CN103710633A - 一种V微合金化节Mo抗震耐火钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种V微合金化节Mo抗震耐火钢及其制造方法，其化学成分为：C：0.03～0.09wt.%、Si：0.00～0.50wt.%、Mn：0.50～1.50wt.%、P：<0.02wt.%、S：<0.01wt.%、Cr：0.35～1.00wt.%、Mo：0.15～0.20wt.%、V：0.10～0.20wt%、Nb：0.02～0.04wt.%、Ti：0.01～0.025wt.%、B：0.0000～0.0030wt.%、Al：0.01‐0.06wt.%，余为Fe和不可避免的杂质。通过两阶段控制轧制、经层流冷却、终冷返红温度控制在不高于350‐550℃，获得粒状贝氏体+铁素体复相组织或粒状贝氏体组织。智能型耐火性表现在：大部分微合金元素在室温下以固溶形式存在，但在高温条件下发生沉淀析出且纳米第二相尺寸稳定，从而提高和保证钢的高温强度，具有优异的耐火性能。相比传统化学成分为Mo～0.5wt.%的耐火钢，本发明以V代Mo节约了合金成本，碳当量低，具有好的焊接性和低温冲击韧性。

Description

一种V微合金化节Mo抗震耐火钢及其制造方法

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，特别是涉及一种V微合金化节Mo抗震耐火钢及其制造方法，该钢具有智能。

背景技术

钢结构建筑施工快、空间大和舒适美观、抗震性好，是现代大型建筑的发展趋势。但是普通建筑用钢的耐火性能很差，随着温度的上升，其屈服强度下降较快，特别是在350℃以上高温时陡降，不具备承重能力，因此必须喷涂很厚的防火涂层对钢结构进行保护。喷涂防火涂层使钢结构建筑成本成倍增加，且延长工期，喷涂作业的飞溅还造成环境污染。减少使用或不使用防火涂层成为开发耐火钢的驱动力。

根据GB/T28415-2012，耐火钢600℃的高温屈服强度必须不低于室温标准屈服强度的2/3。20世纪80年代以来，日本率先研制并推出商用耐火钢板，合金体系以Mo系和Mo-Nb系两种为主，主要利用Mo和Nb强烈的高温固溶强化作用，保证600℃以下的高温强度。通常添加0.5wt.%Mo和采用低Nb微合金化，约0.02-0.04wt.%。国内耐火钢也大多添加Mo或Mo+Nb，为降低合金成本，Mo含量有所下降，但仍然在0.2%wt.%以上。如“一种耐火钢及其制备方法”（申请号：200810179362.6）、“一种高性能建筑结构用耐火钢板及其制造方法”（申请号：200910011963.0）、“低成本高强高韧抗震耐火钢及其制备工艺”（申请号：201110080774.6）等申请专利中的Mo含量为0.2-0.4wt.%。其中“一种耐火钢及其制备方法”还添加了0.05-0.12wt.%V，但是该专利主要通过控制终冷温度550-650℃并保温1-2小时，以控制耐火钢的组织组成，同时还可以促使V在缓慢冷却或保温过程中析出增强耐火钢的室温性能。本发明涉及的耐火钢采用<0.2wt.%Mo和V复合微合金化设计，避免V在冷却过程中析出以获得低屈强比，但使之在加热过程中以纳米第二相析出、以保证高温强度。补偿着火升温过程中基体强度的降低，以纳米第二相析出强化提高高温强度，具有智能耐火性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种V微合金化节Mo抗震耐火钢及其制造方法。在化学成分上，采用低碳设计，加入适量Mn、Cr，进行适量V、低Mo、低Nb、微Ti复合微合金化；在生产工艺上，采用高效、节能的再结晶和非再结晶区控制轧制技术，充分利用控轧控冷对奥氏体状态和微合金元素析出的调控作用，细化晶粒，进而在后续层流冷却中获得晶粒细小的铁素体和粒状贝氏体组织，并避免微合金元素的大量析出。

本发明提供的V微合金化节Mo智能型抗震耐火钢的化学成分及其含量为：C：0.03～0.09wt.%、Si：0.00～0.50wt.%、Mn：0.50～1.50wt.%、P：<0.02wt.%、S：<0.01wt.%、Cr：0.35～1.00wt.%、Mo：0.15～0.20wt.%、V：0.10～0.20wt%、Nb：0.02～0.04wt.%、Ti：0.01～0.025wt.%、B：0.0000～0.0030wt.%、Al：0.01～0.06wt.%，余为Fe和不可避免的杂质，均为重量百分数。

本发明各元素的作用及配比依据如下：

碳：具有显著的固溶强化作用，提高钢的淬透性。但碳含量较高对钢的冲击韧性尤其是上平台冲击功非常不利，明显损害焊接性能。因此，本发明涉及的钢板采用低碳成分设计，碳含量范围为0.03～0.09wt.%。

硅：钢中脱氧元素之一，同时具有较强的固溶强化作用，但过量的Si将恶化钢的韧性及焊接性能。综合上述考虑，本发明钢硅含量范围为<0.50wt.%。

锰：明显提高钢的淬透性，具有一定的固溶强化作用，扩大微合金碳氮化物在奥氏体中的固溶度积，可以避免过多的微合金碳氮化物在轧制过程中形变诱导析出。但Mn含量过高时，其在铸坯中的偏析倾向增加，另外对焊接性能不利。基于上述原因，本发明钢Mn含量范围为:0.50～1.50wt.%。

铬：提高钢的淬透性、耐大气腐蚀性能及耐火性，但较高的Cr将降低焊接性能，应控制在0.35～1.00wt.%范围内。

钼：除了显著提高钢的淬透性，抑制抑制P、S等杂质元素在晶界的偏聚而降低回火脆性外，在耐火钢中主要是起到高温固溶强化和析出强化作用，Mo可以在着火过程中与其他微合金元素（V、Nb、Ti）等复合析出，增加析出量的同时能够提高析出物的热稳定性，从而稳定提高和保证钢在高温时的强度，Mo含量低于0.15wt.%时，上述作用效果不明显，超过0.30wt.%时，成本较高。因此，本发明钢Mo的含量应精确控制，范围为0.15-0.20wt.%。

钒：由于V具有较低的全固溶温度，均热时基本全部固溶，轧制过程中固溶的V能有效提高淬透性和提高再结晶温度；在轧后较快的冷速下，V的析出被抑制，以至于屈服强度不会过高，对较低的屈强比有利，而在钢着火过程中会从在铁素体和贝氏体中单独析出，或与Nb、Mo复合沉淀析出，起到提高高温强度的目的。本发明中V含量应控制在0.10～0.2wt.%以内，低于0.10wt.%则上述作用不十分显著，高于0.2wt.%则上述作用达到饱和。

铌：轧制过程中固溶于奥氏体中的Nb和形变诱导析出碳氮化铌粒子显著提高奥氏体未再结晶温度。固溶于奥氏体的Nb还能够提高淬透性，着火过程中析出的碳化铌粒子或与V、Mo复合析出第二相，提高高温强度。Nb含量应控制在0.02-0.04wt.%以内，低于0.02wt.%则上述作用不明显，高于0.04wt.%不仅增加合金成本，而且与V的沉淀析出强化作用重叠，由于C含量有限，增加Nb继续增加的沉淀强化作用不显著。

钛：本发明钢中加入少量Ti是为了形成纳米级尺寸的TiN粒子，可以细化铸坯加热过程中奥氏体晶粒。Ti含量应控制在0.01～0.025wt.%范围内，低于0.01wt.%所形成TiN数量较少，细化晶粒作用很小；高于0.025wt.%将形成微米级尺寸的液析TiN，不仅不能起到细化晶粒作用，而且对钢板韧性有害。

硼：强烈偏聚于晶界而显著提高淬透性。对于强度级别较高、C含量较低的耐火钢，可以加入10-20ppm，起作用即饱和，过量的硼将导致含B析出相带来不利影响，因此B含量一般不超过30ppm。对于强度级别较低、C含量较高的耐火钢，可以不特意加入。因此B的含量可以根据强度级别进行适量添加，控制范围为0-30ppm。

铝：铝是强脱氧元素，还可与N结合形成AlN，能够起到细化晶粒作用。

磷和硫：钢中杂质元素，显著降低塑韧性和焊接性能，其含量应分别控制在0.02wt.%和0.01wt.%以内。

本发明所涉及V微合金化节Mo智能型抗震耐火钢制造工艺如下：

冶炼和铸造：采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸。

采用中厚板轧机轧制：将连铸坯装入加热炉中加热，加热温度为1150-1280℃，时间为1-5小时。

在中厚板轧机上进行轧制：采用两阶段轧制工艺：粗轧轧制3-5道次，粗轧终轧温度为1020-1150℃。精轧轧制5-10道次，精轧开轧温度880-980℃，终轧温度为830-920℃。轧后经层流冷却，冷速不小于15℃/s，终冷返红温度350-550℃，随后空冷至室温

控轧控冷的工艺控制原理如下:

在铸坯加热阶段，控制奥氏体化温度，高于微合金元素V、Nb的全固溶温度，但低于TiN回溶和奥氏体发生反常晶粒长大的温度，充分利用TiN阻止奥氏体晶粒长大的作用，获得细小均匀的原始奥氏体组织。采用两阶段控轧工艺，在粗轧阶段，适当降低粗轧温度、提高道次压下量，实施再结晶控轧，通过反复再结晶细化奥氏体；精轧阶段在奥氏体未再结晶温度（Tnr）以下变形，利用固溶Nb和析出Nb抑制奥氏体再结晶的机制，获得薄饼状奥氏体，有助于细化铁素体和贝氏体组织。层流冷却阶段，冷却速度大于15℃/s、终冷返红温度控制在350-550℃，获得铁素体和粒状贝氏体组织，抑制大量马氏体形成和微合金碳化物在铁素体和贝氏体中大量析出。

本发明的优点在于：

采用低Mo、低Nb、V微合金化、低碳和多元少量合金成分设计，通过控轧轧制和控制层流冷却速度、控制终冷温度工艺生产具有细晶铁素体/粒状贝氏体组织或粒状贝氏体组织的抗震耐火钢，细晶铁素体/粒状贝氏体组织或粒状贝氏体组织保证了高的室温强度和低屈强比，细晶组织和大量微合金第二相在着火过程中智能析出，保证高温强度，具有抗震性和智能型耐火性。低的碳含量和碳当量设计，以V代Mo节约了合金成本，控轧控冷获得细晶组织，具有良好的韧性和焊接性能。

附图说明

图1为轧态组织的OM照片。

图2为轧态微观组织的SEM照片。

图3为600℃拉伸试样未变形部位微观组织的SEM照片。

图4为轧态微合金析出相的碳膜复型TEM照片。

图5为600℃拉伸试样未变形部位微合金析出相的碳膜复型TEM照片（低倍，显示较粗大的析出相）。

图6为600℃拉伸试样未变形部位微合金析出相的碳膜复型TEM照片（高倍，显示细小的析出相）。

图7为图6中典型纳米析出相的TEM-EDS图，显示其为V、Nb、Ti、Mo的复合析出相（Cu峰来自于承载复型样品的Cu网）。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明中很小的一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明钢均由真空感应炉冶炼，共3炉，化学成分如表1所示。锻造开坯（110mm）后在实验室中厚板轧机上进行两阶段轧制，轧后进行层流冷却，终冷返红温度为350-550℃，层流冷却速度不小于15℃/s，最后空冷至室温，铸坯加热温度、粗轧终轧温度、精轧开轧温度、精轧终轧温度等主要工艺参数见表2。粗轧由110mm厚经4道次轧制到36mm，精轧由36mm厚经5道次轧制成11mm。三炉钢板横向拉伸强度、-40℃纵向冲击功在表3中列出，达到屈服强度420MPa级耐火钢（Q420FR）标准要求。

图1～7分别给出了2号热轧板和加热至600℃保温的微观组织及析出相形貌与成分。由图1可知，热轧态组织为铁素体+粒状贝氏体组织。对比图2和图3可知，热轧态加热至600℃保温的组织类型仍然为铁素体+粒状贝氏体组织，但铁素体组织稍粗大化同时马氏体/奥氏体岛组织（灰白色）数量减少。对比热轧态（图4）和加热至600℃保温后（图5、图6、图7）的第二相析出情况，热轧态中只有少量的较大尺寸的第二相粒子，这些粒子在热轧过程中析出。而加热至600℃保温的过程中析出大量的纳米级的V、Nb、Ti、Mo复合第二相，起提高高温强度的作用。

表1V微合金化节Mo智能型抗震耐火钢的化学成分（wt.%）

表2轧制主要工艺参数

表3V微合金化节Mo智能型抗震耐火钢的力学性能（达到Q420FR标准）

Claims (2)

1.一种V微合金化节Mo抗震耐火钢，其特征在于，化学成分为：C：0.03～0.09wt.%、Si：0.00～0.50wt.%、Mn：0.50～1.50wt.%、P：<0.02wt.%、S：<0.01wt.%、Cr：0.35～1.00wt.%、Mo：0.15～0.20wt.%、V：0.10～0.20wt%、Nb：0.02～0.04wt.%、Ti：0.01～0.025wt.%、B：0.0000～0.0030wt.%、Al：0.01-0.06wt.%，余为Fe和不可避免的杂质，均为重量百分数。

2.一种制造权利要求1所述抗震耐火钢的方法，采用转炉或电炉冶炼及炉外精炼，钢水浇注成连铸坯；其特征在于：在工艺中控制的技术参数为

（1）将连铸坯装入加热炉中加热，加热温度为1150-1280℃，时间为1-5小时；

（2）在中厚板轧机上进行轧制：采用两阶段轧制工艺：粗轧轧制3-5道次，粗轧终轧温度为1020-1150℃。精轧轧制5-10道次，精轧开轧温度880-980℃，终轧温度为830-920℃。轧后经层流冷却，冷速不小于15℃/s，终冷返红温度350-550℃，随后空冷至室温。

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