CN101168826A

CN101168826A - 高性能低碳贝氏体结构钢及其生产方法

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Publication number: CN101168826A
Application number: CNA2006101340877A
Authority: CN
Inventors: 侯华兴; 贺信莱; 杨颖�; 尚成嘉; 马玉璞; 郝森; 隋轶; 刘明; 张涛; 杨善武; 李静
Original assignee: Angang Steel Co Ltd; University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: Angang Steel Co Ltd; University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2026-10-26
Also published as: CN101168826B

Abstract

本发明提供一种高性能低碳贝氏体结构钢，其化学成分为：C：0.04％～0.07％、Si：0.20％～0.50％、Mn：1.50％～1.80％、Nb：0.03％～0.06％、Ti：0.005％～0.030％、Cr：0.25％～0.50％、Cu：0.30％～0.60％、Ni：0.20％～0.50％、Al_s：0.010％～0.070％，余量为Fe及不可避免的杂质。其轧制过程采用TMCP+RPC工艺，轧前加热温度为1050～1220℃，采用两阶段控轧，再结晶区轧制温度控制在≥1000℃，未再结晶区轧制温度控制在950℃～(Ar₃+0℃～100℃)，未再结晶区轧制积累变形量大于50％，轧后弛豫10～120s，随后加速冷却，终止冷却温度为380～530℃，之后空冷。本发明成本低，无需复杂的热处理，不经调质就可获得贝氏体组织，具有高强度、高韧性，且焊接和耐候性能良好。

Description

高性能低碳贝氏体结构钢及其生产方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，尤其涉及一种低合金高性能钢及其制造方法。

背景技术

降低钢桥的初期建造费用和服役期间的维护费用一直是人们关注的焦点。随着桥梁技术的发展，桥梁对钢材的强韧性、抗震、耐蚀性等要求也越来越高。因此，现代桥梁用钢应具有高性能，即优异的强度、韧性的配合、良好的可焊性、较低的屈强比和良好耐大气腐蚀性能等。而以往具有耐大气腐蚀的钢种主要均采用高P、Cu，辅以Cr，Ni等合金元素的方法研制。添加的P含量较高而Mn含量相对较低，它们的共同不足是钢的韧性低，脆性增加，难于承受重载荷，不能应用于桥梁结构。

专利号为US6056833的美国专利公开了一种热机械控轧高强度低屈强比耐大气腐蚀钢，其化学成分按重量百分比为：C：0.08～0.12％、Mn：0.80～1.35％、Si：0.30～0.65％、Mo：0.08～0.35％、V：0.06～0.14％、Cu：0.20～0.40％、Ni≤0.50％、Cr：0.30～0.70％、Nb≤0.04％、Ti≤0.02％、S≤0.01％、P≤0.02％、N：0.001～0.014％，余为Fe和微量杂质。控轧控冷后该钢的屈服强度为490MPa，屈强比≤0.85。另一项专利号为US6315946的美国专利公开了一种超低碳贝氏体耐大气腐蚀钢，其化学成分按重量百分比为：C：0.015～0.035％、Cu：0.20～0.40％、Cr：0.40～0.70％、Ni：0.20～0.50％、Ti：0.02～0.05％、Nb：0.03～0.06％、B：0.0015～0.003％、Mn≤2.0％、P≤0.012％、S≤0.005％、Si≤0.40％、Mo≤0.50％、V≤0.10％、Al≤0.03％、N≤0.006％，余为Fe和微量杂质。经控轧控冷后屈服强度为450MPa，-35℃夏比冲击吸收功为40J。上述两项专利采用控轧控冷工艺，价格较昂贵的合金元素V、Mo、Ni含量较高，因而生产成本高。

申请号为200510019116.0，名为“具有600MPa级的低温高韧性耐大气腐蚀钢及其生产方法”的中国专利公开了一种采用低碳高锰钢种的制造方法，使钢具有同类型的铁素体组织，避免形成珠光体组织，从而减小钢中各相或不同组织之间的电位差，提高钢的抗腐蚀性能，不添加昂贵合金元素V、Mo，生产工艺容易控制的具有600MPa级的低温高韧性耐大气腐蚀钢及其生产方法。该钢种的化学成分按重量百分比为：C：0.05～0.09％、Si：0.45～0.70％、Mn：2.10～3.00％、P≤0.02％、S≤0.01％、Ti：0.005～0.009％、Nb：0.095～0.19％、Ni：0.10～0.19％、Cu：0.45～0.65％、Cr：0.75～1.50％、Ca≤0.02％，余量为Fe及杂质，同时满足：0.70＜Cr+Ni+Cu＜2.50及Nb＞4Ti+3Ca。该钢种可用于桥梁建造，但Mn含量较高，达2％以上，冶炼连铸难，连铸坯易偏析，影响钢板内部质量。

申请号为200410061112.4的中国专利公开了一种针状组织高强度耐候钢及其生产方法，该钢可用于桥梁、建筑、交通、海洋平台等工程结构。钢的化学成分按重量百分比为：C：0.01～0.04％、Si：0.15～0.30％、Mn：1.30～1.60％、P≤0.060、S≤0.010、Cu：0.15～0.50、Cr：0.20～0.40、Ni：0.10～0.24、Mo：0.10～0.30、Nb：0.030～0.060以及Ti≤0.030、Als≤0.035、Zr≤0.010和外加RE≤0.40kg/t钢或Ca≤0.0050中的两种或两种以上，余量为Fe及不可避免的夹杂，此外还须满足焊接冷裂纹敏感性系数：Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B≤0.18％。该专利钢种采用控轧控冷工艺生产，含有价格较昂贵的合金元素Mo，因而生产成本较高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种韧性和塑性良好，能承受大线能量焊接，并具有良好耐腐蚀性、低碳当量和低焊接裂纹敏感性系数的抗拉强度为570N/mm²级别以上的低碳贝氏体结构钢及其生产方法，通过采用TMCP+RPC的方法，不添加贵重元素Mo和V来达到降低钢种生产成本的目的。

本发明高性能低碳贝氏体结构钢的化学成分(重量百分比)为：C：0.04％～0.07％、Si：0.20％～0.50％、Mn：1.50％～1.80％、Nb：0.03～0.06％、Ti：0.005％～0.030％、Cr：0.25％～0.50％、Cu：0.30％～0.60％、Ni：0.20％～0.50％、Als：0.010％～0.070％，余量为Fe及不可避免的杂质，并满足焊接裂纹敏感性指数Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.21％。

该高性能低碳贝氏体结构钢的生产方法包括冶炼和铸造，轧制过程采用TMCP+RPC工艺，其特征在于轧前加热温度为1050～1220℃，采用两阶段控轧，再结晶区轧制温度控制在≥1000℃，未再结晶区轧制温度控制在950℃～(Ar₃+0℃～100℃)，未再结晶区轧制积累变形量大于50％，轧后弛豫时间10～120s，随后加速冷却，冷却速度为4～40℃/s，终止冷却温度为380～530℃，之后空冷。必要的话，空冷后进行回火处理，回火温度在550～680℃。

本发明高性能结构钢的成分设计理由：

(1)C：碳对钢的强度、韧性和焊接性能、冶炼成本影响很大。碳低于0.04％则需要真空冶炼，碳高于0.07％，则使延伸率和韧性下降，本发明确定碳含量的适宜范围为：0.04％～0.07％。

(2)Mn：锰是提高强度和韧性的有效元素，对贝氏体转变有较大的促进作用，而且成本十分低廉。该元素含量在一定的范围内增加钢强度的同时几乎不降低钢的塑性和韧性。Mn降低了γ→α的转变温度，增加了相变时α的形核率，细化了铁素体晶粒；Mn能扩大γ区，使钢的热塑性加工温度范围扩大，有利于控制轧制工艺的实施，增加低温区累积变形量和降低终轧温度使铁素体晶粒进一步细化。这就是国际上在设计钢的成分时多采用“低”碳“高”锰来提高钢的强度的原因。因此本发明Mn的合适区间为1.5％～1.8％，最佳区间为1.6％～1.7％。

(3)Si：硅是炼钢脱氧的必要元素，也可以起到固溶强化作用，提高钢的强度，Si还可以提高钢的抗腐蚀性能，但是Si含量太高，会降低钢的韧性，对焊接性能也不利。本发明将硅限定在0.20％～0.50％范围内。

(4)Nb：铌是本发明的重要添加元素。加热时未溶解的Nb的碳、氮化物颗粒分布在奥氏体晶界上，可阻碍钢在加热时奥氏体晶粒长大；它能够有效地延迟变形奥氏体的再结晶，阻止奥氏体晶粒长大，提高奥氏体再结晶温度，细化晶粒，同时改善强度和韧性；它可以提高钢的淬透性，促进贝氏体转变；在轧制过程中有些铌的碳化物在位错、亚晶界上沉淀以进一步阻碍动态再结晶和轧后静态再结晶的产生；在γ→α相变中发生沉淀，形成非常细小的合金碳化物，起沉淀强化的作用；Nb对屈服强度和抗拉强度尤其对屈服强度的提高效果很大。在本发明将Nb含量限定在0.03％～0.06％范围内。

(5)Ti：钢中加入微量的钛，是为了使钛、氮形成氮化钛，阻止钢坯在加热、轧制、焊接过程中晶粒的长大，改善母材和焊接热影响区的韧性。钛低于0.005％时，固氮效果差，超过0.03％时，固氮效果达到饱和，过剩的钛将会使钢的韧性恶化。当钢中的Ti、N原子之比为1∶1时，TiN粒子最为细小且分布弥散，对高温奥氏体晶粒的细化作用最强，不仅可获得优良的韧性，而且能够实现30KJ/cm以上的大线能量焊接。此时相应于Ti、N重量之比为3.42，故在本发明中，结合钢中N的含量以及便于连铸的需要，将钛成分控制在0.005％到0.03％。最佳控制为Ti、N重量之比为3.42左右。

(6)Al：铝是脱氧元素，并能与N结合形成弥散度较大的AlN，从而减少了以间隙相存在的自由N，降低钢的韧脆性转变温度，改善钢的低温冲击性能，有效地细化晶粒。其含量不足0.010％时，效果较小；超过0.070％时，脱氧作用达到饱和；再高则对母材及焊接热影响区韧性有害。所以，本发明将铝含量控制在0.010％～0.070％，最佳区间在0.015％～0.050％。

(7)Cr：加入Cr元素主要是保证钢的耐大气腐蚀性能，促进贝氏体转变，有助于轧制时奥氏体晶粒的细化和微细贝氏体的生成，提高抗拉强度。因而，本发明中Cr含量的合适区间在0.25％～0.50％。

(8)Cu：铜元素不仅对焊接热影响区硬化性及韧性没有不良影响，又可使母材的强度提高，并使低温韧性大大提高，还可提高耐蚀性。在贝氏体钢中加入铜，可进一步提高钢的淬透性，促进贝氏体的形成，进一步使基体强化；但Cu含量高时钢坯加热或热轧时易产生裂纹，恶化钢板表面性能，必须添加适量的Ni以阻止这种裂纹的产生。在本发明中将铜含量控制在0.3％～0.6％之间。

(9)Ni：镍元素对钢的焊接热影响区硬化性及韧性没有不良影响，且能够提高钢的耐蚀性，并使钢的低温韧性大大提高。镍为贵重元素，导致钢的成本大幅度上升，经济性差。在本发明中添加Ni元素的目的主要是阻止含Cu量高的钢坯在加热或热轧时产生裂纹的倾向。为了减少Cu的热脆现象，故在本发明中将Ni含量控制在0.20％～0.50％之间，Ni、Cu成分含量比最佳约为1/2～1.0。

(10)将钢中的杂质元素控制在P≤0.025％，S≤0.015％，以提高钢的韧性。

本发明高性能结构钢的生产工艺如下：

冶炼部分：采用转炉冶炼或电炉冶炼，尽可能深脱碳；采用LF精炼处理，并进行微合金化；Ca处理，结合钢中S含量和出钢量，喂Si-Ca线，以控制硫化物形态，提高延性和韧性，减小钢板横向和纵向性能差；连铸采用电磁搅拌，减少元素偏析。

轧制部分：轧制过程采用TMCP+RPC(弛豫析出-控制相变技术)工艺。轧前钢坯加热温度为1050～1220℃，上限选择1220℃，可以保证获得细小的奥氏体晶粒，下限选择1050℃，以便能有相当量的Nb溶入奥氏体，有利于轧后冷却过程中贝氏体的形成；采用两阶段控轧，再结晶区轧制温度控制在≥1000℃，未再结晶区轧制温度控制在950℃～(Ar₃+0℃～100℃)；积累变形量大于50％；轧后弛豫时间10～120s，随后加速冷却，冷却速度过低，铁素体的析出量增加，强度降低，冷却速度过高，伸长率和冲击功降低，本发明的冷却速度范围设为4～40℃/s；终止冷却温度为380～530℃。之后空冷。为获得更好的效果，可对钢板进行回火处理，回火温度控制在550～680℃。

本发明以成本低廉的Mn元素作为主要添加元素，联合应用Cu、Ni、Cr、Nb等元素对贝氏体转变的作用，不含合金元素Mo和V，成本低；其制造工艺简单、无需复杂的热处理程序，既降低了生产成本，又缩短了生产周期；该低碳贝氏体结构钢不经过调质就可获得贝氏体组织，具有高强度、高韧性；该钢种具有优良的焊接性能，在线能量40～70KJ/cm焊接条件下，HAZ区韧性优良，保证了产品的安全可靠性；其耐侯性能优于耐侯钢种09CuPCrNi。本发明高性能低碳贝氏体结构钢特别适用于桥梁，也可应用于建筑、交通、海洋平台等工程结构领域。

附图说明

附图1为本发明的金相组织。

附图2为本发明与耐候钢种09CuPCrNi在实验室得到的周浸加速腐蚀速率图。

具体实施方式

根据本发明所设计的化学成分范围采用如下冶炼工艺冶炼5罐。其化学成分如表1所示，其轧制工艺和轧态力学性能见表2和表3。

用转炉冶炼，通过顶吹或顶底复合吹炼；用LF精炼处理，并进行微合金化；Ca处理；连铸采用电磁搅拌。

轧制过程采用TMCP+RPC工艺。

表1、本发明钢种的冶炼成分实例，Wt％

序号	C	Si	Mn	Als	Ni	Cr	Cu	Ti	Nb	Pcm
序号	C	Si	Mn	Als	Ni	Cr	Cu	Ti	Nb	Pcm	1	0.05	0.27	1.80	0.029	0.20	0.26	0.30	0.008	0.045	0.180
2	0.05	0.42	1.66	0.034	0.25	0.33	0.37	0.010	0.031	0.186	1	0.05	0.27	1.80	0.029	0.20	0.26	0.30	0.008	0.045	0.180
2	0.05	0.42	1.66	0.034	0.25	0.33	0.37	0.010	0.031	0.186	3	0.04	0.48	1.68	0.032	0.40	0.30	0.57	0.028	0.030	0.190
4	0.05	0.38	1.63	0.030	0.33	0.33	0.47	0.012	0.034	0.191	3	0.04	0.48	1.68	0.032	0.40	0.30	0.57	0.028	0.030	0.190
4	0.05	0.38	1.63	0.030	0.33	0.33	0.47	0.012	0.034	0.191	5	0.07	0.39	1.50	0.010	0.21	0.31	0.39	0.010	0.032	0.197

*：Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B

表2、本发明钢的轧制工艺

序号	成品厚度mm	加热温度℃	未再结晶区变形量	再结晶开轧温度℃	未再结晶开轧温度℃	终轧温度℃	终冷温度℃	冷却速度℃/s
序号	成品厚度mm	加热温度℃	未再结晶区变形量	再结晶开轧温度℃	未再结晶开轧温度℃	终轧温度℃	终冷温度℃	冷却速度℃/s	1	16	1050	68％	1020	950	830	450	39.8
2	30	1120	70％	1016	858	852	380	15.8	1	16	1050	68％	1020	950	830	450	39.8
2	30	1120	70％	1016	858	852	380	15.8	3	50	1180	60％	1037	887	880	434	8.2
4	60	1220	60％	1050	895	857	485	6.1	3	50	1180	60％	1037	887	880	434	8.2
4	60	1220	60％	1050	895	857	485	6.1	5	80	1220	50％	1086	860	847	530	4.0

表3、本发明钢的轧态力学性能

从图1可以看出轧态时本发明的金相组织为贝氏体+少量的铁素体。

本发明钢通过厚度为60mm+60mm对接实验以检测其焊接性能。经过70KJ/mm大线能量焊接后，其接头及焊缝的力学性能完全符合GB/T714-2000《桥梁用结构钢》标准要求，热影响区(线外1mm)韧性优良，-40℃的Akv可达到100J以上(如表4所示)，说明本发明钢具有优异的抗大线能量焊接性能，能够保证产品的安全可靠性。

表4本发明钢δ60+60mm对接接头力学性能检验结果

将本实验钢与耐候钢种09CuPCrNi对比，在实验室进行相同条件下耐腐蚀性能实验进行五个小周期，分别为2天、4天、6天、8天、10天，每个周期4个5*40*60样，一个5*10*10交流阻抗样。实验条件：槽内温度：42℃，箱内温度：45℃，相对湿度RH：25％。试验结果见图2。由图2可见，随浸入时间的增加，减薄量均在增加，但本发明钢增加相对缓慢。在实验时间为4天一个周期时，二钢种的减薄量相似。当实验周期超过4天，从图中发现钢种09CuPCrNi的减薄量显著增加，说明本发明钢种具有优异的耐腐蚀性能。

Claims

1.一种高性能低碳贝氏体结构钢，其特征在于该钢的化学成分(重量百分比)为：C：0.04％～0.07％、Si：0.20％～0.50％、Mn：1.50％～1.80％、Nb：0.03％～0.06％、Ti：0.005％～0.030％、Cr：0.25％～0.50％、Cu：0.30％～0.60％、Ni：0.20％～0.50％、Al_s：0.010％～0.070％，余量为Fe及不可避免的杂质，并满足焊接裂纹敏感性指数Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.21％。

2.一种权利要求1所述的高性能低碳贝氏体结构钢的生产方法，包括冶炼和铸造，轧制过程采用TMCP+RPC工艺，其特征在于轧前加热温度为1050～1220℃，采用两阶段控轧，再结晶区轧制温度控制在≥1000℃，未再结晶区轧制温度控制在950℃～(Ar₃+0℃～100℃)，未再结晶区轧制积累变形量大于50％，轧后弛豫时间10～120s，随后加速冷却，冷却速度为4～40℃/s，终止冷却温度为380～530℃，之后空冷。

3.根据权利要求2所述的高性能低碳贝氏体结构钢的生产方法，其特征在于空冷后进行回火处理，回火温度在550～680℃。