CN102766809A - 一种屈服强度高于800MPa的矿井救生舱用热轧带钢及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金材料技术领域，涉及一种屈服强度高于800MPa的矿井救生舱用热轧带钢及制备方法。其化学成分按重量百分比为C：0.03～0.06%，Si：0.20～0.35%，Mn：1.7～1.8%，Al：0.02～0.05%，Mo：0.3～0.5%，Nb：0.04～0.06%，Ti：0.01～0.02%，Cu：0.2～0.35%，B：0.001～0.002%，S≤0.01%，P≤0.01%，余量为Fe；其金相组织为复相组织，室温屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥900MPa，断后伸长率≥16%，500℃高温屈服强度≥580MPa，抗拉强度≥760MPa，断后伸长率≥17%，20℃冲击功大于47J，冷弯性能合格，工业环境下的耐大气腐蚀性指数I≥4.0，焊接冷裂纹敏感系数P_cm≤0.22%。其制备方法是：按设定成分冶炼钢水并铸成铸坯，加热后进行粗轧，然后精轧，经快速冷却后获得成品热轧带钢，得到的热轧带钢优良的强度、塑性、冷弯和抗冲击性能的匹配，且高温强度优良，满足矿井救生舱用钢要求。

Description

一种屈服强度高于800MPa的矿井救生舱用热轧带钢及制备方法

技术领域

本发明属于冶金材料技术领域，特别涉及一种屈服强度高于800MPa的矿井救生舱用热轧带钢及制备方法。

背景技术

矿井救生舱是矿井出现顶板塌方、瓦斯爆炸、透水等灾害时为矿工提供避难空间的舱室。由于矿井救生舱的使用环境比较恶劣，因此要求救生舱用钢板应具有足够的强度、韧性、耐冲击、耐腐蚀和耐高温等综合性能。目前，救生舱舱体用钢通常采用Q235、Q345、Q460和Q550等普通碳素结构钢和低合金高强钢，这些材料的屈服强度为235~600 MPa，韧性和弯曲等指标基本满足要求。但是考虑到井下发生瓦斯爆炸时产生的高温气流、甲烷以及H₂S等腐蚀性气体的影响，现有救生舱舱体材料的高温强度以及耐腐蚀性能难以满足救生舱的使用要求。

为此，开发一种屈服强度高于800 MPa的耐冲击、耐高温、耐腐蚀等综合性能良好的矿井救生舱专用热轧带钢是科技工作者面临的一项重要任务和亟待解决的难题。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提供一种屈服强度高于800 MPa的矿井救生舱用热轧带钢及制备方法，目的在于通过适当的合金元素设计和控轧控冷方法，满足矿井救生舱用钢的使用要求。

本发明的屈服强度高于800 MPa的矿井救生舱用热轧带钢，化学成分按重量百分比为C：0.03～0.06 %，Si ：0.20～0.35 %，Mn ：1.7～1.8 %，Al ：0.02～0.05 %，Mo： 0.3～0.5 %，Nb ：0.04～0.06 %，Ti：0.01～0.02 %，Cu： 0.2～0.35 %，B ：0.001～0.002 %，S≤0.01 %，P≤0.01 %，余量为Fe；

其金相组织为板条贝氏体和少量的针状铁素体、粒状贝氏体的复相组织，室温屈服强度≥800 MPa，抗拉强度≥900 MPa，断后伸长率≥16 %，500 ℃高温屈服强度≥580 MPa，抗拉强度≥760 MPa，断后伸长率≥17 %，20 ℃冲击功大于47 J（冲击试样尺寸为55 mm×10 mm×5 mm），冷弯性能合格，工业环境下的耐大气腐蚀性指数I≥4.0，焊接冷裂纹敏感系数P_cm≤0.22 %。

本发明的屈服强度高于800 MPa的矿井救生舱用热轧带钢的制备方法按照以下步骤进行：

（1）按设定的化学成分重量百分比C：0.03～0.06 %，Si ：0.20～0.35 %，Mn ：1.7～1.8 %，Al ：0.02～0.05 %，Mo： 0.3～0.5 %，Nb ：0.04～0.06 %，Ti：0.01～0.02 %，Cu： 0.2～0.35 %，B ：0.001～0.002 %，S≤0.01 %，P≤0.01 %，余量为Fe，冶炼钢水并铸成厚度为150～250 mm的铸坯；

（2）将铸坯加热至1200～1250 ℃保温1 h，进行粗轧，轧制道次为3～5道次，粗轧开轧温度为1120～1180 ℃，终轧温度为1010～1080 ℃，获得厚度为40～60 mm的中间坯；

（3）将中间坯精轧5～7道次，精轧开轧温度为980～1050 ℃，终轧温度为780～865 ℃，精轧每道次压下量控制在15～40 %，精轧总压下量>70 %，精轧后带钢厚度为4～12 mm；

（4）将精轧后的带钢以15～60 ℃/s的速度冷却至350～450 ℃，卷取获得热轧带钢产品。

本发明的屈服强度高于800MPa的矿井救生舱用热轧带钢的成分设计是基于以下几点：

C 虽然对钢板的强化有效，但随着C含量增加则会造成塑性和冲击韧性降低，增加钢的冷脆性，对钢的成型性、焊接性能极为不利；此外，碳含量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，因此C含量必须控制在较低的范围内；

Mn 是良好的脱氧剂和脱硫剂，一定量的Mn能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，改善钢的热加工性能。锰固溶于铁素体和奥氏体中，扩大奥氏体区，α+γ区下移，降低Ar₃ 温度, 增大奥氏体过冷度，因而提高了晶粒的细化程度。同时Mn能有效的降低脆性转变温度，但Mn含量升高会降低钢的抗氧化性，同时对焊接性能不利，因此锰控制在1.75 %左右；

Si 能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，其作用仅次于磷，较锰、铬、钼等元素强。硅能提高钢的弹性极限，屈服强度和屈强比，但硅量提高将显著降低钢的塑性和韧性。另外，与氧的亲和能力硅比铁强，在焊接容易生成低熔点的硅酸盐，增加熔渣和熔化金属的流动性，引起喷溅，影响焊缝质量，对焊接性能不利。因此，Si的含量控制在0.28 %左右；

Al 是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的Al，可细化晶粒，提高冲击韧性，铝还有一定的抗氧性和抗腐蚀性，但能影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性，因此控制在0.02～0.05 %范围内；

Mo 对铁素体有固溶强化作用，同时也提高碳化物的稳定性，从而提高钢的强度，并且对于改善钢的延展性和韧性起到有利作用。同时，Mo对过氧化氢、硫酸、亚硫酸、硫酸、酸性染料等有一定的抗蚀性，因此将Mo的成分控制在0.4 %左右；

Ti 在高温奥氏体中主要析出物是复合的Ti (C,N)和TiN，析出物的析出过程中能抑制奥氏体晶粒粗化，使晶粒明显细化。低温时析出TiC，且析出物弥散分布，能很好的起到沉淀强化作用。但是过量的Ti会影响钢的韧性，因此其含量控制在0.01～0.02 %范围内；

Nb 能细化晶粒和降低钢的过热敏感性，提高强度，析出的NbC可阻止晶粒长大，细化晶粒。尤其在Mo元素存在的情况下，其析出物细小弥散分布，析出强化作用更加明显。微量的Nb与Cu、B相互作用，使贝氏体相变温度降低，相变后得到细小的贝氏体板条。同时Nb可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。但含量高会使塑性和韧性有所下降。因此Nb含量控制在0.05 %左右；

Cu 的突出作用是改善合金钢的耐大气腐蚀性能，选择Cu是由于考虑到矿井救生舱用钢要求良好的腐蚀性能，也是本专利的创新之处。另外，Cu元素的添加能够在低温时有析出相ε-Cu，起到析出强化的作用，因此可有效提高强度和韧性。但含量过高时将导致钢具热脆性，影响加工成型性能。因此将Cu控制在0.28 %左右；

另外，Mo、Ti、Nb、Cu等合金元素在高温下M、MC和M₂C等析出相大量析出，同时还能保持细小尺寸，这种沉淀强化作用有效地提高了钢种的高温强度；

B 在钢中含有微量时，钢的淬透性可以成倍的提高，另外，B的加入可以促进其它微合金元素如Nb的形变诱导析出。在此过程中，B的存在能够提高Nb的碳氮化物的形核率。在钢中产生更为细小的Nb和B的复杂的碳氮化合物，这些碳氮化合物比Nb单独生成的碳氮化合物在分布上更为紧凑，因此可以显著提高强度，其含量控制在0.001～0.002 %；

S和P S元素易产生偏析造成带状组织，且硫化物对塑性韧性不利，使钢产生热脆，对成型性能不利，P元素增加钢的冷脆性，降低塑性，使冷变性能变坏，且影响焊接性能。这两种元素控制在0.01 %以内。

本发明的屈服强度高于800 MPa的矿井救生舱用热轧带钢的制备方法采用的控制轧制和控制冷却工艺的依据是：

高温奥氏体再结晶与未再结晶区控制轧制过程中，再结晶区进行多道次大变形，通过再结晶使奥氏体晶粒充分细化，未再结晶区进行多道次连续累积大变形；奥氏体晶粒被压扁，增加奥氏体晶界面积，造成大量的亚晶界偏聚带、变形带、高密度位错区，促使贝氏体转变（350～450℃）形核，抑制贝氏体铁素体的长大。压扁的奥氏体晶界、亚晶界偏聚带能有效阻止贝氏体板条发展生长，使贝氏体板条得到细化。

本发明的屈服强度高于800MPa的矿井救生舱用热轧带钢的金相组织为板条贝氏体和少量的针状形铁素体、粒状贝氏体的复相组织，板条贝氏体强度较高，少量的粒状贝氏体和针状铁素体能有效改善钢的塑性和韧性。此复相组织达到了各项性能指标的最佳匹配，满足矿井救生舱用钢的要求：室温屈服强度≥800 MPa，抗拉强度≥900 MPa，断后伸长率≥16 %，500 ℃高温屈服强度≥580 MPa，抗拉强度≥760 MPa，断后伸长率≥17 %，20 ℃冲击功大于47 J（冲击试样尺寸为55 mm×10 mm×5 mm），冷弯性能合格，工业环境下的耐大气腐蚀性指数I≥4.0，焊接冷裂纹敏感系数P_cm≤0.22 %。

本发明热轧带钢与同强度级别的其它合金钢相比，显著的优点是：

（1）本发明利用控轧控冷技术获得板条贝氏体和较少量的粒状贝氏体、针状铁素体的复相组织，且通过控制工艺参数使得贝氏体板条束非常细小，得到优良的强度、塑性、冷弯和抗冲击性能的匹配，且高温强度优良，满足矿井救生舱用钢要求；

（2）虑到矿井救生舱的工业使用环境，本发明的热轧钢带通过元素的合理搭配，具备良好的抗大气腐蚀性能和焊接性能。

附图说明

图1为本发明实施例1的热轧带钢的金相组织图；

图2为本发明实施例2的热轧带钢的金相组织图。

具体实施方式

本发明实施例对热轧带钢的金相组织观察采用Leica DMIRM型光学显微镜；

室温拉伸、500 ℃高温拉伸、180°弯曲试验（D=3a）均在CMT5105-SANS微机控制电子万能实验机上进行；

室温拉伸试样按 GB/T228-2002制成矩形截面标准拉伸试样，500 ℃高温拉伸试样按 GB/T4338-1995制成矩形截面标准拉伸试样，20 ℃冲击实验设备为Instron 9250HV落锤冲击试验机，冲击试样尺寸为55 mm×10 mm×5 mm。

实施例1

（1）按设定的化学成分重量百分比C：0.06 %，Si ：0.20%，Mn ：1.7%，Al ：0.03 %，Mo： 0.3 %，Nb ：0.06 %，Ti：0.01%，Cu： 0.2 %，B ：0.001%，S≤0.01 %，P≤0.01 %，余量为Fe，冶炼钢水并铸成规格为150 mm×1300 mm×10020 mm的连铸坯；

（2）将铸坯加热至1220℃保温1 h，在2050 mm热连轧机上粗轧，粗轧开轧温度为1150 ℃，终轧温度为1050 ℃，粗轧5道次，获得厚度为40 mm的中间坯；

（3）将中间坯进行精轧，精轧开轧温度为1020 ℃，终轧温度为865℃，精轧7道次，每道次压下量控制在15～40 %，精轧总压下量>70 %，精轧后带钢厚度为4 mm；

（4）将精轧后的带钢以60 ℃/s的速度冷却至350 ℃，卷取获得厚度为4 mm的热轧带钢产品。

其金相组织如图1所示，为板条贝氏体和少量的针状铁素体、粒状贝氏体的复相组织，其中板条贝氏体占绝大部分，板条较细，粒状贝氏体含量较少。

力学性能检测结果为：

常温拉伸屈服强度842 MPa，抗拉强度960 MPa，断后伸长率16.5 %；500 ℃拉伸高温屈服强度610 MPa，抗拉强度790 MPa，断后伸长率17.9 %；20 ℃冲击功（冲击试样尺寸为55 mm×10 mm×5 mm）51 J；180°弯曲试验（D=3a）完好，冷弯性能合格，工业环境下的耐大气腐蚀性指数I=4.3，焊接冷裂纹敏感指数P_cm=0.19%。

实施例2

（1）按设定的化学成分重量百分比C：0.04 %，Si ：0.35%，Mn ：1.8%，Al ：0.02 %，Mo： 0.5 %，Nb ：0.04 %，Ti：0.015%，Cu：0.35 %，B ：0.002%，S≤0.01 %，P≤0.01 %，余量为Fe，冶炼钢水并铸成规格为200 mm×1300 mm×10020 mm的连铸坯；

（2）将铸坯加热至1250℃保温1 h，在2050 mm热连轧机上粗轧，粗轧开轧温度为1120 ℃，终轧温度为1010 ℃，粗轧4道次，获得厚度为50 mm的中间坯；

（3）将中间坯进行精轧，精轧开轧温度为980 ℃，终轧温度为820℃，精轧6道次，每道次压下量控制在15～40 %，精轧总压下量>70 %，精轧后带钢厚度为8mm；

（4）将精轧后的带钢以45 ℃/s的速度冷却至380 ℃，卷取获得厚度为8 mm的热轧带钢产品。

其金相组织如图2所示，为板条贝氏体和少量的针状铁素体、粒状贝氏体的复相组织，其中板条贝氏体占大部分。针状铁素体和粒状贝氏体使原始奥氏体晶粒得到了分割，板条束生长限制在被分割的区域内，抑制了板条束的过度生长，使板条束细化。

力学性能检测结果为：

常温拉伸屈服强度835 MPa，抗拉强度941 MPa，断后伸长率17.0 %；500 ℃拉伸高温屈服强度601 MPa，抗拉强度778 MPa，断后伸长率18.5 %；20 ℃冲击功（冲击试样尺寸为55 mm×10 mm×5 mm）54 J；180°弯曲试验（D=3a）完好，冷弯性能合格，工业环境下的耐大气腐蚀性指数I=5.7，焊接冷裂纹敏感指数P_cm=0.20%。

实施例3

（1）按设定的化学成分重量百分比C：0.03 %，Si ：0.25%，Mn ：1.75%，Al ：0.05 %，Mo： 0.4 %，Nb ：0.05%，Ti：0.02%，Cu：0.35 %，B ：0.001%，S≤0.01 %，P≤0.01 %，余量为Fe，冶炼钢水并铸成规格为250 mm×1300 mm×10020 mm的连铸坯；

（2）将铸坯加热至1200℃保温1 h，在2050 mm热连轧机上粗轧，粗轧开轧温度为1180 ℃，终轧温度为1080 ℃，粗轧3道次，获得厚度为60 mm的中间坯；

（3）对中间坯进行精轧，精轧开轧温度为1050 ℃，终轧温度为780℃，精轧5道次，每道次压下量控制在15～40 %，精轧总压下量>70 %，精轧后带钢厚度为12mm；

（4）将精轧后的带钢以15 ℃/s的速度冷却至450 ℃，卷取获得厚度为12mm的热轧带钢产品。

其力学性能检测结果为：

常温拉伸屈服强度830 MPa，抗拉强度938 MPa，断后伸长率17.6 %；500 ℃拉伸高温屈服强度595 MPa，抗拉强度768 MPa，断后伸长率19.2 %；20 ℃冲击功（冲击试样尺寸为55 mm×10 mm×5 mm）58 J；180°弯曲试验（D=3a）完好，冷弯性能合格，工业环境下的耐大气腐蚀性指数I=5.6，焊接冷裂纹敏感指数P_cm=0.18%。

Claims (2)

1.一种屈服强度高于800MPa的矿井救生舱用热轧带钢，其特征是化学成分按重量百分比为C：0.03～0.06 %，Si ：0.20～0.35 %，Mn ：1.7～1.8 %，Al ：0.02～0.05 %，Mo： 0.3～0.5 %，Nb ：0.04～0.06 %，Ti：0.01～0.02 %，Cu： 0.2～0.35 %，B ：0.001～0.002 %，S≤0.01 %，P≤0.01 %，余量为Fe；

其金相组织为板条贝氏体和少量的针状形铁素体、粒状贝氏体的复相组织，室温屈服强度≥800 MPa，抗拉强度≥900 MPa，断后伸长率≥16 %，500 ℃高温屈服强度≥580 MPa，抗拉强度≥760 MPa，断后伸长率≥17 %，20 ℃冲击功大于47 J（冲击试样尺寸为55 mm×10 mm×5 mm），冷弯性能合格，工业环境下的耐大气腐蚀性指数I≥4.0，焊接冷裂纹敏感系数P_cm≤0.22 %。

2.根据权利要求1所述的一种屈服强度高于800 MPa的矿井救生舱用热轧带钢的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：

（1）按设定的化学成分重量百分比C：0.03～0.06 %，Si ：0.20～0.35 %，Mn ：1.7～1.8 %，Al ：0.02～0.05 %，Mo： 0.3～0.5 %，Nb ：0.04～0.06 %，Ti：0.01～0.02 %，Cu： 0.2～0.35 %，B ：0.001～0.002 %，S≤0.01 %，P≤0.01 %，余量为Fe，冶炼钢水并铸成厚度为150～250 mm的铸坯；

（2）将铸坯加热至1200～1250 ℃保温1 h，进行粗轧，轧制道次为3～5道次，粗轧开轧温度为1120～1180 ℃，终轧温度为1010～1080 ℃，获得厚度为40～60 mm的中间坯；

（3）将中间坯精轧5～7道次，精轧开轧温度为980～1050 ℃，终轧温度为780～865 ℃，精轧每道次压下量控制在15～40 %，精轧总压下量>70 %，精轧后带钢厚度为4～12 mm；

（4）将精轧后的带钢以15～60 ℃/s的速度冷却至350～450 ℃，卷取获得厚度为4～12 mm的热轧带钢产品。

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