CN103882318A - 一种节钼型多元复合微合金抗震耐火钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节钼型多元复合微合金抗震耐火钢及其制造方法，其重量百分比化学成分为：C：0.03-0.09%，Si：0.00-0.50%，Mn：0.50-1.50%，P：<0.02%，S：<0.01%，Cr：0.35-1.00%、Mo：0.15-0.20%，Nb：0.05-0.15%、V：0.00-0.10%，Ti：0.01-0.025%、B：0.0000-0.0030%、Al：0.01-0.06%，其余为Fe和不可避免的杂质，本发明还设计了一种节钼型多元复合微合金抗震耐火钢的制造方法；本发明所设计的一种节钼型多元复合微合金抗震耐火钢及其制造方法能够降低合金使用成本，具有高强度、高韧性、优异的焊接性及智能耐火性能。

Description

一种节钼型多元复合微合金抗震耐火钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种节钼型多元复合微合金抗震耐火钢及其制造方法，属于合金钢制造领域。

背景技术

高层、大跨度、安全性高、节约环保是现代大型建筑的发展趋势，钢结构重量轻、施工快、空间大、舒适美观、抗震性好、可循环利用，在高层建筑和大型公共场所建筑中应用越来越多，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耐火涂层对钢结构进行保护，喷涂耐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，减少使用或不使用耐火涂层成为开发耐火钢的驱动力。

由于Mo是提高高温强度的有效合金元素，20世纪80年代以来，日本率先研制并推出Mo系商用耐火钢板，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，成分体系以Mo-Nb系和Mo-Nb-Cr系两种为主，主要利用Mo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和采用约0.01-0.06wt.%的Nb微合金化。

韩国与中国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0.3wt.%左右，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为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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种能够降低合金使用成本，具有高强度、高韧性、优异的焊接性及智能耐火性能的一种节钼型多元复合微合金抗震耐火钢及其制造方法。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种节钼型多元复合微合金抗震耐火钢，其重量百分比化学成分为：C：0.03-0.09%，Si：0.00-0.50%，Mn：0.50-1.50%，P：<0.02%，S：<0.01%，Cr：0.35-1.00%、Mo：0.15-0.20%，Nb：0.05-0.15%、V：0.00-0.10%，Ti：0.01-0.025%、B：0.0000～0.0030%、Al：0.01-0.06%，其余为Fe和不可避免的杂质。

碳：本发明中的抗震耐火钢采用低碳成分设计，碳含量范围为0.03-0.09%，有效解决了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，明显损害焊接性能这一技术问题；

硅：本发明钢的硅含量范围为<0.50%有效防止了过量的Si对于钢的韧性及焊接性能的恶化；

锰：本发明钢Mn含量范围为:0.50-1.50%，不仅扩大了微合金碳氮化物在奥氏体中的固溶度积，避免过多的微合金碳氮化物在轧制过程中形变诱导析出，同时防止在铸坯中的偏析倾向增加而对焊接性能造成的不利；

铬：本发明中Cr含量控制在0.35～1.00%不仅提高钢的淬透性、耐大气腐蚀性能及耐火性，同时防止较高的Cr将降低焊接性能；

钼：本发明中Mo的含量精确控制，范围为0.15-0.20%，除了显著提高钢的淬透性，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含量低于0.15%时，上述作用效果不明显，超过0.20wt.%时，成本较高。

铌：本发明中Nb含量应控制在0.05-0.15%，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，获得薄饼状奥氏体，有助于细化铁素体和贝氏体组织，固溶于奥氏体中的Nb还能够提高淬透性，固溶于铁素体和贝氏体中的Nb对提高高温强度也有显著作用。

钒：本发明中V的含量不超过0.1%，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，具有与Nb类似的着火智能析出作用，作为MC相的形成元素辅助添加；

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含量控制在0.01-0.025%范围内，低于0.01%所形成TiN数量较少，细化晶粒作用很小；高于0.025%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：本发明控制B范围为0-30ppm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，过量的硼将产生含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；

铝：本发明中铝的含量为0.01-0.06%，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：本发明中磷和硫的含量分别控制在0.02%和0.01%以内，其为钢中杂质元素，控制含量能够显著降低塑韧性和焊接性能；

本发明Nb含量应控制在0.05-0.15%，并通过在热轧后较快的冷速配合下，Nb的析出被抑制，以至于屈服强度不会过高，对室温下较低的屈强比有利，但未析出的Nb将在返红过程中会从铁素体和贝氏体中单独析出，或与V、Mo复合析出，形成纳米第二相，弥补钢在高温下因基体软化而造成的强度降低，提高高温强度；

本发明的Mo含量控制为0.15-0.20%，并配合本发明的轧制工艺，可以扩大微合金碳氮化物在奥氏体中的固溶度积，避免过多的微合金碳氮化物在轧制过程中形变诱导析出；另外，本发明通过Mo与其他微合金元素（V、Nb、Ti）的配合，在加热火过程中可以与其他微合金元素（V、Nb、Ti）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。

本发明进一步限定的技术方案是：

进一步的，前述的节钼型多元复合微合金抗震耐火钢，其重量百分比化学成分为：C：0.05%、Si：0.17%、Mn：1.35%、P：0.008%、S：0.002%、Cr：0.35%、Mo：0.20%、Nb：0.05%、V：0.03%、Ti：0.015%、B：0.0002%、Al：0.033%，其余为Fe和不可避免的杂质。

前述的节钼型多元复合微合金抗震耐火钢，其重量百分比化学成分为：C：0.06%、Si：0.32%、Mn：1.45%、P：0.005%、S：0.003%、Cr：0.45%、Mo：0.18%、Nb：0.08%、V：0.04%、Ti：0.015%、B：0.0004%、Al：0.016%，其余为Fe和不可避免的杂质。

前述的节钼型多元复合微合金抗震耐火钢，其重量百分比化学成分为：C：0.09%、Si：0.42%、Mn：0.74%、P：0.009%、S：0.002%、Cr：0.82%、Mo：0.15%、Nb：0.10%、V：0.02%、Ti：0.022%、B：0.002%、Al：0.05%，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明还设计了一种节钼型多元复合微合金抗震耐火钢的制造方法，将与所述抗震耐火钢具有相同组分的钢坯依次经过转炉或电炉工序冶炼，炉外精炼工序，钢水浇注连铸坯工序，加热炉加热工序以及中厚板轧机轧制工序；

加热炉加热工序：加热温度为1150-1280℃，时间为1-5小时，钢内部获得细小均匀的原始奥氏体组织；

中厚板轧机轧制工序：采用两阶段轧制工艺，粗轧轧制3-5道次，钢内部通过反复再结晶细化奥氏体；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℃，轧后获得薄饼状奥氏体组织；轧后经层流冷却，冷速15-25℃/s，使Nb的析出被抑制，终冷返红温度350-550℃，未析出的Nb在返红过程中从铁素体和贝氏体中单独析出，或与V、Mo复合析出，形成纳米第二相，并获得细晶铁素体和粒状贝氏体组织，随后空冷至室温。

本发明加热炉加热阶段控制温度1150-1280℃，控制奥氏体化温度，高于微合金元素Nb、V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，充分利用固析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；

本发明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3-5道次，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；

本发明中层流冷却阶段，冷却速度15-25℃/s、终冷返红温度控制在350-550℃，获得细晶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；

综上所述：本发明采用适量Nb、低Mo、低V、微Ti多元复合微合金化和低碳成分设计，通过控制加热阶段温度、采用两阶段控轧工艺、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，添加少量的Nb、V，降低较多的Mo，降低了合金成本，通过控轧控冷获得细晶组织，具有高强度、高韧性和优异的焊接性。

附图说明

图1为本发明中热轧板显微组织的OM照片；

图2为本发明中热轧板600℃高温析出相TEM形貌。

具体实施方式

实施例1-3

本发明制造了三种不同重量百分比化学成分的连铸坯，如表1所示分别为编号A、B和C：

A：其重量百分比化学成分为：C：0.05%、Si：0.17%、Mn：1.35%、P：0.008%、S：0.002%、Cr：0.35%、Mo：0.20%、Nb：0.05%、V：0.03%、Ti：0.015%、B：0.0002%、Al：0.033%，其余为Fe和不可避免的杂质。

B：其重量百分比化学成分为：C：0.06%、Si：0.32%、Mn：1.45%、P：0.005%、S：0.003%、Cr：0.45%、Mo：0.18%、Nb：0.08%、V：0.04%、Ti：0.015%、B：0.0004%、Al：0.016%，其余为Fe和不可避免的杂质。

C：其重量百分比化学成分为：C：0.09%、Si：0.42%、Mn：0.74%、P：0.009%、S：0.002%、Cr：0.82%、Mo：0.15%、Nb：0.10%、V：0.02%、Ti：0.022%、B：0.002%、Al：0.05%，其余为Fe和不可避免的杂质。

将上述的三种连铸坯利用本发明所设计的制造方法分别各设置三组不同的工艺参数进行制备，共制造了9块节钼型多元复合微合金化抗震耐火钢，其具体的参数设置如表2所示，制造出的9块节钼型多元复合微合金抗震耐火钢横向拉伸性能、-40℃纵向冲击功在表3中列出，达到屈服强度420MPa级耐火钢（GB/T28415-2012中Q420FRE）标准要求。

表1节钼型多元复合微合金抗震耐火钢的化学成分（wt.%）

表2节钼型多元复合微合金抗震耐火钢的主要轧制工艺参数

钢板

钢坯

铸坯加热温

粗轧终轧温

精轧开轧温

精轧终轧温

返红温

冷却速度

号	号	度(℃)	度(℃)	度(℃)	度(℃)	度(℃)	(℃/s)
								1	A	1220	1055	950	913	350	15.5
2	A	1150	1038	920	840	510	20
								3	A	1250	1100	980	920	470	25
4	B	1180	1045	890	830	380	19
								5	B	1200	1060	880	856	460	24
6	B	1280	1150	940	885	540	25
								7	C	1200	1062	910	841	550	17
8	C	1210	1050	940	906	550	25
								9	C	1160	1020	910	868	390	23

表3节钼型多元复合微合金抗震耐火钢的力学性能

如图1所示为2号节钼型多元复合微合金抗震耐火钢的显微组织的金相照片，其连铸坯为A，重量百分比化学成分为：C：0.05%、Si：0.17%、Mn：1.35%、P：0.008%、S：0.002%、Cr：0.35%、Mo：0.20%、Nb：0.05%、V：0.03%、Ti：0.015%、B：0.0002%、Al：0.033%，其余为Fe和不可避免的杂质；

其工艺参数设置为：

加热炉加热工序：加热温度为1150℃，时间为1-5小时，在钢内部获得细小均匀的原始奥氏体组织；

中厚板轧机轧制工序：采用两阶段轧制工艺，粗轧轧制3-5道次，钢内部通过反复再结晶细化奥氏体，粗轧终轧温度为1038℃，精轧轧制5-10道次，精轧开轧温度920℃，终轧温度为840℃，钢内部获得薄饼状奥氏体；轧后经层流冷却，冷速20℃/s，终冷返红温度510℃，钢内部获得细晶铁素体和粒状贝氏体组织，随后空冷至室温；

由图1可知，热轧态组织为铁素体+粒状贝氏体组织，热轧板加热至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。

图2为热轧板加热至600℃高温时析出相TEM形貌图，由图2可知，加热至600℃时钢中析出大量的、纳米级的复合第二相，主要含Nb、V、Mo，起提高高温强度的作用。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种节钼型多元复合微合金抗震耐火钢，其特征在于，其重量百分比化学成分为：C：0.03-0.09%，Si：0.00-0.50%，Mn：0.50-1.50%，P：<0.02%，S：<0.01%，Cr：0.35-1.00%、Mo：0.15-0.20%，Nb：0.05-0.15%、V：0.00-0.10%，Ti：0.01-0.025%、B：0.0000-0.0030%、Al：0.01-0.06%，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的节钼型多元复合微合金抗震耐火钢，其特征在于，其重量百分比化学成分为：C：0.05%、Si：0.17%、Mn：1.35%、P：0.008%、S：0.002%、Cr：0.35%、Mo：0.20%、Nb：0.05%、V：0.03%、Ti：0.015%、B：0.0002%、Al：0.033%，其余为Fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的节钼型多元复合微合金抗震耐火钢，其特征在于，其重量百分比化学成分为：C：0.06%、Si：0.32%、Mn：1.45%、P：0.005%、S：0.003%、Cr：0.45%、Mo：0.18%、Nb：0.08%、V：0.04%、Ti：0.015%、B：0.0004%、Al：0.016%，其余为Fe和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的节钼型多元复合微合金抗震耐火钢，其特征在于，其重量百分比化学成分为：C：0.09%、Si：0.42%、Mn：0.74%、P：0.009%、S：0.002%、Cr：0.82%、Mo：0.15%、Nb：0.10%、V：0.02%、Ti：0.022%、B：0.002%、Al：0.05%，其余为Fe和不可避免的杂质。

5.如权利要求1所述的节钼型多元复合微合金抗震耐火钢的制造方法，将与所述抗震耐火钢具有相同组分的钢坯依次经过转炉或电炉工序冶炼，炉外精炼工序，钢水浇注连铸坯工序，加热炉加热工序以及中厚板轧机轧制工序；其特征在于：

所述加热炉加热工序：加热温度为1150-1280℃，时间为1-5小时，钢内部获得细小均匀的原始奥氏体组织；

中厚板轧机轧制工序：采用两阶段轧制工艺，粗轧轧制3-5道次，钢内部通过反复再结晶细化奥氏体；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℃，轧后获得薄饼状奥氏体组织；轧后经层流冷却，冷速15-25℃/s，使Nb的析出被抑制，终冷返红温度350-550℃，未析出的Nb在返红过程中从铁素体和贝氏体中单独析出，或与V、Mo复合析出，形成纳米第二相，并获得细晶铁素体和粒状贝氏体组织，随后空冷至室温。

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