CN102766820B

CN102766820B - 一种屈服强度高于600MPa的矿井救生舱用热轧带钢及制备方法

Info

Publication number: CN102766820B
Application number: CN2012102470905A
Authority: CN
Inventors: 李长生; 马彪; 李涛
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2032-07-17
Also published as: CN102766820A

Abstract

一种屈服强度高于600MPa的矿井救生舱用热轧带钢及其制备方法，属于冶金材料技术领域。本发明的热轧带钢的成分按重量百分比为C:0.04~0.08%，Si:0.1~0.3%，Mn:1.5~1.7%，Al:0.01~0.05%，Mo:0.4~0.5%，Cr:0.4~0.6%，Nb:0.04~0.06%，Ti:0.02~0.05%，Cu:0.2~0.35%，P≤0.01%，S≤0.01%，余量为Fe；其金相组织为粒状贝氏体，室温屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥800MPa，断后伸长率≥18%，500℃高温拉伸屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥650MPa，断后伸长率≥19%，20℃冲击功＞47J，冷弯性能合格，工业环境下的耐大气腐蚀性指数I≥4.5，焊接冷裂纹敏感系数P_cm≤0.26%。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，精轧后带钢厚度为4~14mm，经快速冷却后获得成品热轧带钢。本发明热轧带钢具有良好的室温和高温力学性能及耐腐蚀性能。

Description

一种屈服强度高于600MPa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600MPa的矿井救生舱用热轧带钢及制备方法。

背景技术

矿井救生舱是保护井下矿工遇到事故时紧急避险的一种现代化安全保障设备，近年来矿井行业对于救生舱的市场需求越来越大，矿井救生舱装备制造业的发展前景广阔。

目前，矿井救生舱舱体所用的钢铁材料主要是45钢、Q235、Q345和Q460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200~500MPa，韧性和弯曲等指标基本满足要求。但是由于井下的工业环境复杂，例如瓦斯爆炸时产生的高温气流、甲烷以及H₂S等腐蚀性气体，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600MPa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成为摆在科技人员面前迫在眉睫的任务。

发明内容

针对现有的矿井救生舱用钢存在的技术问题，本发明提供一种屈服强度高于600MPa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制备方法，满足矿井救生舱用钢的使用要求。

本发明的屈服强度高于600MPa的矿井救生舱用热轧带钢化学成分按重量百分比为C :0.04~0.08 %，Si :0.1~0.3 %，Mn: 1.5~1.7 %，Al :0.01~0.05 %，Mo: 0.4~0.5 %，Cr :0.4~0.6 %，Nb: 0.04~0.06 %，Ti :0.02~0.05 %，Cu: 0.2~0.35 %，P ≤0.01 %，S≤0.01 %，余量为Fe。

其金相组织为粒状贝氏体，室温屈服强度≥600 MPa，抗拉强度≥800 MPa，断后伸长率≥18 %，500 ℃高温拉伸屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥650 MPa，断后伸长率≥19 %，20 ℃冲击功＞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≥4.5，焊接冷裂纹敏感系数P_cm≤0.26 %。

本发明的屈服强度高于600MPa的矿井救生舱用热轧带钢的制备方法按以下步骤进行：

（1）按设定的化学成分：重量百分比C :0.04~0.08 %，Si :0.1~0.3 %，Mn: 1.5~1.7 %，Al :0.01~0.05 %，Mo: 0.4~0.5 %，Cr :0.4~0.6 %，Nb: 0.04~0.06 %，Ti :0.02~0.05 %，Cu: 0.2~0.35 %，P ≤0.01 %，S≤0.01 %，余量为Fe冶炼钢水并铸成铸坯，铸坯厚度为150~250 mm；

（2）将铸坯加热至1200~1250 ℃，保温1 h，粗轧3~5道次，粗轧开轧温度为1120~1170 ℃，终轧温度为980~1070 ℃，获得厚度为30~50 mm的中间坯；

（3）对中间坯进行精轧5~7道次，精轧开轧温度为950~1030 ℃，终轧温度为780~860 ℃，精轧每道次压下量控制在15~40 %，获得厚度为4~14 mm的带钢；

（4）精轧后的带钢以10~40 ℃/s的速度冷却至450~700 ℃，卷取获得4~14 mm厚的热轧带钢产品。

本发明中合金元素的设计考虑了以下几点：

C 是钢中最有效的固溶强化元素之一，但随着C含量的增加会降低其成型性及焊接性，而低的C含量有利于保证钢材具有良好的塑形和韧性，因此，C的含量控制在较低范围内；

Mn 是常见的脱氧剂和脱硫剂，能够固溶强化和相变强化作用，降低

Figure 2012102470905100002DEST_PATH_IMAGE002

相变温度，有利于热轧过程中细化铁素体晶粒，同时Mn元素还能改善钢的冲击韧性，降低韧脆转变温度。但Mn的含量过高容易形成偏析带，造成钢的组织和硬度不均匀，并且降低点焊能力，所以Mn的含量控制在1.6 %左右；

Si 是钢中常用的脱氧剂，固溶于铁素体中，可以有效地提高铁素体的强度，但对铁素体的延性有不利影响，但Si 的含量过高有害于板材表面质量，降低材料的塑韧性。因此，Si的含量控制在0.2 %左右；

Al 是钢中常用的脱氧定氮剂，属于铁素体形成元素，可以形成细小弥散的AlN作为形核质点，细化晶粒，但Al的含量过高容易形成氧化铝夹杂，有损塑韧性和焊接性能，因此，Al的含量控制在0.03 %左右；

Mo 能显著增加材料的淬透性，在高强钢中加入Mo，强烈阻碍先共析铁素体的析出和长大，将珠光体和贝氏体转变的C曲线明显分离开，使相同冷却条件下更易发生贝氏体转变，以获得良好的性能，因此，Mo的含量控制在0.45 %左右；

Cr 能提高钢的淬透性，同时能提高耐腐蚀性和抗氢致裂纹能力，而且能提高钢的耐磨损性能。同时Cr元素还能降低C的扩散速度，抑制铁素体和珠光体转变，使贝氏体转变向低温区移动，降低贝氏体相变点，因此，Cr的含量控制在0.5 %左右；

Nb 是控制轧制中最有利的元素，能够有效延迟奥氏体再结晶，提高奥氏体再结晶温度，从而阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒。通过轧制及冷却工艺参数的调整，可以使部分固溶态的Nb在铁素体中以碳氮化物的形式沉淀析出，对铁素体起到析出强化的作用。尤其在 Mo存在的情况下，Nb的析出更加细小弥散，沉淀强化作用也更加明显。微量Nb与Cu、B等元素的相互作用，大大降低相变温度，使贝氏体相变能够在较低的温度下进行转变，相变后得到细小的贝氏体板条，因此，Nb的含量控制在0.05 %左右；

Ti 在低合金高强度钢中加入微量Ti，可以提高钢的强度，改善钢的冷成型性能和焊接性能，主要利用Ti 与C、N 很好的亲和性，形成的TiN，在板坯加热和轧制过程中通过抑制奥氏体晶粒粗化从而获得细化的奥氏体晶粒，另外，TiN颗粒能够抑制焊接热影响区的晶粒粗化，从而提高焊接热影响区的低温韧性。TiC 可以在较低的温度析出，从而产生沉淀强化效果，但是过量的Ti会损害钢的韧性，因此，Ti的含量控制在0.035 %左右；

Cu 能够有效提高钢的耐大气腐蚀性能，从而是耐候钢中必不可少的添加元素。其次，Cu能够在400~650 ℃形成细小的ε -Cu 析出，以析出强化的形式有效提高强度， Cu还可以改善钢的焊接性能和成型性能，但过量的Cu会增大钢的热裂倾向，因此，Cu的含量控制在0.28 %左右；

S和P S元素是造成钢材热脆的主要杂质元素，并易产生偏析造成带状组织，硫化物夹杂有损材料的塑韧性，而P 元素造成钢材的冷脆，即降低材料的低温韧性，并容易产生偏析。因此，S和P的含量应分别小于0.01 %；

采用控制轧制和控制冷却工艺的依据：通过高温区的奥氏体再结晶控制轧制，充分细化奥氏体晶粒；精轧终轧温度控制在780~860 ℃，使轧制过程中产生较大的累积应变；通过轧后快速冷却及适当温度卷取，得到粒状贝氏体组织。

粒状贝氏体组织中分布着许多由残余奥氏体或马氏体组成的颗粒状小岛，对基体起到第二相强化的作用，改善加工硬化能力，降低屈强比，使材料在提高强度的同时，具有良好的塑形和韧性。本发明热轧带钢金相组织为粒状贝氏体，室温屈服强度≥600 MPa，抗拉强度≥800 MPa，断后伸长率≥18 %，500 ℃高温拉伸屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥650 MPa，断后伸长率≥19 %，20 ℃冲击功＞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≥4.5，焊接冷裂纹敏感系数P_cm≤0.26 %。与现有的普通碳素钢相比，更加满足了矿井救生舱用热轧带钢的工业使用需求。

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；

图3为本发明实施例3的热轧带钢的金相组织图。

具体实施方式

对本发明实施例的热轧带钢的金相组织观察采用的是Leica DMIRM型光学显微镜；

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

其中室温拉伸试样按 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 ℃冲击试验设备为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： 0.05 %，Si ：0.2 %，Mn：1.5 %，Al ：0.01%，Mo：0.4 %，Cr：0.5 %，Nb ：0.04 %，Ti ：0.05 %，Cu ：0.2 %，P ≤0.01 %，S≤0.01 %，余量为Fe，在200吨转炉上冶炼钢水并铸成180 mm×1300 mm×10020 mm的铸坯；

（2）将铸坯加热至1200℃，保温1 h，在2050 mm热连轧机上轧制粗轧3道次，粗轧开轧温度为1120 ℃，终轧温度为980℃，获得厚度为30mm的中间坯；

（3）对中间坯进行精轧6道次，精轧开轧温度为950 ℃，终轧温度为780 ℃，精轧每道次压下量控制在15~40 %，获得厚度为4 mm的带钢，精轧机架间采用水冷；

（4）精轧后的带钢以40 ℃/s的速度冷却至450 ℃，卷取，最终获取的热轧带钢产品厚度为4 mm。

其金相组织如图1所示，全部为粒状贝氏体组织，贝氏体板条界面和原奥氏体晶界变得不清晰，铁素体基体上分布的岛状物细小弥散。

力学性能检测结果为：屈服强度616 MPa，抗拉强度812 MPa，断后伸长率18.7 %；500 ℃高温拉伸屈服强度461 MPa，抗拉强度667 MPa，断后伸长率20.2 %；20 ℃冲击功52 J（冲击试样尺寸为55 mm×10 mm×5 mm），冷弯测试合格；工业环境下的耐大气腐蚀性指数I=4.9，焊接冷裂纹敏感系数P_cm=0.19 %。

实施例2

（1）按设定的化学成分：重量百分比C ：0.06 %，Si：0.3 %，Mn：1.6 %，Al：0.04 %，Mo ：0.45 %，Cr ：0.6 %，Nb ：0.05 %，Ti：0.02 %，Cu ：0.25 %，P ≤0.01 %，S≤0.01 %，余量为Fe，在200吨转炉上冶炼钢水并铸成200 mm×1300 mm×10020 mm的铸坯；

（2）将铸坯加热至1230℃，保温1 h，在2050 mm热连轧机上轧制粗轧4道次，粗轧开轧温度为1150 ℃，终轧温度为1020℃，获得厚度为41 mm的中间坯；

（3）对中间坯进行精轧7道次，精轧开轧温度为1000 ℃，终轧温度为820 ℃，精轧每道次压下量控制在15~40 %，获得厚度为8 mm的带钢，精轧机架间采用水冷；

（4）精轧后的带钢以28℃/s的速度冷却至610℃，卷取，最终获取的热轧带钢产品厚度为8 mm。

其金相组织如图2所示，全部为粒状贝氏体组织，贝氏体板条界面和原奥氏体晶界变得不清晰，铁素体基体上分布的岛状物细小弥散。

力学性能检测结果为：屈服强度612 MPa，抗拉强度809 MPa，断后伸长率18.9 %；500 ℃高温拉伸屈服强度459 MPa，抗拉强度661 MPa，断后伸长率19.8 %；20 ℃冲击功51 J（冲击试样尺寸为55 mm×10 mm×5 mm），冷弯测试合格；工业环境下的耐大气腐蚀性指数I=5.7，焊接冷裂纹敏感系数P_cm=0.22 %。

实施例3

（1）按设定的化学成分：重量百分比C ：0.08 %，Si： 0.1 %，Mn： 1.7 %，Al： 0.05 %，Mo ：0.5 %，Cr： 0.4 %，Nb：0.06 %，Ti ：0.04 %，Cu ：0.35 %，P ≤0.01 %，S≤0.01 %，余量为Fe，在200吨转炉上冶炼钢水并铸成250 mm×1300 mm×10020 mm的铸坯；

（2）将铸坯加热至1250℃，保温1 h，在2050 mm热连轧机上轧制粗轧5道次，粗轧开轧温度为1170 ℃，终轧温度为1070℃，获得厚度为50 mm的中间坯；

（3）对中间坯进行精轧5道次，精轧开轧温度为1030 ℃，终轧温度为860 ℃，精轧每道次压下量控制在15~40 %，获得厚度为14 mm的带钢，精轧机架间采用水冷；

（4）精轧后的带钢以10℃/s的速度冷却至700℃，卷取，最终获取的热轧带钢产品厚度为14 mm。

其金相组织如图3所示，主要为粒状贝氏体组织，夹杂有少量准多边形铁素体，贝氏体板条界面和原奥氏体晶界变得不清晰，铁素体基体上分布的岛状物细小弥散，但不十分均匀。

最终获取的热轧带钢产品厚度为14 mm，力学性能检测结果为：屈服强度607 MPa，抗拉强度807 MPa，断后伸长率19.5 %；500 ℃高温拉伸屈服强度457 MPa，抗拉强度658 MPa，断后伸长率19.6 %；20 ℃冲击功49 J（冲击试样尺寸为55 mm×10 mm×5 mm），冷弯测试合格；工业环境下的耐大气腐蚀性指数I=5.7，焊接冷裂纹敏感系数P_cm=0.24 %。

Claims

1.一种屈服强度高于600MPa的矿井救生舱用热轧带钢，其特征是其化学成分按重量百分比为C:0.04～0.08%，Si:0.1～0.3%，Mn:1.5～1.7%，Al:0.01～0.05%，Mo:0.4～0.5%，Cr:0.4～0.6%，Nb:0.04～0.06%，Ti:0.02～0.05%，Cu:0.2～0.35%，P≤0.01%，S≤0.01%，余量为Fe；其金相组织为粒状贝氏体，粒状贝氏体组织中分布有由残余奥氏体或马氏体组成的颗粒状小岛，室温屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥800MPa，断后伸长率≥18%，500℃高温拉伸屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥650MPa，断后伸长率≥19%，20℃冲击功＞47J，工业环境下的耐大气腐蚀性指数I≥4.5，焊接冷裂纹敏感系数P_cm≤0.26%。

2.根据权利要求1所述的一种屈服强度高于600MPa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:0.04～0.08%，Si:0.1～0.3%，Mn:1.5～1.7%，Al:0.01～0.05%，Mo:0.4～0.5%，Cr:0.4～0.6%，Nb:0.04～0.06%，Ti:0.02～0.05%，Cu:0.2～0.35%，P≤0.01%，S≤0.01%，余量为Fe冶炼钢水并铸成铸坯，铸坯厚度为150～250mm；

（2）将铸坯加热至1200～1250℃，保温1h，粗轧3～5道次，粗轧开轧温度为1120～1170℃，终轧温度为980～1070℃，获得厚度为30～50mm的中间坯；

（3）对中间坯进行精轧5～7道次，精轧开轧温度为950～1030℃，终轧温度为780～860℃，精轧每道次压下量控制在15～40%，获得厚度为4～14mm的带钢；

（4）精轧后的带钢以10～40℃/s的速度冷却至450～700℃，卷取获得4～14mm厚的热轧带钢产品。