CN102534417B

CN102534417B - 一种含Mo的高性能桥梁耐候钢的制备方法

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Publication number: CN102534417B
Application number: CN201210027231.2A
Authority: CN
Inventors: 朱苗勇; 曹波; 高新亮; 夏政海; 付贵勤; 张永东
Original assignee: Northeastern University China; Hunan Hualing Xiangtan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Northeastern University China; Hunan Hualing Xiangtan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2032-02-08
Also published as: CN102534417A

Abstract

本发明属于低合金钢制造领域，具体涉及一种含Mo的高性能桥梁耐候钢及其制备方法。本发明提供了一种含Mo的高性能桥梁耐候钢，其化学组成按质量百分比为：C 0.02～0.05%，Si 0.20～0.30%，Mn 1.0～1.50%，P≤0.02%，S≤0.010%，Cu 0.20～0.40%，Cr 0.40～0.60%，Ni 0.20～0.40%，Mo 0.1～0.30%，Nb 0.04～0.07%，Ti 0.005～0.015%，Al≤0.02%，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明的含Mo的高性能桥梁耐候钢采用两阶段轧制，第一阶段的粗轧开轧温度1050～1070℃，第二阶段的精轧开轧温度900-950℃，终轧温度800～850℃。本发明的含Mo的高性能桥梁耐候钢具有良好的力学性能，优良的焊接性能和耐大气腐蚀性能，并采用超低碳设计，生产成本低。

Description

一种含Mo的高性能桥梁耐候钢的制备方法

技术领域

本发明属于低合金钢制造领域，具体涉及一种含Mo的高性能桥梁耐候钢及其制备方法。

背景技术

近年来，随着我国经济的快速发展，国家加大了对交通运输行业的投入，各种桥梁的建设也带动了对桥梁钢的需求，这些工程在加大了对桥梁钢需求的同时，对桥梁钢的性能也提出了更高的要求，不但要求其具有较高的强度、韧性和良好的焊接性能，有的还要求其有一定的耐候性。传统的高强度桥梁钢不仅冲击韧性、焊接性和耐疲劳性较差，而且不能耐大气和海水腐蚀，因此，国内外材料工作者提出了高性能钢（High Performance Steel，HPS）的概念，高性能钢材主要是指材料的某项或几项性能较传统钢材得到改善，除了具备较高强度外，钢材的焊接性能和低温韧性，尤其是耐腐蚀性能有较大幅度提高。

传统工艺大多采用调制处理，即淬火+回火的工艺制备高性能桥梁钢，其成本较高，为此，人们发展出了通过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，板长度更长和力学性能优良的特点。

专利号为CN200510045624.6的中国专利公开了一种低合金耐候钢，可用于铁路、桥梁和车辆等长期暴晒在大气条件下使用的结构钢，该钢材的C含量为0.12～0.21%，碳含量过高恶化了钢的低温冲击性能和焊接性能，Al含量≤0.2%，含量较高，对炼钢和轧制造成诸多不便。

专利号为CN200810046963.X的中国专利公开了一种屈服强度大于450MPa超低碳热轧耐候钢，该钢中C含量0.01～0.05%，达到了超低碳水平，且具有较高的强度、良好的低温冲击性能和焊接性能，但是Mn含量1.50～1.90%，容易产生带状组织，产生力学性能明显的差异性。

专利号为US6315946的美国专利，公开了一种超低碳贝氏体耐候钢，采用控轧的方法制备，其屈服强度≥450MPa，-35℃低温冲击功≥40J，该钢的C含量为0.015～0.035%，做到了超低碳水平，但是为了促进贝氏体转变，向钢中添加了0.0015～0.003%的硼元素，硼易在晶界产生偏析，造成铸坯表面裂纹缺陷。

专利号为CN201010606201.8的中国专利公开了一种高韧性高耐候性桥梁钢，该钢为超低碳钢，采用TMCP轧制工艺，-60℃低温冲击功≥300J，具有优良的低温韧性，但耐蚀性能较差，其耐腐蚀系数I≤6.1。

发明内容：

针对现有的桥梁钢存在的力学性能、焊接性能和耐大气腐蚀性能差，C含量过高的缺点，本发明提供含Mo的高性能桥梁耐候钢及其制备方法，本发明的桥梁钢的强度级别高于传统桥梁钢，具有低成本、低屈强比的特点，同时具有优良的低温冲击韧性、焊接性能和耐大气腐蚀性，并采用超低碳设计。

一种含Mo的高性能桥梁耐候钢，其化学组成，按质量百分比为：C 0.02～0.05%，Si 0.20～0.30%，Mn 1.0～1.50%，P≤0.02%，S≤0.010%，Cu 0.20～0.40%，Cr 0.40～0.60%，Ni 0.20～0.40%，Mo 0.1～0.30%，Nb 0.04～0.07%，Ti 0.005～0.015%，Al≤0.02%，余量为Fe及杂质。

本发明的含Mo的高性能桥梁耐候钢，屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率≥25%，屈强比≤0.77，-40℃低温冲击功≥250J，其焊接冷裂纹敏感性系数Pcm<0.16，ASTM G101-01耐腐蚀指数I>6.4。

制备上述含Mo的高性能桥梁耐候钢，按照以下步骤进行：

首先将化学组成，按质量百分比为：C 0.02～0.05%，Si 0.20～0.30%，Mn 1.0～1.50%，P≤0.02%，S≤0.010%，Cu 0.20～0.40%，Cr 0.40～0.60%，Ni 0.20～0.40%，Mo 0.1～0.30%，Nb 0.04～0.07%，Ti 0.005～0.015%，Al≤0.02%，余量为Fe及杂质的钢坯加热到1150～1200℃，保温30-60min，使其充分奥氏体化，并使得钢中的微合金元素充分固溶；

然后采用两阶段轧制，第一段的粗轧开轧温度1050～1070℃，累计压下率≥50%，第二阶段精轧的开轧温度900-950℃，终轧温度800～850℃，累计压下率≥70%，轧制后喷水冷却至480～550℃，然后空冷至室温。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是:

为了使耐候钢具有较高的强度和耐腐蚀性能，同时具有良好冲击韧性和焊接性能，本发明采用复合添加合金元素的方式，用较少的合金元素获得最佳的效果，达到成本效益的最大化，本发明的主要合金元素含量基于以下原理：

Mo能提高钢的淬透性，防止回火脆性，明显推迟铁素体和珠光体的转变，使钢在较宽的温度范围内发生贝氏体转变,向钢中加入适量的Mo还有利于提高钢的耐大气腐蚀性能，本发明中Mo 0.1～0.30%；

C在钢中以间隙原子形式存在，是提高钢强度最为经济的元素，但C含量过高会恶化钢的低温韧性和焊接性能，超低碳设计限制了珠光体组织及其它碳化物的形成，有利于单一贝氏体组织的形成，避免了异相之间电位差而引起的原电池腐蚀，有利于提高钢的耐腐蚀性，因此本发明设计碳含量为0.02～0.05%；

Si在钢中起到固溶强化的作用，可以提高钢的强度，但Si含量太高会降低钢的低温韧性和焊接性能，此外Si有利于致密锈层的形成，能提高钢的耐大气腐蚀性能，本发明采用Si的含量为0.20～0.30%；

Mn是钢中重要的强韧化元素，在钢中起到固溶强化的作用，同时可以降低钢的相转变温度，细化钢中晶粒的尺寸，提高钢的低温韧性，但含量过高时会增加钢材连铸生产中间偏析的趋势，在钢中形成带状组织，影响组织的均匀性，因此本发明采用Mn的含量为1.0～1.50%。

P元素可以有效提高钢的耐大气腐蚀性能，但P元素也是一种易于偏析的元素，使钢的局部产生严重的偏析，会降低钢的塑性和韧性，尤其对低温韧性极为有害，同时，由于桥梁建设向大跨度方向发展，钢板的厚度也在增加，为保证钢的焊接性能，不易通过增加P元素来提高钢的耐腐蚀性能，应将P控制在0.04%以下，通过添加其它合金元素来弥补耐候性能的损失，本发明中P含量控制在较低水平，P≤0.02%；

S是钢中的有害元素，生成的硫化物不仅严重影响钢的力学性能，而且还会恶化钢的耐大气腐蚀性能，因此应将钢中的S含量控制在较低的水平，本发明中S≤0.010%；

Cu是提高钢的耐大气腐蚀性能十分重要合金元素，同时可以提高钢的强度，但含量过高时，钢坯加热或热轧时易产生裂纹，恶化钢板表面性能，同时会恶化钢的焊接性能，容易产生热脆，向钢中加入0.2%左右的Cu可以显著提高钢的耐腐蚀性能，同时通过固溶强化提高钢的强度，含Cu量小于0.55%对焊接性能危害不大，因此本发明中Cu的含量为Cu 0.20～0.40%；

Ni和Cr都是提高耐候钢耐的大气腐蚀性能的合金元素.，尤其在Cu-Ni-Cr复合添加的情况下，效果更为明显，此外，Ni能够细化钢的晶粒，提高钢的低温韧性，有效阻止Cu热脆引起的网裂，但Ni的价格较高，添加量过大会大幅调高钢的成本；Cr通过固溶强化和析出强化能有效提高钢的强度，通过延长奥氏体转变的孕育期，减缓奥氏体的分解速度，提高钢的淬透性，本发明钢中Ni含量设计为0.20～0.40%，Cr含量0.40～0.60%；

Nb在钢的控轧控冷过程中具有十分重要的作用，能够有效延迟变形奥氏体的再结晶，抑制奥氏体晶粒长大，提高奥氏体再结晶温度，以获得细小的晶粒，同时，Nb是强碳氮化物形成元素，可以在钢中起到沉淀强化的作用；Ti是强碳氮化物形成元素，Ti的碳氮化物能有效钉扎奥氏体晶界，抑制奥氏体晶粒的粗化，有利于细化晶粒，提高钢的强度和低温韧性，本发明Nb含量设计为Nb 0.04～0.07%，Ti含量设计为 0.005～0.015%。

本发明的桥梁钢力学性能优良，屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率≥25%，屈强比≤0.77，-40℃低温冲击功≥250J，同时具有良好的焊接性能和耐大气腐蚀性能，其焊接冷裂纹敏感系数Pcm<0.16，ASTM G101-01耐腐蚀指数I>6.4。

本发明采用超低碳设计，提高了钢的焊接性能，减少了碳化物形成，已获得单一均匀组织，提高钢的大气腐蚀性能及低温韧性；添加微量合金元素Nb和Ti，有效抑制奥氏体晶粒长大，通过高温大压下，细化奥氏体晶粒，最终得到细小的晶粒组织，提高钢的强度和低温韧性。

本发明加入合金元素Mo，提高钢的淬透性，推迟铁素体转变，使钢在较宽的温度范围内发生中温组织转变，有利于单一组织的形成；控制较低的S含量，提高钢的纯净度，提高钢的耐大气腐蚀性能和钢的综合力学性能；控制较低P含量，提高钢的焊接性能和低温韧性。

本发明采用控轧控冷（TMCP）制造工艺生产桥梁钢，采用两阶段轧制，第一段的开轧温度1050～1070℃，累计压下率≥50%，目的是使钢的细化奥氏体晶粒；第二阶段轧制是未结晶区控制轧制，开轧温度≤950℃，终轧温度800～850℃，累计压下率≥70%，目的通过热轧细化组织，产生大量位错，增加析出相的形核位置，促进析出相析出，在轧后不需要热处理，能以热轧状态供货，有效保证了供货周期，降低了生产成本，并且克服了钢板规格受热处理炉限制的不足。

具体实施方式

实施例1

首先采用真空感应炉熔炼200kg化学组成如表1所示的钢水，其后进行浇铸，形成钢锭，该钢锭开坯并热锻成断面80 mm×80 mm的钢坯，将钢坯加热到1200℃，保温30min；

然后采用如表2所示的两阶段轧制方案，第一段的粗轧开轧温度1070℃，累计压下率50%，第二阶段的精轧开轧温度950℃，终轧温度840℃，累计压下率70%，轧制后喷水冷却至507℃，然后空冷至室温。

实施例2

然后采用如表2所示的两阶段轧制方案，第一段的开轧温度1060℃，累计压下率50%，第二阶段的精轧开轧温度950℃，终轧温度830℃，累计压下率70%，轧制后喷水冷却至530℃，然后空冷至室温。

表1 本发明实施例钢的化学成分（质量百分比，%）

钢号	C	Si	Mn	P	S	Ni	Mo	Cr	Cu	Nb	Ti
												实施例1	0.03	0.22	1.06	0.02	<0.007	0.24	0.16	0.47	0.30	0.06	0.008
实施例2	0.03	0.23	1.43	0.02	<0.007	0.22	0.17	0.49	0.32	0.07	0.01

表2 实例钢的热轧方案

钢号	加热温度（℃）	粗轧开轧温度（℃）	精轧开始温度（℃）	终轧温度（℃）	冷却速度（℃）	终冷温度（℃）
							实施例1	1200	1070	950	840	16	507
实施例2	1200	1060	950	830	15	530

为了更加具体地说明本发明的高性能桥梁耐候钢中各化学组成对其力学性能、焊接性能和腐蚀性能的影响和作用，还选用了化学组成如表3中对比1和对比2所示的钢作为对比钢，首先采用真空感应炉熔炼200kg钢水，其后进行浇铸，形成钢锭，该钢锭开坯并热锻成断面80 mm×80 mm的钢坯，将钢坯加热到1200℃，保温30min，然后采用如表4所示的两阶段轧制工艺对钢坯进行轧制。

同时还给出了公开号CN102021478A的发明专利提出的钢的化学成分和相应性能以供对比，如表3和表5中的对比3。

表5是本发明实施例钢和对比钢的力学性能、焊接性能和耐腐蚀性能数据，表中腐蚀指数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，其值越大，耐腐蚀性越强，计算公式为：

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

此外，焊接冷裂纹敏感系数计算公式为：

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

表3 对比钢的化学成分（质量百分比，%）

钢号	C	Si	Mn	P	S	Ni	Mo	Cr	Cu	Nb	Ti
												对比1	0.04	0.21	0.75	0.02	<0.007	0.22	0.15	0.48	0.31	0.07	0.008
对比2	0.04	0.24	0.73	0.02	<0.007	0.22	—	0.46	0.30	0.06	0.012
												对比3	0.039	0.28	0.68	0.012	0.003	0.35	—	—	0.35	0.065	0.018

表4对比钢的热轧方案

钢号	加热温度（℃）	粗轧开轧温度（℃）	精轧开始温度（℃）	终轧温度（℃）	冷却速度（℃）	终冷温度（℃）
							对比1	1200	1070	947	850	16	505
对比2	1200	1050	945	850	17	500

表5 本发明实施例钢和对比钢的力学性能、焊接性能和耐腐蚀性能数据

钢号	屈服强度（MPa）	抗拉强度（MPa）	屈强比	延伸率	-40℃低温冲击功（J）	焊接冷裂纹敏感性系数Pcm	耐腐蚀指数I
								实施例1	460	600	0.77	0.311	259	0.14	6.41
实施例2	465	615	0.76	0.268	252	0.16	6.45
								对比1	408	523	0.78	0.344	280	0.14	6.41
对比2	408	538	0.76	0.312	267	0.11	6.40
								对比3	460	565	0.81	0.295	330-365（-60℃）	0.11	6.06

从表5可以看出，本发明实施例钢的屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率≥25%，屈强比≤0.77，-40℃下比冲击功≥250J，焊接冷裂纹敏感性系数Pcm小于0.16，耐腐蚀性指数I大于6.4，以上数据表明试验钢具有优良的力学性能，尤其是其低温韧性；同时具有良好的焊接性能和耐大气腐蚀性能焊接性能。

为了更好的表征实例钢在海洋大气条件下的腐蚀性能，采用干湿周浸法对实例钢的耐腐蚀性能进行测试，其结果如表6所示，向钢中添加适量Mo元素，能够提高钢的耐大气腐蚀性能；增加合金元素Mn使得钢的耐蚀性能略有降低，但明显提高了钢力学性能。

表6 本发明实施例钢和对比钢在含氯离子环境下腐蚀结果比较

钢号	252周期腐蚀深度(μm)
		实施例1	123.0
实施例2	124.0
		对比1	121.0
对比2	130.0

Claims

1.一种含Mo的高性能桥梁耐候钢的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：

首先将化学组成，按质量百分比为：C0.03%，Si0.22～0.23%，Mn1.06～1.43%，P0.02%，S＜0.007%，Cu0.30～0.32%，Cr0.47～0.49%，Ni0.22～0.24%，Mo0.16～0.17%，Nb0.06～0.07%，Ti0.008～0.01%，Al≤0.02%，余量为Fe及杂质的钢坯加热到1150～1200℃，保温30-60min，使其充分奥氏体化，并使得钢中的微合金元素充分固溶；

然后采用两阶段轧制，第一段的粗轧开轧温度1050～1070℃，累计压下率≥50%，第二阶段精轧的开轧温度900-950℃，终轧温度800～850℃，累计压下率≥70%，轧制后喷水冷却至480～550℃，然后空冷至室温，得到其屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率≥25%，屈强比≤0.77，-40℃低温冲击功≥250J，焊接冷裂纹敏感性系数Pcm<0.16，ASTMG101-01耐腐蚀指数I>6.4的含Mo高性能桥梁耐候钢。