CN105063509A

CN105063509A - 屈服强度500MPa级桥梁用结构钢及其生产方法

Info

Publication number: CN105063509A
Application number: CN201510447971.5A
Authority: CN
Inventors: 邹德辉; 董汉雄; 董中波; 罗毅; 刘敏
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp; China Railway Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd; China Railway Corp
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2035-07-27
Also published as: CN105063509B

Abstract

本发明公开了一种屈服强度500MPa级桥梁用结构钢，其化学成分重量百分比为：C：0.01～0.09％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.80～2.10％，P≤0.018％，S≤0.005％，Cu≤0.40％，B≤0.0003％，Ni：0.10～0.55％，Mo：0.10～0.30％，Cr：0.15～0.60％，V：0.040～0.080％，Nb：0.010～0.035％，Ti：0.005～0.035％，Als≤0.060％，其余为Fe和不可避免杂质。生产步骤包括冶炼、铸造、加热、轧制、控冷和回火。本发明成本低廉，工艺简单，产品综合性能良好，可广泛应用于大跨度铁路桥梁等结构。

Description

屈服强度500MPa级桥梁用结构钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金材料中的低合金结构钢制造领域，具体地指一种屈服强度500MPa级桥梁用结构钢及其生产方法。

背景技术

目前，国内使用的桥梁用结构钢屈服强度级别一般为420MPa及以下，高强钢的应用较少。包括屈服强度500MPa级的桥梁用结构钢在内的高强钢在桥梁工程中的应用还存在如下诸多难题：钢的屈强比R_eL/R_m较高，低温韧性不稳定，焊接性较差；有的屈强比R_eL/R_m虽然较低，但其抗拉强度R_m超高；有的高强度桥梁钢需要采取特殊的制造工艺，其生产成本大幅度提高。

公开号为CN102312173A的中国发明专利申请公开了一种抗拉强度700MPa级大线能量焊接结构用钢及其制造方法，其产品的屈强比R_eL/R_m为0.85～0.90，过高的屈强比增加了结构的不安全性。

公开号为CN102433507B的中国发明专利申请公开了一种低屈强比易焊接高强钢板及其制备工艺，其化学成分简单，且生产工艺并不复杂，但其4项实施例中，有2项的屈服强度＜500MPa，另2项虽然屈服强度＞500MPa，但其抗拉强度＞750MPa，过高的抗拉强度增加了焊材匹配的难度，且其低温韧性仅要求为-20℃。

公开号为CN103014520A的中国发明专利申请公开了一种F+P+B型低屈强比高强度中厚钢板及其生产方法，其化学成分和生产工艺较为简单，但其抗拉强度＞850MPa，超高的抗拉强度增加了焊接的难度。

公开号为CN101619423A的中国发明专利申请公开了一种高强韧低屈强比易焊接结构钢板及其制造方法，其产品屈服强度＞500MPa，但微观组织中含少量马氏体，这种马氏体中含有大量的微裂纹，易成为疲劳裂纹的扩展源。

公开号为CN101876032B的中国发明专利申请公开了一种耐候桥梁用高强度钢板及其生产方法，其产品具备良好的综合性能，屈服强度为530～550MPa，但该加工方法工艺复杂，尤其是淬火+回火的热处理工艺，能耗大，周期长，不符合绿色钢种的设计要求。

因此，合理设计碳和合金元素的种类及含量，开发简单节能的生产工艺，研发出具有优异综合性能的屈服强度500MPa级桥梁用结构钢具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，解决目前国内屈服强度500MPa级桥梁用结构钢生产中的一些技术瓶颈，提供一种制造成本低、工艺简单、综合性能优良的屈服强度500MPa级桥梁用结构钢及其生产方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种屈服强度500MPa级桥梁用结构钢，钢的化学成分及其重量百分比如下：C：0.02～0.08％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.80～2.10％，P≤0.018％，S≤0.005％，Cu≤0.40％，B≤0.0003％，Ni：0.10～0.55％，Mo：0.10～0.30％，Cr：0.15～0.60％，V：0.040～0.080％，Nb：0.010～0.035％，Ti：0.005～0.035％，Als≤0.060％，其余为Fe和不可避免杂质；且同时满足：V/Nb＝2.0～2.7，碳当量CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.475％，焊接裂纹敏感性指数Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.23％；其金相组织为贝氏体+铁素体。

进一步地，钢的化学成分及其重量百分比如下：C：0.02～0.08％，Si：0.10～0.40％，Mn：1.20～1.70％，P≤0.018％，S≤0.005％，Cu≤0.40％，B≤0.0003％，Ni：0.15～0.50％，Mo：0.10～0.30％，Cr：0.15～0.60％，V：0.040～0.080％，Nb：0.015～0.030％，Ti：0.008～0.030％，Als≤0.060％，其余为Fe和不可避免杂质。

进一步地，钢的化学成分及其重量百分比如下：C：0.04％，Si：0.20％，Mn：1.40％，P：0.015％，S：0.003％，Cu：0.20％，B：0.0002％，Ni：0.20％，Mo：0.15％，Cr：0.20％，V：0.050％，Nb：0.022％，Ti：0.010％，Als：0.030％，其余为Fe和不可避免杂质。

本发明的屈服强度500MPa级桥梁用结构钢中各化学成分的作用如下：

碳(C)：碳是提高钢的强度的有效元素，当其含量较高时，如超过0.08％时，易形成马氏体而恶化钢的低温韧性，且其抗拉强度易超出上限，同时会恶化其焊接性能；当其含量较低时，如小于0.02％，会使钢板强度不足，同时也会增加冶炼时的难度。因此，控制碳含量范围为：0.02～0.08％。

硅(Si)：硅是常用的脱氧剂，有固熔强化作用，有利于提高钢的弹性极限和改善其综合性能，但Si含量较高时，降低了钢的韧性、塑性及延展性，易导致冷脆不利于焊接。因此，本发明将Si的含量目标值控制在0.1～0.40％。

锰(Mn)：锰是重要的强韧化元素，能增加奥氏体的稳定性，扩大γ相区奥氏体，促进钢的中温组织转变。Mn含量太高对钢坯中心偏析有不利影响，有损于钢板的韧性，并且在焊接时容易产生裂纹，Mn含量太低则不能有效促进中温组织转变，容易降低钢的强度。因此控制Mn含量范围为：0.8～2.10％。

磷(P)：磷在钢中为有害元素，其含量要严格控制，高的P含量会增加钢的冷脆倾向，并且P极易在钢坯的心部偏析，由于这种含P量高的强偏析带较脆，使得在轧钢后容易产生内在缺陷。本发明的磷含量控制为P≤0.018％。

硫(S)：硫在钢中为有害元素，高的S含量不仅会使钢板纵横向性能产生明显差异，同时也降低其低温韧性和Z向性能。本发明硫含量为S≤0.005％。

铜(Cu)：铜在钢中能提高其淬透性，主要起固溶及沉淀强化作用，此外还有利于获得良好的低温韧性，增加其抗疲劳裂纹扩展能力；但其加入量大于0.40％时，钢板的焊接热影响区韧性会降低，且钢坯在加热过程中易产生网裂。本发明的铜含量控制为Cu≤0.040％。

硼(B)：硼能提高钢的淬透性，但含量增加会向晶界偏聚增加裂纹敏感性。本发明中控制硼的含量为B≤0.0003％。

镍(Ni)：镍能提高淬透性，具有一定的强化作用，改善低温韧性，使基材和焊接热影响区低温韧性大幅度提高，同时Ni还能有效阻止Cu的热脆引起的网裂。当其加入量小于0.10％，则Ni起不到作用，但含量过高易造成钢板氧化铁皮难以脱落且增加钢的成本。因此控制Ni含量范围为：0.10～0.55％。

钼(Mo)：钼能使铁素体从奥氏体中析出并增加奥氏体的稳定性，对珠光体的形成具有强烈的阻碍作用，但Mo属于贵重元素，过量的Mo将会提高钢的成本；同时过高的Mo含量会使钢的低温韧性显著恶化，在焊接时形成马氏体，导致焊接接头脆性增加。因此控制钢中Mo含量范围为：0.10～0.30％。

铬(Cr)：铬可以提高钢的强度和硬度，但其含量过高则易增加焊接难度，而含量过低则不能有效发挥其作用。本发明中Cr的含量控制为0.15～0.60％。

钒(V)和铌(Nb)：在超低碳贝氏体钢中，仅添加大量的Nb，可显著提高强度，但由于其细化晶粒的效果极为明显，同时导致了屈强比偏高，因此，本发明中将Nb含量限制在较低水平，其强度的损失则通过添加适宜的V来保证。本发明中V的含量控制为0.040～0.080％。铌是强碳氮化合物形成元素，能提高钢的奥氏体再结晶温度，奥氏体可以在更高的轧制温度下进行轧制。此外Nb在控制轧制连续冷却过程中的析出强化作用，通过Nb的碳氮化物的应变诱导析出可以钉扎奥氏体晶粒，细化奥氏体晶粒并提高强度及低温韧性。但Nb含量大于0.035％时，在超低碳贝氏体钢中细化晶粒提高强度的效果非常明显，但也导致了钢板的屈强比过高；其含量小于0.010％时，也发挥不了其控轧作用。因此控制Nb含量范围为：0.010-0.035％。由于V细化晶粒的效果不如Nb明显，其提高强度的效果也不如Nb，因此，必须适当提高V的添加量；但是当V/Nb大于2.7时，会因为V的过量添加而降低钢的焊接性，当其比值小于2.0时，V提高强度的效果会降低。本发明控制V/Nb为2.0～2.7。

钛(Ti)：钛是强碳化物形成元素，可形成细微的TiC颗粒，细化晶粒；能防止产生晶间腐蚀现象，改善焊接性能。本发明钛含量为：0.005～0.035％。

铝(Al)：铝是钢中的主要脱氧元素，Al含量过高时将导致Al的氧化物夹杂增加，降低钢的纯净度，不利于钢的韧性。Al的熔点较高，在生产中，Al可以用来阻止晶粒长大。本发明中控制钛含量为Al≤0.060％。

进一步地，本发明的屈服强度500MPa级桥梁用结构钢通过元素种类和含量的科学设计，在添加适量合金元素的基础上实现了具有优良综合性能的桥梁用结构钢，其屈服强度R_eL为500～630MPa，抗拉强度R_m为630～750MPa，屈强比ReL/Rm≤0.83，-40℃冲击吸收功KV2≥250J，冲击试样纤维断面率≥90％，具有优异的焊接性能和冷加工成形性。

上述屈服强度500MPa级桥梁用结构钢的生产方法，包括如下步骤：冶炼、铸造、加热、轧制、分级控冷和回火；加热步骤中，板坯的加热温度为1180～1280℃；轧制步骤中，分两阶段控制轧制，粗轧温度为1000～1200℃，精轧温度为780～980℃；分级控冷步骤中，板坯温度在740～820℃时，控制冷却速率为1～3℃/s；板坯温度在480～740℃时，控制冷却速率为5～20℃/s；板坯温度≤480℃时，采用自然冷却方式冷却至室温。

进一步地，所述加热步骤中，板坯的加热温度为1200～1250℃。

进一步地，所述轧制步骤中，分两阶段控制轧制，粗轧温度为1080～1150℃，精轧温度为830～900℃。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用低C高Mn与Nb-V微合金化的成分设计，优化TMCP工艺条件，获得贝氏体+铁素体为主控组织的结构钢，保证其具有优异的强韧性匹配，且强度适中，其性能指标满足屈服强度为500～630MPa，抗拉强度为630～750Mpa，屈强比≤0.83，-40℃KV2≥250J，冲击试样纤维断面率≥90％，具有优异的焊接性能和冷加工成形性，可生产钢板厚度为10～60mm，应用范围为大跨度铁路桥梁等焊接结构。

2、从生产工艺上看，本发明采用TMCP工艺生产，工艺路线简单易控、生产周期短、成本低，工序成本和工序能耗低，符合绿色钢种的设计要求。

综上所述，本发明的屈服强度500MPa级桥梁用结构钢与国内外同等级别结构钢相比，合金成本低，制造工艺简单，性能优良，属于资源节约型钢种，具有很强的市场竞争力和广阔的应用前景，经济效益和社会效益明显。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例1-5的钢板的化学元素质量百分配比如表1所示，余量为Fe及不可避免的杂质。

注：对比例1为CN102433507B号专利中的实施例3，对比例2为CN103014520A号专利中的实施例2，对比例3为CN102312173A中的实施例1，以下同。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

1)冶炼并连铸成坯后对铸坯加热，控制加热温度在1180～1280℃；

2)进行热轧，并控制粗轧温度为1000～1200℃，精轧温度为780～980℃；

3)分级控冷：温度在740～820℃时，控制冷却速度为1～3℃/s；温度在480～740℃时，控制冷却速度为5～20℃/s；温度在480℃以下时，自然冷却至室温。

各实施例及对比例的主要生产工艺参数如表2所示。

表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表

需要说明的是表1及表2并非对应关系，仅为举例而已。

各实施例及对比例的性能参数如表3所示。

表3本发明各实施例及对比例性能参数表

由表1可见，对比例1和2合金含量较少，但是其碳含量偏高，并且钢中添加了强淬透性元素B，而B的添加，增大了炼钢的难度，同时也易使得钢板超强。对比例2中还添加了1.97％的Mn，这容易使该钢产生中心偏析。而对比例3中，V/Nb的比值仅为1.2，这说明对V/Nb的最佳配比尚无认识。

由表2可见，对比例1和2均在轧后冷却阶段实施强冷，即冷却速率较大，其中对比例1的终冷温度在200℃以下，较大的冷却速度，对设备的要求较高，并且终冷温度过低，容易造成钢板变形。同时3个对比例对分阶段控制冷却的认识不足，更为重要的是，对比例1和2采用了较大的冷却速率，而终冷温度又偏低，这使得钢板容易产生较大的残余应力，后续又未对钢板进行回火处理，这必将导致后续加工时钢板应力偏大，影响构件尺寸的精度。

由表3可见，对比例例1和2的抗拉强度均超强，而对比例例1、2和3的低温韧性均较差，且对比例均未明确冲击断口纤维断面率。

从表3可以看出：本发明实施例1～10结构钢力学性能为：屈服强度为500～630MPa，抗拉强度为630～750MPa，屈强比≤0.83，-40℃KV₂≥250J，冲击试样纤维断面率≥90％，具有优异的焊接性能和冷加工成形性，可生产钢板厚度为10～60mm，可广泛应用于大跨度铁路桥梁等焊接结构中。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

其它未经详细说明的部分均为现有技术。

Claims

1.一种屈服强度500MPa级桥梁用结构钢，其特征在于：钢的化学成分及其重量百分比如下：C：0.01～0.09％，Si：0.10～0.40％，Mn：0.80～2.10％，P≤0.018％，S≤0.005％，Cu≤0.40％，B≤0.0003％，Ni：0.10～0.55％，Mo：0.10～0.30％，Cr：0.15～0.60％，V：0.040～0.080％，Nb：0.010～0.035％，Ti：0.005～0.035％，Als≤0.060％，其余为Fe和不可避免杂质；且同时满足：V/Nb＝2.0～2.7，碳当量CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.475％，焊接裂纹敏感性指数Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.23％；其金相组织为贝氏体+铁素体。

2.根据权利要求1所述的屈服强度500MPa级桥梁用结构钢，其特征在于：所述钢的化学成分及其重量百分比如下：C：0.02～0.08％，Si：0.10～0.40％，Mn：1.20～1.70％，P≤0.018％，S≤0.005％，Cu≤0.40％，B≤0.0003％，Ni：0.15～0.50％，Mo：0.10～0.30％，Cr：0.15～0.60％，V：0.040～0.080％，Nb：0.015～0.030％，Ti：0.008～0.030％，Als≤0.060％，其余为Fe和不可避免杂质。

3.根据权利要求2所述的屈服强度500MPa级桥梁用结构钢，其特征在于：所述钢板的化学成分及其重量百分比如下：C：0.04％，Si：0.20％，Mn：1.40％，P：0.015％，S：0.003％，Cu：0.20％，B：0.00015％，Ni：0.20％，Mo：0.15％，Cr：0.20％，V：0.050％，Nb：0.022％，Ti：0.010％，Als：0.030％，其余为Fe和不可避免杂质。

4.根据权利要求1所述的屈服强度500MPa级桥梁用结构钢，其特征在于：所述钢的力学性能为：屈服强度R_eL为500～630MPa，抗拉强度R_m为630～750MPa，屈强比R_eL/R_m≤0.83，-40℃冲击吸收功KV₂≥250J，冲击试样纤维断面率≥90％。

5.一种权利要求1所述的屈服强度500MPa级桥梁用结构钢的生产方法，其特征在于：包括如下步骤：冶炼、铸造、加热、轧制、分级控冷和回火；所述加热步骤中，板坯的加热温度为1180～1280℃；所述轧制步骤中，分两阶段控制轧制，粗轧温度为1000～1200℃，精轧温度为780～980℃；所述分级控冷步骤中，板坯温度在740～820℃时，控制冷却速率为1～3℃/s；板坯温度在480～740℃时，控制冷却速率为5～20℃/s；板坯温度≤480℃时，采用自然冷却方式冷却至室温。

6.根据权利要求5所述的屈服强度500MPa级桥梁用结构钢的生产方法，其特征在于：所述加热步骤中，板坯的加热温度为1200～1250℃。

7.根据权利要求5所述的屈服强度500MPa级桥梁用结构钢的生产方法，其特征在于：所述轧制步骤中，分两阶段控制轧制，粗轧温度为1080～1150℃，精轧温度为830～900℃。