，其特征在于，以质量％计还含有Zr：0.005～0.050％、Ca：0.0005～0.0050％、Mg：0.0005～0.0050％、REM：0.0005～0.0050％中的一种以上。