CN102021495A - 420MPa高韧性耐候桥梁钢及其热轧板卷的制备方法 - Google Patents

420MPa高韧性耐候桥梁钢及其热轧板卷的制备方法 Download PDF

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王莹
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Abstract

本发明公开了一种420MPa高韧性耐候桥梁钢,其特征在于,其化学成分重量百分比(%)为:碳0.015~0.045%;硅:0.20~0.35%;锰:1.20~1.50%;磷:≤0.018%;硫:≤0.0005%;铌:0.030~0.050%;钛:0.010~0.020%;铝:0.015~0.040%;镍:0.25~0.40%;铬0.25~0.50%;铜:0.25~0.40%;B:0.0002-0.003%;氮:≤0.006%;氧:≤0.002%;余量为铁和微量杂质。本发明桥梁钢板卷的强度、韧性、焊接性、耐蚀性能优良,且生产成本适中。

Description

420MPa高韧性耐候桥梁钢及其热轧板卷的制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种低合金耐腐蚀钢及其板卷制备方法,尤其涉及一种桥梁用高韧 性耐候钢及其板卷制备方法。
背景技术
[0002] 桥梁制造行业对桥梁钢的强度、韧性、焊接性和耐腐蚀性等不断提出更高的要 求,这种发展势头在未来的几十年中仍将持续下去。近年来,随着东海大桥、杭州湾大 桥的建设,桥梁制造业对桥梁钢性能的要求不仅在于提高材料强韧性能,而且对材料的 耐海水腐蚀性能提出了明确的要求。
[0003] 中国专利85108118、00133579.0、00121262.1都是具有一定耐大气腐蚀性能的 低合金结构钢,为Cu-P-Cr-Ni或Cu-P-Ti-RE系耐候钢,屈服强度为350MPa级,且低 温冲击性能较低。中国专利200410061112.4公开了一种针状组织高强度耐候钢及其生 产方法,其组分为,低碳、Cu-Cr-Ni-Mo-Nb-Ti-Al-Zr-RE或Ca,该钢种虽然强度和 低温韧性较好,但其同时添加Mo、RE、Zr,成本较高,同时冶炼难度较大。中国专 利200510111858.6公开了一种高强度低合金耐大气腐蚀钢,其成分为碳0.05〜0.1 % ; 娃:< 0.75 % ;猛:1.0 ~ 1.6% ;磷:< 0.02 % ; Wi : <0.01% ;招:0.01 〜0.05 % ; 镍:0.12 〜0.40 % ;铬 0.20 〜0.45 % ;铜:0.20 〜0.55 % ;钙:0.001 〜0.006 % ; 氮:0.001-0.006% ;铌:<0.07% ;钛:<0.025% ;飽0.35%,该钢种屈服强度可达 550MPa,成本较200410061112.4低,但其低温冲击性能较差。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种420MPa高韧性耐候桥梁钢及其热轧板卷的 制备方法,该耐候桥梁钢具有优良的耐腐蚀性能和低温冲击性能,且生产成本适中。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明提供420MPa高韧性耐候桥梁钢,其化学成分 重量百分比(% )为:碳 0.015 〜0.045% ;硅:0.20 〜0.35% ;锰:1.20 〜1.50% ; 磷:$ 0.018 % ;硫:$ 0.0005 % ;铌:0.030 〜0.050 % ;钛:0.010 〜0.020 % ;铝: 0.015 〜0.040 % ; II : 0.25 〜0.40 % ;铬 0.25 〜0.50 % ; ♦同:0.25 〜0.40 % ; ®| : 0.0002-0.003% ;氮:^ 0.006% ;氧:^ 0.002% ;余量为铁和微量杂质。
[0006] 本发明优选化学成分:碳0.015〜0.025% ;硅:0.32〜0.35%;锰:1.43〜 1.50% ;磷:<0.018% ; Vi : <0.0001% ;铌:0.045 ~ 0.050% ;钛:0.018 ~ 0.020% ; 铝:0.035 〜0.040% ;镍:0.35 〜0.40% ;铬 0.45 〜0.50% ;铜:0.35 〜0.40% ;硼: 0.0012-0.003% ;氮:<0.006% ;氧:<0.0011%o
[0007] 本发明最优化学成分为:碳0.015%;硅:0.35%;锰:1.50%;磷:$0.018%; 硫:$ 0.00009% ;铌:0.050% ;钛:0.020% ;铝:0.040% ;镍:0.40% ;铬 0.50% ; 铜:0.40% ;硼:0.003% ;氮:$ 0.006% ;氧:$ 0.0008%。
[0008] 本发明还提供420MPa高韧性耐候桥梁钢热轧板卷的制备方法,包括冶炼、精炼、轧制、控冷工序,其特征在于,转炉冶炼前先进行铁水脱硫至S^0.0(KK)5%,转炉冶 炼后经过钢包吹氩、LF炉精炼、RH真空处理后连铸,连铸坯再加热后,进入两机架R1 和R2粗轧,再经7机架2250连轧机组生产线进行热机械控轧控冷。
[0009] 所述加热温度为:1180°C〜1220°C ;所述热机械控轧控冷工序为:粗轧开轧温 度1150°C〜1180°C,精轧开轧温度1000°C〜950°C,精轧终轧900°C〜800°C,精轧终轧 后水幕层流冷却,冷却速度20°C /S〜35°C /S,600°C〜450°C终止冷却并卷取。
[0010] 本发明的设计思想如下:
[0011] 本发明所设计的420MPa耐候桥梁钢对低温韧性、焊接性能、耐大气和耐海水腐 蚀性能有严格的要求,因此从成分设计、轧制和冶炼三个关键环节从严控制。第一,采 用超低碳,降低碳含量,可显著提高相变温度,有利于针状组织的形成,超低碳可有效 减少偏析以保证厚钢板组织的均勻性,减少后期固态相变带来的有害组织,低的碳含量 可以使S相温度区间扩大,由于溶质元素在S相区扩散速度是Y区的100倍,因此成分 更加均勻,减少了碳含量的加入,可以提高奥氏体中固溶铌的含量,从而可实现高温轧 制,保证高温时奥氏体再结晶的充分程度,改善非再结晶区高温控轧效果,使高温高压 下厚钢板中心组织得到细化;通过锰、铬、铝、硼及超低碳的组合可获得均勻、极细的 超低碳针状铁素体组织,使得钢的强度、韧性、焊接性、耐蚀性能优良;第二,设计轧 制、冷却工艺,综合微合金化、固溶强化和组织强化等方法,获得以针状铁素体为主的 复相组织,同时提高强度和塑性;第三,通过超纯净冶炼最大限度降低硫和氧的含量, 减少硫化锰和其他夹杂物来提高韧性和耐腐蚀性能。
[0012] 特别地,本发明要求不加入钒,钢中仅含有残余钒元素。根据马钢工业生产实 践,钒元素的加入会显著降低碳贝氏体钢的冲击韧性水平和稳定性。
[0013] 本发明各元素含量的控制思想为:
[0014] 碳:降低碳含量,可显著提高相变温度,有利于针状铁素体组织的形成,超低 碳可有效减少偏析以保证厚钢板组织的均勻性,减少后期固态相变带来的有害组织,提 高耐腐蚀性能、冲击韧性、焊接性能,其含量控制在0.015%〜0.025%。
[0015] 锰:高锰有利于针状铁素体组织形成,但其含量过高会影响焊接性能及耐蚀性 能,故其含量控制在1.20%〜1.50%。
[0016] 硅:可以脱氧、提高钢的强度,但其含量过高会影响焊接性能和韧性,为保障 焊接性能和韧性,本发明采用较低含量的硅,控制在0.20%〜0.35%。
[0017] 硫:高硫含量不仅降低钢的低温韧性,还促进钢板的各向异性,并且硫化物夹 杂还显著降低钢的耐腐蚀性能,故本发明将其含量控制在5 0.0005%的极低范围。
[0018] 铝:铝与硼结合有利于细小针状铁素体的生成,但铝含量过高会降低钢的韧 性,其含量控制在0.015%〜0.040%为宜。
[0019] 铬:铬不仅能提高淬透性,促进针状铁素体的生成,其含量大于0.2%时还能提 高钢的耐腐蚀性能,但其含量过高会恶化焊接性能,故其含量控制在0.25%〜0.50%为且。
[0020] 硼:硼是提高淬透性元素,当硼含量大于0.0002%时促进针状铁素体的生成, 硼与铝结合还有利于细小针状铁素体的生成,但当硼含量大于0.004%容易出现硼化合物 脆性相,降低韧性,故其含量控制在0.0002-0.003%为宜。[0021] 铌:铌是强碳化物形成元素,通过控制控冷可以细化晶粒,提高钢的强度和韧 性,铬与铌配合使用,可以促进铌的析出,提高铌的析出强化作用,但铌价格较高,结 合成本考虑,铌含量控制在0.030%〜0.050%为宜。
[0022] 氧:钢中氧含量高将增加夹杂物的数量,影响钢的韧性、焊接性能、耐蚀性 能,因此,应尽量降低钢种氧含量,考虑到成本,本发明氧:50.002%即可。
[0023] 钛:本发明添加钛是为了固氮,减少或消除氮对硼的影响,其含量控制在 0.018%〜0.020%即可。
[0024] 铜、镍:添加0.25〜0.40%铜是为了提高钢的耐腐蚀性能,添加0.35%〜 0.40%的镍可克服铜引起的龟裂。
[0025] 本发明的控轧控冷工艺制度为:
[0026] 1.轧制道次分配:采用两机架可逆轧机粗轧、再进行7机架热连轧精轧,最后 进行轧制后层流冷却、卷取。在奥氏体再结晶区和未再结晶区多道次控制轧制,加热温 度1180°C〜1220°C、粗轧开轧温度1150°C〜1180°C、精轧开轧温度1000°C〜950°C、精 轧终轧温度900°C〜800°C、精轧后冷却,卷取温度600°C〜450°C。
[0027] 2.冷却方式:水幕层流冷却,冷却速度20°C /S〜35°C /S。
[0028] 本发明桥梁钢的TMCP工艺制度的依据是:
[0029] 热机械轧制(TMCP)是以再结晶、相变等冶金工艺为基础,在规定的变形和温 度条件下完成固溶强化、沉淀强化、位错强化和晶粒细化等硬化处理,从而使轧制状态 钢板性能达到最佳化。为节约资源,减少合金元素的加入量,获得强度和韧性的合理匹 配,充分发挥七机架热连轧机组的轧制和冷却能力,耐候桥梁钢采用控制轧制和加速冷 却的方式生产,它通过高温奥氏体区形变再结晶、低温奥氏体未再结晶区的变形以及轧 后的加速冷却来获得最佳效果。
[0030] 在组织上,采用超低碳针状铁素体组织。通过控制TMCP工艺及其他有利于针 状组织形成的因素,沿奥氏体晶界或奥氏体晶内先期产生少量针状铁素体,分割奥氏体 晶粒为若干小空间,在随后的板条贝氏体相变中,由于转变速度很快,分割后的空间限 制了板条束的长大,从而得到进一步细化的组织。由于超低碳针状组织的生长位置和方 向不具有选择性,界面间残余奥氏体量很少,因此组织均勻性好,组织间电极电位低, 具有较强的耐腐蚀能力。另外,超低碳针状组织更接近平衡组织而转变更加充分,因此 M/A岛易于控制,冲击韧性的稳定性更好。
[0031] 本发明通过锰、铬、铝、硼及超低碳的组合获得均勻、极细的超低碳针状铁素 体组织,使得钢的强度、韧性、焊接性、耐蚀性能优良,通过降低硫、氧的含量,进一 步提高钢的韧性和耐腐蚀性能。采用本发明生产的高韧性耐候桥梁钢性能为:屈服强 度 ReL : 450 〜470MPa,抗拉强度 Rm : 560 〜585MPa,ReL/Rm < 0.85,延伸率 A 24.4% -28.3% 0 -60°C夏比冲击功305-358J、_60°C夏比冲击剪切面积(SA% ) 100%,周 期浸润试验72小时相对腐蚀率36.13% -37.82%, 144小时相对腐蚀率43.41 % -49.85%。
具体实施方式
[0032] 下面采用5个实施例详细说明本发明,铁水经预处理脱硫后经300吨转炉冶炼, 再经过钢包吹氩、LF炉精炼、RH真空处理和连铸,连铸坯加热后,进入两机架R1和R2粗轧,经7机架2250连轧机组进行热机械控轧,轧后水幕层流冷却后卷取,热轧厚度规 格13.5mm和15.5mm。本发明桥梁钢化学成分见表1,TMCP工艺制度见表2,力学性 能见表3,周期浸润试验结果见表4,对比用Q345C钢成分见表5。
[0033] 表1.耐候桥梁钢实施例1-5的化学成分(% )
[0034]
实施例 碳 硅 锰 磷 硫 铌 钛 铝 镍 铬 铜 硼 氧 氮1 0.015 0.35 1.50 0.018 0.00009 0.05 0.02 0.040 0.40 0.50 0.40 0.003 0.0008 0.0062 0.025 0.32 1.43 0.016 0.0001 0.045 0.018 0.035 0.35 0.45 0.35 0.0012 0.0011 0.0053 0.031 0.29 1.35 0.010 0.0003 0.040 0.016 0.026 0.30 0.40 0.30 0.0008 0.0016 0.00454 0.040 0.24 1.25 0.012 0.0005 0.035 0.013 0.021 0.29 0.35 0.28 0.0005 0.0019 0.0035 0.045 0.21 1.20 0.014 0.00025 0.030 0.011 0.016 0.25 0.25 0.25 0.0002 0.0018 0.0025
[0035] 表2.实施例1-5 TMCP工艺制度
[0036]
实施例 加热温度/°c 粗轧开轧温 度/。c 精轧开轧温 度/。c 精轧终轧温 度/°c 卷取温度/°c 冷速/°C/s实施例1 1180 1150 1000 900 600 25实施例2 1190 1160 990 880 560 30实施例3 1200 1165 980 850 520 35实施例4 1210 1175 965 830 500 35实施例5 1220 1180 950 800 450 20
[0037] 表3实施例1-5力学性能检验结果
[0038]
实施例 屈服强度 ReL,MPa 抗拉强度 Rin, MPa IWRm 延伸率, A % Akv(-60°C)J SA% (-60°C)1 470 585 0.80 28.0 358、 341、 305 1002 450 560 0.80 28.3 347、 311、 322 1003 470 570 0.82 26.8 319、 325、 345 1004 460 585 0.78 24.4 315、 338、 334 1005 455 565 0.805 27.5 315、 313、 320 100
[0039] 周期浸润试验
[0040] 将实施例桥梁钢板按照《TB 2375-1993铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》 加工成标准试样,并与Q345C钢做对比,进行72小时和144小时周期浸润试验,试验结 果如表4所示,对比用Q345C钢成分见表5。
[0041] 表4周期浸润试验结果[0042]
Figure CN102021495AD00071
[0043] 表5对比用Q345C钢成份(wt% )
[0044]
Figure CN102021495AD00072
[0045] 将Q345C和实施例桥梁钢经过72小时和144小时后的腐蚀率进行对比,结果在 72小时时,本发明桥梁钢与Q345C的相对腐蚀率为36.13% -37.82%, 144小时的相对腐 蚀率为43.41% -49.85%,耐蚀性能显著。

Claims (5)

1. 一种420MPa高韧性耐候桥梁钢,其特征在于,其化学成分重量百分比(% ) 为:碳 0.015 〜0.045 % ;硅:0.20 〜0.35 % ;锰:1.20 〜1.50 % ;磷:S 0.018 % ; Vi : <0.0005% ;铌:0.030 〜0.050% ;钛:0.010 〜0.020% ;招:0.015 〜0.040% ; 镍:0.25 〜0.40 % ;铬 0.25 〜0.50 % ;铜:0.25 〜0.40 % ; B : 0.0002-0.003 % ;氮: <0.006% ;氧:$0.002% ;余量为铁和微量杂质。
2.如权利要求1所述420MPa高韧性耐候桥梁钢,其特征在于,其化学成分重量百分 比(%)为:碳 0.015 〜0.025%;硅:0.32 〜0.35%;锰:1.43 〜1.50%;磷:$0.018%; Vi : <0.0001% ;铌:0.045 〜0.050% ;钛:0.018 〜0.020% ;招:0.035 〜0.040% ; 镍:0.35 〜0.40 % ;铬 0.45 〜0.49 % ;铜:0.35 〜0.40 % ; B : 0.0012-0.003 % ;氮: <0.006% ;氧:$0.0011% ;余量为铁和微量杂质。
3.如权利要求1或2所述420MPa高韧性耐候桥梁钢,其特征在于,其化学成分 重量百分比(% )为:碳 0.015% ;硅:0.35% ;锰:1.50% ;磷:S 0.018 % ;硫: <0.00009% ;铌:0.050% ;钛:0.020% ;铝:0.040% ;镍:0.40% ;铬 0.50% ;铜: 0.40% ; B : 0.003% ;氮:<0.006% ;氧:<0.0008% ;余量为铁和微量杂质。
4.如权利要求1至3之一所述420MPa高韧性耐候桥梁钢的热轧板卷制备方法, 包括冶炼、精炼、轧制、控冷工序,其特征在于,转炉冶炼前先进行铁水脱硫至 S <0.00005%,转炉冶炼后经过钢包吹氩、LF炉精炼、RH真空处理后连铸,连铸坯再 加热后,进入两机架Rl和R2粗轧,再经7机架2250连轧机组生产线进行热机械控轧控 冷。
5.如权利要求4所述420MPa高韧性耐候桥梁钢的热轧板卷制备方法,其特征在 于,所述加热温度为:1180°C〜1220°C ;所述热机械控轧控冷工序为:粗轧开轧温度 1150°C〜1180°C,精轧开轧温度1000°C〜950°C,精轧终轧900°C〜800°C,精轧终轧后 水幕层流冷却,冷却速度20°C/S〜35°C/S,600°C〜450°C终止冷却并卷取。
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