CN105331880A

CN105331880A - 一种高强耐候桥梁钢及其制备方法

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Publication number: CN105331880A
Application number: CN201510768627.6A
Authority: CN
Inventors: 丁庆丰; 李国忠; 高助忠; 林涛; 杨宏伟; 于雄; 高俊
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2015-11-12
Filing date: 2015-11-12
Publication date: 2016-02-17

Abstract

本发明公开了一种高强耐候桥梁钢，化学成分按质量百分比计为C：0.03～0.06%，Si：0.20～0.50%，Mn：0.70～1.00%，P≤0.030%，S≤0.003%，Cu：0.25～0.60%，Ni：0.18～0.45%，Cr：0.30～0.70%，Nb：0.030～0.080%，Als≤0.010%，余量为Fe及不可避免的杂质，同时相应元素含量满足0.6≤[Ni]/[Cu]≤1.5，0.80%≤[Cr]+[Cu]+[Ni]/3≤1.30%。原料经冶炼-连铸-轧制-堆垛缓冷得到，具有强度高、低温韧性优良、屈强比低，焊接性能优良以及耐候性佳的优点。

Description

一种高强耐候桥梁钢及其制备方法

技术领域

本发明特种钢铁冶炼技术领域，具体涉及一种高强耐候桥梁钢及其制备方法。

背景技术

随着我国铁路建设的高速发展，各种跨江、跨峡谷的大跨度桥梁应运而生，对桥梁钢的需求日益增多，同时对桥梁钢性能提出了更严格的要求，该钢不仅具有高强度、低温韧性和良好的焊接性，还要求具有较低的屈强比和一定的耐候性。屈强比低表明钢材具有较好的塑性变形能力，是衡量桥梁钢抗震性能的重要指标。耐候性优良表明钢材具有较好的抗大气腐蚀能力，可明显减少桥梁的维护成本和提高其使用寿命。而传统的高强度桥梁钢耐候性较差，低温韧性一般，且屈强比较高。

专利CN201210072989.8公开了一种高性能桥梁钢，具有优良的低温韧性和焊接性能，但强度级别较低，不到560MPa，且耐腐蚀性系数I≤6.5。

专利CN201010606201.8公开了一种高韧性桥梁钢，该钢采用TMCP轧制工艺，低温冲击韧性-60℃下KV₂≥300J，具有优异的低温韧性，但其强度级别不到600MPa，耐蚀性系数I≤6.2。

美国专利US6315946公开了一种超低碳贝氏体耐候钢，其屈服强度≥450MPa，强度级别较低，且实物屈强比较高，冲击韧性指标较低，-35℃KV₂≥40J。该钢添加了微量硼(0.0015～0.0030%)，而硼元素不仅易在晶界偏聚而引起铸坯表面裂纹，还易引起钢板性能的不稳定。

专利CN200810046963.X公开了一种超低碳热轧耐候钢，采用超低碳成分设计，具有良好的低温韧性、焊接性能，但其Mn含量达到了1.50～1.90%，在钢中易产生带状组织，造成各向异性，组织结构不均。

综上所述，现有的桥梁钢存在强度不足、耐候性能差、低温韧性不足及屈强比偏高等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种桥梁钢及其制备方法，具有强度高、低温韧性优良、屈强比低，焊接性能优良以及耐候性更佳的桥梁钢。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为，一种高强耐候桥梁钢，化学成分按质量百分比计为C：0.03～0.06%，Si：0.20～0.50%，Mn：0.70～1.00%，P≤0.030%，S≤0.003%，Cu：0.25～0.60%，Ni：0.18～0.45%，Cr：0.30～0.70%，Nb：0.030～0.080%，Als≤0.010%，余量为Fe及不可避免的杂质，同时相应元素含量满足0.6≤[Ni]/[Cu]≤1.5，0.80%≤[Cr]+[Cu]+[Ni]/3≤1.30%。

本发明桥梁钢的性能满足：屈服强度≥560MPa，抗拉强度700～820MPa，延伸率≥22%，屈强比≤0.85，-50℃纵向冲击功KV₂≥120J，焊接冷裂纹敏感性系数Pcm≤0.18%，ASTMG101-01耐腐蚀指数I≥6.5。

本发明高强耐候桥梁钢的制备方法：冶炼原料经钢水冶炼后连铸成370mm或以上厚的连铸坯，将连铸坯加热至1160～1220℃，在炉时间为8～12min/cm×板厚；连铸坯出炉后进行轧制，采用两阶段轧制方式：第一阶段为初轧，开轧温度为1020～1090℃，终轧温度控制在970℃以上，初轧末三道次压下量≥40mm，初轧累计压下率≥70%；第二阶段为精轧，开轧温度为820～850℃，终轧温度为780～820℃，终轧厚度为6～70mm；轧后采用ACC控冷对钢坯进行冷却，返红温度为400～550℃，堆垛缓冷至室温即获得钢板成品。

与现有专利及生产技术相比，本发明的特点和有益效果：为了使发明钢具有高强度、高韧性、低屈强比、优良的焊接性和耐候性，同时便于生产和降低成本，本发明采用固溶强化、细晶强韧化、超低碳等设计理念，成分上设计多种合金复合添加，制备工艺上采用控轧控冷技术等，使钢板可以控轧控冷状态下交货，集强度高、韧性强、耐候性佳、屈强比低特点为一体，综合性能优异，相应的制备工艺具有流程简单，生产周期短，生产成本低的特点。本发明的主要合金元素加入基于以下原理：

C：采用超低碳成分设计，不仅提高钢的低温韧性，还利于单一贝氏体组织的形成，显著减少因异相之间电位差而引起的原电池腐蚀，明显提高钢的耐腐蚀性。但其含量过高会提高钢的Pcm值，恶化焊接性能，同时降低其低温韧性。因此本发明钢C为0.03~0.06%。

Si：适当提高钢的强度和耐大气腐蚀能力，但含量过高会恶化钢的焊接接头冲击韧性。因此本发明钢Si为0.20~0.50%。

Mn：通过固溶强化可提高钢的强度，也可降低钢的韧脆转变温度，改善钢的低温韧性。但含量过高会加剧铸坯的中心偏析，使铸坯中心易形成长条状夹杂MnS，对母材性能和焊接热影响区均有严重不良影响。因此本发明钢Mn为0.70~1.00%。

P：有助于提高钢的耐腐蚀性能，如果其含量高，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏。因此，本发明钢P≤0.030%。

S：对钢的低温冲击韧性有很大危害，如果其含量高，会产生焊接再加热开裂，而且还会恶化钢的耐大气腐蚀性能。因此，本发明钢S≤0.003%。

Ni：可同时提高钢板的强度、韧性和塑性，也可减轻因Cu的添加而引起的铸坯表面裂纹倾向，还可提高耐大气腐蚀能力。但Ni价格昂贵，加入量过多会显著提高钢的生产成本，因此本发明钢Ni为0.18-0.45%。

Cu：可在钢材表面形成致密且附着性很强的保护膜，阻碍锈蚀往里扩散和发展，保护锈层下面的基体，以减缓其腐蚀速度。通过固溶强化提高钢板的强度，但含量过高会使塑性显著降低，使钢坯加热或轧制时产生裂纹，恶化其表面质量，同时会增大Pcm值，恶化钢的焊接性能。因此本发明钢Cu为0.25-0.60%。

Nb：可以促进低温相变组织形成，且随着Nb含量的增加，钢中贝氏体含量增加，同时与C和N结合生成Nb（C、N），在位错、亚晶界和晶界处大量析出，对变形奥氏体的回复再结晶起到强烈的阻碍作用，使晶粒细化，提高钢的基体强度。但含量过高使钢的塑性和韧性降低，同时成本上升。因此，本发明钢Nb为0.030-0.080%。

Cr：与Cu、P等一起在钢表面形成致密氧化膜，减缓大气中氧和水向钢基体渗入，从而提高钢的耐大气腐蚀能力。通过固溶强化和析出强化能有效提高钢的强度。因此，本发明钢Cr为0.30-0.70%。

Al：过多的Al容易生成簇状氧化铝夹杂且使连铸坯表面产生裂纹，同时Al的氧化物也将影响钢的低温冲击韧性。因此，本发明钢Al≤0.010%。

本发明采用超低碳成分设计，显著改善了钢的焊接性能，同时减少了碳化物形成，以获得单一均匀贝氏体组织，提高钢的耐大气腐蚀性能及低温韧性；添加微量合金元素Nb，有效抑制奥氏体晶粒长大，通过高温大压下，细化奥氏体晶粒，最终得到细小的晶粒组织，通过细晶强化和韧化作用提高钢的强度和低温韧性；再通过添加微量Cu、Cr、Ni等微合金元素及控制一定比例，不仅可在钢表面形成致密氧化膜，从而达到耐候特性，还可提高钢的强度；通过Ni、Cu比控制，不仅可减少铸坯表面裂纹，还可提高钢的冲击韧性。

本发明钢采用两阶段轧制，第一段的开轧温度1020～1090℃，累计压下率≥70%，目的是使钢的奥氏体晶粒细化；第二阶段轧制是未结晶区控制轧制，开轧温度820～850℃，终轧温度为780～820℃，返红温度400～550℃，目的是通过热轧细化组织，产生大量位错，增加析出相的形核位置，促进析出相析出，提高钢的强度同时降低屈强比。在轧后不需要热处理，能够实现控轧控冷状态供货，有效保证了供货周期，降低了生产成本。

具体实施方式

以下结合本发明的较佳实施例对本发明的技术方案作更详细的描述。

本发明的桥梁钢的化学成分（按重量百分比）为，C：0.03～0.06%，Si：0.20～0.50%，Mn：0.70～1.00%，P≤0.030%，S≤0.003%，Cu：0.25～0.60%，Ni：0.18～0.45%，Cr：0.30～0.70%，Nb：0.030～0.080%，Als≤0.010%，余量为Fe及不可避免的杂质。

各实施例的桥梁钢及所选对比例的具体化学成分（wt%）见表1。

表1

实施例所涉及桥梁钢的具体制备工艺为，冶炼原料经铁水预处理，转炉炼钢，LF精炼后进行RH真空脱气，采用保护浇注连铸成370mm厚铸坯，将连铸坯加热至1160～1220℃，在炉时间为8～12min/cm×板厚；连铸坯出炉后进行轧制，采用两阶段轧制方式：第一阶段为初轧，开轧温度为1020～1090℃，终轧温度控制在970℃以上，初轧末三道次压下量≥40mm，初轧累计压下率≥70%；第二阶段为精轧，开轧温度为820～850℃，终轧温度为780～820℃；轧后采用ACC控冷对钢坯进行冷却，返红温度为400～550℃，堆垛缓冷至室温即获得钢板成品。

各实施例及所选对比例的具体轧制工艺参数见表2。

表2

在钢板1/4厚度处取样进行力学性能检测，结果见表3。

表3

本发明实施例所涉及的桥梁钢均满足屈服强度≥560MPa，抗拉强度700～820MPa，延伸率≥22%，屈强比≤0.85，-50℃纵向冲击功KV₂≥120J，而对比例中抗拉强度为680MPa，不满足≥700MPa要求，且屈强比较高，韧性值富裕量不大。

本发明实施例钢和对比例钢的低焊接裂纹敏感性系数Pcm和耐腐蚀指数I数据见表4。

表4

焊接冷裂纹敏感系数Pcm值越小，表明钢的焊接性能越好，焊接时不易产生焊接冷裂纹；耐腐蚀性指数I计算公式为美国材料与试验协会标准ASTMG101-01中修正的Legault-Leckie公式，I值越大，表明钢的耐腐蚀性越强。

从上述实施例结果可知，本发明的高强耐候桥梁钢，屈服强度≥560MPa，抗拉强度700～820MPa，延伸率≥22%，屈强比≤0.85，-50℃纵向冲击功KV₂≥120J，焊接冷裂纹敏感性系数Pcm≤0.18%，ASTMG101-01耐腐蚀指数I≥6.5。以上数据表明试验钢具有优良的力学性能，尤其是其低温韧性，同时具有良好的焊接性能和耐大气腐蚀性能。

Claims

1.一种高强耐候桥梁钢，其特征在于：化学成分按质量百分比计为C：0.03～0.06%，Si：0.20～0.50%，Mn：0.70～1.00%，P≤0.030%，S≤0.003%，Cu：0.25～0.60%，Ni：0.18～0.45%，Cr：0.30～0.70%，Nb：0.030～0.080%，Als≤0.010%，余量为Fe及不可避免的杂质，同时相应元素含量满足0.6≤[Ni]/[Cu]≤1.5，0.80%≤[Cr]+[Cu]+[Ni]/3≤1.30%。

2.根据权利要求1所述高强耐候桥梁钢，其特征在于：该桥梁钢的屈服强度≥560MPa，抗拉强度700～820MPa，延伸率≥22%，屈强比≤0.85，-50℃纵向冲击功KV₂≥120J，焊接冷裂纹敏感性系数Pcm≤0.18%，ASTMG101-01耐腐蚀指数I≥6.5。

3.一种制造如权利要求1所述高强耐候桥梁钢的方法，其特征在于：工艺步骤如下：

冶炼原料经钢水冶炼后连铸成370mm或以上厚的连铸坯，将连铸坯加热至1160～1220℃，在炉时间为8～12min/cm×板厚；连铸坯出炉后进行轧制，采用两阶段轧制方式：第一阶段为初轧，开轧温度为1020～1090℃，终轧温度控制在970℃以上，初轧末三道次压下量≥40mm，初轧累计压下率≥70%；第二阶段为精轧，开轧温度为820～850℃，终轧温度为780～820℃，终轧厚度为6～70mm；轧后采用ACC控冷对钢坯进行冷却，返红温度为400～550℃，堆垛缓冷至室温即获得钢板成品。