CN101003881A - 焊接性优异的耐火钢材 - Google Patents

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Abstract

提供一种耐火钢材，具有50～60公斤级(常温下的抗拉强度490～590MPa)的高强度，同时兼具优异的耐火性和焊接性。本发明的耐火钢材，以质量％计，含有C：0.02～0.15％但不包括0.02％、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：0.015～0.10％、Cr：0.2～2.0％、N：0.002～0.010％、B：0.0005～0.0050％、Mo：0～0.30％但不包括0.30％、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TS值为0～0.10％、CS值为0.12～0.22％。其中，[X]表示元素X的质量％。TS＝[Ti]－3.4×[N]、CS＝6.4×[C]－1.4×[Ti]+0.004×[Cr]+3.2×[N]。

Description

焊接性优异的耐火钢材
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，利用这种析出强化元素而强化的钢材，存在使作为建筑用钢材所要求的焊接性，特别是HAZ韧性降低这样的问题。
相对于此，如特开2002-249854号公报(专利文献2)所记载，申请人提出了一种耐火钢材，其活用高温下的Cu的析出，降低所述Mo等的元素。利用此钢材，能够适应焊接输入热量为5kJ/mm左右的焊接，但是，从焊接施工效率降低的观点出发，在期待进一步的大热量输入焊接的今天，还谈不上已得到了充分的焊接性。
另外，作为能够适应大热量输入焊接的耐火钢材，在特开2001-262269号公报(专利文献3)中，提出有通过活用氧化物与TiN的复合夹杂物，来改善HAZ韧性的含Mo耐火钢材，但是，其HAZ韧性的改善，特别是60公斤级的高强度钢材的HAZ韧性水平不充分，另外，难以使氧化物系夹杂物均一地分散这样的制造上的课题。
另一方面，作为面向建筑领域的60公斤级的高HAZ韧性钢材，特开2005-36295号公报(专利文献4)中，提出有规定表示焊接HAZ的硬化性的碳当量(CEN)，平均纵横比，使岛状马氏体相、ε-Cu相分散于基材中的大热量输入建筑用钢材，但是，因为其制造阶段的组织控制复杂，而且高温强度(高温屈服点)低，所以不能说具有充分的耐火性。
【专利文献1】特公平4-50362号公报
【专利文献2】特开2002-249854号公报
【专利文献3】特开2001-262269号公报
【专利文献4】特开2005-36295号公报
发明内容
如上所述，兼具了充分的高温强度(耐火性)和焊接性(焊接HAZ韧性)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，还兼具优异的耐火性和焊接性。
本发明的耐火钢材，化学成分，以质量％计，C：0.02～0.15％但不包括0.02％、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：0.015～0.10％、Cr：0.2～2.0％、N：0.002～0.010％、B：0.0005～0.0050％、Mo：0～0.30％但不包括0.30％、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TS值为0～0.10％、CS值为0.12～0.22％。其中，[X]表示元素X的质量％。
TS＝[Ti]-3.4×[N]
CS＝6.4×[C]-1.4×[Ti]+0.004×[Cr]+3.2×[N]
根据本发明的耐火钢材，因为限制使焊接HAZ的贝氏体组织粗大化的Mo、Nb、V三种元素的含量，所以能够确保HAZ韧性。另外，因为在抑制S量的基础上，在TS值为0以上、0.10以下的范围对于N充分地添加Ti，并且在CS值为0.12～0.22％的范围适量添加Cr，所以在高温时先使TiC细微析出，其作为核而Cr碳化物细微析出，此外通过适当添加B，而抑制被认为是容易粗大化的Cr碳化物的粗大化，与所述TiC的细微析出相辅，通过Cr碳化物的细微化而能够确保优异的高温强度(高温屈服点)。
在所述耐火钢材中，还可以添加从作为HAZ韧性提高元素的A群(Zr：0.005～0.050％；Ca、Mg、REM(稀土类元素)：分别为0.0005～0.0050％)的元素中选择的一种以上的元素；或者还可以添加从作为高温强度提高元素的B群(Cu、Ni：分别为0.1～2.0％，其中，AS值(＝[Mn]+[Ni]+2*[Cu])：4.5％以下)的元素中选择的一种以上的元素。
根据本发明的耐火钢材，抑制使焊接HAZ组织粗大化，使其韧性劣化的Mo、Nb、V的添加，并通过Ti、Cr、B的规定量的添加，能够使其碳化物在高温下细微析出，从而具有优异的焊接性和高温强度(高温屈服点)。因此，其适合作为耐火钢材，其制造方法也容易，生产率也良好。
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：0.02～0.15％且不包含0.02
C作为强化元素而添加。其在0.02％以下时难以确保490MPa以上的强度，另一方面若超过0.15％，则因为HAZ中的硬质的MA组织(MartensiteAustenite Constituent马氏体和奥氏体的混合组织)增加，所以HAZ韧性降低。因此，C量大于0.02％，优选为0.03％以上，其上限为0.15％，优选为0.12％。
Si：0.1～1.0％
Si的添加是为了强度的确保及脱氧。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是用于强度确保而添加。当低于1.0％时得不到规定强度，另一方面若超过2.0％，则HAZ的强度变得过高，延展性反而劣化。因此，Mn的下限为1.0％，优选为1.2％，另一方面其上限为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HAZ韧性而抑制在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，另外其与Ti结合而使Ti量降低。从HAZ韧性确保及防止Ti量降低的观点出发，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。当低于0.005％时，因为脱氧不充分，所以延展性降低，另一方面若其超过0.050％，则与Si一样，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：0.015～0.10％
Ti通过形成氮化物而使HAZ韧性提高。另外生成细微的TiC，以此为核而有助于Cr碳化物的细微析出化，通过这些作用使高温强度提高。当Ti量低于0.015％时，这些效果过小，另一方面若超过0.10％，则反而使HAZ韧性降低。因此，Ti量的下限为0.015％，优选为0.020％，其上限为0.10％，优选为0.080％。
Cr：0.2～2.0％
Cr通过形成Cr碳化物而有助于高温强度的确保。低于0.2％时这一作用过小，另一方面若超过2.0％则难免使Cr碳化物的粗大化，反而使高温强度降低。因此，Cr量的下限为0.2％，优选为0.5％，另一方面其上限为2.0％，优选为1.5％。
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％时这一效果过小，另一方面若超过0.010％，则使TiC的析出量降低，所以会使高温强度也降低，另外氮化物变得过多也使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％。
B：0.0005～0.0050％
B由于抑制Cr碳化物的成长而有助于高温强度的提高。当低于0.0005％时这一效果过小，另一方面当超过0.0050％时，反而使HAZ韧性降低。
Mo：0～0.30％但不包括0.30％
Mo因为使HAZ的贝氏体组织粗大化，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0.30％，但是优选低于0.20％。
Nb、V：分别为0～0.005％但不包括0.005％
与Mo同样，因为其使HAZ的贝氏体组织粗大化，使韧性降低而越少越为优选。也可以不添加。在本发明的成分中，允许其低于0.005％，但是优选在0.004％以下。
TS值(＝[Ti]-3.4*[N])：0～0.10％
TS值是表示Ti碳化物可否析出的指标。在本发明中由于S量受到限制，Ti几乎不会形成硫化物，大部分作为碳氮化物而析出。TS值等于从Ti总量中扣除作为氮化物而被固定的Ti量的差值。若TS值没有在0％以上，则不能确保有TiC，但是若其超过0.10％，则TiC变得过多，反而使HAZ韧性降低。因此，TS值为0％以上、0.10％以下。可以优选其下限为0.01％，其上限为0.08％。
CS值(＝6.4*[C]-1.4[Ti]+0.004*[Cr]+3.2*[N])
CS值是把通过热力学计算而算出的Cr碳化物量和主要元素的影响定量化，是TiC和Cr碳化物的平衡的指标。当低于0.12％时，Cr碳化物几乎不生成，超过0.22时，Cr碳化物粗大化，反而使高温强度降低。因此，CS值的下限为0.12％，优选为0.13％，其上限为0.22％，优选为0.20％。
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，但是还可以添加作为HAZ韧性提高元素的A群(Zr、Ca、Mg、REM(稀土族元素))的元素中的一种以上的元素，或者添加作为高温强度提高元素的B群(Cu、Ni)的元素中的一种以上的元素，从而成为下述(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。
Zr：0.005～0.050％
因为Zr利用氮化物的形成而改善HAZ韧性，所以优选添加0.005％以上。另一方面，若高于0.050％而过量地添加，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％
这些元素通过使夹杂物的形态球状化而具有改善韧性的作用。为此优选添加0.0005％以上。另一方面，若分别超过0.0050％而过量地添加，则形成氧化物，反而使HAZ韧性降低。因此可以抑制在0.0050％以下。
Cu、Ni：分别为0.1～2.0％
这些元素对HAZ韧性没有影响，而是使强度提高。当分别低于0.1％时其强度提高作用过小，添加超过2.0％则其作用饱和，导致材料成本提高。因此优选分别添加0.1％以上，2.0％以下。
AS值(＝[Mn]+[Ni]+2*[Cu])：4.5％以下
添加Cu、Ni时，如上所述有助于强度提高，能够得到60公斤级的高强度钢，但是，它们与Mn一样，是奥氏体稳定化元素，过量的添加在高温时容易奥氏体化，使高温强度降低。因此，添加Cu、Ni时，优选将AS值抑制在4.5％以下。
本发明的耐火钢材，通过利用常规方法热轧具有所述成分的钢而制造。即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，利用空冷而冷却。
如此制造的钢材的组织，成为由铁素体和低温相变生成物(贝氏体及/或马氏体)构成的组织，但是，本发明的耐火钢材也可以是任何一种组织。
接下来，列举实施例更具体地说明本发明的热轧钢板及其制造方法，但是，本发明并不由这一实施例限定性的解释。
【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，空冷而制作板厚50mm的试验用钢板。
使用各试料的钢板，进行常温拉伸试验和600℃下的高温拉伸试验，调查常温下的屈服点(YS)及抗拉强度(TS)和高温下的YS。拉伸试验，遵循JISZ2201从钢板板厚的1/4部位加工拉伸试验片，遵循JISZ2241实施。表3表示该测定结果。常温抗拉强度为490MPa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了热循环试验。热循环试验，作为相当于焊接输入热量为65kJ/cm的热循环，是将加热到1400℃后从800℃以500sec冷却到500℃的热循环施加1次，热循环试验后，由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150J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.1～20，常温抗拉强度为490MPa以上，同时高温YS/常温YS为75％以上，在600℃下的高温状态中也能够确保相当的强度。而且，热循环试验的结果也是冲击吸收能能够确保150J以上，兼具优异的HAZ韧性。特别是，以AS值为4.5％以下添加Cu、Ni的试料No.15～20，常温强度为600MPa以上，但是能够确保高的高温强度(高温屈服点)，而且HAZ韧性也优异。
【表1】
  试料No.                                                                              化学组成(mass％)
    C    Si   Mn     P     S    Al    T1    Cr     N    Mo     B  TS值   CS值    Cu    Ni  AS值     其他
  1   0.025   0.12  1.75   0.007   0.002   0.032   0.031   0.75   0.0043   0.15  0.0012  0.02   0.13    -    -      -
  2   0.035   0.45  1.56   0.006   0.003   0.031   0.035   0.75   0.0045   0.15  0.0015  0.02   0.19    -    -      -
  3   0.033   0.16  1.85   0.005   0.002   0.030   0.030   1.03   0.0046   0.15  0.0013  0.01   0.19    -    -      -
  4   0.032   0.10  1.12   0.007   0.002   0.035   0.048   1.02   0.0044   0.10  0.0012  0.03   0.16    -    -      -
  5   0.032   0.15  1.56   0.009   0.008   0.029   0.050   0.95   0.0045   0.10  0.0010  0.03   0.15    -    -      -
  6   0.031   0.10  1.56   0.005   0.003   0.032   0.018   0.62   0.0042   0.16  0.0014  0.00   0.19    -    -      -
  7   0.044   0.12  1.56   0.005   0.002   0.033   0.078   1.00   0.0039   -  0.0013  0.06   0.19    -    -      -
  8   0.037   0.15  1.48   0.006   0.002   0.020   0.043   0.35   0.0045   0.15  0.0011  0.03   0.19    -    -      -
  9   0.035   0.14  1.45   0.006   0.003   0.034   0.042   1.52   0.0045   -  0.0010  0.03   0.19    -    -      -
  10   0.032   0.10  1.77   0.006   0.002   0.035   0.015   0.97   0.0041   0.18  0.0010  0.00   0.20    -    -      -
  11   0.037   0.12  1.73   0.005   0.003   0.030   0.032   1.05   0.0040   0.10  0.0015  0.02   0.21    -    -      -
  12   0.030   0.11  1.74   0.006   0.003   0.032   0.055   1.02   0.0035   0.12  0.0014  0.04   0.13    -    -      -
  13   0.033   0.15  1.75   0.006   0.003   0.023   0.033   0.95   0.0043   0.15  0.0012  0.02   0.18    -    -      Zr：0.015
  14   0.035   0.13  1.56   0.006   0.003   0.033   0.035   1.00   0.0042   0.14  0.0013  0.02   0.19    -    -      -
  15   0.035   0.14  1.22   0.007   0.005   0.034   0.032   0.75   0.0042   -  0.0011  0.02   0.20    0.18    0.21  1.8      -
  16   0.030   0.12  1.55   0.007   0.002   0.032   0.032   0.80   0.0040   0.10  0.0014  0.02   0.16    1.01    0.75  4.3      Ca：0.0015
  17   0.035   0.15  1.54   0.005   0.003   0.034   0.035   0.95   0.0078   -  0.0012  0.01   0.20    0.95    0.74  4.2      Ca：0.0012
  18   0.035   0.14  1.56   0.006   0.004   0.035   0.031   0.97   0.0042   -  0.0015  0.02   0.20    0.92    0.76  4.2      Mg 0.0015
  19   0.032   0.12  1.49   0.006   0.003   0.022   0.035   0.95   0.0044   -  0.0013  0.02   0.17    0.90    0.75  4.0      REM：0.0015
  20   0.033   0.15  1.55   0.007   0.004   0.033   0.032   1.00   0.0045   -  0.0011  0.02   0.18    1.24    -  4.0      -
注：试料No.1-20是发明例。“-”是无添加。
【表2】
  试料N0.                                                                        化学组成  (mass％)
    C     Si     Mn     P     S     Al      Ti     Cr     N    Mo     B    TS值   CS值    Cu   Ni   AS值     其他
  *21    0.160    0.11    1.55   0.006    0.003   0.035    0.056   0.50   0.0033   0.15   0.010   0.04    0.96   -   -     -
  *22   0.033     1.25    1.74   0.007    0.003   0.030    0.034   0.99   0.0041   013   0.0012   0.02   0.18   -   -     -
  *23   0.035    0.14     0.50   0.005    0.002   0.028    0.033   1.01   0.0043   0.12   0.0012   0.02   0.20   -   -     -
  *24   0.034    0.14     2.20   0.006    0.002   0.032    0.065   L.03   0.0042   0.10   0.0014   0.05   0.14   -   -     -
  *25   0.035    0.12    1.76   0.005    0.002    0.072    0.032   1.03   0.0045   0.14   0.0015   0.02   0.20   -   -     -
  *26   0.030    0.11    1.54   0.007    0.003   0.031     0.011   0.54   0.0032   015   0.012   0.00   0.19   -   -     -
  *27   0.054    0.15    1.56   0.006    0.002   0.033     0.120   1.45   0.0064   0.10   0.0013   0.10   0.20   -   -     -
  *28   0.030    0.13    1.73   0.007    0.002   0.032    0.034    0.15   0.0039   0.15   0.0011   0.02   0.16   -   -     -
  *29   0.033    0.11    1.75   0.006    0.003   0.028    0.032    2.25   0.0046   -   0.0014   0.02   0.19   -   -     -
  *30   0.070    0.25    1.35   0.006    0.002   0.030    0.015   0.45   0.0045    0.35   0.0015   0.00    0.44   -   -     -
  *31   0.032    0.12    1.74   0.007    0.003   0.028    0.030   1.00   0.0040   -   0.0012   0.02   0.13   -   -      Nb：0.010 V：0.020
  *32   0.031    0.11    1.70   0.006    0.002   0.035    0.020   1.01   0.0045   0.14   0.0013   0.00   0.19    2.20   -    6.1     -
  *33   0.031    0.12    1.70   0.007    0.002   0.037    0.026   0.95   0.0038   0.15   0.0014   0.01   0.13   -    2.20    4.0     -
  *34   0.035    0.10    1.45   0.005    0.003   0.035    0.021   0.69   0.0078   -   0.0015    -0.01   0.22   -   -     -
  *35   0.030    0.13    1.12   0.007    0.002   0.035    0.021   0.75   0.0074   -   0.0015    -0.004   0.19   -   -     -
  *36   0.045    0.13    1.12   0.007    0.002   0.035    0.032   0.54   0.0039   -   0.0015   0.02    0.26   -   -     -
注：试料No.中带*的是比较例。“-”是无添加。带下线的数值是发明范围外。
【表3】
 试料No.       常温特性      高温特性(600℃)    焊接性
    YSMPa    TSMPa    YSMPa 高温YS/常温YS  HAZ韧性rEOJ
  1     425   580   332     78％     214
  2     440   578   337     77％     163
  3     435   588   349     80％     168
  4     398   498   316     79％     256
  5     421   554   333     79％     162
  6     424   585   320     75％     185
  7     436   583   358     82％     155
  8     433   565   328     76％     195
  9     443   579   335     76％     199
  10     420   586   326     78％     152
  11     431   549   326     76％     183
  12     429   561   326     76％     195
  13     437   554   338     77％     201
  14     448   581   345     77％     185
  15     435   550   333     77％     213
  16     455   630   367     81％     233
  17     462   617   365     79％     250
  18     458   607   356     78％     224
  19     456   618   351     77％     213
  20     466   613   354     76％     234
  *21     445   512   314     71％     53
  *22     443   588   340     77％     45
  *23     381   485   266     70％     234
  *24     454   599   355     78％     78
  *25     442   566   333     75％     50
  *26     423   576   290     69％     188
  *27     484   675   432     89％     12
  *28     419   552   280     67％     203
  *29     435   596   315     72％     201
  *30     457   578   368     81％     34
  *31     425   569   325     76％     22
  *32     445   615   289     65％     78
  *33     457   604   351     77％     103
  *34     438   625   273     62％     145
  *35     411   539   295     72％     136
  *36     411   532   288     70％     123
注：试料No.中带*的是比较例。

Claims (3)

1.一种焊接性优异的耐火钢材，其特征在于，以质量％计含有：
C：0.02～0.15％但不包括0.02％、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：0.015～0.10％、Cr：0.2～2.0％、N：0.002～0.010％、B：0.0005～0.0050％、Mo：0～0.30％但不包括0.30％、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，
其中，下述TS值为0～0.10％、CS值为0.12～0.22％，
TS＝[Ti]-3.4×[N]
CS＝6.4×[C]-1.4×[Ti]+0.004×[Cr]+3.2×[N]
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，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。
3.根据权利要求1或2所述的耐火钢材，其特征在于，化学成分以质量％计还含有Cu：0.1～2.0％、Ni：0.1～2.0％中的一种以上，且下述AS值为4.5％以下，
AS＝[Mn]+[Ni]+2×[Cu]
其中，[X]表示元素X的质量％。
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