CN101892431A - 热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢及其制备工艺。该耐候桥梁钢包含的化学成分(wt％)为：C 0.03-0.08％、Si≤0.5％、Mn 1.0-1.5％、P≤0.015％、S≤0.01％、Cu 0.3-0.6％、Ni 0.20-0.50％、Cr 0.40-1.0％、Mo 0.15-0.35％、Nb 0.03-0.08％、Ti≤0.04％、Als≤0.04％以及余量Fe及杂质，其主要采用控轧控冷工艺制备。本发明耐候桥梁钢组成简单，成本低廉，屈服强度在500MPa以上，并具良好的低温韧性、焊接性和耐候性能，且制备工艺简捷，可控性高。本发明可被广泛应用于各种桥梁钢的生产领域。

Description

热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢及其制造方法

技术领域

本发明具体涉及金属材料领域的一种热轧态高强度桥梁用钢及其制造方法，该热轧态高强度桥梁用钢的最小屈服强度为500MPa，且在低温-40℃冲击功大于47J，耐大气腐蚀性能优良。

背景技术

随着大型钢结构桥梁向全焊接结构和高参数方向发展，对桥梁结构的安全可靠性要求越来越严格。这就对桥梁钢钢板质量提出了更高的要求，即不仅具有高强度以满足结构轻量化要求，而且应具有优良的低温韧性、焊接性和耐蚀性等，以满足钢结构的安全可靠、长寿等要求。在此背景下，国内外材料工作者提出了高性能钢的概念，所谓高性能钢是指材料的某项或几项性能较传统钢材得到改善的钢材，其除了具备高强度外，焊接性能、低温冲击韧性，尤其是耐腐蚀性能有大幅度的提高。

传统工艺大多采用调质(淬火+回火)工艺制备高性能钢桥梁钢，其成本较高。为此，人们又发展出了通过热轧(控轧+控冷)制备高性能桥梁钢的工艺，采用这种工艺制成的高性能桥梁钢具有成本低、板长度更长、焊缝数量减少等优势。

在国外，专利号为US6056833、US6187117的发明专利均提出了强度级别为485MPa的热轧态耐候桥梁钢，但是这两种热轧态耐候桥梁钢中均需加入一定量的钒，这就导致钢种的焊接韧性差，焊接冷裂纹敏感性系数Pcm值较高，且低温冲击韧性也只能达到-23℃的要求。

而在国内，2007年初武钢推出了第五代桥梁钢WNQ570(Q420qE)，并将该钢种用于京沪高铁南京大胜关长江大桥的建设，其具体性能指标在国内专利CN1609257A中有详述。该钢种采用非调质控轧控冷工艺，具有良好的低温韧性和焊接性，但强度和耐候性能等仍有待提高。

发明内容

本发明的目的之一在于提出一种热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢，其组成简单，成本低廉，且具有不小于500MPa的屈服强度，以及良好的低温韧性、焊接性和耐候性能，从而克服了现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢，其特征在于，所述耐候桥梁钢包含的化学成分按重量百分计为：

C 0.03-0.08％、Si≤0.5％、Mn 1.0-1.5％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cu0.30-0.60％、Ni 0.20-0.50％、Cr 0.40-1.0％、Mo 0.15-0.35％、Nb 0.030-0.080％、Ti≤0.04％、Als≤0.04％，以及余量的Fe及杂质元素。

进一步地讲：所述耐候桥梁钢的屈服强度在500MPa以上，且-40℃低温冲击功大于47J。

所述耐候桥梁钢的焊接冷裂纹敏感性系数Pcm≤0.23％、ASTM G101-01耐腐蚀指数I＞6.5；

所述Pcm和I分别由下式得出：

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

I＝26.01(％Cu)+3.88(％Ni)+1.20(％Cr)+1.49(％Si)+17.28(％P)-7.29(％Cu)(％Ni)-9.10(％Ni)(％P)-33.39(％Cu)2。

本发明的另一目的在于提出一种用于制备上述热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢的方法，该方法为：

取与所述热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢具有相同化学组成的铸坯在1200-1300℃预热2-3小时后，采用两阶段轧制，粗轧开轧温度≥1050℃，累计下压量≥60％，精轧开轧温度≤950℃，精轧结束温度≤850℃，精轧累计下压量≥70％，然后以10-20℃/s的冷却速率将轧件冷却到480～530℃，制得目标耐候桥梁钢。

具体而言：所述目标耐候桥梁钢的屈服强度在500MPa以上，且-40℃低温冲击功大于47J。

所述铸坯是按如下工艺制备的：

按所述热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢的化学组成配置冶炼原料，冶炼原料经冶炼、铁水预脱硫、转炉顶底复合吹炼、RH真空循环脱气以及稀土或Ca处理后，经全流程保护浇注，形成目标铸坯。

以下从成分设计等方面对本发明的技术方案作详细说明：

本发明的C含量选择在0.03％-0.08％。C元素是钢的主要固溶强化元素，并且可以形成碳化物，起到析出强化的作用。碳含量太低，强化效果不明显，太高时会大大降低钢的韧性和焊接性能。

本发明的Si含量在≤0.5％。Si元素主要以固溶强化形式提高钢的强度，但含量不可过高，以免降低钢的韧性和焊接性能。

本发明的Mn含量在1.0％-1.5％。Mn是重要的固溶强化元素，并能够提高奥氏体的稳定性，有利于得到低温转变组织。Mn含量太低，不能保证钢板的强度，太高时易于在钢中产生明显的带状偏析，影响热轧组织的均匀性。

本发明的Cu在0.30％-0.60％。Cu能提高钢的淬透性，在钢中主要起固溶及沉淀强化作用，同时还能有效提高钢的耐候性。此外Cu还有利于获得良好的低温韧性，增加钢的抗疲劳裂纹扩展能力。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，因此当Cu含量高于0.20％时，须添加适量的Ni以阻止这种裂纹的产生。

本发明的Ni在0.20％-0.50％。Ni能提高淬透性，具有一定的固溶强化作用，且能显著改善钢材的低温韧性，使母材和焊接热影响区低温韧性显著提高。此外，Ni能阻止Cu含量高的钢坯在加热或热轧时产生裂纹的倾向，且可显著提高钢的耐候性，尤其是耐海水腐蚀性。但是Ni为贵金属，导致钢的成本大幅度上升，经济性差。

本发明Cr的含量在0.40％-1.0％。Cr能显著提高钢的淬透性及钢的耐候性。在Cu-Ni-Cr复合添加的情况下，Cr提高钢材耐腐蚀性的效果尤为明显。

本发明Mo的含量在0.15％-0.35％。Mo能增加淬透性，提高钢的强度。Mo能非常有效推迟铁素体和珠光体的转变，从而促进贝氏体组织的获得，使钢在较宽的冷却速度范围内获得较完全的针状组织。同时随着Mo的增加，针状组织转变开始温度显著下降，钢的强度显著提高。但过高的Mo会使钢的低温韧性显著恶化，也会在焊接时形成过多的马氏体，导致焊接接头脆性增加。

本发明Nb的含量在0.030％-0.080％。Nb在控轧控冷钢中具有十分重要的作用，其可以提高奥氏体再结晶温度，使变形的奥氏体处于未再结晶状态，从而增加Sv(单位体积内相变形核位置的密度)，以得到非常细小的晶粒尺寸。同时，Nb是强碳氮化合物形成元素，能在钢中起沉淀强化的作用。

Ti是强氮化物形成元素，Ti的氮化物能有效钉扎奥氏体晶界，有助于控制奥氏体晶粒的长大。本发明Ti的含量控制在≤0.04％。

本发明的P、S含量为P＜0.015％，S＜0.01％，低的P、S含量是为了保证高的钢质纯净度，获得该钢良好的塑性和冲击韧性。

本发明除含有上述化学成分外，余量为Fe及不可避免的杂质，同时还须满足焊接冷裂纹敏感性系数Pcm≤0.23％和ASTM G101-01耐腐蚀指数I＞6.5。

本发明系采用控轧+控冷工艺制备上述热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢，其不仅易于操作，可控性好，形成的耐候桥梁钢不仅具有优良低温韧性和焊接性，且较之常规耐候桥梁钢具有更高屈服强度、更优良耐候性能。

附图说明

以下结合附图及具体实施例对本发明的技术方案作详细说明。

图1是实施例1中热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢的金相组织照片。

具体实施方式

实施例1本实施例热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢包含的化学成分含量按重量百分计为：C 0.05％、Si 0.38％、Mn 1.46％、P 0.013％、S 0.0020％、Cu 0.36％、Ni 0.33％、Cr 0.5％、Mo 0.15％、Nb 0.056％、Ti 0.021％、Al 0.023％，其余为Fe和不可避免的杂质。

本实施例耐候桥梁钢的制备工艺为：按所述耐候桥梁钢的化学组成配置冶炼原料，冶炼原料经冶炼、铁水预脱硫、转炉顶底复合吹炼、RH真空循环脱气以及稀土或Ca处理后，经全流程保护浇注，形成目标铸坯。。

板坯在1250℃加热2小时后，进行二阶段轧制，其中，粗轧开轧温度为1080℃，粗轧累计下压量65％，精轧温度为930℃，精轧结束温度为830℃，精轧累计下压量70％，轧制完成后，轧件经层流冷却冷至500℃，冷却速度为19℃/s，制成的耐候桥梁钢成品力学性能如表1所示，其金相组织如图1所示。

实施例2本实施例热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢包含的的化学成分含量按重量百分计为：C 0.07％、Si 0.39％、Mn 1.22％、P 0.008％、S 0.0044％、Cu 0.4％、Ni 0.3％、Cr 0.5％、Mo 0.15％、Nb 0.05％、Ti 0.02％、Al 0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。

本实施例耐候桥梁钢的制备工艺为：按照与实施例1相同工艺制成板坯，其后将板坯在1250℃加热2小时，再进行二阶段轧制，其中，粗轧开轧温度为1100℃，，粗轧累计下压量60％，精轧温度为940℃，精轧结束温度为840℃，精轧累计下压量75％，轧制完成后，轧件经层流冷却冷至530℃，冷却速度为11℃/s，制成的耐候桥梁钢成品力学性能如表1所示。

表1实施例1～2力学性能

本发明实施例1-2所述桥梁耐候钢和公开号为CN1609257A的发明专利中所提出的比较钢1-1、比较钢1-2以及专利号为US6315946的发明专利中所提出的比较钢2的机械性能与耐腐蚀能力对比详见表1。表中耐腐蚀指数I计算公式为美国材料与试验协会标准ASTM G101-01中修正的Legault-Leckie公式，其值越高，表示其耐腐蚀能力越强。由上表可见，本发明钢与比较钢相比，同时具有高强度、较好的低温冲击功、及更好的耐腐蚀性能。

上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢，其特征在于，所述耐候桥梁钢包含的化学成分按重量百分计为：

C 0.03-0.08％、Si≤0.5％、Mn 1.0-1.5％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cu0.30-0.60％、Ni 0.20-0.50％、Cr 0.40-1.0％、Mo 0.15-0.35％、Nb 0.030-0.080％、Ti≤0.04％、Als≤0.04％，以及余量的Fe及杂质元素。

2.根据权利要求1所述的热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢，其特征在于：所述耐候桥梁钢的屈服强度在500MPa以上，且-40℃低温冲击功大于47J。

3.根据权利要求1或2所述的热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢，其特征在于：所述耐候桥梁钢的焊接冷裂纹敏感性系数Pcm≤0.23％、ASTM G101-01耐腐蚀指数I＞6.5；

所述Pcm和I分别由下式得出：

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

I＝26.01(％Cu)+3.88(％Ni)+1.20(％Cr)+1.49(％Si)+17.28(％P)-7.29(％Cu)(％Ni)-9.10(％Ni)(％P)-33.39(％Cu)2。

4.如权利要求1所述热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢的制备方法，其特征在于，该方法为：

取与所述热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢具有相同化学组成的铸坯在1200-1300℃预热2-3小时后，采用两阶段轧制，粗轧开轧温度≥1050℃，累计下压量≥60％，精轧开轧温度≤950℃，精轧结束温度≤850℃，精轧累计下压量≥70％，然后以10-20℃/s的冷却速率将轧件冷却到480～530℃，制得目标耐候桥梁钢。

5.根据权利要求4所述的如权利要求1所述热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢的制备方法，其特征在于：所述目标耐候桥梁钢的屈服强度在500MPa以上，且-40℃低温冲击功大于47J。

6.根据权利要求4所述的如权利要求1所述热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢的制备方法，其特征在于：所述铸坯是按如下工艺制备的：

按所述热轧态屈服强度500MPa级耐候桥梁钢的化学组成配置冶炼原料，冶炼原料经冶炼、铁水预脱硫、转炉顶底复合吹炼、RH真空循环脱气以及稀土或Ca处理后，经全流程保护浇注，形成目标铸坯。

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